基于二維激光掃描儀的人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)在各個(gè)行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用需求和安全意義，目前主流的技術(shù)手段是依靠視頻識(shí)別、紅外感應(yīng)、RFID技術(shù)等，這些技術(shù)都存著在應(yīng)用場(chǎng)景限制、識(shí)別效率不高等缺點(diǎn)。本文提出了一種利用二維激光掃描儀監(jiān)測(cè)通過(guò)人數(shù)的技術(shù)，通過(guò)測(cè)量行人頭頂至肩膀的高度差判斷是否有行人通過(guò)并計(jì)數(shù)；通過(guò)判斷行人通過(guò)兩個(gè)二維激光掃描儀的順序統(tǒng)計(jì)行人行走方向。

關(guān)鍵詞：二維激光掃描儀；輪廓監(jiān)測(cè)；人數(shù)統(tǒng)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD171.178

1.引言

人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，是在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)經(jīng)過(guò)某個(gè)地點(diǎn)的人口的數(shù)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄，為事后的分析和預(yù)測(cè)提供直接的數(shù)據(jù)支持。人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍十分廣泛，機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、港口、商場(chǎng)、景區(qū)、住宅小區(qū)等許多行業(yè)和單位都有著類(lèi)似的需求。從數(shù)據(jù)的應(yīng)用效果來(lái)說(shuō)，對(duì)特定場(chǎng)所（區(qū)域）內(nèi)的人口總數(shù)和流動(dòng)方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)有著重要的意義：

1.1 經(jīng)濟(jì)意義

在通過(guò)人流量統(tǒng)計(jì)，可以清晰反映每個(gè)進(jìn)出口、每個(gè)樓層上下口、每個(gè)區(qū)域主要通道的客流量，而這些數(shù)據(jù)能夠提供一個(gè)量化分析結(jié)果，為招商、運(yùn)營(yíng)部門(mén)提供談判、決策的依據(jù)。避免傳統(tǒng)的依靠猜測(cè)、估計(jì)的做法，使管理更加科學(xué)。具體的應(yīng)用形式舉例：招商部門(mén)在招商談判過(guò)程中有實(shí)際的數(shù)據(jù)作為談判的依據(jù)，向租戶(hù)提供客流的數(shù)據(jù)；分析人流狀態(tài)、黃金時(shí)段，根據(jù)客流狀況靈活合理安排各部門(mén)人員的工作；判斷商業(yè)組合搭配是否合理、找出店鋪規(guī)劃盲點(diǎn)等。

1.2 安全意義

在景區(qū)、車(chē)站等人流容易聚集的場(chǎng)所，某一區(qū)域如果滯留的人數(shù)過(guò)多，會(huì)造成較大的安全隱患，利用人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，可以通過(guò)人流動(dòng)態(tài)的變化，了解人流動(dòng)線、通道設(shè)計(jì)，控制樓層、區(qū)域擁擠或者堵塞的情形?？蓪?duì)目標(biāo)場(chǎng)地內(nèi)的客流量控制做出一個(gè)精確的保安方案，嚴(yán)防由于客流量過(guò)多造成意外發(fā)生。

2 技術(shù)背景

目前主流的智能人數(shù)統(tǒng)計(jì)技術(shù)是通過(guò)圖像分析手段從視頻中分析出人數(shù)，是一個(gè)非常復(fù)雜的計(jì)算機(jī)視覺(jué)與人工智能問(wèn)題。有兩種主要解決方案：一是采用運(yùn)動(dòng)區(qū)域檢測(cè)算法提取運(yùn)動(dòng)區(qū)域，根據(jù)這些運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)區(qū)域和人的大小相似的時(shí)候，就可以認(rèn)為有人通過(guò)。當(dāng)多個(gè)人距離較近的時(shí)候，采用人體大小的先驗(yàn)知識(shí)，把一個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)域分割為多個(gè)單人區(qū)域，從而對(duì)人數(shù)的估計(jì)；第二種是基于圖像特征和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的算法，其基本原理是在圖像中采集一些反應(yīng)人體特點(diǎn)的比較粗糙的特征（如圖像邊緣密度等），然后通過(guò)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)人數(shù)與圖像特征之間的非線性關(guān)系。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)與人工智能技術(shù)的發(fā)展，新的更加可靠快速的人數(shù)統(tǒng)計(jì)算法與產(chǎn)品在不斷出現(xiàn)。視頻識(shí)別技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是硬件成本低廉，算法成熟，是目前應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)解決手段；但該方法受環(huán)境的影響較大，在光線環(huán)境復(fù)雜（或低光照）、人流量過(guò)大等情況下，統(tǒng)計(jì)精度會(huì)急劇下降。

另一種人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)是基于RFID技術(shù)，主要應(yīng)用在車(chē)站、景區(qū)等特殊場(chǎng)合。通過(guò)在門(mén)票火車(chē)票上印制RFID電子標(biāo)簽，當(dāng)行人持票通過(guò)事先布設(shè)的感應(yīng)天線時(shí)，系統(tǒng)會(huì)識(shí)別出電子信息并上報(bào)監(jiān)控端。RFID技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是識(shí)別精確、信息量大，不僅能統(tǒng)計(jì)出人口數(shù)量，同時(shí)能監(jiān)控包括人員姓名在內(nèi)的大量預(yù)設(shè)信息。但該技術(shù)必須要求流動(dòng)人口持有電子標(biāo)簽，對(duì)一些開(kāi)放性場(chǎng)合無(wú)法使用，同時(shí)在室外使用時(shí)，收天氣等環(huán)境因素的影響也較大。

除上述方法外，還有利用紅外感應(yīng)、激光監(jiān)測(cè)等方法來(lái)進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)，但都由于統(tǒng)計(jì)成本或檢測(cè)精度等問(wèn)題而無(wú)法大面積應(yīng)用。

3 二維激光掃描儀

二維激光掃描儀又被稱(chēng)作激光輪廓儀，是一種激光掃描技術(shù)，具有高頻率、高精度的特點(diǎn)，可以對(duì)物體的輪廓、二維尺寸、二維位移進(jìn)行精確和快速測(cè)量與檢驗(yàn)的儀器，并且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用十分廣泛。

二維激光掃描儀的工作是基于光學(xué)三角測(cè)量原理。半導(dǎo)體激光發(fā)生器發(fā)出的光，經(jīng)透鏡形成一個(gè)平面光幕，并在物體上形成一條輪廓線，利用鏡片收集被物體反射回來(lái)的光并將其投影到一個(gè)二維CMOS上，繼而利用信號(hào)處理器分析處理目標(biāo)物體剖面圖形，輪廓線的長(zhǎng)度用X軸計(jì)量，輪廓線的高低用Z軸計(jì)量。

理論上二維激光掃描儀可以測(cè)量任何類(lèi)型的目標(biāo)，具有高精度、高效率、受環(huán)境因素小等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中，二維激光掃描儀多被用在工業(yè)測(cè)量中用以檢測(cè)精密儀器、部件，精度可達(dá)微米級(jí)。本文以室外應(yīng)用的二維激光掃描儀為技術(shù)依據(jù)，這類(lèi)二維激光掃描儀具有IP67的防護(hù)等級(jí)，可以適應(yīng)室外較為復(fù)雜多變的自然環(huán)境，測(cè)量精度在毫米級(jí)。

4 檢測(cè)范圍

設(shè)二維激光掃描儀的掃描角度為2α，安裝位置距地面高度為L(zhǎng)。保證二維激光掃描儀掃描面與地面垂直，在同一高度安裝2臺(tái)掃描儀用以判斷行人通過(guò)方向，兩臺(tái)掃描儀間距為20cm。為確保正確統(tǒng)計(jì)，必須保證所有行人都在掃描儀掃描范圍之內(nèi)，如圖1所示。

圖1 有效統(tǒng)計(jì)區(qū)域示意圖

二維激光掃描儀應(yīng)安裝在商場(chǎng)、景點(diǎn)等場(chǎng)所的關(guān)鍵位置，如入口、電梯口、岔路口等。假設(shè)本系統(tǒng)能統(tǒng)計(jì)到的人類(lèi)最高身高為x，掃描儀安裝位置下方的道路寬度為2y，則掃描儀應(yīng)安裝的最低高度為：

L=y·arcctga+x

5 人數(shù)統(tǒng)計(jì)

設(shè)兩臺(tái)掃描儀編號(hào)為A，B。下面討論行人有A向B方向行走時(shí)的人數(shù)統(tǒng)計(jì)過(guò)程。

當(dāng)行人經(jīng)過(guò)掃描儀A正下方時(shí)，A獲取行人的輪廓，根據(jù)人類(lèi)的形態(tài)，最大高度應(yīng)為身高，而次高度為肩膀，且橫向距離應(yīng)在7.7cm以?xún)?nèi)（根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)），垂直距離差應(yīng)在30cm以?xún)?nèi)。如果檢測(cè)得到的輪廓滿(mǎn)足上述條件，且最大高度在120cm-210cm之內(nèi)，則判斷檢測(cè)得行人通過(guò)，計(jì)數(shù)器+1，并記錄該行人身高、肩寬、頭高數(shù)據(jù)。當(dāng)行人經(jīng)過(guò)掃描儀B下方時(shí)，再次檢測(cè)，并與掃描儀A檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)對(duì)比，如果誤差在閾值范圍之內(nèi)，則判斷行人有A走向B方向，檢測(cè)完畢。

6 總結(jié)

本文提出了一種利用二維激光掃描儀通過(guò)人類(lèi)頭部高度檢測(cè)行人，并統(tǒng)計(jì)人數(shù)和行進(jìn)方向的方法。二維激光掃描儀具有精度高，可靠性高，受外部環(huán)境小的優(yōu)點(diǎn)，可有效避免傳統(tǒng)視頻檢測(cè)方法的不足，是現(xiàn)有技術(shù)的有效補(bǔ)充。

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作者簡(jiǎn)介：白青文（1981.5.11-），四川遂寧人，院長(zhǎng)助理，工程師，研究方向：三維激光掃描技術(shù)與安全生產(chǎn)信息化。

作者單位：四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，成都，610041