軌道交通閘機(jī)系統(tǒng)中的人體識(shí)別技術(shù)

牛國(guó)柱 宋 哲 李文文

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，210094，南京 ∥第一作者，副教授）

閘機(jī)作為地鐵系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制乘客通行的裝置。乘客在閘機(jī)刷卡后，閘機(jī)識(shí)別系統(tǒng)能分辨出是有效通行還是無(wú)效通行，進(jìn)而準(zhǔn)確開(kāi)、合閘門(mén)。乘客能否方便快捷地進(jìn)出閘機(jī)，取決于閘機(jī)性能的優(yōu)劣，這主要與閘機(jī)控制系統(tǒng)中的人體識(shí)別算法及相關(guān)硬件組成、布置相關(guān)。

1 乘客通行狀況分類(lèi)

研究人體識(shí)別算法，首先要對(duì)人體分類(lèi)。根據(jù)行人數(shù)量、是否攜帶物品及人自身的行為特征等，對(duì)人體通過(guò)閘機(jī)通道的情況進(jìn)行了初步的分類(lèi)，如表1所示。

表1 乘客通行情況分類(lèi)

2 傳感器空間位置布局

人體識(shí)別通常指人體生物特征識(shí)別方法。在閘機(jī)系統(tǒng)中，需要對(duì)通過(guò)行人進(jìn)行計(jì)數(shù)。本文中介紹的是通過(guò)點(diǎn)式傳感器的狀態(tài)來(lái)識(shí)別人體。為了合理布置傳感器的位置，需要對(duì)人體比例結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。人是通過(guò)各個(gè)關(guān)節(jié)將身體各部分聯(lián)系在一起的，對(duì)關(guān)節(jié)比例的分析即是對(duì)人體比例的分析。若把人的身高記為H，那么人體自上而下，肘關(guān)節(jié)為0.61 H，髖關(guān)節(jié)為0.47 H，腕關(guān)節(jié)為0.47 H，膝關(guān)節(jié)為0.27 H，踝關(guān)節(jié)為0.045 H［1］。因此檢測(cè)一個(gè)行人，就是要對(duì)這些區(qū)別于其它物體的人所特有的屬性點(diǎn)（稱(chēng)之為關(guān)鍵點(diǎn)）進(jìn)行檢測(cè)。

首先確定傳感器在垂直方向上的空間布局。地鐵閘機(jī)通常的尺寸在2 200mm長(zhǎng)、1 200mm高左右浮動(dòng)。而中國(guó)男性的平均身高為1 700mm，女性為1 600mm［2］。因此，當(dāng)人站在閘機(jī)中央時(shí)，腕關(guān)節(jié)正好位于閘機(jī)的上半邊緣處，膝關(guān)節(jié)處于閘機(jī)的中部，踝關(guān)節(jié)處于閘機(jī)的下半邊緣。人體軀干移動(dòng)、四肢的擺動(dòng)，就是在這幾個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)帶動(dòng)下完成的。據(jù)此，可以確定傳感器在縱向的大致位置，即腕關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)處。

其次，初步確定傳感器在水平方向上的位置。中國(guó)人的平均步長(zhǎng)為600mm左右，閘機(jī)入口距剪式門(mén)約1 100mm，故人體行走一步半至兩步可到達(dá)剪式門(mén)。閘機(jī)對(duì)人體的識(shí)別應(yīng)在這一區(qū)域內(nèi)完成。

3 算法分析

本文將1人、正常胖瘦高矮、不攜帶物品的通行視為正常通行，將攜帶物品、2人緊貼、跳躍匍匐、通道內(nèi)滯留、進(jìn)入通道后退回視為特殊通行?？紤]到特殊通行情況復(fù)雜，而正常通行根據(jù)人自身特點(diǎn)規(guī)律性較強(qiáng)，故算法以檢測(cè)到正常通行為基準(zhǔn)，然后再分別考慮各特殊通行，進(jìn)而完成對(duì)乘客通行狀態(tài)的判斷。

3.1 區(qū)域識(shí)別

圖1所示傳感器分布圖中只畫(huà)出閘機(jī)的一側(cè)，另一側(cè)與之完全對(duì)應(yīng)。依通行方向?qū)⒄麄€(gè)閘機(jī)分為檢測(cè)區(qū)、安全區(qū)和出口。檢測(cè)區(qū)用來(lái)檢測(cè)通行人數(shù)；安全區(qū)是為了避免夾傷乘客所設(shè)置的，傳感器檢測(cè)到乘客位于此區(qū)域，阻擋門(mén)不會(huì)關(guān)閉；出口表示乘客通過(guò)閘機(jī)。

圖1 傳感器分布圖［3］

區(qū)域識(shí)別思想，顧名思義指通過(guò)不同的區(qū)域識(shí)別行人的思想。人們從一個(gè)舊區(qū)域進(jìn)入到另一個(gè)新的區(qū)域是從無(wú)到有的一個(gè)無(wú)重復(fù)過(guò)程［3］。例如，圖1中傳感器S2開(kāi)始處于無(wú)遮擋狀態(tài)，當(dāng)人通過(guò)時(shí)處于被遮擋狀態(tài)，那么認(rèn)為人進(jìn)入了一個(gè)新的區(qū)域。把圍繞傳感器S1、S2、S4、S6一圈的部分作為第一個(gè)區(qū)域，記為“A1”。如果其中任意一個(gè)傳感器從未被遮擋狀態(tài)變?yōu)檎趽鯛顟B(tài)，則稱(chēng)人進(jìn)入了區(qū)域A1。記此時(shí)A1的狀態(tài)為“1”，否則為“0”。將S3、S5所圍的部分作為第二個(gè)區(qū)域A2，S7所圍區(qū)域作為第三個(gè)區(qū)域A3。那么一個(gè)正常通行行為，是A1、A2、A3的一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換（見(jiàn)圖2）。

圖2 區(qū)域識(shí)別狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖2 中，在t1到t2時(shí)刻，區(qū)域A1的狀態(tài)出現(xiàn)了0→1的變化；t2到t3時(shí)刻，區(qū)域A2的狀態(tài)出現(xiàn)了0→1的變化，且在A2出現(xiàn)0→1變化之后的時(shí)刻中A1再未出現(xiàn)0→1的變化。至此可判定有一名乘客通過(guò)。

如果對(duì)人體的步行特征進(jìn)行分析，可得到圖3所示傳感器的布局。人體在步行時(shí)總是一條腿作為支撐腿，另外一條作為擺動(dòng)腿［4］。如此反復(fù)交替，如果從外形上看，就是在雙腿叉開(kāi)跨步狀態(tài)到雙腿并攏站立狀態(tài)的不斷交換中行進(jìn)的［5］。當(dāng)人的前后兩個(gè)動(dòng)作出現(xiàn)差異時(shí)，說(shuō)明人體是在運(yùn)動(dòng)的，因此如果要檢測(cè)行人就需要檢測(cè)這樣一個(gè)運(yùn)動(dòng)。依據(jù)人體行走的兩個(gè)極端姿態(tài)來(lái)布置傳感器的空間位置。在進(jìn)入閘機(jī)處繪制警示黃線，提醒乘客在閘機(jī)外側(cè)刷卡。那么乘客刷卡進(jìn)入閘機(jī)的第一個(gè)動(dòng)作便是跨步狀態(tài)，由此設(shè)置S1、S2、S4作為第一個(gè)區(qū)域。第二個(gè)動(dòng)作是站立狀態(tài)，由區(qū)域2中的傳感器S3來(lái)檢測(cè)。接下來(lái)又向跨步狀態(tài)轉(zhuǎn)移，同樣的膝蓋與腳踝在前，然后是上身軀干，因此區(qū)域3由傳感器S5、S6組成。S2、S3傳感器兼有檢測(cè)兒童的功能。當(dāng)身高不足這一高度的兒童經(jīng)過(guò)時(shí)，不計(jì)入通行人數(shù)計(jì)數(shù)器中。

圖3 傳感器分布圖

區(qū)域識(shí)別思想的關(guān)鍵在于如何有效合理地對(duì)傳感器位置進(jìn)行區(qū)域的劃分。區(qū)域識(shí)別可以滿足檢測(cè)通過(guò)閘機(jī)乘客數(shù)量的要求，但當(dāng)后面乘客緊緊尾隨前面乘客進(jìn)入時(shí)，閘機(jī)會(huì)誤以為還在同一區(qū)域中，并未發(fā)生由舊的區(qū)域進(jìn)入新的區(qū)域這一情況，故對(duì)乘客的計(jì)數(shù)出錯(cuò)；當(dāng)與人體外形相似的物體進(jìn)入時(shí)，還會(huì)誤判為人進(jìn)入。

3.2 關(guān)鍵點(diǎn)識(shí)別

為進(jìn)一步簡(jiǎn)化傳感器的布局與數(shù)量，并保證快速檢測(cè)通過(guò)行人，彌補(bǔ)區(qū)域識(shí)別的不足，同時(shí)更清晰地區(qū)分人跟物體，需要找出人所特有的屬性。人在行走過(guò)程中，人體高度基本不變，寬度有變化但幅度不大，而下半部分腿部變化極為明顯。這是由于膝蓋帶動(dòng)著小腿做反復(fù)擺動(dòng)。人體腿部運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于在平面上繪制了一個(gè)扇形區(qū)域。分析擺動(dòng)的過(guò)程，膝關(guān)節(jié)是扇形的頂點(diǎn)，踝關(guān)節(jié)則是扇形弧上的某幾個(gè)點(diǎn)，比膝關(guān)節(jié)更容易判斷。因此，應(yīng)當(dāng)選取踝關(guān)節(jié)所處位置作為傳感器采集的關(guān)鍵點(diǎn)［6］。

以圖4所示S2傳感器為例，當(dāng)人體通過(guò)時(shí)，由于兩條腿的擺動(dòng)，傳感器的狀態(tài)會(huì)呈現(xiàn)“遮擋→未遮擋→遮擋→未遮擋”，記S2狀態(tài)為“1→0→1→0”。若只使用S2，則乘客的1只腳邁進(jìn)來(lái)之后又退回或者乘客跳躍著進(jìn)入等極端行為將與正常行為混淆。因此再加入傳感器S4、S5。判斷時(shí)，其中任意2個(gè)傳感器沿通行方向按照時(shí)間先后出現(xiàn)1→0→1→0時(shí)，即有1名乘客通過(guò)閘機(jī)通道。在閘機(jī)上端，人體髖關(guān)節(jié)位置處的S1傳感器是為了檢測(cè)兒童設(shè)置的。若S1未檢測(cè)到信號(hào)，則判斷是兒童。因?yàn)榕袆e行人通過(guò)的傳感器均位于閘機(jī)下方，為防止有人惡意跳躍，設(shè)置S3傳感器。正常通行時(shí)，S2、S4、S5的一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示。

圖4 傳感器分布圖

這種傳感器布置的方式，可以較好地區(qū)分人與物體。若物體經(jīng)過(guò)，傳感器的狀態(tài)會(huì)是“遮擋→未遮擋”；若有人尾隨通過(guò)，會(huì)出現(xiàn)2次“遮擋→未遮擋→遮擋→未遮擋”狀態(tài)。由于將傳感器設(shè)于腳踝處，這種識(shí)別思想可以省去判別人體前、后、側(cè)面背包的情形，簡(jiǎn)化了判別人體的種類(lèi)。

圖5 關(guān)鍵點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3.3 算法優(yōu)化

區(qū)域識(shí)別方法在乘客非惡意逃票時(shí)，能夠判別通過(guò)行人數(shù)量。針對(duì)人體所特有的下肢關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置傳感器的方法，能夠區(qū)分與人相似的物體，也可以提高2人緊貼尾隨情況的識(shí)別率；但對(duì)于穿大衣或者裙子的乘客，由于傳感器無(wú)法檢測(cè)到腳踝處的運(yùn)動(dòng)情況，會(huì)使判斷結(jié)果出錯(cuò)。因此，可以采用兩種算法相結(jié)合的思想，互為補(bǔ)充，達(dá)到有效判別乘客各種通行行為的目的。

通常乘客在刷卡進(jìn)入閘機(jī)的同時(shí)也在向閘機(jī)內(nèi)行走，故閘機(jī)首先檢測(cè)到的應(yīng)該是人的站立狀態(tài)（如前所述是膝蓋跟腳踝先進(jìn)入）。圖6中S1、S2就是據(jù)此布置的。緊接著進(jìn)入跨步狀態(tài)，S5、S3是前后腳腳踝處，S4為中間手腕處。這3個(gè)傳感器構(gòu)成區(qū)域2。乘客再向前就會(huì)經(jīng)過(guò)S6所在區(qū)域。為了使2個(gè)區(qū)域的跨度更明顯一些（這樣可以更容易區(qū)分2個(gè)不同的動(dòng)作），S6放在手腕處而不放在膝蓋處。S2、S3、S5同時(shí)兼做腳踝處3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)傳感器。

圖6 傳感器分布圖

4 試驗(yàn)及判定結(jié)果分析

根據(jù)識(shí)別算法及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖編寫(xiě)軟件。將區(qū)域識(shí)別和關(guān)鍵點(diǎn)識(shí)別結(jié)合起來(lái)，首先用區(qū)域識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行初步判定，然后再輔以關(guān)鍵點(diǎn)的修正。

本文針對(duì)幾種典型的通行行為，按圖6布置傳感器的空間位置，采集行人通過(guò)時(shí)各傳感器的狀態(tài)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 單人正常通行

1名乘客正常通過(guò)閘機(jī)時(shí)，各傳感器的狀態(tài)如圖7所示。圖7中橫條表示傳感器被遮擋，即狀態(tài)為“1”，空白處表示未被遮擋，即狀態(tài)為“0”。首先使用區(qū)域識(shí)別判斷：在t1時(shí)刻虛線與橫條交匯處，區(qū)域A1出現(xiàn)“0→1”的變化，t2時(shí)刻，區(qū)域A2出現(xiàn)“0→1”的變化，且在A2出現(xiàn)“0→1”變化之后A1再未出現(xiàn)“0→1”的變化，至此可初步判定有1名乘客。再用關(guān)鍵點(diǎn)判斷：在t3、t4時(shí)刻S3傳感器出現(xiàn)“1→0→1→0”的變化，在t6、t7時(shí)刻S5傳感器出現(xiàn)“1→0→1→0”的變化，故關(guān)鍵點(diǎn)亦判斷出1名乘客。則最終結(jié)果為1人通過(guò)閘機(jī)通道。

圖7 傳感器狀態(tài)圖

4.2 單人攜帶物品通行

當(dāng)1名乘客拖拽行李通過(guò)閘機(jī)通道時(shí)，各傳感器采集到的狀態(tài)如圖8所示。判定過(guò)程同上。區(qū)域判定中，A1、A2區(qū)域2次先后出現(xiàn)“0→1”，在此之后A1再未出現(xiàn)“0→1”，故判定為2人。關(guān)鍵點(diǎn)判定時(shí)，按時(shí)間先后，S2、S3傳感器出現(xiàn)“1→0→1→0”的變化，可判定為1人。最終認(rèn)為是1人攜帶物品通過(guò)閘機(jī)通道。

圖8 傳感器狀態(tài)圖

4.3 兩人緊貼通行

當(dāng)2名乘客距離較近通過(guò)閘機(jī)通道時(shí)，各傳感器采集到的狀態(tài)如圖9所示。區(qū)域判定結(jié)果為1名乘客。關(guān)鍵點(diǎn)判定時(shí)，按時(shí)間先后，在S2、S3傳感器出現(xiàn)“1→0→1→0”后，S3、S5傳感器又出現(xiàn)“1→0→1→0”，故判定為2人。最終結(jié)果為2人緊貼通過(guò)閘機(jī)通道。

圖9 傳感器狀態(tài)圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了地鐵閘機(jī)系統(tǒng)的區(qū)域識(shí)別算法，并逐步簡(jiǎn)化傳感器的數(shù)量與位置分布，提出了將區(qū)域識(shí)別和關(guān)鍵點(diǎn)識(shí)別相結(jié)合的思想。對(duì)1人、2人通過(guò)閘機(jī)的通行行為進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)幾種典型的通行情況作出試驗(yàn)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了算法的有效性。這種識(shí)別思想在識(shí)別率方面有了較大的提高，能很好地防止逃票行為的發(fā)生。

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