雙向人流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

林江山，徐金，劉歡，張文博，譚旭

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引 言

人流量統(tǒng)計(jì)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一， 其任務(wù)是利用視頻圖像分析技術(shù)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)通過(guò)某一場(chǎng)景的人流數(shù)量。由于人流信息是許多企業(yè)中做決策依據(jù)的一個(gè)重要信息， 因此該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。如公共場(chǎng)所監(jiān)控人流密度，通過(guò)數(shù)據(jù)管控以防踩踏事件；商場(chǎng)通過(guò)客流統(tǒng)計(jì)提高運(yùn)營(yíng)效率及服務(wù)質(zhì)量；景區(qū)統(tǒng)計(jì)游客數(shù)量方便人流限制，降低公共設(shè)備使用壓力。

隨著教育的普及和完善，學(xué)校的生源日益增多，快速有效的人流量統(tǒng)計(jì)已然成為校園管理中的一個(gè)重要參數(shù)。人流量統(tǒng)計(jì)正在由傳統(tǒng)人工統(tǒng)計(jì)向極具自動(dòng)化的人體識(shí)別方向發(fā)展，這也對(duì)校園管理者提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求：必須在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)學(xué)生的流量變化做出反應(yīng)，且需具備學(xué)生流量發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)見(jiàn)性以及最大限度地減少識(shí)別成本，提高校園日常管理決策的科學(xué)性，因此校園管理層對(duì)人流量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)的重視由來(lái)已久。

本文介紹基于百度AI的雙向人流量監(jiān)控系統(tǒng)，使用Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，百度人流量統(tǒng)計(jì)功能適應(yīng)各種人群密集場(chǎng)所，不僅可用于人流量的統(tǒng)計(jì)，甚至可進(jìn)行人體的識(shí)別及追蹤，準(zhǔn)確率高達(dá)90%以上。

1 百度API簡(jiǎn)介及開(kāi)發(fā)工具

1.1 百度API

百度提供的人流量統(tǒng)計(jì)功能包括靜態(tài)人數(shù)統(tǒng)計(jì)和動(dòng)態(tài)人數(shù)統(tǒng)計(jì)。靜態(tài)人數(shù)統(tǒng)計(jì)以頭部為識(shí)別對(duì)象統(tǒng)計(jì)瞬時(shí)人數(shù)，統(tǒng)計(jì)算法沒(méi)有人數(shù)限制，可適用于教學(xué)樓等人群密度場(chǎng)所。靜態(tài)人數(shù)統(tǒng)計(jì)是識(shí)別圖片中人數(shù)，不支持去重，圖片類型支持PNG、JPG、JPEG、BMP。動(dòng)態(tài)人流量統(tǒng)計(jì)以頭肩為識(shí)別目標(biāo)，進(jìn)行人體檢測(cè)和追蹤，用戶可指定區(qū)域范圍，根據(jù)人員流動(dòng)方向識(shí)別進(jìn)出人數(shù)。

調(diào)用百度人流量統(tǒng)計(jì)功能，首先需對(duì)接百度AI開(kāi)放平臺(tái)，進(jìn)行鑒權(quán)認(rèn)證，包括以下步驟：

（1）注冊(cè)登錄百度智能云平臺(tái)，獲取Access Key ID /Secret Access Key密鑰對(duì)。

（2）獲取Access Token，運(yùn)行下面代碼百度平臺(tái)將以JSON格式返回Access Token值和時(shí)效期。

1.2 MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)

在進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)，需要存儲(chǔ)大量歷史人流量數(shù)據(jù)，雖XML文件與文本文件也可以作為數(shù)據(jù)的載體，但不易進(jìn)行管理。經(jīng)過(guò)選型，MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)兼容性好，使用便捷，故在此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

為了避免在數(shù)據(jù)庫(kù)安裝過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，安裝前應(yīng)詳細(xì)地檢查MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)使用環(huán)境所需的配置組件，例如在缺少M(fèi)icrosoft相關(guān)組件時(shí)，當(dāng)進(jìn)行MySQL5.7的安裝時(shí)，系統(tǒng)會(huì)顯示由于缺少M(fèi)ySQL的部分模塊無(wú)法安裝。

1.3 Qt Creator

QtCreator是跨平臺(tái)的QT IDE，為我們提供圖形化的UI繪制工具。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用Qt來(lái)編寫圖形交互界面，在已搭建的Python環(huán)境中安裝對(duì)應(yīng)版本的PyQt5庫(kù)后，再選擇對(duì)應(yīng)版本的QtCreator就可以進(jìn)行編碼。

2 人流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括三個(gè)核心功能：圖片統(tǒng)計(jì)，視頻統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)查詢。圖片統(tǒng)計(jì)要求用戶按照格式上傳一張圖片，調(diào)用百度API返回?cái)?shù)據(jù)；視頻統(tǒng)計(jì)可使用本地視頻也可以調(diào)用攝像頭實(shí)時(shí)錄制達(dá)到動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)目標(biāo)；數(shù)據(jù)查詢將根據(jù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)總?cè)藬?shù)或者進(jìn)出人數(shù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。功能框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 圖片統(tǒng)計(jì)

首先用戶選擇一張圖片，該圖片允許不包含人。靜態(tài)統(tǒng)計(jì)通過(guò)發(fā)送post請(qǐng)求，其中請(qǐng)求URL為https://aip.baidubce.com/rest/2.0/image-classify/v1/body_num。請(qǐng)求參數(shù)包括三個(gè)：（1）參數(shù)“area”，可標(biāo)記單個(gè)或多個(gè)區(qū)域，最多支持10個(gè)區(qū)域。如果設(shè)置“area”參數(shù)，坐標(biāo)必須小于原圖大小，否則設(shè)置錯(cuò)誤。本項(xiàng)目設(shè)置單區(qū)域，因?yàn)閿z像頭面向教學(xué)樓入口，所以將設(shè)置矩形區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；（2）參數(shù)“image” 因?yàn)橐W(wǎng)絡(luò)傳輸圖片到百度AI平臺(tái)，所以對(duì)圖片進(jìn)行Base64編碼，網(wǎng)絡(luò)傳輸中只能傳輸可打印字符，其大小不能超過(guò)4M。Base64是一種基于64個(gè)可打印ASCII字符對(duì)任意字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的算法；（3）參數(shù)“show”，是否返回渲染圖，默認(rèn)為“false”，本系統(tǒng)設(shè)置為“true”。請(qǐng)求成功后將返回渲染圖以及統(tǒng)計(jì)到的人數(shù)。靜態(tài)統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)如圖2所示。

圖2 靜態(tài)統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)圖

3.2 視頻統(tǒng)計(jì)

視頻統(tǒng)計(jì)共包括兩個(gè)功能，可選擇本地視頻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，或打開(kāi)攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，兩種方式在統(tǒng)計(jì)處理上方法相同。傳入視頻抓拍圖片序列，進(jìn)行人體追蹤，返回每個(gè)人體框的坐標(biāo)和所屬ID；并根據(jù)目標(biāo)軌跡判斷進(jìn)出區(qū)域行為，進(jìn)行動(dòng)態(tài)人數(shù)統(tǒng)計(jì)，返回區(qū)域人數(shù)，同時(shí)可輸出渲染結(jié)果圖，包含統(tǒng)計(jì)值和跟蹤框渲染。

視頻由一幀一幀圖像組成，如果每幀圖像都發(fā)送到百度AI平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，必將影響效率且浪費(fèi)資源，所以抽幀頻率設(shè)置是否合理十分重要，本系統(tǒng)設(shè)置為5 fps，可以做到有效跟蹤，同時(shí)滿足百度AI平臺(tái)fps要大于2的要求。

動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)中設(shè)置區(qū)域參數(shù)“area”影響著進(jìn)出人數(shù)的準(zhǔn)確性，將預(yù)先設(shè)定區(qū)域坐標(biāo)傳至百度API，因攝像頭對(duì)準(zhǔn)教學(xué)樓大門，那么門可以作為界限。因不同攝像頭角度不同，需根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景調(diào)整區(qū)域位置。

本系統(tǒng)采用OpenCV讀取視頻，OpenCV提供一個(gè)簡(jiǎn)單易用的計(jì)算機(jī)視覺(jué)基礎(chǔ)庫(kù)，幫助人們快速構(gòu)建復(fù)雜的視覺(jué)應(yīng)用程序。實(shí)例化對(duì)象后獲得對(duì)象屬性按照百度AI平臺(tái)要求的數(shù)據(jù)格式，發(fā)送請(qǐng)求等待百度平臺(tái)通過(guò)AI算法完成對(duì)每幀靜態(tài)圖像的識(shí)別與處理，將結(jié)果返回，多幀連續(xù)處理后，達(dá)到人流量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。參數(shù)設(shè)置如下：

#設(shè)置區(qū)域參數(shù),返回渲染圖

params = {“area”: “1,1,700,1,700,200,1100,700, 1,700”, “case_id”: 16, “case_init”: “false”, “dynamic”:“true”,”image”: img,”show”: “true”}

不論是靜態(tài)統(tǒng)計(jì)還是動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)，只要當(dāng)人流量大于等于閾值，都會(huì)引起預(yù)警系統(tǒng)響應(yīng)，觸發(fā)彈窗提示，以便學(xué)校相關(guān)部門進(jìn)行干預(yù)，避免發(fā)生嚴(yán)重后果。動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)圖

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

人流量數(shù)據(jù)具有一定研究?jī)r(jià)值，首先學(xué)生活動(dòng)具有一定規(guī)律，大數(shù)據(jù)可幫助教務(wù)部門更清晰的規(guī)劃課程，提升上課體驗(yàn)，避免學(xué)生過(guò)多，教室間互相干擾；其次利用數(shù)據(jù)可分析風(fēng)險(xiǎn)，避免踩踏事件；最后利用統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)合理分配和優(yōu)化配置資源，如通過(guò)監(jiān)測(cè)人流量數(shù)據(jù)，如某教學(xué)樓正門經(jīng)常同一時(shí)間涌入大量學(xué)生，可規(guī)劃新增一扇門。由此可見(jiàn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的存儲(chǔ)十分有意義，所以要將統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

本系統(tǒng)使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，使用數(shù)據(jù)庫(kù)前需要安裝PyMySQL，PyMySQL是Python3.x版本中用于連接MySQL服務(wù)器的一個(gè)庫(kù)。

連接數(shù)據(jù)庫(kù)并設(shè)置配置信息如下：

3.4 界面設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)主UI界面采用QtCreator進(jìn)行開(kāi)發(fā)，因在widget.ui中定義了窗口上所有組件的屬性設(shè)置、布局，及其信號(hào)與槽函數(shù)的關(guān)聯(lián)等。而UI設(shè)計(jì)器可視化設(shè)計(jì)的界面都由 Qt 自動(dòng)解析，并以XML文件的形式保存下來(lái)。在界面設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)需要訪問(wèn)的組件修改其 objectName，如各個(gè)按鈕、需要讀取輸入的編輯框、需要顯示結(jié)果的標(biāo)簽等，以便在程序里區(qū)分。對(duì)于不需要程序訪問(wèn)的組件則無(wú)須修改其objectName，如用于界面上組件分組的 GroupBox、Frame、布局等，讓 UI 設(shè)計(jì)器自動(dòng)命名即可。

4 結(jié) 論

該系統(tǒng)基于百度API人流量統(tǒng)計(jì)接口，實(shí)現(xiàn)了圖片統(tǒng)計(jì)和視頻統(tǒng)計(jì)功能，該系統(tǒng)同樣適用于其他場(chǎng)所人流量統(tǒng)計(jì)，僅需調(diào)整動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)中區(qū)域參數(shù)即可。利用實(shí)際教學(xué)樓場(chǎng)景進(jìn)行了測(cè)試，本場(chǎng)景準(zhǔn)確率高達(dá)95%以上。所有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)庫(kù)中，聯(lián)合人流量上限告警功能，管理人員通過(guò)人流量數(shù)據(jù)可分析其風(fēng)險(xiǎn)因素，提高教學(xué)樓服務(wù)能力并排除安全隱患。該系統(tǒng)功能還不完善，光線及網(wǎng)絡(luò)延遲等外界因素，會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)確率下降，除此之外性能也有待提高，后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化。