基于視覺識別的生產用具防護系統設計與實現

張孝若，邸 超，白家豪，白家俊，沈志元，段莉華*

（無錫職業技術學院，江蘇 無錫 214121）

科學的進步大力推動了工業化的生產能力，各式各樣的生產設備儀器也越來越精密，生產水平大幅度得到提升，但是，距離工業的全自動化還存在較大的距離，大部分的機器儀器設備的操作還無法離開人員的現場檢查和操作。在機器儀器設備高速運轉的情況下，如果沒有相關的生產用具進行防護，就會帶來很大的安全隱患。現在工業化生產制造上的生產防護用具系統還不是非常完善，對機器儀器設備周邊環境的信息采集方式還存在不足，信息分析算法的精度也比較低，對周邊環境的檢測經常出現錯檢或漏檢等情況。針對這些工業化生產的現場安全問題，本文提出了一種基于視覺識別的生產用具防護系統設計，使其有效地提高生產現場的生產安全防護效率。本文通過研究分析現在比較常見的幾種視覺識別算法的人臉訓練方式，進行對比分析各種算法的優勢和特點，設計了通過使用Adaboost 算法的視覺識別系統，并在該算法的基礎上進行了優化和改進，使生產用具防護系統的識別能力更加精準有效。在此基礎上，本視覺識別系統設計還利用可以多目標跟蹤的Camshift 算法，通過視覺識別系統安裝在機器儀器設備上的攝像頭采集周邊環境人員的情況，分析人員與機器儀器設備的距離位置，判斷操作人員是否在安全線之外，確定是否啟用生產防護措施，保護現場人員的人身安全。

1.視覺識別系統技術介紹

視覺識別生產用具防護系統通過安裝在機器儀器設備上的攝像頭，對機器儀器設備周邊環境人員信息的監控，將攝像頭采集到的人員圖像信息進行處理工作。視覺識別系統利用Viola-Jones 算法，對攝像頭采集的人員人臉圖像進行Haar-like 特征的提取工作。利用強弱分光器級聯去檢測出圖像的人臉區域，然后在Hue 信息上進行搭建人臉圖像的彩色框圖。視覺識別系統中的Camshift 算法開始對彩色框圖中的人臉圖像進行追蹤，并通過在提取人臉圖像中的左側方設定一根邊界線，如果人臉區域超過這條邊界線，說明現場的操作人員已出現在機器儀器設備的危險區域，需要啟動生產防護功能，保護現場操作人員。

因為Haar 特征值會和一個矩形區域內的像素取值的和進行對應，其白色區域與黑色區域的對應圖像的像素差就是Haar特征值。Haar-like 特征是擁有十二種不相同的人臉像素特征Viola。其十二種人臉像素特征圖形如圖1 所示。

圖1 人臉像素特征圖

本文需要對算法進行調高檢測精準度和效率，需要將上訴Haar-like 特征進行改進成八種，對這個Haar-like 特征重新設計優化。優化后的特征圖如圖2 所示。

圖2 Haar-like 特征優化后圖形

利用優化后的Haar-like 特征對人臉區域進行檢測，利用Hue 信息將這些人臉區域矩形框圖進行標注，然后使用Camshift 算法對這些標注目標進行跟蹤處理。

2.視覺識別防護系統設計

2.1 視覺識別系統的人臉識別檢測算法

視覺識別系統人臉識別檢測算法是利用Haar-like 特征對人臉區域檢測工作方式，如圖3 所示。

圖3 Haar-like 特征檢測方式

圖3 中第五個圖像是示意檢測人臉圖像中的眼睛區域的顏色比其他位置要深，第四個圖像是示意檢測人臉鼻梁的顏色要比鼻梁兩側的顏色淺。

利用數學模型公式（1）級聯搭建的Voial 強分器是Adaboost 分類器中的一種，是通過利用多個弱分類器級聯組合而成的一個強分器。其數學模型公式（1）為：

式中，f 代表特征；x 代表子窗口圖像；P 代表閾值。

通過數學模型公式（1）可以得到，當特征值大于閾值的時候，弱分類器的輸出結果是0，就可以判斷出這個圖像為非人臉圖像，反正，弱分類器輸出結果為1，就可以判斷圖像為人臉圖像。因此，找出合理的閾值，有助于算法的判斷準確性。

2.2 跟蹤算法的設計

Camshift 算法是利用Meanshift 算法進行運算的，其跟蹤原理是通過將目標的顏色直方圖像轉化成概率分布圖，并將搜索窗的位置和大小進行初始化，利用上一幀的結論，對搜索窗進行大小和位置的調整，就可以得出圖像目標的質心。

Meanshift 算法是使用迭代的方式，找到其最優的結果來定位目標函數，它是非參數方法的密度函數梯度算法，其函數模型為公式（2）：

通過數學模型公式（2）進行迭代運算，判斷分析搜索窗的中心與質心的移動距離和設定的閾值的比較，得出一個最大值，作為判斷跟蹤的界限。

3.測試試驗

為了驗證生產用具防護系統的功能性能是否滿足要求。本設計通過分別對單個人臉識別測試與多個人臉識別測試兩個場景的測試實驗，這樣可以有效地保障視覺識別防護系統的安全性、可靠性和穩定性。通過對單個人臉206 次測試，準確檢測出198 次，漏檢和誤檢數為8 次，準確率高達96%。通過對多個人臉同時檢測388 次，準確檢測出372 次，漏檢和誤檢數為16 次，準確率高達96%。試驗結論驗證了本文設計的視覺識別算法可行有效。

4.結語

社會的高速發展，離不開工業化的高效生產，但是安全防護工作也是工業化生產中的重中之重。本文通過基于更加高效的現代化、智能化人臉檢測與追蹤方式設計的視覺識別生產用具防護系統，該系統具有高精準性、可靠性和智能化等優勢。系統利用生產機器儀器設備上的攝像頭采集到現場操作人員的人臉圖像，進行高速分析并判斷其是否處于安全區域內，從而決定是否啟用生產防護工具對現場人員的安全保護工作，為工業化高效安全生產提供有力保障。