基于視覺感知技術(shù)的機(jī)場(chǎng)旅客定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 涌，查 明

（上海寶信軟件股份有限公司 上海 201900）

1 引言

通常飛機(jī)航班管理很重視實(shí)時(shí)性，飛機(jī)需要嚴(yán)格遵照設(shè)定的時(shí)間起飛，這樣才能提升機(jī)場(chǎng)空間使用的周轉(zhuǎn)率、提升機(jī)場(chǎng)資源的使用效益[1]。乘客需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)機(jī)場(chǎng)候機(jī)并且嚴(yán)格遵守時(shí)間登機(jī)和值機(jī)；但是，在機(jī)場(chǎng)運(yùn)營過程中，經(jīng)常出現(xiàn)乘客誤機(jī)的事情，這不僅給乘客的出行造成不便，也不利于機(jī)場(chǎng)資源的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。建立旅客定位系統(tǒng)、基于定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)可控區(qū)域內(nèi)未登記旅客的實(shí)時(shí)確認(rèn)是解決這一問題的有效措施，同時(shí)乘客還可以利用這種定位系統(tǒng)尋找同機(jī)伙伴或者機(jī)組服務(wù)人員，享受智慧機(jī)場(chǎng)建設(shè)成果的福利[2]。傳統(tǒng)上機(jī)場(chǎng)旅客定位系統(tǒng)是采用主動(dòng)尋的方式實(shí)現(xiàn)，即需要待尋目標(biāo)隨身攜帶或者裝備應(yīng)答式定位信號(hào)發(fā)射裝置，將定位信息通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)或者局域網(wǎng)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送或者點(diǎn)對(duì)面廣播，由定位系統(tǒng)采集這種信號(hào)并進(jìn)行解析，從中辨識(shí)出待尋的目標(biāo)的精準(zhǔn)位置。這種系統(tǒng)操作和實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，但是只有當(dāng)用戶發(fā)起定位請(qǐng)求時(shí)通過復(fù)雜的通信鏈路選擇才能實(shí)現(xiàn)定位，并且定位系統(tǒng)無法自動(dòng)進(jìn)行尋的和定位，因此無法達(dá)到主動(dòng)進(jìn)行目標(biāo)定位的目的[3-4]。因此，本文基于視覺感知技術(shù)設(shè)計(jì)旅客定位系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)非合作目標(biāo)（也就是不確定待定位目標(biāo)的身份信息，只要定位系統(tǒng)打開，即可搜索并定位所有符合預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的待尋目標(biāo)）進(jìn)行主動(dòng)定位，從而在機(jī)場(chǎng)有限空間范圍內(nèi)確定所有待登記乘客的位置和身份信息，及時(shí)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者點(diǎn)對(duì)面的廣播時(shí)信息推送，提醒旅客及時(shí)登機(jī)。

2 基于視覺感知的旅客定位系統(tǒng)工作原理

2.1 視覺感知技術(shù)概述

視覺感知技術(shù)是圖像處理和目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的綜合，主要是利用攝像頭采集到的圖像信息進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和定位。高清晰的廣角攝像頭分布在特定空間區(qū)域內(nèi)，對(duì)指定目標(biāo)或者進(jìn)入空間區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行面部特征采集，之后將采集到的圖像信息通過高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速傳輸，經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行特征分析并與數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的人員信息進(jìn)行特征比對(duì)，根據(jù)比對(duì)得到的特征判斷目標(biāo)的身份和位置，完成特定的功能[5]。

2.2 旅客定位系統(tǒng)組成

基于視覺感知技術(shù)的旅客定位系統(tǒng)主要由以下分系統(tǒng)組成：圖像采集分系統(tǒng)，可以是高清晰的廣角攝像頭，分布在待檢空間區(qū)域的特定位置；局域網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)，具有大帶寬、快速傳輸?shù)男再|(zhì)，能夠確保大數(shù)據(jù)量的圖片和視頻信息進(jìn)行快速傳遞；計(jì)算機(jī)處理分系統(tǒng)，主要對(duì)采集到的圖像和視頻信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，包括預(yù)處理、特征識(shí)別、特征比對(duì)、特征判別、結(jié)果輸出等功能；數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能，既需要存儲(chǔ)歷史信息，也需要實(shí)現(xiàn)與相關(guān)身份信息識(shí)別部門的聯(lián)網(wǎng)并用，具有數(shù)據(jù)快速讀取和存儲(chǔ)功能。

2.3 旅客定位系統(tǒng)架構(gòu)模式

基于視覺感知技術(shù)的機(jī)場(chǎng)旅客定位系統(tǒng)采用中心節(jié)點(diǎn)+子節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)。中心節(jié)點(diǎn)具有計(jì)算能力較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)除了需要搭配常規(guī)CPU之外，還需要具備強(qiáng)大的GPU處理能力，這樣才能快速運(yùn)行圖形圖像處理算法、實(shí)現(xiàn)在線快速計(jì)算；子節(jié)點(diǎn)主要是各種分布式攝像頭和存儲(chǔ)器，攝像頭的布設(shè)依據(jù)機(jī)場(chǎng)待監(jiān)測(cè)區(qū)域的空間分布情況和最大候機(jī)人數(shù)進(jìn)行綜合確定，采用高空云臺(tái)進(jìn)行架設(shè)，存儲(chǔ)器包括圖像特征存取數(shù)據(jù)庫和特征比對(duì)數(shù)據(jù)庫，特征比對(duì)數(shù)據(jù)庫包括所有購買相關(guān)班次機(jī)票的旅客，待飛機(jī)候機(jī)時(shí)間開始后，特征比對(duì)數(shù)據(jù)庫開始啟動(dòng)直至飛機(jī)起飛后或者待機(jī)結(jié)束后該數(shù)據(jù)庫關(guān)閉，這樣做以減少數(shù)據(jù)庫工作時(shí)間并減輕定位系統(tǒng)的工作壓力、降低資源無效消耗率。

子節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)共同協(xié)調(diào)配合完成旅客身份識(shí)別和定位功能；子節(jié)點(diǎn)也具有旅客身份識(shí)別和定位的能力，從而降低中心節(jié)點(diǎn)的資源消耗、提高中心節(jié)點(diǎn)的工作效率。具體來說，可以對(duì)機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓進(jìn)行區(qū)域劃分，在入口一定距離范圍內(nèi)的旅客由中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特征采集和比對(duì)識(shí)別，經(jīng)過該區(qū)域、繼續(xù)進(jìn)入候機(jī)樓內(nèi)部區(qū)域的旅客由子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特征采集和比對(duì)識(shí)別；相應(yīng)地對(duì)特征比對(duì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的已知身份信息進(jìn)行分類，可以分為活躍用戶和非活躍用戶兩類，將中心節(jié)點(diǎn)識(shí)別并對(duì)比的數(shù)據(jù)歸結(jié)為非活躍用戶、將子節(jié)點(diǎn)識(shí)別并比對(duì)的數(shù)據(jù)歸結(jié)為活躍用戶，這兩類用戶信息可以由中心計(jì)算機(jī)和子節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分別調(diào)用，這樣可以提升數(shù)據(jù)庫信息的輸出速度。對(duì)旅客身份進(jìn)行識(shí)別和確定之后，根據(jù)攝像頭架設(shè)位置、采集到的旅客圖像特征像素大小等幾何尺寸信息，預(yù)估出旅客在候機(jī)大廳內(nèi)部的準(zhǔn)確位置，從而便于機(jī)場(chǎng)服務(wù)人員第一時(shí)間對(duì)旅客進(jìn)行身份識(shí)別、位置確定并及時(shí)聯(lián)系上旅客。

另外，旅客信息數(shù)據(jù)庫需要進(jìn)行在線維護(hù)，具體來說就是當(dāng)某一批次登機(jī)旅客中的第一位進(jìn)入機(jī)場(chǎng)待檢區(qū)域后，攝像頭第一時(shí)間采集到旅客的特征信息上傳至中心節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)，此時(shí)該批次所有旅客的身份信息全部進(jìn)入緩存待調(diào)用狀態(tài)，供中心節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)用；當(dāng)待機(jī)時(shí)間結(jié)束或者登機(jī)時(shí)間結(jié)束后，該批次所有旅客的身份信息全部在數(shù)據(jù)庫中清除，釋放出空間調(diào)用和讀取下一批次旅客身份信息。

3 基于視覺感知的旅客定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)解析

3.1 攝像頭圖像信息的預(yù)處理

對(duì)于攝像頭采集到的圖像信息，在輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行特征分析前需要進(jìn)行預(yù)處理。首先需要灰度化，將攝像頭RGB 3個(gè)通道的亮度進(jìn)行加權(quán)求和，然后取平均值，利用此平均值作為灰度化的基礎(chǔ)；灰度化結(jié)束后，需要對(duì)灰度圖像進(jìn)行空間變換，通過平移、轉(zhuǎn)置、旋轉(zhuǎn)、縮放等幾何處理方法將校正采集到的圖像與攝像頭成像角度、透視關(guān)系等參數(shù)之間的隨機(jī)誤差，必要時(shí)可以采用灰度插值算法進(jìn)行輔助計(jì)算，通過空間變換對(duì)圖像信息進(jìn)行補(bǔ)充和修復(fù)，確保圖像信息中位置信息的無缺失或者少缺失。對(duì)于一些不清晰的圖像，必要時(shí)可以進(jìn)行降噪處理，此時(shí)可以利用鄰域去噪法，將圖像在頻率域中進(jìn)行處理，利用鄰域圖像信息數(shù)據(jù)對(duì)受到噪聲污染的圖像信息進(jìn)行補(bǔ)充，從而獲得高清晰的圖像。

3.2 圖像信息的特征提取

利用圖像信息進(jìn)行旅客身份識(shí)別和定位時(shí)，可以選擇臨近像素點(diǎn)之間的距離作為圖像特征。對(duì)特定時(shí)刻的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以利用邊緣檢測(cè)的方法進(jìn)行特征信息的提取。將攝像頭采集到的機(jī)場(chǎng)旅客圖像中局部強(qiáng)度不連續(xù)的像素集合作為待檢測(cè)邊緣，基于不同檢測(cè)邊緣之間的陰影、亮度等的變化進(jìn)行邊界分割，將這些特征結(jié)合旅客的面部特征（比如臉部輪廓）和體型特征等定義為邊緣檢測(cè)算子，利用不同的邊緣檢測(cè)算子識(shí)別方法進(jìn)行特征提取。

3.3 人臉特征信息的跟蹤

進(jìn)行旅客身份識(shí)別和定位時(shí)，高清攝像頭采集進(jìn)入視場(chǎng)內(nèi)的旅客臉部信息，在一段時(shí)間內(nèi)采集到的特征信息組成時(shí)間數(shù)據(jù)序列，中心計(jì)算機(jī)利用該段時(shí)間數(shù)據(jù)序列進(jìn)行特征提取和比對(duì)時(shí)，需要從該段序列信息中抽取某個(gè)時(shí)刻或者某段時(shí)間內(nèi)的特征信息進(jìn)行計(jì)算。實(shí)現(xiàn)這一目的可以使用全局最近鄰算法。

全局最近鄰算法的核心思想是在特定時(shí)刻t，將攝像頭所檢測(cè)到的人臉特征信息表示為集合，其中m和n表示攝像頭所具有的橫向和縱向的像素分辨率（也就是所采集到的圖像的縱橫兩個(gè)方向的像素?cái)?shù)），x表示所選擇的狀態(tài)變量（一般選擇為距離）；將目標(biāo)集合在該時(shí)刻的狀態(tài)表示為；特征矩陣表示該時(shí)刻所檢測(cè)到的旅客人臉特征信息與目標(biāo)特征信息之間關(guān)聯(lián)方式的集合，在此情況下多目標(biāo)追蹤過程可以表示為公式（1）所示的最優(yōu)化問題：

求解公式（1），即可獲得特定時(shí)刻所檢測(cè)到的旅客人臉特征信息與目標(biāo)特征信息之間的關(guān)聯(lián)方式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)旅客信息的實(shí)時(shí)跟蹤。

將旅客特征信息與目標(biāo)數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的特征信息進(jìn)行比對(duì)，設(shè)定目標(biāo)信息重合度閾值，當(dāng)旅客特征信息與目標(biāo)特征信息重合度達(dá)到該閾值時(shí)，即可認(rèn)定兩者的特征信息高度匹配、屬于同一個(gè)人，從而給出相關(guān)的信息數(shù)據(jù)。

3.4 旅客目標(biāo)定位

為了進(jìn)行旅客目標(biāo)的定位，需要建立攝像頭坐標(biāo)系和特征旅客本體坐標(biāo)系，根據(jù)兩者之間的空間角度關(guān)系確定坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，結(jié)合坐標(biāo)系變換關(guān)系和旅客與攝像頭之間的距離，計(jì)算出旅客位置相對(duì)于攝像頭之間的結(jié)合關(guān)系，將它們同時(shí)變換到空間慣性坐標(biāo)系中。在空間慣性坐標(biāo)系中利用幾何關(guān)系對(duì)旅客相對(duì)于攝像頭的位置進(jìn)行計(jì)算，必要時(shí)考慮到旅客圖像的面積輪廓，利用輪廓在攝像頭視場(chǎng)中所占用的像素比例數(shù)來對(duì)空間位置進(jìn)行修正。

4 結(jié)語

基于視覺感知技術(shù)的旅客機(jī)場(chǎng)定位系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的主動(dòng)式定位系統(tǒng)，它避免了無線信號(hào)的發(fā)射與搜尋，可以利用攝像頭采集到的圖像信息直接進(jìn)行計(jì)算，不易受到無線電信號(hào)的干擾。但是，這種技術(shù)對(duì)攝像頭采集到的圖像信息質(zhì)量要求較高，圖像需要高清，同時(shí)旅客特性比較好識(shí)別和尋找，這樣才能快速識(shí)別并減少對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的壓力；另外，需要提前布設(shè)好攝像頭的空間位置，建立攝像頭坐標(biāo)系與旅客坐標(biāo)系以及慣性坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，這樣才能計(jì)算出相對(duì)精確的旅客位置信息。本文分析了基于視覺感知的旅客定位系統(tǒng)的工作原理，明確了視覺感知技術(shù)的基本原理并設(shè)計(jì)了旅客定位系統(tǒng)的組成和架構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)備的搭建；在此基礎(chǔ)上對(duì)基于視覺感知的旅客定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，重點(diǎn)分析了攝像頭圖像信息的預(yù)處理技術(shù)、圖像信息的特征提取技術(shù)、人臉特征信息的追蹤技術(shù)和旅客目標(biāo)定位技術(shù)，這些技術(shù)共同構(gòu)成了旅客定位系統(tǒng)的軟件運(yùn)算基礎(chǔ)。后續(xù)研究過程中，需要對(duì)軟硬件之間的接口進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)結(jié)合具體任務(wù)需求對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行選型分析和搭建，對(duì)軟件算法部分進(jìn)行改進(jìn)，在能夠滿足實(shí)際使用需求的前提下，進(jìn)一步探索提高圖像處理速度和定位精度的方法。