圖書館巡架機(jī)器人關(guān)鍵算法研究

針對(duì)圖書館亂架及圖書上下架工作繁重的問(wèn)題，提出圖書館巡架機(jī)器人設(shè)計(jì)思想，并闡述了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的巡架機(jī)器人關(guān)鍵算法。

【關(guān)鍵詞】巡架機(jī)器人；計(jì)算機(jī)視覺(jué)；關(guān)鍵算法

1 引言

圖書館作為圖書信息資源中心，直接服務(wù)于學(xué)習(xí)與科研。而隨著圖書館館藏圖書種類與數(shù)量的日益增加，圖書館日常管理工作越來(lái)越繁重，包括對(duì)借還書的上下架以及處理亂架圖書。不能及時(shí)處理亂架圖書會(huì)影響用戶檢索圖書的及時(shí)性。但由于圖書館管理人員的精力有限不能隨時(shí)的處理亂架圖書以及對(duì)借還書的上下架。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者陸續(xù)將機(jī)器人引入到圖書館，來(lái)代替繁重的人工。例如首都圖書館北門的自動(dòng)圖書館和香港科技大學(xué)的可自主實(shí)現(xiàn)圖書自動(dòng)存取操作的自動(dòng)圖書館；德國(guó)洪堡大學(xué)圖書館具采用了具有安全保護(hù)以及各種移栽功能的運(yùn)輸車機(jī)器人；美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)研制了面向異地圖書存取的應(yīng)用項(xiàng)目（CAPM），西班牙卡斯捷羅大學(xué)提出綜合多傳感信息的UJI圖書存取機(jī)器人。為了應(yīng)對(duì)繁重的圖書館人工上下架，本文設(shè)計(jì)了圖書館巡架機(jī)器人關(guān)鍵算法，采用機(jī)器人來(lái)對(duì)圖書館書庫(kù)書架進(jìn)行巡視，來(lái)進(jìn)行圖書的上下架并一定程度上處理亂架圖書。

2 關(guān)鍵算法設(shè)計(jì)

2.1 室內(nèi)巡航

實(shí)現(xiàn)圖書館巡架機(jī)器人的室內(nèi)巡航，是應(yīng)用機(jī)器人的關(guān)鍵。只有能自助的在圖書館內(nèi)進(jìn)行室內(nèi)巡航而不需要人工干預(yù)才能真正意義上體現(xiàn)“巡架”，否則一個(gè)不能巡航的機(jī)器人在此處是沒(méi)有意義的。

本文采用文獻(xiàn)的方法，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)巡航。在書庫(kù)天花板上安裝人工路標(biāo)，這些路標(biāo)包含當(dāng)前位置坐標(biāo)以及所對(duì)應(yīng)的書庫(kù)與書架信息。機(jī)器人通過(guò)采集天花板上這些路標(biāo)圖像，并進(jìn)行圖像預(yù)處理與識(shí)別，來(lái)精確定位其在書庫(kù)中實(shí)際位置，并能規(guī)劃路線移動(dòng)到指定位置。圖書館書庫(kù)中并不是只有固定不變的書架，大量的用戶活動(dòng)在書庫(kù)當(dāng)中，而僅僅依靠人工路標(biāo)是會(huì)與行人發(fā)生碰撞沖突的。所以，機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)規(guī)避行人的算法。本文采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的行人識(shí)別算法，采用文獻(xiàn)中的方法提取Haar特征，并對(duì)特征使用Adaboost算法進(jìn)行訓(xùn)練，然后使用訓(xùn)練后的模型對(duì)書庫(kù)中的行人進(jìn)行識(shí)別。從而規(guī)避行人，重新計(jì)算最優(yōu)路徑來(lái)到指定目的。

2.2 圖書定位

圖書定位目前主要分為條形碼結(jié)合磁條定位和視頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）定位。條形碼對(duì)于書籍辨別非常有效，但卻不適于機(jī)器人圖書館應(yīng)用。而RFID除了成本高昂外還存在定位精度的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了兩種圖書定位方法，一種是采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的索書號(hào)識(shí)別定位。一種是對(duì)圖書書脊進(jìn)行識(shí)別從而實(shí)現(xiàn)定位。

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的索書號(hào)識(shí)別，是通過(guò)對(duì)所有圖書索書號(hào)進(jìn)行取樣，得到索書號(hào)圖形庫(kù)。對(duì)索書號(hào)字符，包含數(shù)字、字母和特定符號(hào)進(jìn)行分類提取，數(shù)字與字母以及字符的識(shí)別技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)較為成熟，通過(guò)識(shí)別出索書號(hào)，來(lái)精確定位圖書。但是由于索書號(hào)是貼于圖書的書脊上的，除了會(huì)存在索書號(hào)丟失的情況也存在由于圖書較薄而顯示不完整的情況，此時(shí)基于索書號(hào)進(jìn)行識(shí)別會(huì)影響圖書的定位成功率。文獻(xiàn)中利用模式識(shí)別方法對(duì)圖書書脊進(jìn)行識(shí)別。本文參考其方法，對(duì)圖書書脊進(jìn)行檢測(cè)，然后對(duì)書脊進(jìn)行檢測(cè)與分類，從而實(shí)現(xiàn)定位圖書。

2.3 書架圖書狀態(tài)檢測(cè)

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的巡架機(jī)器人，圖書定位除了要滿足對(duì)書目的定位外，還需要設(shè)計(jì)算法來(lái)檢測(cè)書架圖書狀態(tài)，包括空缺位置檢測(cè)與亂架圖書檢測(cè)。

由于用戶借閱等活動(dòng)使書架上的圖書出現(xiàn)位置空缺，而巡架機(jī)器人需要檢測(cè)空缺位置來(lái)通過(guò)機(jī)器臂來(lái)移動(dòng)或插入圖書，使書架圖書保持順序與整潔便于用戶檢索。通過(guò)分析書架圖像，空缺圖書位置往往呈現(xiàn)暗色，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)圖像做二值化處理，結(jié)合圖像分割技術(shù)可以得到空缺圖書位置。對(duì)于用戶在檢索圖書時(shí)沒(méi)有按規(guī)定放回原位置的圖書，往往會(huì)隨意堆在各個(gè)書架上，通過(guò)分析書架正面圖像，這些圖書與正規(guī)擺放的圖書的區(qū)別是橫向的。通過(guò)對(duì)圖像預(yù)處理，并進(jìn)行邊緣提取，來(lái)分析出哪些圖書時(shí)橫向存放的，這樣可以一定程度上檢測(cè)出亂架圖書。

3 結(jié)語(yǔ)

圖書上下架是圖書館工作人員的一項(xiàng)繁重的工作，而采用機(jī)器人替代圖書館工作人員對(duì)圖書館書架進(jìn)行巡視，糾正亂架圖書并可以對(duì)圖書進(jìn)行上下架，可以有效的提高工作效率，緩解圖書亂架現(xiàn)象。本文針對(duì)圖書館巡架機(jī)器人及圖書館書庫(kù)與書架狀況，設(shè)計(jì)了其關(guān)鍵算法。通過(guò)后續(xù)的進(jìn)一步研究來(lái)完善與實(shí)現(xiàn)圖書館巡架機(jī)器人。

參考文獻(xiàn)

[1]王展妮，張國(guó)亮.圖書館機(jī)器人應(yīng)用研究綜述[J].大學(xué)圖書館學(xué)報(bào)，2015， 33（03）：82-87.

[2]王建功，林國(guó)余.室內(nèi)圖書運(yùn)載車的計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位定向方法[J].閩江學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，35（05）：73-80.

[3]郭烈，王榮本，張明恒等.基于Adaboost算法的行人檢測(cè)方法[J].計(jì)算機(jī)工程，2008，34（03）：202-204.

[4]Sun T，Zhou D.Automatic identification technology-Application of two-dimensional code[J].2011：164-168.

[5]Lee D J，Chang Y，Archibald J K，et al.Matching book-spine images for library shelf-reading process automation[C]// IEEE International Conference on Automation Science and Engineering.2008：738-743.

作者簡(jiǎn)介

宋蔓蔓（1987-），女，山東省德州市人。碩士研究生學(xué)歷。現(xiàn)為河北金融學(xué)院圖書館助理館員。研究方向?yàn)閳D書館信息化建設(shè)。

付正（1990-），女，河北省保定市人。碩士研究生學(xué)歷。現(xiàn)為河北金融學(xué)院圖書館助教。研究方向?yàn)槿松肀ｋU(xiǎn)、保險(xiǎn)精算。

作者單位

河北金融學(xué)院圖書館 河北省保定市 071051