基于視覺(jué)技術(shù)的芒果運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃毅英

(廣西經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系,南寧 530021)

0 引言

與工業(yè)品運(yùn)輸相比,農(nóng)資運(yùn)輸?shù)臅r(shí)效性更強(qiáng),對(duì)運(yùn)輸環(huán)境的要求更苛刻,有效監(jiān)控運(yùn)輸車輛對(duì)農(nóng)資企業(yè)來(lái)說(shuō)尤為重要[1]。芒果是一種易變質(zhì)的水果,對(duì)其進(jìn)行運(yùn)輸監(jiān)控更是農(nóng)資運(yùn)輸規(guī)劃的重點(diǎn)。運(yùn)輸監(jiān)控主要是對(duì)三維物體建立適合計(jì)算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型,在計(jì)算機(jī)視覺(jué)環(huán)境下對(duì)三維物體實(shí)施處理、操作和分析物體性質(zhì),也是在計(jì)算機(jī)中建立表達(dá)客觀世界的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種肉類食品運(yùn)輸車環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)控肉類狀態(tài),并對(duì)肉類質(zhì)量進(jìn)行預(yù)警。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)可有效防止肉類在運(yùn)輸過(guò)程中的變質(zhì)現(xiàn)象,但系統(tǒng)成本高,不適合大范圍推廣[2]。有學(xué)者為了確保貨物的運(yùn)輸工作與安全,設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特種貨物運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)具有精度高、低成本等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)技術(shù)要求過(guò)高[3]。有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種原料奶運(yùn)輸過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),利用多種網(wǎng)絡(luò)手段[4],對(duì)原料奶加工與運(yùn)輸過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與儲(chǔ)存,實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)可以確保原料奶在加工運(yùn)輸過(guò)程中的質(zhì)量與安全,但數(shù)據(jù)繁冗,容易造成系統(tǒng)卡頓及數(shù)據(jù)丟失。

為解決以上問(wèn)題,提出了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的芒果運(yùn)輸圖像監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,旨在提高芒果運(yùn)輸圖像監(jiān)控的準(zhǔn)確率與效率。

1 芒果運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

運(yùn)輸照明模塊和運(yùn)輸選通成像模塊構(gòu)成芒果運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)[5]。運(yùn)輸照明模塊的主動(dòng)光源利用脈沖型激光器提供,主動(dòng)照明在使用擴(kuò)束鏡擴(kuò)充后將照明供應(yīng)給目標(biāo);運(yùn)輸選通電源外部觸發(fā)信息用經(jīng)光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換的光信號(hào)來(lái)表示[6],ICCD工作狀態(tài)在時(shí)序上使用選通電源完成準(zhǔn)確處理,運(yùn)輸距離選通成像功能通過(guò)上述兩個(gè)模塊的共同完成[7]。芒果運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)框架圖Fig.1 Transport monitoring system framework

1.1.1 芒果運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)照明模塊

芒果運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)照明模塊中的“脈沖激光源”與“接收距離門(mén)”的結(jié)合可抑制后向散射光[8-9],散射的缺點(diǎn)可通過(guò)激光器消減,進(jìn)而提高圖像監(jiān)控清晰度和測(cè)量距離[10]。

1.1.2 運(yùn)輸監(jiān)控成像模塊

芒果運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)里的重點(diǎn)組件為運(yùn)輸選通成像模塊,包括選通成像增強(qiáng)儀、控制電源、光電測(cè)量?jī)x、相機(jī)和鏡頭[11]。鏡頭聚焦后外部激光脈沖輻射轉(zhuǎn)向選通成像增強(qiáng)儀的陰極,光信號(hào)的轉(zhuǎn)換通過(guò)選通成像增強(qiáng)儀來(lái)完成;中繼透鏡實(shí)現(xiàn)光信號(hào)聚集到相機(jī)的CCD光敏面,完成運(yùn)輸三維目標(biāo)的成像。

1.2 運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)模型

設(shè)置脈沖周期和脈寬分別為Ok和OG,相機(jī)增益和總和增益分別為α和2α2,o為脈沖周期最高值,λ為脈沖周期最低值,脈寬峰值在0～λ處,典型的高斯分布公式為

(1)

其中,信號(hào)單脈沖能量為Q0。當(dāng)參考脈沖下降到1/v時(shí)設(shè)置脈寬和脈沖周期分別為OG和Ok。

OG在運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)里通常要大于Ok。分析1個(gè)脈沖周期OG的照明和反應(yīng),若選通成像和脈沖照射同樣是具有L個(gè)不透明目標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng),r0到rj是距離分布,O為選通成像的開(kāi)放門(mén)寬時(shí)間,運(yùn)輸選通門(mén)寬函數(shù)公式為

(2)

其中,△r=O·p為門(mén)寬時(shí)間相對(duì)的選通層成像距離;p為光速。

1.3 質(zhì)心算法求解運(yùn)輸過(guò)程距離信息

傳統(tǒng)二值化算法在運(yùn)輸選通門(mén)較寬較大時(shí)求解距離精度差,此時(shí)距離數(shù)據(jù)使用質(zhì)心算法運(yùn)算最佳。運(yùn)算各個(gè)運(yùn)輸圖像像素相對(duì)的間隔信息為質(zhì)心算法和傳統(tǒng)二值化算法的主要區(qū)別,使用質(zhì)心算法的運(yùn)輸圖像成像效果最好。選通成像時(shí)目標(biāo)有一定幾率產(chǎn)生在多個(gè)切片圖像里,選通距離變化決定成像目標(biāo)的灰度值變化,目標(biāo)真實(shí)距離只有在理想環(huán)境、運(yùn)輸選通距離統(tǒng)一或相仿時(shí),探測(cè)器才能獲取所有運(yùn)輸目標(biāo)反射回波,此時(shí)相對(duì)的目標(biāo)灰度值也最高。因此,質(zhì)心算法假定各個(gè)像素的精準(zhǔn)間距對(duì)應(yīng)其一系列切片圖像里最高的灰度值。運(yùn)算步驟如下:

1) 運(yùn)算全部運(yùn)輸圖像的相對(duì)延時(shí)與間距信息。若利用延遲時(shí)間采集1～a幅切片圖像,那么按照質(zhì)心算法推算,ux=u0+xΔu為第x幅圖像Xx(a,b)的相對(duì)延時(shí),相對(duì)間距信息Zx為

(3)

2)運(yùn)算運(yùn)輸圖像各個(gè)像素(a,b)的相對(duì)延時(shí),求全部圖像的灰度值之和,公式為

(4)

像素(a,b)的相對(duì)延時(shí)為

(5)

相對(duì)運(yùn)輸距離信息為

(6)

1.4 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的運(yùn)輸監(jiān)控三維成像

質(zhì)心算法求解運(yùn)輸距離信息過(guò)程中通過(guò)質(zhì)心法原理判斷,要求最少3幅監(jiān)控圖像。為此,提出互相關(guān)算法結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)彌補(bǔ)質(zhì)心算法不能對(duì)篇幅較少圖像進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)控處理的不足,從而提高篇幅較少的圖像三維監(jiān)控準(zhǔn)確度。將理想灰度曲線和真實(shí)灰度曲線相關(guān)后,通過(guò)互相關(guān)算法按照相關(guān)峰值運(yùn)算其像素點(diǎn)的運(yùn)輸車輛真實(shí)距離,兩個(gè)曲線相關(guān)后只會(huì)存有1個(gè)峰值,將運(yùn)輸距離信息和各個(gè)峰值對(duì)應(yīng)后按照相對(duì)的延時(shí)運(yùn)算此刻距離。一般脈沖時(shí)域?yàn)?/p>

C(u)=(u/σ)2exp(-u/σ)

(7)

其中,脈沖時(shí)域信號(hào)和脈沖寬度分別為C(u)和σ。

圖像增強(qiáng)器ICCD的運(yùn)輸選通門(mén)寬通過(guò)矩形函數(shù)的方式表示為

(8)

其中,計(jì)算機(jī)視覺(jué)和運(yùn)輸選通門(mén)寬分別為uw和uh。

單個(gè)視覺(jué)像素點(diǎn)在理想環(huán)境中采集的能量是脈沖在選通門(mén)時(shí)間里的積分為

(9)

其中,灰度級(jí)理想曲線是O(uw,uh)。

理想曲線a(i)和實(shí)際曲線b(j)的互相關(guān)系為

(10)

互相關(guān)值最高時(shí)相對(duì)的視覺(jué)像素點(diǎn)(a,b)延時(shí)為

(11)

實(shí)際測(cè)量曲線中,第1個(gè)不是零點(diǎn)相對(duì)延時(shí)和互相關(guān)最高值相對(duì)的橫坐標(biāo)值分別為u1和a,實(shí)際測(cè)量曲線里相對(duì)的橫坐標(biāo)和獲取最高值的時(shí)間間隔分別為a/2和a△u/2。圖2為具體關(guān)系圖。

圖2 各種曲線Fig.2 Various curves

相對(duì)運(yùn)輸距離信息為

(12)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文芒果運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的有效性,將圖3運(yùn)輸圖像作為原始序列圖像。由于篇幅限制,只列取第1幅和最后1幅。最后1幅為相同實(shí)驗(yàn)條件下將選通照明置于目標(biāo)后面較遠(yuǎn)處所獲得的背景圖像,其余的運(yùn)輸目標(biāo)選通成像距離范圍為8.3～13.3 m。

圖3 運(yùn)輸圖像原始序列圖像Fig.3 Image sequence of transport image

2.1 監(jiān)控效果分析

圖4為不同系的監(jiān)控結(jié)果。由圖4可以看出:文獻(xiàn)[2]的運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的圖像處理結(jié)果失真情況嚴(yán)重,圖像信息丟失量大,只能大概得到一些運(yùn)輸?shù)竭_(dá)地點(diǎn)等信息。文獻(xiàn)[3]監(jiān)控結(jié)果運(yùn)輸信息量多,但同樣丟失許多有效的圖像信息。本系統(tǒng)涵蓋了原始圖像的所有目標(biāo)信息,清楚觀察到運(yùn)輸車輛、貨物及人員的細(xì)節(jié)信息。該圖像的散粒噪聲和脈沖噪聲有一定程度的降低,圖像的對(duì)比度與原始圖像相比有很大程度的提升。

圖4 運(yùn)輸選通圖像監(jiān)控結(jié)果Fig.4 Results of transport gated image monitoring

2.2 系統(tǒng)監(jiān)控時(shí)間分析

本系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間耗費(fèi)包括對(duì)芒果運(yùn)輸車輛距離信息的計(jì)算、像素延時(shí)和灰度值計(jì)算,結(jié)果如表1所示。由表1可知:本系統(tǒng)對(duì)芒果運(yùn)輸距離信息計(jì)算用時(shí)較短,計(jì)算灰度值用時(shí)的用時(shí)在2.6s上下變化,且總監(jiān)控時(shí)間耗費(fèi)分短;而對(duì)比系統(tǒng)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),表明系統(tǒng)對(duì)不同像素圖例的監(jiān)控耗時(shí)相差較小、抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性高。

表1 不同系統(tǒng)的監(jiān)控耗時(shí)Table 1 Monitoring time consuming of different monitoring systems

2.3 系統(tǒng)性能綜合評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)綜合性能,采用專家評(píng)價(jià)法分別對(duì)本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)及文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),包括3種方法對(duì)遠(yuǎn)距離大目標(biāo)、近距離小目標(biāo)和芒果圖像的三維監(jiān)控結(jié)果。專家評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。分析表2可以得到如下結(jié)論:

表2 不同監(jiān)控系統(tǒng)的專家評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Expert evaluation results of different monitoring systems 分

1)本系統(tǒng)的三維運(yùn)輸圖像監(jiān)控效果滿意度高。由對(duì)遠(yuǎn)距離大目標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出:專家整體評(píng)價(jià)結(jié)果均在9.0分以上,評(píng)價(jià)平均分也在9.65分優(yōu)秀水平上。分析本系統(tǒng)對(duì)運(yùn)輸圖像的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出:系統(tǒng)對(duì)芒果圖像監(jiān)控的評(píng)價(jià)較高,平均評(píng)價(jià)得分為優(yōu)秀水平。這說(shuō)明,本文系統(tǒng)的監(jiān)控綜合性強(qiáng)。

2)文獻(xiàn)[2]運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的專家整體評(píng)價(jià)處于中間水平,專家對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)和運(yùn)輸圖像的平均評(píng)價(jià)分別為6.4和7.65分,該得分較本文系統(tǒng)的評(píng)價(jià)相差5分左右。

3) 專家對(duì)文獻(xiàn)[3]的運(yùn)輸圖像監(jiān)控的評(píng)價(jià)極低,監(jiān)控平均低于6分,低于本文系統(tǒng)得分。這說(shuō)明,本文系統(tǒng)的綜合監(jiān)控效果佳,對(duì)遠(yuǎn)距離大目標(biāo)、近距離小目標(biāo)及運(yùn)輸圖像的三維監(jiān)控均能得到較高的監(jiān)控效果,綜合應(yīng)用性強(qiáng)。

3 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前芒果運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的不足,設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的芒果運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)。首先獲取運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)框架,采用芒果運(yùn)輸模型求解運(yùn)輸選通門(mén)寬;然后,采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)相對(duì)運(yùn)輸距離信息進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸成像,完成芒果運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可有效對(duì)日光高散度圖像實(shí)施監(jiān)控,且圖像監(jiān)控效果清晰;對(duì)不同像素圖像的監(jiān)控用時(shí)較短,且專家對(duì)遠(yuǎn)距離大目標(biāo)、近距離小目標(biāo)和運(yùn)輸圖像的平均評(píng)分高,系統(tǒng)監(jiān)控效果評(píng)價(jià)高。