人體識別系統中通行識別技術的研究

摘 要：人體識別系統是城市軌道交通自動售檢票系統的關鍵組成部分。為了對人體識別系統中通行識別技術進行研究，采用對射式紅外傳感器采集通行目標的通行狀態，在通道兩側分別安裝傳感器，在Matlab仿真的基礎上將步態識別方法與人體識別規則相結合，分析閘機通道內通行目標的類型和數量，對其新型識別方法進行實驗，實驗結果表明該識別方法有效可靠。

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關鍵詞：紅外傳感器； Matlab仿真； 步態識別； 人體識別

中圖分類號：

TN911.7-34; TP212

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0172-03

Study on traffic recognition technology in human recognition system

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ZHOU Fan1， JIAO Ke-jie2， NIU Guo-zhu1

(1.School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science Technology， Nanjing 210094， China；

2. Nanjing Panda Information Industry Company Limited， Nanjing 210002， China)

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Abstract：

Human recognition system plays an important role in urban mass transit automatic fare collection system. The recognition technique of common channel in human recognition system is studied. The infrared sensors were used on the both sides of the gate common channel to acquire target traffic states. On the basis of Matlab simulation， gait recognition method and human recognition rules were connected together. The number of targets and the access types in the gates channel are tested. This results of this new method show that the new recognition method is effective and reliable.

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Keywords： infrared sensor; Matlab simulation; gait recognition; human recognition

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收稿日期：2011-08-16

0 引 言

隨著社會的進步，地鐵作為城市軌道交通中的重要組成部分在人們的生活中發揮著至關重要的作用。傳統方式逐步被新型方式取代，現在的自動售檢票系統(Automatic Fare Collection system，AFC)是一種由中央處理單元控制的集自動售檢票功能為一體的自動化處理系統。人體識別系統主要運行在閘機設備上，利用其內部的識別技術對乘客的行為進行識別，從而實現自動檢票[1-2]。系統中運用的通行識別技術是十分重要的環節，它是保證持票乘客正常通過、阻止無票乘客進出的“守門人”，在城市軌道交通中發揮著重要作用。

識別技術中的步態識別方法是重要的識別方式之一。步態識別方法是通過人體的通行特征來區分通行者和與通行者十分相似的物體，并且融合了計算機視覺技術、模式識別技術與視頻圖像序列識別技術，是特征生物技術的一個新興研究領域，具有廣闊的應用前景[3-4]。本文利用Matlab實現對通道內通行目標進行仿真，綜合步態識別技術進行識別驗證，實驗證明，借助Matlab平臺對通道內通行的物體進行識別具有很好的準確性和可靠性。

1 人體識別系統

人體識別系統是城市軌道交通閘機中的核心部分，是閘機的“思維中樞”。閘機人體識別系統是由控制通行模塊和閘機上的若干傳感器組成，它將人體識別技術、現代傳感器技術和計算機技術相結合，檢測通行通道內通行目標的通行情況，將檢測結果報告給控制通行模塊，控制通行模塊根據檢測結果來控制閘機其他部分的工作。因此，人體識別系統的研究是整個閘機系統設計的關鍵，它的優劣不僅是衡量閘機性能的主要標準，而且還關系到整個自動售檢票系統的成敗。

閘機人體識別系統中的通行通道是由兩臺平行放置的閘機組成，對射式紅外傳感器分別布置在兩端的閘機上，一端為傳感器的發射端，另一端則為傳感器的接收端。控制通行模塊是人體識別系統的核心組件，是連接系統軟件和硬件設置的中心紐帶。當傳感器檢測到有目標進入通道時同時檢查是否存在刷卡信號：如果不存在刷卡信號，則檢查是否達到收費的身高要求，未達到收費的身高要求則打開扇門允許通過，如達到收費的身高要求則為非法通行并進行報警處理；如果存在刷卡信號，則查詢進入通行通道的目標個數與刷卡次數是否一致，不一致則為非法通行并進行報警處理，一致則打開扇門使其通行，并且通過傳感器再次檢測離開通行通道的目標個數是否與刷卡次數一致，不一致則為非法通行并進行報警處理，一致則為合法通行。控制通行模塊主要通過采集到的傳感器的顯示狀態，分析得出通行目標的類型與數量，得出進入通道通行的人數，檢查是否與刷卡時人數一致，如不同，則判別為非法通行啟動報警裝置；如相同，則打開扇門將其通過，并同時通過傳感器檢測通行目標離開通道時是否與刷卡時人數一致，不一致則判別為非法通行啟動報警裝置，一致則為合法通行。人體識別系統通行基本流程圖如圖1所示。

圖1 人體識別系統通行基本流程圖

2 仿真實驗

2.1 通道傳感器布置

使用對射式紅外傳感器采集通道內通行目標，對射式紅外傳感器由發射端和接收端兩部分組成，它可以用來檢測在發射端和接收端之間是否存在通行目標[5]。當在發射端和接收端之間不存在通行目標時，接收端則會接收到對應發射端發射的紅外線，此時傳感器所對應的工作狀態為0；當在發射端和接收端之間存在通行目標時，通行目標會遮擋發射端發射的紅外線，相對應的接收端則不會接收到紅外線，此時傳感器所對應的工作狀態就變為1。則t時刻，所有的傳感器狀態均可以用0或者用1來顯示。

本實驗中根據GB 10000-1988中國成年人人體尺寸[6]布置12對傳感器，傳感器1~4對用于檢測通行目標是否進入通道，分別布置于小腿、大腿及臀部位置；傳感器5~10對用于步態識別，分別布置于腳踝位置；傳感器11~12對用于檢測通行目標是否離開通道，布置于直立行走時臀部、坐時頭部位置。狀態數據分為四個部分，分別用1隔開，數據前三個部分分別對應三類傳感器，最后一個部分為通行目標通行的時間。當t時刻通道內無人通行時，數據顯示為10000，1000000，100，t。如圖2所示，顯示為無人通行時傳感器狀態圖。圖中0顯示為白色，1則顯示為黑色，橫坐標對應數據顯示格式。

圖2 無人通行時傳感器狀態

2.2 通行識別方法

2.2.1 步態識別方法

步態識別是近年來計算機視覺和生物特征識別領域備受關注的一個研究方向，主要根據人體行走過程中雙腿直立行走這一特殊行為特征進行身份識別。與其他生物特征識別技術[7](例如指紋、語音、人臉等)相比，步態識別的優勢在于非接觸性、非侵犯性、易于感知、難于隱藏、難于偽裝[8]。本實驗的步態識別方法是借助對射式紅外傳感器對閘機通道內通行狀態中人體與物體進行識別的方法，是在人體步態的XYT 模型的基礎上，通過對人體特殊的步態特征定義來區分人體與物體。

在含有傳感器組成的通行通道內，人體行走與物體在通過傳感器時會產生一系列與時間序列相聯系的離散點，每個時間點傳感器的狀態則相應地反應出當時狀態下人體與物體遮擋傳感器的情況。在本實驗中，借助Matlab[9]仿真平臺顯示通行目標通過通道時傳感器的狀態，如果人體通過通道時，由于人體特殊的行走規律，會產生特殊的雙絞線模型，而物體通過通道時，則是連續遮擋鋸齒模型，對這些離散數據進行處理，人體識別系統則可以對人體與物體進行區分。人體通過時傳感器狀態如圖3所示。

如圖3所示，橫坐標對應數據顯示格式，顯示傳感器的狀態，縱坐標代表時間(單位:s)，中間6個傳感器為步態檢測傳感器。人體的行走過程可以分為若干個步態周期的組合[10]。在采集數據中可以看到，用于采集步態識別的傳感器有數據缺失的現象，采樣點的限制造成了數據的缺失，因此理論上傳感器布置的數量越多，采集到的數據越充分，仿真效果就越準確，人體識別系統的識別率越高。但是，傳感器數量的增多會帶來很多其他問題，因此，要獲得高的識別率還要進行大量實驗以確定傳感器數量的最佳值。

人體與物體共同通行時傳感器狀態如圖4所示。從結果顯示中可以看出人體的雙腳步態特征：兩腳前后遮擋傳感器，一腳先遮擋傳感器，另一只腳隨后遮擋并且遮擋時間不一致。物體特征：一直遮擋傳感器。由上述特征可以檢測出通行通道中的通行目標的類型和數量，從而將檢測結果傳輸給控制通行模塊，以便更好地控制系統中其他設備的正常工作。

圖4 人體與物體共同通行時傳感器狀態

2.2.2 人體識別規則

人體識別規則是通過人體庫綜合通行規則方法對通行通道內的目標進行判定，由于采用之前所述傳感器布置方案，人體識別可以對各種不同的人體通行情況進行有效識別。

人體庫是對通行目標進行逐一分類，實現對已經在自動檢票機刷卡即將在閘機通行通道內通行人體的識別，結合人體識別系統：按身高：身高低于130 cm的兒童不需要購票，只需針對高于130 cm的通行目標進行識別； 按胖瘦：胖(包括女士懷孕)、正常、瘦；按穿著：顯示兩腿、顯示三條腿(拐杖)、顯示一條腿(殘疾、穿長裙)；按通行個數：單人通行、多人通行；多人通行間隔：緊貼、并排、正常。

通行規則是對不同人體通行過程中通行狀態進行識別，實現對自動檢票機刷卡即將在通道內通行人體的識別：人體正常行走；人體攜帶物體正常通行；人體非法通行。

人體識別規則是人體庫綜合通行規則的方法控制閘機的正常運行以實現對通道通行目標的識別。當單人通行時，如果出現單人爬行和單人跨越的現象，則認定為非法通行進行報警處理，其余認定為合法通行；如果多人通行出現緊貼、并排通行試圖逃票者，則認定為非法通行進行報警處理，其余認定為合法通行。

3 結 論

本文主要研究了城市軌道交通自動售檢票系統中通行識別技術，在Matlab仿真的基礎上結合步態識別方法與人體識別規則，并將其運用到自動檢票機的人體識別系統中，擺脫了對圖像檢測技術的依賴，減少了自動檢票機的設備成本，兩者結合提高了自動檢票機的設備性能，實驗表明該設計可靠有效，為將來自動檢票設備提供了新的設計方案。

參 考 文 獻

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作者簡介：

周 凡 女，1987年出生，江西人，碩士，在讀碩士研究生。主要研究方向為軌道交通人體識別系統。

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