第三代出入口控制系統的設計

李文學（三星數據系統（中國）有限公司,北京　100000）

第三代出入口控制系統的設計

李文學
（三星數據系統（中國）有限公司,北京100000）

根據當前出入口控制系統的缺陷，本文設計了第三代出入口控制系統。一方面，采用單像素檢測技術在控制成本的前提下將系統設計閘機檢測系統的2D圖像識別技術提高為3D，取得了革命性的技術突破，提高了檢測精度，對于疊加性的逃票和誤判，錯誤執行率大幅降低。另一方面，為了進一步降低對兒童、孕婦、老人等易傷群體的傷害，將當前主流的外覆軟性材料的硬擋板換成了具有高度彈性的互卡軟擋板，既降低了逃票的可能性，又保護了易傷群體。

單像素檢測；出入口控制；閘機

1　前言

出入口控制系統（AccessControlSystem,ACS）是采用現代電子設備與軟件信息技術，在出入口對人或物的進,出,進行放行,拒絕,記錄和報警等操作的控制系統，系統同時對出入人員編號，出入時間，出入門編號等情況進行登錄與存儲，從而成為確保區域的安全，實現智能化管理的有效措施。此類設備廣泛應用于軌道交通站點檢票、高檔樓宇出入控制等場合，市場容量大，利潤率高，其關鍵技術被國外供應商壟斷[4]。

在技術方案上，目前第二代ACS產品歷經主要國際供應商多年發展，已經非常成熟，且各自成體系。但受限于傳感器陣列的稀疏的不足，其識別性能有限。更重要的現有系統采用簡單的直射和漫反射點紅外傳感器，極易收到陽光干擾，因而限制了其戶外場景的應用。

隨著行業的快速發展，第三代ACS產品呼之欲出。技術上，第三代系統主要解決識別精度。

2　識別精度提升：3D識別技術

2.13D成像的原理

視網膜、普通的相機所捕捉的都是二維圖像，如果要捕捉3D畫面，那么需要對攝入的信息進行更復雜的加工。如圖1所示，如果2D觀看的點在中分線上，那么把該物體拆分為兩個點，分別為M 1，M 2。那么當右眼看到的點是M 1，而左眼看到的點是M 2的時候，物體將會從真實的屏幕上向前移動，給人的視覺感受是物體呈現在屏幕的正前方。反之，當左眼看到是M 1，而右眼看到的是M 2的時候，成像后給人的視覺感受是在屏幕的后方。因此，可以通過改變光線攝入人眼的左右實現3D效果。

2.23D技術的選用

3D技術產生已經很多年，但是早期的技術使用成本極高，如運動捕捉技術、全息成像技術等等，盡管效果逼真，但是成本高昂，應用條件苛刻，如使用價格高昂的光學鏡頭，限定與特定波長的頻段，這都極大地限制了其在工業和生活中的大規模使用。對于出入口控制系統而言，當其應用到地鐵、火車站、飛機場的時候，急需期降低成本，并提高適應環境的能力。因此，我們選用了一種最新的技術來實現3D識別，在保證低成本的基礎上實現高識別精度。

新技術名為單像素3D成像技術，其由英國格拉斯哥大學的孫寶清及其同事研發。該技術無需鏡頭和復雜設備便可重建物體3D圖像。它通過給一個3D物體（此例中是一個人頭模型）進行照明，并用一種被稱為“單像素檢測器”的微小光檢測器從不同的角度檢測被照明的場景，研究人員收集到了反射光數據。然后，他們對這些反射光數據來進行加權，將從不同角度產生的所有這些加權數據進行疊加，就可以得到一幅該3D物體的準確重建圖像。

“單像素3D成像技術”（MatthewEdgar，2013）是一個非常簡單的光電二極管，只由一個光敏元件組成，其安裝與配置十分簡單。首先使用光投影儀以不同的光照方式對待成像物體進行照明，然后用一個單像素檢測器測算整體反射光的數據，在對一系列反饋信號數據進行計算之后，他們就得到了一副物體的2D圖像，這幅圖像中包含該光照模式對應的陰影和明暗信息。因此，從理論上來說，他們只需要兩個單像素檢測器得到的2D圖像就可以繪制物體的3D圖像。但是為了使計算更簡便，通常使用四個單像素檢測器來完成這一工作。而3D成像系統的精度則取決于光照的方式，對物體的光照越精細，反射光與環境光就更容易區分，所得圖像的信噪比也就越大。效果見圖2、圖3。圖2表示在投影儀投光次數較少時的成像效果，隨著投影儀投光次數增多，單像素檢測器獲得的對象信息逐步增多，對象的真實輪廓逐漸變得清晰，最后將4個單像素檢測點的檢測結構進行綜合合成，形成一副準確度極高的對象的3D圖像如圖3，從而可以與數據庫進行比對，準確判定進入閘機的對象的具體情況。

這種設備簡單，不需要鏡頭和復雜的設備，而且能夠處理那些現有光學元件無法檢測到的光波段，有效降低了使用成本。在現有的3D圖像合成技術中，對物體從不同的角度拍攝2D圖像，然后通過合成得到3D圖像，要求有較高的精確度和匹配度才能實現，成本高昂，計算復雜。與現有技術相比，“單像素3D成像技術”所得的物體圖像在空間上是一致的，只在陰影和明暗上有區別，因此大大降低了計算量。同時，該方法有全波段檢測性能，突破了現有技術只檢測可見光或者紅外光等波段束縛。

3　出入口軋機結構原理及設計

3.1出入口軋機單像素檢測點設置

在地鐵、火車、飛機等車站布置的閘機上布置3D成像設備，需要根據單像素檢測技術的要求，按如圖4和圖5所示方式布置檢測點和光投影儀。

圖中A、B點分別表示兩個獨立的單像素測試點，CA、CB表示兩個獨立的光投影儀。為了簡便，圖中僅給出了閘機一側的單像素檢測點和光投影儀布置的分布圖，與這一側對應，在其相對的那扇閘機的面上也分別有兩個像素監測點和光投影儀。

3.2模塊工作邏輯

閘機系統加入3D成像識別技術后，并不需要改變原有的非識別模塊的功能設置。區別僅在于將2D成像識別技術更換為3D。所以，本文保持原有設計邏輯功能不變[3]。

工作時，閘機先收到刷票信息，然后開啟四個光投影儀（通道兩側的閘機上分別有兩個光投影儀），對進入通道的對象進行投光。之后，同樣是四個單像素檢測點分別在不同的光照下成像。成像數據送到后臺圖像合成模塊進行3D圖像的形成，并與系統內部存儲的典型物體的形狀進行對比，進而做出操作決策，如放行、拒絕、記錄和報警等。其電路原理如圖6[1]。在做操作決策的前，微電腦系統將收到的信號通過專有算法合成計算，之后與數據庫的操作圖形進行邏輯比對，得出操作決策指令。最后，通過CANBUS數據總線將執行指令傳到執行機構扇門驅動器1和2。至此，整個流程結束。

4　結論

本文設計了第三代出入口控制系統。主要是針對第二代閘機系統的內在缺陷進行了針對性的改進。首先，系統設計閘機檢測系統的2D圖像識別技術提高為3D，取得了革命性的技術突破，提高了檢測精度，對于疊加性的逃票和誤判，錯誤執行率大幅降低。同時，為了進一步降低對兒童、孕婦、老人等易傷群體的傷害，將當前主流的外覆軟性材料的硬擋板換成了具有高度彈性的互卡軟擋板，既降低了逃票的可能性，又保護了易傷群體。

[1]李紹林.基于嵌入式Linux的閘機監控系統設計[M].山東大學,2013.

[2]施水娟,董應超.扇門式閘機控制系統研究[J].科技創新導報,2013:43-44.

[3]王洪云.基于QT的閘機控制系統設計與實現[M].電子科技大學,2012.

[4]張毅,城市軌道交通車站閘機運用優化研究[J].中國鐵路,2014:106-110.