現(xiàn)場(chǎng)工人安全識(shí)別裝置的研究

孫長(zhǎng)廷 杜齊 蔡宇

摘要：以人為本、生命至上，減少建筑工地安全事故發(fā)生率，能有效保障生命財(cái)產(chǎn)安全。以圖像識(shí)別技術(shù)為技術(shù)支持，結(jié)合建筑工人智能安全檢測(cè)系統(tǒng)，創(chuàng)新出一種勞保用品穿戴情況識(shí)別裝置。該系統(tǒng)識(shí)別率較高、硬件投資低、檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確率高、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。

關(guān)鍵詞：施工安全;圖像識(shí)別;建筑工人;安全檢查;深度圖像

1.建筑工人智能安全檢查系統(tǒng)的架構(gòu)

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

建筑工人智能安全檢查系統(tǒng)的核心硬件為深度攝像頭和計(jì)算機(jī)（PC），用于圖像采集、加工處理、結(jié)果顯示等。

1.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

首先對(duì)以下概念進(jìn)行定義。

1）需提前整合工人基本信息。同時(shí)錄入工作區(qū)域、工作地點(diǎn)、工作時(shí)長(zhǎng)等信息

2）安全裝置模型庫(kù)：使用3D軟件建立模型庫(kù)

3）行為數(shù)據(jù)庫(kù)：將人體簡(jiǎn)化為若干點(diǎn)的合集。然后使用專用相機(jī)捕捉各點(diǎn)，錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3系統(tǒng)運(yùn)行流程

以數(shù)字圖像處理技術(shù)為支撐，通過(guò)專用相機(jī)捕捉，與模型庫(kù)比較，計(jì)算出結(jié)果。

系統(tǒng)的各子功能運(yùn)行流程及實(shí)現(xiàn)方式如下：

1）身份識(shí)別：用專用攝像掃描，與模型庫(kù)對(duì)比。

2）安全設(shè)備檢查：用專用相機(jī)掃描，再與模型庫(kù)對(duì)比。采用了比較簡(jiǎn)單的模板匹配。

3）運(yùn)動(dòng)行為能力測(cè)試：要求工人在攝像機(jī)前完成指定動(dòng)作并錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。后期通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)比較，確定工人狀態(tài)。

2.建筑工人智能安全檢查系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

2.1實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

硬件方面，建筑工人智能安全檢查系統(tǒng)使用微軟公司推出的Kinect體感設(shè)備作為圖像采集工具。該設(shè)備包含彩色攝像頭、紅外攝像頭（圖3），可同時(shí)采集彩色圖像和深度圖像。其他設(shè)備還包含計(jì)算機(jī)、三腳架等。

軟件方面，該系統(tǒng)使用 OpenCV（Open Source Com-puter Vision Library）為平臺(tái)，包含背景建模、特征檢測(cè)、輪廓提取、圖像分割等多個(gè)圖像處理函數(shù)。采用C/C++語(yǔ)言，同時(shí)保留了 Matlab、Ruby、Ruby等接口，可在Win-dows、Mac OS、Linux操作系統(tǒng)中運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)測(cè)試

以若干工人為實(shí)驗(yàn)樣本，進(jìn)行了一系列測(cè)試。

具體測(cè)試項(xiàng)目及效果如下。

1） 自動(dòng)識(shí)別和最優(yōu)算法比較

調(diào)用對(duì)比直方圖函數(shù)，將獲取到的人臉信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中信息進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別。

本系統(tǒng)采用相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行匹配，圖像之間的最大相關(guān)系數(shù)為最佳匹配圖像，通過(guò)大量訓(xùn)練可以獲得穩(wěn)定的匹配效果。

2） 安全裝置的檢查和最優(yōu)算法的比較

模板匹配在源圖像中滑動(dòng)并搜索模板圖像，以獲得與最相似區(qū)域大小相同的兩個(gè)區(qū)域。模板匹配有六種方法，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，平方差匹配，歸一化平方差匹配，相關(guān)匹配，歸一化相關(guān)匹配，相關(guān)系數(shù)匹配，歸一化相關(guān)系數(shù)匹配。

R（x，y）=Σ[T（x'，y）·！'（x+x'，y+y'）]/Σr（x）·Σ"（x+x'，y+y）2

其中：

T'（x'，y） =T（x'，y）-/.n·ΣT（x"，x"）

?。▁+x'，x+y）=1（x+x'，y+y）-1.h·Σ /（x+x"，y+y"） 表達(dá)式中，T（x，y）表示模板圖像（x，y）的像素值，1（x，high，R表示匹配程度，R值越大，匹配效果和匹配度越高效果y）代表源圖像（x和y的像素值），w和h代表模板圖像的長(zhǎng)度和高度。

3.操作能力檢查

在檢查過(guò)程中，要求操作者在攝像機(jī)前執(zhí)行指定的動(dòng)作，系統(tǒng)跟蹤骨骼節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特征，然后進(jìn)行差異分析。

在行為特征識(shí)別過(guò)程中，我們建立以圖像左上角為原點(diǎn)并按像素縮放的坐標(biāo)系，并使用OpenCV自動(dòng)提取骨架坐標(biāo)和骨架角度。

3.1 識(shí)別

本次測(cè)試中，正確回答率為83.75%，具體效果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5?？紤]到夏季高溫和陽(yáng)光對(duì)工人膚色的影響，需要定期更換工人信息庫(kù)中的照片，以提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

3.2 安全設(shè)備檢查

測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頭盔識(shí)別準(zhǔn)確率為96.25%，檢測(cè)率沒(méi)有下降，效果穩(wěn)定。安全帶正確識(shí)別率為63.75%。

經(jīng)分析，安全帶識(shí)別準(zhǔn)確率低的原因如下：

在安全帶檢測(cè)過(guò)程中，服裝的某些部分很容易被誤認(rèn)為是安全帶，或者導(dǎo)致服裝的障礙物、氣密性、輪廓不清晰和被忽視的檢查。此外，當(dāng)頭盔暴露在光線下時(shí)，它往往會(huì)在白色背景后面留下類似于墻壁的輪廓陰影，這可能會(huì)導(dǎo)致頭盔錯(cuò)誤識(shí)別物體。

3.3 操作能力檢查

在本次測(cè)試中，為了加快計(jì)算速度，我們使用像素作為采集圖像的尺度來(lái)建立相對(duì)坐標(biāo)系，并根據(jù)向量計(jì)算角度。在這個(gè)過(guò)程中，獲取到的3D坐標(biāo)信息被人為壓縮成2D平面信息，丟失了一些信息。對(duì)此，骨節(jié)點(diǎn)角度本身的閾值設(shè)置是將根t得到的骨骼模型轉(zhuǎn)換成圖像后計(jì)算的，與測(cè)試過(guò)程中的骨節(jié)點(diǎn)角度計(jì)算方法相同，所以有3個(gè)可以將三維坐標(biāo)信息壓縮成二維坐標(biāo)信息。過(guò)程錯(cuò)誤。同時(shí)，駕駛行為能力測(cè)試的有效性取決于規(guī)定行為的設(shè)置，后續(xù)應(yīng)根據(jù)相關(guān)安全規(guī)則和要求，結(jié)合工種特點(diǎn)與具體施工活動(dòng)設(shè)置。

4.結(jié)論

在設(shè)計(jì)并測(cè)試了基于圖像識(shí)別技術(shù)的建筑工人智能安全檢查系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于識(shí)別建筑工人、檢查安全裝置和檢查操作行為能力。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確率為83.75%，頭盔識(shí)別準(zhǔn)確率為96.25%，安全帶識(shí)別準(zhǔn)確率為63.75%，滿足實(shí)際需求。上述系統(tǒng)可在普通計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，具有硬件投資低、檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確率高、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛等優(yōu)點(diǎn)。這彌補(bǔ)了傳統(tǒng)建筑安全自動(dòng)化水平低的缺點(diǎn)。管理領(lǐng)域。該系統(tǒng)還可用于礦山、電力等行業(yè)的安全檢查，具有推廣價(jià)值。

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