基于圖像識別的高校圖書館座位余量的分析與發(fā)布

林偉森　吳茂勛　鄧?yán)^忠　李山　任高生　何明昊

摘 要： 為了方便讀者查詢圖書館座位余量，運(yùn)用LabWindows/CVI設(shè)計(jì)了基于圖像識別的座位余量判別系統(tǒng)。通過視頻圖像采集和計(jì)算相應(yīng)矩形區(qū)域的平均灰度值，與模板圖像進(jìn)行對比分析，從而識別座位余量分布情況。同時(shí)運(yùn)用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將結(jié)果顯示在學(xué)校圖書館主頁上，使讀者通過移動端或PC機(jī)可隨時(shí)查詢結(jié)果。模擬測試表明，該系統(tǒng)能有效識別座位余量。

關(guān)鍵詞： 座位余量； 視頻采集； 圖像處理； 網(wǎng)絡(luò)通信

中圖分類號：TP311.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）04-35-03

Abstract： In order to query the remaining seats of the university library expediently for reader， this paper designs a system that detects the remaining seats by using image recognition with LabWindows/CVI. Calculates the average gray value of the corresponding rectangular region by video capturing， compares with the template image to identify the distribution of remaining seats， and displays the result on the homepage of university library. So reader can query the result by PC or mobile terminal at any time. After simulated test， the system can identify remaining seats effectively.

Key words： remaining seats； video capture； image processing； network communication

0 引言

高校圖書館有豐富的館藏資源和設(shè)施，是高校學(xué)生課余學(xué)習(xí)知識的首選場所。由于目前普遍實(shí)行了圖書資料的信息化管理制度，讀者通過登錄圖書館主頁，可以實(shí)時(shí)查詢圖書的借閱信息，方便了讀者借閱、查詢資料等要求。但是，讀者在主頁上尚無法了解到圖書館座位資源使用信息。由于圖書館的座位資源有限，讀者如果無法及時(shí)得知座位利用情況，有可能在某個(gè)時(shí)段，出現(xiàn)大量讀者，導(dǎo)致一座難求的情況，因此高校圖書館經(jīng)常出現(xiàn)“占位”現(xiàn)象；又或者在某個(gè)時(shí)段有大量空位出現(xiàn)。及時(shí)獲取圖書館的座位余量信息并發(fā)布在公共平臺如圖書館主頁，既可方便讀者，也可以使圖書館座位資源得到合理利用。采用人工方式統(tǒng)計(jì)并發(fā)布座位余量，既花精力也耗時(shí)間，而且無法實(shí)時(shí)反映該信息。本文設(shè)想利用現(xiàn)有圖書館中的視頻監(jiān)控圖像信息，采用圖像分析的方式識別座位余量，并發(fā)布到網(wǎng)頁上，既節(jié)約人工資源，又能反映座位資源的使用情況，使圖書館座位資源信息化，達(dá)到合理有效的利用。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用LabWindows/CVI平臺開發(fā)[1]。系統(tǒng)的工作流程如圖1所示，包括視頻圖像采集顯示，圖像定時(shí)捕捉，座位余量識別，余量信息發(fā)布等多個(gè)模塊。

視頻監(jiān)控模塊是通過視頻驅(qū)動程序，驅(qū)動攝像頭實(shí)時(shí)采集監(jiān)控場景圖像，將獲取的含圖書館座位的圖像顯示在計(jì)算機(jī)顯示器上。視頻圖像數(shù)據(jù)可達(dá)到24幀，分析座位余量并不需要分析每幀數(shù)據(jù)，可以間隔10-15分鐘，在視頻數(shù)據(jù)流中提取一幀加以分析，因此設(shè)置定時(shí)捕捉模塊可通過計(jì)算機(jī)內(nèi)存對進(jìn)行更新顯示的視頻數(shù)據(jù)中“凍結(jié)”一幀加以分析，可大大減少數(shù)據(jù)分析的時(shí)間。座位余量識別模塊，是對提取的單幀圖像，采用圖像分析的方法來確定固定場景中的座位占用情況，由此得出座位余量信息。余量信息發(fā)布模塊則是運(yùn)用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，將獲取的座位余量信息傳輸至校園網(wǎng)站服務(wù)器，并將結(jié)果發(fā)布至學(xué)校主頁上，供讀者通過PC機(jī)或APP查詢?yōu)g覽網(wǎng)頁，而不需要耗費(fèi)精力去尋找座位。

2 視頻圖像采集

LabWindows/CVI是National Instruments公司開發(fā)的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，它為用戶開發(fā)虛擬儀器軟件提供了豐富的面板控件，采用其中的控件CANVAS可用于顯示監(jiān)控視頻。Windows提供了專門的攝像頭驅(qū)動接口，可以被大多數(shù)視頻采集卡支持，相關(guān)模塊集成于avicap32.dll。avicap32.dll為應(yīng)用程序提供了一個(gè)靈活的使用方式，少量代碼便可實(shí)現(xiàn)視頻捕捉程序[2]。

3 座位余量識別原理

3.1 模板圖像處理

初始拍攝的圖像是無人的，并且書桌和座椅整齊擺放（如圖2所示）。所以對書桌和座椅截取相應(yīng)的矩形區(qū)域，并計(jì)算矩形區(qū)域的平均灰度值，作為模板圖像數(shù)據(jù)，用于后期監(jiān)控捕捉圖像對比[3]。

具體處理流程如圖3所示。設(shè)置數(shù)組chair[row][column]和desk[row][column]，其中，row為每行書桌和椅子的個(gè)數(shù)，column為每列書桌和椅子的個(gè)數(shù)，用于存放模板圖像數(shù)據(jù)。

矩形區(qū)域平均灰度值計(jì)算方法：

⑴ 提取圖像各個(gè)灰度級的像素?cái)?shù)并存放于數(shù)組sumGray[256]；

⑵ 灰度值累加和=；

⑶ 總像素?cái)?shù)=；

⑷ 平均灰度值=灰度值累加和/總像素?cái)?shù)；

依次對書桌（如圖4）和座椅（如圖5）截取的矩形區(qū)域計(jì)算平均灰度值，并存放于數(shù)組chair和desk之中。矩形區(qū)域計(jì)算完畢之后，將數(shù)組內(nèi)容轉(zhuǎn)化成文檔保存于指定工程目錄中。

3.2 識別座位余量

對于座位余量的斷定，從書桌和座椅兩個(gè)方面進(jìn)行判別。

書桌部分：書桌處于固定位置，基本不會隨著人員的流動發(fā)生偏移。可以依據(jù)模板圖像所截取的書桌矩形區(qū)域，同樣對監(jiān)控拍攝所得圖片進(jìn)行截取，并計(jì)算平均灰度值。

座椅部分：座椅需要分兩種情況進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。當(dāng)座椅同書桌一樣處于固定位置，則同樣截取相應(yīng)的矩形區(qū)域，計(jì)算平均灰度值即可。當(dāng)座椅是可移動的，則會隨著人員的走動發(fā)生偏移，就必須定位座椅部分。對于初始圖像，通過中值濾波去除部分噪聲；接著運(yùn)用邊緣檢測算法提取邊緣檢測圖像；將原始圖像和邊緣檢測圖像進(jìn)行“或”運(yùn)算，將座椅部分與背景分離開來；設(shè)置閾值，將“或”運(yùn)算所得圖像進(jìn)行二值分割，其中，背景灰度值為0，座椅部分灰度值為255；將二值分割圖像與原始圖像進(jìn)行“與”運(yùn)算，最終可以提取座椅部分；截取相應(yīng)矩形區(qū)域，計(jì)算平均灰度值。

載入模板圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析。其判定條件為：

⑴ 書桌有書，座椅有人——無座位

⑵ 書桌有書，座椅無人——待定

⑶ 書桌沒書，座椅有人——無座位

⑷ 書桌沒書，座椅無人——有座位

對于條件⑵，需要設(shè)置一個(gè)時(shí)間段，超過這個(gè)時(shí)間段，判定條件依然為書桌有書，座椅無人，則有座位；在時(shí)間范圍內(nèi)，判定條件變更為書桌有書，座椅有人，則無座位。

4 余量信息發(fā)布

TCP/IP協(xié)議是至今為止使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)Internet就是以它為基礎(chǔ)建立的[4]。LabWindows/CVI庫函數(shù)提供了與平臺無關(guān)，面向連接的字節(jié)流網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議接口。本文通過建立LabWindows/CVI服務(wù)器應(yīng)用程序和客戶端應(yīng)用程序進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，服務(wù)器應(yīng)用程序向客戶端（即校園網(wǎng)站服務(wù)器）發(fā)送識別結(jié)果，客戶端則將識別結(jié)果顯示在網(wǎng)頁上。

客戶端必須輸入服務(wù)器的IP地址和端口號才能和服務(wù)器建立連接。兩者不僅可以互發(fā)信息，還應(yīng)該對雙方的請求進(jìn)行響應(yīng)處理，所以應(yīng)自定義響應(yīng)函數(shù)，用于處理請求事件。

TCP服務(wù)器所響應(yīng)的事件有三種，分別為：

⑴ TCP_CONNECT：接受一個(gè)客戶機(jī)的請求事件；

⑵ TCP_DISCONNECT：接受斷開連接事件，可能由于客戶端提出請求或者由于連接錯(cuò)誤所引起；

⑶ TCP_DATAREADY：服務(wù)器接受由客戶端發(fā)來的信息。

TCP客戶端所響應(yīng)的事件只有TCP_DISCONNECT和TCP_DATAREADY，基本內(nèi)容與服務(wù)器類似。

服務(wù)器與客戶端通信過程如下[5]：

⑴ 本地主機(jī)應(yīng)用程序通過RegisterTCPServer函數(shù)注冊成為服務(wù)器；

⑵ 客戶端通過ConnectToTCPServer函數(shù)以及輸入服務(wù)器IP地址和端口與服務(wù)器建立通信連接；

⑶ 連接成功后，服務(wù)器通過ServerTCPWrite函數(shù)向客戶端發(fā)送數(shù)字化的座位余量識別結(jié)果，并通過ServerTCPRead函數(shù)讀取客戶端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；

⑷ 客戶端通過ClientTCPRead函數(shù)讀取服務(wù)器傳輸?shù)慕Y(jié)果并以圖片形式顯示在網(wǎng)頁上，并通過ClientTCPWrite函數(shù)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)；

⑸ 當(dāng)服務(wù)器和客戶端不需要進(jìn)行通信時(shí)，通過UnregisterTCPServer函數(shù)斷開兩者間的連接。

5 測試與討論

經(jīng)模擬圖像測試表明該系統(tǒng)能準(zhǔn)確判讀出座位余量分布情況。模擬測試結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6、圖7右側(cè)圖像為網(wǎng)頁顯示的座位余量判別結(jié)果。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了圖書館等相關(guān)場所座位資源余量的檢測，力圖達(dá)到座位資源最大程度化使用。通過攝像頭監(jiān)控拍攝，圖像處理方式檢測座位余量，可以準(zhǔn)確地識別出當(dāng)前時(shí)間段的座位余量。通過網(wǎng)絡(luò)通信，讀者可以及時(shí)了解檢測結(jié)果，為下一步的學(xué)習(xí)生活作好安排，提高學(xué)習(xí)效率。經(jīng)測試證明：該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，實(shí)用性強(qiáng)，操作簡單、方便；同時(shí)，該系統(tǒng)對減輕管理員工作強(qiáng)度、提高管理員工作效率有實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 仇志平，李樹軍.LabWindows/CVI虛擬儀器軟件在測試領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007.28（22）：5544-5548

[2] 王建新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測試技術(shù)及工程應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3] 彭坤楊，董蘭芳.一種基于圖像平均灰度值的快速圖像修復(fù)算法[J].中國圖像圖形學(xué)報(bào)，2010.15（1）：50-55

[4] 馮晨華，徐捷，陳晟.基于Windows環(huán)境的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，1997.6：46-48

[5] 王學(xué)龍，彭喜元.利用LabWindows/CVI開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)測試軟件[J].電子測量技術(shù)，2003.3：13-16