基于CTK插件框架的太赫兹人体安检系统软件设计

张华坤 刘力力 卜伟华 唐冠杰 汪潮

（博微太赫兹信息科技有限公司 安徽省合肥市 230088）

1 背景

太赫兹人体安检系统采用被动式实时成像太赫兹人体安检技术，利用人体自身热辐射产生的太赫兹波，通过一定的准光系统将这些辐射收集到探测焦平面上，在焦平面上使用太赫兹探测器阵列完成对信号的采集。之后通过对信号的处理，可以形成人体辐射的太赫兹波强度图，由于人身携带的物品对太赫兹波的遮挡和吸收，在太赫兹强度图上这些物品所在的位置就会显示出阴影轮廓，通过这个原理可以实时探测到人身携带物品的位置、大小和形状，解决大客流场景下快速人体安检的难题。[1]

随着各安检场所对通行安全和通行效率的要求不断提升，系统的应用场景也越来越复杂多样。为了能够适应快速多变的用户需求，系统必须能针对不同的安检场所、安检级别对功能进行快速定制和整合，因此对软件框架的可扩展性提出了很高的要求。

2 插件框架

2.1 框架简介

如图1 所示，Common Toolkits（以下简称CTK）插件框架是面向C++语言的动态组件系统，它直接基于OSGI 规范。该系统由许多可重用的不同组件动态地组成，并允许各组件之间通过服务进行通信。官方提供了框架的分层模型包括：

（1）插件（Plugins）--由开发人员创建的CTK 组件。

（2）服务层（Services Layer）--通过为C++对象提供一个“发布-发现-绑定”模型来动态连接插件。

（3）生命周期层（Life Cycle Layer）--用于安装、启动、停止、更新和卸载插件的API。

（4）安全性（Security）--处理安全方面的内容（尚未实现）。

使用CTK 插件框架开发就代表开发插件，各插件之间互相隐藏了内部实现，并通过良好的服务和其它插件进行通信。内部隐藏机制表明可以自由地更改本插件而不影响其它插件，面向服务的通信机制可以将插件之间的耦合性降到最低，大大提高系统的模块化程度，使得代码更加灵活，能够更好地适应变化。

2.2 框架运行机理

CTK 插件框架的使用主要分为以下几个步骤：

（1）初始化CTK 插件框架。

（2）安装并启动插件。

（3）获取并调用服务。

2.2.1 初始化CTK 插件框架

图1：CTK 插件框架的分层模型[2]

图2：框架初始化

图3：插件初始化

如图2所示，CTK插件框架（ctkFramework）进行初始化（ctkPluginFramework::init） 时，首先对插件框架上下文（ctkPluginFrameworkContext） 进 行 初 始 化（ctkPluginFra meworkContext::init），插件框架上下文则调用插件上下文（ctkPluginContext）的构造函数进行初始化。然后，启动CTK 插件框架（ctkPluginFramework::start），根据插件框架的id 号获取框架的指针（ctkPlugin::getPlugin），通过指针调用插件类（ctkPlugin）的启动函数（ctkPlugin::start），完成插件框架的启动工作。由此可以看出，CTK 插件框架本质上也是一个CTK 插件，只不过插件框架对该框架内的所有插件（ctkPlugins）和服务（ctkServices）进行了管理。

表1：日志服务定义表

表2：主机交互插件事件定义

表3：状态监控插件事件定义

2.2.2 安装并启动插件

如图3 所示，插件框架初始化时获取了插件上下文（ctkFrame work::getPluginContext），根据插件上下文安装插件（ctkPluginCon text::installPlugin），安装插件成功后返回该插件的指针，再通过指针调用插件类（ctkPlugin）的启动函数（ctkPlugin::start），完成插件的启动工作。

2.2.3 获取并调用服务

仍然通过插件上下文获取插件提供的服务（ctkPluginContext:: getService），getService 函数返回了服务的指针，其他插件可通过该指针调用服务。调用该函数时需要传入服务的引用（ctkServiceReference），该引用同样通过插件上下文进行获取（ct kPluginContext::getServiceReference）。

2.2.4 事件管理服务

图4：软件插件化示意图

事件管理服务是CTK 插件框架提供的一种特殊的服务，它采用了消息发布/订阅模式，消息的发送者将消息分为不同的主题（Topic），消息的接收者只根据Topic 来接收感兴趣的消息，两者之间通过EventAdmin 插件（由CTK 官方提供）进行通信，这极大地降低了插件之间的耦合性，使得多人并行开发成为可能。EventAdmin 插件实现了多线程并行发送事件、事件处理黑名单等诸多功能，开发人员也可按照插件框架的规范对EventAdmin 进行定制开发。

图5：软件参数设置界面

3 软件架构设计

3.1 需求分析

太赫兹人体安检系统集成了太赫兹成像主机、光学摄像头、电源模块等硬件设备，在不同的安检场景下需要增加或减少某些设备，甚至可能需要集成新的设备。因此，硬件可配置、可扩展成为软件最主要的需求。

3.2 插件化设计

针对硬件可配置、可扩展的要求，将每种硬件的功能以CTK插件的形式进行封装，在实际使用时，根据具体的硬件配置选择加载相应的插件。将软件分为四层架构（如图4 所示），从上往下分别为：信息展示层、业务逻辑层、硬件代理层、基础设施层，底层提供服务，上层进行调用。当需要增加新的硬件时，只需在硬件代理层中添加相应功能的插件，并对业务逻辑层和信息展示层中的某些相关插件进行修改即可，最大程度地减小对软件其他模块的影响。

3.3 主要插件设计

3.3.1 日志管理插件

日志管理插件用于记录软件运行过程中产生的日志信息，日志信息共分为4 级：调试、普通、警告和错误。作为基础设施层中的模块，该插件为软件中的其他插件提供日志服务，服务共提供9 项功能，具体信息如表1 所示。

3.3.2 太赫兹主机交互插件

太赫兹主机交互插件（以下简称主机交互插件）用于和太赫兹主机（以下简称主机）进行交互，包括接收太赫兹图像数据、接收状态信息、转发主机控制命令、转发参数设置命令等。主机交互插件提供服务SERVICE_DCHOST，SERVIC_DCHOST 可以有n 个实例，视硬件配置参数而定。主机交互插件内部维护和主机的连接：在插件初始化时，连接到主机；当和主机的连接断开时，定时尝试重新连接到主机；当重新设置了主机的连接参数时，定时尝试重新连接到主机。

主机交互插件的服务以事件的形式提供，如表2 所示。

3.3.3 状态监控插接件

状态监控插件用于管理系统内各硬件设备的工作状态，该插件收到其他模块发送的状态信息后，先进行缓存，然后每2 秒向其他插件发送系统状态信息更新。

状态监控插件的服务以事件的形式提供，如表3 所示。

3.4 应用

图5 为基于CTK 插件框架设计的太赫兹人体安检系统软件的设置界面。在系统内部硬件发生变化时，不必对系统框架和核心插件进行修改，仅对与硬件交互的插件进行配置即可实现功能的扩展和裁剪。例如，在单机系统中只需要启用1 个主机交互插件和1 个光学摄像头交互插件即可，而在双机通道式系统中可以同时开启2个主机插件和2 个光学摄像头交互插件。

4 结论

太赫兹人体安检系统是一种人体安检领域的新产品，代表了下一代人体安检安防产品的发展方向[3]。在新产品的使用过程中，快速多变的用户需求给软件提出了更高的要求。为此，本文提出了以QT 为基础平台，基于CTK 插件框架的软件设计方法，对CTK 插件框架的运行机理进行了深入阐述，详细描述了太赫兹人体安检系统软件的插件化分层框架，并举例说明软件中核心插件的设计方案。实际应用表明，采用CTK 插件框架进行软件开发，不但令软件的结构更清晰，模块间的耦合性更低，开发难度更低，还极大地提高了软件的复用性，降低了开发成本，具有较高的实用价值。