CN101723226A - 机器视觉三维探测电梯光幕的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器视觉三维探测电梯光幕的系统及方法。系统包括：视频采集模块包括摄像头，摄像头拍摄某楼层无人进出厅门口图像并传输到视频处理模块作为参考图像；当电梯停靠该楼层时，摄像头拍摄电梯厅门口的图像并通过视频电缆将图像传输给视频处理模块；视频处理模块将图像缓存，并进行减影，逐帧对比减影后相邻的2帧图像，判断乘客是否向电梯门移动，若是，则视频处理模块将判断信号传输给信号传输模块；信号传输模块将判断信号输出给电梯主控制柜。本发明机器视觉三维探测电梯光幕的系统或方法作为现有普通红外线平面光幕探测系统的补充，可以更明确的判断乘客的意愿，降低误判率。
Description
技术领域
本发明属于电梯光幕技术领域，特别是涉及一种机器视觉三维探测电梯光幕的系统及方法。
背景技术
电梯光幕是防止电梯自动关门时夹住乘客或货物的安全防护装置，它利用多组红外发射和接收单元的高速扫描，探测保护区域内的遮挡物并向上位控制设备提供信号。
目前，电梯光幕绝大多数都是平面探测光幕，参见图1，图1是现有普通红外线平面光幕结构图。其通过分别安装在电梯左、右两个轿门的红外光幕发射端、红外光幕接收端来探测电梯门运动平面内的人体或物，防止他们受到挤压而造成安全事故。这种探测方式，只有当人或物出现在电梯门移动平面内遮挡红外线时才能被探测到并控制电梯重新开门。而经常出现的情况是，在电梯门关闭过程中，有乘客抢入，此时仍然乘客很容易会与电梯门边发生碰撞，造成安全事故。
光幕红外线发射端发射出红外线，光幕红外线接收端接收红外线。当电梯门打开后，如果此时有人进出电梯，光幕发射出的红外线将有一部分因人体遮挡而无法到达接收端，光幕在通过IC芯片计算确认该遮挡有效后，将向电梯主控制柜发出保护信号阻止电梯门关闭并重新开门。
针对普通电梯光幕存在的缺陷，目前行业内普遍采用的解决办法是在电梯轿门上方加装被动式人体红外线探测器。此方案可以在厅门入口区域形成一个圆锥体探测范围。在电梯准备关门或正在关门时，一旦有人体进入该范围，探测系统就可以马上检测出，使电梯立即停止关门并转为开门。与单纯的平面光幕相比，在时间上提前了开门动作，从而大大减少了乘客碰撞电梯门的机率。但是这种解决方案仍有不足之处。如果乘客想要乘坐的方向与电梯正在运行的方向恰好相反，此时乘客只是站在厅门口等待电梯运行方向改变但并不想进入电梯，而在这种情行下，这种电梯轿门上方加装的被动式人体红外线探测器并不能判断出乘客的真实意愿，仍然会打开电梯门，浪费电梯大量的有效运行时间，降低电梯的运行效率。
发明内容
本发明公开了一种机器视觉三维探测电梯光幕的系统及方法，在电梯轿厢内部上方加装摄像头，实时拍摄电梯轿厢及厅门口乘客的进出情况，并应用视频处理模块对电梯门打开后厅门附近被拍摄的图像进行实时分析，从而判断乘客是否要进入或走出电梯轿厢，以此作为参考，辅助2D平面光幕运行，降低人或物与电梯门边发生碰撞的机率，提高电梯使用的安全可靠性及运行效率。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：机器视觉三维探测电梯光幕的系统，其包括：
视频采集模块：包括摄像头、视频电缆，摄像头拍摄某楼层无人进出电梯时的厅门口图像并通过视频电缆把图像传输到视频处理模块作为参考图像；当电梯门停靠该楼层打开电梯门时，摄像头拍摄电梯厅门口的图像并通过视频电缆将图像传输给视频处理模块；
视频处理模块：将视频采集模块传输来的各个状态的图像进行缓存，将实时传来的图像与参考图像进行减影处理，逐帧对比减影后相邻的2帧图像，得到乘客的移动方向及位移，判断乘客是否向电梯门移动，若是，则视频处理模块将阻止关门的判断信号传输给信号传输模块；
信号传输模块：将视频处理模块的判断信号输出给电梯主控制柜，电梯主控制柜接收到阻止关门的信号后给电梯门机发送指令以阻止关门。
所述的机器视觉三维探测电梯光幕的系统，视频处理模块包括数字信号处理单元、存储单元，存储单元存储视频采集模块传输来的图像，数字信号处理单元将实时传输来的图像与参考图像进行减影运算，并实时比较减影后相邻的2帧图像。
所述的机器视觉三维探测电梯光幕的系统，信号传输模块的信号输出选用CAN总线、晶体管电平输出或继电器触点输出。
所述的机器视觉三维探测电梯光幕的系统，摄像头先拍摄某楼层无人进出电梯厅门口时的图像作为参考图像；摄像头拍摄该楼层电梯厅门口的第N帧图像；视频处理模块接收到第N帧图像，将第N帧图像与相应楼层的参考图像进行减影并滤波后得到乘客的影像，将乘客影像外轮廓的像素点坐标取出做加权平均值计算，得出第N帧乘客中心点的坐标并缓存；视频处理模块计算第N-1帧乘客中心点与第N帧乘客中心点的坐标差，得到乘客的行进方向及位移；若乘客行进方向向电梯靠近且与电梯中轴线的夹角小于设定值45度，则计数器加1，若计数器累加值达到设定值，则判定乘客将进入电梯，电梯关门将被阻止，计数器随后清零；若没有达到计数器累加设定值，视频采集模块拍摄实时第N+1帧图像，并传输至视频处理模块。
本发明还公开了一种机器视觉三维探测电梯光幕的方法，其包括以下步骤：
A、利用摄像头先拍摄某楼层无人进出电梯厅门口时的图像作为参考图像，并传输给视频处理模块存储；
B、摄像头拍摄该楼层电梯厅门口的第N帧图像并传输给视频处理模块存储，视频处理模块接收到第N帧图像，将第N帧图像与相应楼层的参考图像进行减影并滤波后得到乘客的影像，将乘客影像外轮廓的像素点坐标取出做加权平均值计算，得出第N帧乘客中心点的坐标并缓存；
C、视频处理模块计算第N-1帧乘客中心点与第N帧乘客中心点的坐标差，得到乘客的行进方向及位移；若乘客行进方向向电梯靠近且与电梯中轴线的夹角小于设定值，则计数器加1，若计数器累加值达到设定值，则判定乘客将进入电梯，电梯关门将被阻止，计数器随后清零；若没有达到计数器累加设定值，则执行步骤D；
D、删除第N-i帧图像，视频采集模块拍摄实时第N+1帧图像，并传输至视频处理模块；视频处理模块接收第N+1帧图像，重复上述步骤B处理过程。
所述的机器视觉三维探测电梯光幕的方法，若乘客至少连续3帧的行进方向向电梯门靠近，且与电梯的中轴线夹角小于45度，则判定乘客将进入电梯，电梯关门将被阻止。
所述的机器视觉三维探测电梯光幕的方法，摄像头以每秒25帧的速度采集图像。
所述的机器视觉三维探测电梯光幕的方法，视频处理模块以至少3帧的缓存量更新实时图像。
本发明机器视觉三维探测电梯光幕的系统，首先应用视频采集模块对准电梯轿厢内及厅门口附近的范围将每楼层无人进出电梯时的图像拍摄下来，并传输给视频处理模块存储作为参考底图，然后再进行连续拍摄。当电梯门没有打开的时候，视频处理模块只存储和更新视频不分析视频。当电梯门打开后视频处理模块实时逐帧的分析视频，分析的方法是实时将每一帧图像与参考图进行减影并滤波。视频处理模块通过运算比较减影后的相邻2帧图像可以判断出乘客行进的方向，并将此作为电梯门是否该延时关闭或重新打开的依据。
本发明机器视觉三维探测电梯光幕的系统或方法作为现有普通红外线平面光幕探测系统的补充，相比较被动式人体红外线探测器具有更佳的技术效果，应用本发明的图像分析法可以更明确的判断乘客的意愿(其是进入还是等待)，降低误判率。
附图说明
图1是现有普通红外线平面光幕结构图。
图2是本发明机器视觉三维探测电梯光幕的系统的摄像头安装示意图。
图3是本发明机器视觉三维探测电梯光幕的系统与电梯主控制柜、电梯门机的框图。
图4是乘客于电梯厅门口移动示意图。
图5是视频处理模块工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
如图2所示，1是电梯轿厢，2是电梯轿门即内门，3是电梯厅门即外门，4是红外光幕发射端，5是红外光幕接收端，6是墙体，7是摄像头，虚线框为摄像头7的视频采集区域，摄像头安装于电梯轿厢的内侧上方。
如图3所示，本发明机器视觉三维探测电梯光幕的系统包括：
视频采集模块：包括摄像头、视频电缆，摄像头先拍摄某一楼层无人进出电梯时的厅门口图像，并把图像传输到视频处理模块存储作为参考图，然后当电梯停靠该楼层并打开电梯门时，实时采集电梯厅门口的图像并将图像传输给视频处理模块。
视频处理模块：包括数字处理单元、存储单元、视频分析软件，其将视频采集模块传输来的图像进行缓存，并实时将每一帧图像与相应楼层的参考图进行减影并滤波，最后比较减影后相邻的2帧图像，得到乘客的移动方向及位移，判断乘客是否向电梯门移动，若是，则视频处理模块将阻止关门的判断信号传输给信号传输模块。
信号传输模块：可选用CAN总线、晶体管电平输出或继电器触点输出，其将视频处理模块的判断结果输出给电梯主控制柜，由电梯控制柜来控制电梯门机打开或关闭。
下面结合图4、5对本发明三维探测电梯光幕的系统运行及处理过程作如下阐述：
1、视频采集模块先将某一楼层无人进出电梯时的厅门口图像传输给视频处理模块作为参考图像，并将图像传输给视频处理模块。视频处理模块存储参考图像并把存储在内存中的参考图作为减影的底图。
2、当电梯门停靠该楼层打开电梯门，视频采集模块以每秒25帧的速度采集图像，并将图像传输给视频处理模块，视频处理模块存储该状态的图像。
视频处理模块以至少3帧的缓存量更新实时图像。视频处理模块逐帧的将实时图像与参考图进行减影并滤波，经过对比减影后相邻的2帧图像，得到乘客的移动方向及位移，判断乘客是否有向电梯门靠近的位移，如果是，则视频处理模块将阻止关门的判断结果传输给信号传输模块。视频处理模块工作流程详述如下：
图4中的虚线圆表示乘客在N-1时刻对应的N-1帧图像，实线圆表示乘客在N时刻对应的N帧图像(N为一变量且为正整数，N-1和N代表了相邻的两帧图像)。
A、视频处理模块接收到第N帧图像，将其与参考图进行减影并滤波后可得到乘客的影像，将乘客影像外轮廓(虚线圆)的像素点坐标取出做加权平均值计算，得出N时刻乘客中心点的坐标并将其缓存。
B、视频处理模块计算第N-1帧乘客中心点(在前一次循环中第N-1帧经过步骤A得到的数据)与第N帧乘客中心点的坐标差，可以得到乘客的行进方向及位移。
C、若乘客连续5帧的行进方向为向电梯靠近且与电梯的中轴线夹角小于45度则判定乘客将进入电梯，电梯关门将被阻止。
注：由于任何图像经过AD转换以位图格式存储在计算机系统中，其像素点都是以色度和亮度的数值表示的，因此减影实际上就是将两帧图中的每个像素点对应的亮度和色度值进行相减，并将相减后的余值做滤波处理，这样两帧图中相同的地方因为亮度和色度相同就会被相减为零，而不同的地方相减余值就不会为零，最终通过减影就可以把两帧图不同的地方分离出来。
3、信号传输模块通过可选用CAN总线、晶体管电平输出或继电器触点输出将视频处理模块的判断结果输出给电梯主控制柜，电梯主控制柜接收到阻止关门的信号后给电梯门机发送指令阻止关门。
如果在电梯启动关门的时刻没有乘客进出，则视觉光幕系统不发送信号给电梯主控制柜，电梯完全关门后电梯主控制柜将屏蔽视觉光幕系统输出信号。
普通红外线光幕通常安装在电梯内门上，其保护范围为电梯内外门两侧之间的二维平面区域。因为普通红外线光幕的二维探测范围受限，在电梯关门的瞬间如果有人抢进电梯，经常是不但没有阻止电梯关门反而撞上电梯门。此缺陷已在前述背景技术中描述。本发明是在此基础上，于电梯轿厢的内侧上方加装摄像头，摄像头的探测范围不但包括了红外光幕的二维空间，还有向电梯外部延伸到了厅门口，这种三维探测方式可有效的提前探测到电梯门口的人员进出情况，从而避免有人抢进电梯轿厢而发生的撞门事件。
本发明还公开了一种机器视觉三维探测电梯光幕的方法(可参考图5)，其包括如下步骤：
A、利用摄像头先拍摄某楼层无人进出电梯厅门口时的图像作为参考图像，并传输给视频处理模块存储；
B、摄像头拍摄该楼层电梯厅门口的第N帧图像并传输给视频处理模块存储，视频处理模块接收到第N帧图像，将第N帧图像与相应楼层的参考图像进行减影并滤波后得到乘客的影像，将乘客影像外轮廓的像素点坐标取出做加权平均值计算，得出第N帧乘客中心点的坐标并缓存；
C、视频处理模块计算第N-1帧乘客中心点(在前一次循环中第N-1帧经过步骤B得到的数据)与第N帧乘客中心点的坐标差，得到乘客的行进方向及位移；若乘客至少连续3帧的行进方向向电梯靠近且与电梯中轴线的夹角小于设定值45度，则计数器加1，若计数器累加值达到设定值，则判定乘客将进入电梯，电梯关门将被阻止，计数器随后清零；若没有达到计数器累加设定值，则执行步骤D；
若乘客行进方向朝电梯靠近且与电梯中轴线的夹角小于设定值这两个条件有任何一个不满足，则计数器清零；
D、删除第N-i(2＜i＜N，i为一常量且为正整数)帧图像，视频采集模块拍摄实时第N+1帧图像，并传输至视频处理模块；视频处理模块接收第N+1帧图像，重复上述步骤B处理过程。
上述优选实施例只是对本发明的解释说明，本发明并不限于上述实施例，本领域的普通技术人员应当认识到，任何对本发明的变型都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.机器视觉三维探测电梯光幕的系统，其特征是包括：
视频采集模块：包括摄像头、视频电缆，摄像头拍摄某楼层无人进出电梯时的厅门口图像并通过视频电缆把图像传输到视频处理模块作为参考图像；当电梯门停靠该楼层打开电梯门时，摄像头拍摄电梯厅门口的图像并通过视频电缆将图像传输给视频处理模块；
视频处理模块：将视频采集模块传输来的各个状态的图像进行缓存，将实时传来的图像与参考图像进行减影处理，逐帧对比减影后相邻的2帧图像，得到乘客的移动方向及位移，判断乘客是否向电梯门移动，若是，则视频处理模块将阻止关门的判断信号传输给信号传输模块；
信号传输模块：将视频处理模块的判断信号输出给电梯主控制柜，电梯主控制柜接收到阻止关门的信号后给电梯门机发送指令以阻止关门。
2.权利要求1所述的机器视觉三维探测电梯光幕的系统，其特征是：视频处理模块包括数字信号处理单元、存储单元，存储单元存储视频采集模块传输来的图像，数字信号处理单元将实时传输来的图像与参考图像进行减影运算，并实时比较减影后相邻的2帧图像。
3.权利要求1所述的机器视觉三维探测电梯光幕的系统，其特征是：信号传输模块的信号输出选用CAN总线、晶体管电平输出或继电器触点输出。
4.权利要求1所述的机器视觉三维探测电梯光幕的系统，其特征是：摄像头先拍摄某楼层无人进出电梯厅门口时的图像作为参考图像；摄像头拍摄该楼层电梯厅门口的第N帧图像；视频处理模块接收到第N帧图像，将第N帧图像与相应楼层的参考图像进行减影并滤波后得到乘客的影像，将乘客影像外轮廓的像素点坐标取出做加权平均值计算，得出第N帧乘客中心点的坐标并缓存；视频处理模块计算第N-1帧乘客中心点与第N帧乘客中心点的坐标差，得到乘客的行进方向及位移；若乘客行进方向向电梯靠近且与电梯中轴线的夹角小于设定值45度，则计数器加1，若计数器累加值达到设定值，则判定乘客将进入电梯，电梯关门将被阻止，计数器随后清零；若没有达到计数器累加设定值，视频采集模块拍摄实时第N+1帧图像，并传输至视频处理模块。
5.机器视觉三维探测电梯光幕的方法，其特征是包括以下步骤：
A、利用摄像头先拍摄某楼层无人进出电梯厅门口时的图像作为参考图像，并传输给视频处理模块存储；
B、摄像头拍摄该楼层电梯厅门口的第N帧图像并传输给视频处理模块存储，视频处理模块接收到第N帧图像，将第N帧图像与相应楼层的参考图像进行减影并滤波后得到乘客的影像，将乘客影像外轮廓的像素点坐标取出做加权平均值计算，得出第N帧乘客中心点的坐标并缓存；
C、视频处理模块计算第N-1帧乘客中心点与第N帧乘客中心点的坐标差，得到乘客的行进方向及位移；若乘客行进方向向电梯靠近且与电梯中轴线的夹角小于设定值，则计数器加1，若计数器累加值达到设定值，则判定乘客将进入电梯，电梯关门将被阻止，计数器随后清零；若没有达到计数器累加设定值，则执行步骤D；
D、删除第N-i帧图像，视频采集模块拍摄实时第N+1帧图像，并传输至视频处理模块；视频处理模块接收第N+1帧图像，重复上述步骤B处理过程。
6.如权利要求5所述的机器视觉三维探测电梯光幕的方法，其特征是：若乘客至少连续3帧的行进方向向电梯门靠近，且与电梯的中轴线夹角小于45度，则判定乘客将进入电梯，电梯关门将被阻止。
7.如权利要求5所述的机器视觉三维探测电梯光幕的方法，其特征是：摄像头以每秒25帧的速度采集图像。
8.如权利要求5所述的机器视觉三维探测电梯光幕的方法，其特征是：视频处理模块以至少3帧的缓存量更新实时图像。
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