第三代出入口控制系统的设计

李文学（三星数据系统（中国）有限公司,北京　100000）

第三代出入口控制系统的设计

李文学
（三星数据系统（中国）有限公司,北京100000）

根据当前出入口控制系统的缺陷，本文设计了第三代出入口控制系统。一方面，采用单像素检测技术在控制成本的前提下将系统设计闸机检测系统的2D图像识别技术提高为3D，取得了革命性的技术突破，提高了检测精度，对于叠加性的逃票和误判，错误执行率大幅降低。另一方面，为了进一步降低对儿童、孕妇、老人等易伤群体的伤害，将当前主流的外覆软性材料的硬挡板换成了具有高度弹性的互卡软挡板，既降低了逃票的可能性，又保护了易伤群体。

单像素检测；出入口控制；闸机

1　前言

出入口控制系统（AccessControlSystem,ACS）是采用现代电子设备与软件信息技术，在出入口对人或物的进,出,进行放行,拒绝,记录和报警等操作的控制系统，系统同时对出入人员编号，出入时间，出入门编号等情况进行登录与存储，从而成为确保区域的安全，实现智能化管理的有效措施。此类设备广泛应用于轨道交通站点检票、高档楼宇出入控制等场合，市场容量大，利润率高，其关键技术被国外供应商垄断[4]。

在技术方案上，目前第二代ACS产品历经主要国际供应商多年发展，已经非常成熟，且各自成体系。但受限于传感器阵列的稀疏的不足，其识别性能有限。更重要的现有系统采用简单的直射和漫反射点红外传感器，极易收到阳光干扰，因而限制了其户外场景的应用。

随着行业的快速发展，第三代ACS产品呼之欲出。技术上，第三代系统主要解决识别精度。

2　识别精度提升：3D识别技术

2.13D成像的原理

视网膜、普通的相机所捕捉的都是二维图像，如果要捕捉3D画面，那么需要对摄入的信息进行更复杂的加工。如图1所示，如果2D观看的点在中分线上，那么把该物体拆分为两个点，分别为M 1，M 2。那么当右眼看到的点是M 1，而左眼看到的点是M 2的时候，物体将会从真实的屏幕上向前移动，给人的视觉感受是物体呈现在屏幕的正前方。反之，当左眼看到是M 1，而右眼看到的是M 2的时候，成像后给人的视觉感受是在屏幕的后方。因此，可以通过改变光线摄入人眼的左右实现3D效果。

2.23D技术的选用

3D技术产生已经很多年，但是早期的技术使用成本极高，如运动捕捉技术、全息成像技术等等，尽管效果逼真，但是成本高昂，应用条件苛刻，如使用价格高昂的光学镜头，限定与特定波长的频段，这都极大地限制了其在工业和生活中的大规模使用。对于出入口控制系统而言，当其应用到地铁、火车站、飞机场的时候，急需期降低成本，并提高适应环境的能力。因此，我们选用了一种最新的技术来实现3D识别，在保证低成本的基础上实现高识别精度。

新技术名为单像素3D成像技术，其由英国格拉斯哥大学的孙宝清及其同事研发。该技术无需镜头和复杂设备便可重建物体3D图像。它通过给一个3D物体（此例中是一个人头模型）进行照明，并用一种被称为“单像素检测器”的微小光检测器从不同的角度检测被照明的场景，研究人员收集到了反射光数据。然后，他们对这些反射光数据来进行加权，将从不同角度产生的所有这些加权数据进行叠加，就可以得到一幅该3D物体的准确重建图像。

“单像素3D成像技术”（MatthewEdgar，2013）是一个非常简单的光电二极管，只由一个光敏元件组成，其安装与配置十分简单。首先使用光投影仪以不同的光照方式对待成像物体进行照明，然后用一个单像素检测器测算整体反射光的数据，在对一系列反馈信号数据进行计算之后，他们就得到了一副物体的2D图像，这幅图像中包含该光照模式对应的阴影和明暗信息。因此，从理论上来说，他们只需要两个单像素检测器得到的2D图像就可以绘制物体的3D图像。但是为了使计算更简便，通常使用四个单像素检测器来完成这一工作。而3D成像系统的精度则取决于光照的方式，对物体的光照越精细，反射光与环境光就更容易区分，所得图像的信噪比也就越大。效果见图2、图3。图2表示在投影仪投光次数较少时的成像效果，随着投影仪投光次数增多，单像素检测器获得的对象信息逐步增多，对象的真实轮廓逐渐变得清晰，最后将4个单像素检测点的检测结构进行综合合成，形成一副准确度极高的对象的3D图像如图3，从而可以与数据库进行比对，准确判定进入闸机的对象的具体情况。

这种设备简单，不需要镜头和复杂的设备，而且能够处理那些现有光学元件无法检测到的光波段，有效降低了使用成本。在现有的3D图像合成技术中，对物体从不同的角度拍摄2D图像，然后通过合成得到3D图像，要求有较高的精确度和匹配度才能实现，成本高昂，计算复杂。与现有技术相比，“单像素3D成像技术”所得的物体图像在空间上是一致的，只在阴影和明暗上有区别，因此大大降低了计算量。同时，该方法有全波段检测性能，突破了现有技术只检测可见光或者红外光等波段束缚。

3　出入口轧机结构原理及设计

3.1出入口轧机单像素检测点设置

在地铁、火车、飞机等车站布置的闸机上布置3D成像设备，需要根据单像素检测技术的要求，按如图4和图5所示方式布置检测点和光投影仪。

图中A、B点分别表示两个独立的单像素测试点，CA、CB表示两个独立的光投影仪。为了简便，图中仅给出了闸机一侧的单像素检测点和光投影仪布置的分布图，与这一侧对应，在其相对的那扇闸机的面上也分别有两个像素监测点和光投影仪。

3.2模块工作逻辑

闸机系统加入3D成像识别技术后，并不需要改变原有的非识别模块的功能设置。区别仅在于将2D成像识别技术更换为3D。所以，本文保持原有设计逻辑功能不变[3]。

工作时，闸机先收到刷票信息，然后开启四个光投影仪（通道两侧的闸机上分别有两个光投影仪），对进入通道的对象进行投光。之后，同样是四个单像素检测点分别在不同的光照下成像。成像数据送到后台图像合成模块进行3D图像的形成，并与系统内部存储的典型物体的形状进行对比，进而做出操作决策，如放行、拒绝、记录和报警等。其电路原理如图6[1]。在做操作决策的前，微电脑系统将收到的信号通过专有算法合成计算，之后与数据库的操作图形进行逻辑比对，得出操作决策指令。最后，通过CANBUS数据总线将执行指令传到执行机构扇门驱动器1和2。至此，整个流程结束。

4　结论

本文设计了第三代出入口控制系统。主要是针对第二代闸机系统的内在缺陷进行了针对性的改进。首先，系统设计闸机检测系统的2D图像识别技术提高为3D，取得了革命性的技术突破，提高了检测精度，对于叠加性的逃票和误判，错误执行率大幅降低。同时，为了进一步降低对儿童、孕妇、老人等易伤群体的伤害，将当前主流的外覆软性材料的硬挡板换成了具有高度弹性的互卡软挡板，既降低了逃票的可能性，又保护了易伤群体。

[1]李绍林.基于嵌入式Linux的闸机监控系统设计[M].山东大学,2013.

[2]施水娟,董应超.扇门式闸机控制系统研究[J].科技创新导报,2013:43-44.

[3]王洪云.基于QT的闸机控制系统设计与实现[M].电子科技大学,2012.

[4]张毅,城市轨道交通车站闸机运用优化研究[J].中国铁路,2014:106-110.