CN110306463A - 一种测量身高的闸机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量身高的闸机，该闸机包括一个闸机机体、一个身高测量模块，身高测量模块由红外发射器、红外相机、计算单元、微调旋钮组成，红外发射器向闸机通道内发射一束竖直的红外线，红外相机能够接收到红外发射器发射后反射回来的红外线，计算单元通过图像处理算法寻找到行人的头部位置，并换算为行人的身高，由此检测行人的身高。本发明有效解决了现有漫反射传感器技术对于黑衣服行人容易漏人的问题。

Description

一种测量身高的闸机
技术领域
本发明涉及一种闸机，特别涉及一种测量身高的闸机。
背景技术
随着我国城市化进程的不断加快，城市基础设施特别是城市交通与城市发展的矛盾逐渐显现，城市轨道交通对整个城市的总体规划、促进和引导沿线规划建设和经济发展、改善城市公共交通状况、优化城市交通结构等方面都起到了积极作用。
在乘客通行过程中，闸机是一种通道管理设备，用于管理人流并规范行人出入。在闸机的通行逻辑中，一般的轨道交通的通行控制设备需要区别儿童和成人，这种区别通常是以人体的身高为标准来判断的。现有的轨道交通AFC系统中闸机的身高检测的装置一般大多是依靠漫反射式红外传感器来实现的。反射传感器的问题在于对于黑衣服的行人，其反射光线太弱，传感器无法检测到，从而导致漏人问题。
发明内容
本发明是为了克服上述现有技术的缺陷，通过在闸机上配备身高测量模块用于测量行人身高。身高测量模块通过发射红外线，并接收行人反射回的红外线，有效检测行人的身高，有效解决了漫反射传感器检测不到穿黑衣服行人的问题。
本发明为了实现上述目的，采用以下技术方案：
一种测量身高的闸机，包括一个闸机机体、一个身高测量模块，所述身高测量模块安装在所述闸机机体上，所述身高测量模块包含红外发射器、红外相机、计算单元、微调旋钮；所述红外发射器向闸机通道内发射一束竖直的红外线，所述红外相机能够接收到红外发射器发射后反射回来的红外线，红外发射器发射的红外线和红外相机接收的红外线的波长是一致的。计算单元通过图像处理算法寻找到行人的头部位置，并换算为行人的身高，由此检测行人的身高。
进一步的，所述红外发射器发射的红外线和红外相机的光轴之间的夹角在0°—90°之间。当行人距离身高测量模块越近，人体所反射的红外光在图像上与基准线的偏移量越大。
进一步的，所述红外发射器发射的红外线，与红外相机接收的红外线，其红外波长均为840nm。
一种使用上述测量身高闸机的检测方法，检测行人身高分为两个步骤。步骤1是判断当行人身高、与身高测量模块在某距离时，其头顶在红外相机的位置。步骤2部分是通过图像处理计算出行人头顶的像素位置。
步骤1、判断行人头顶在红外相机的位置；包括：
步骤1.1：假设行人头顶位置的世界坐标系位置是P＝(0,h,d)，其中h是行人身高，d是行人距离相机的水平高度，此时世界坐标系的原点在身高传感器红外相机的正下方；
步骤1.2：以红外相机作为世界坐标系原点，则行人头顶的位置是P1＝P+T，T＝(0,-H,0)，H为红外相机距离地面的高度；
步骤1.3：以红外相机作为世界坐标系原点，相机光轴为Z轴，像平面为Y轴，则行人头顶的位置为
α是光轴与水平面之间的夹角；
步骤1.4：投影到红外相机的像平面上，位置设为(X,Y)，
X＝f(baseline-z*tanθ)/(z-f)
Y＝-y*f/z
其中，f是红外相机的焦距，baseline是红外发射器与红外相机的距离，θ是红外发射器发出的激光束和红外相机光轴之间的夹角，x/y/z分别是步骤1.3得到的行人头顶坐标点的X轴、Y轴、Z轴坐标；投影到红外相机的像平面的X方向坐标，根据相似三角形比例关系推导得出；投影到红外相机的像平面的Y方向坐标，也是根据相似三角形比例关系推导得出；
步骤1.5：换算成红外相机的像素点坐标，设其次坐标为(u,v,1)，则换算公式为：
dx＝fx/width
dy＝fy/height
其中，(u0,v0)是红外相机光轴与像平面的交点，fx是红外相机感光元件在水平方向上的尺寸，fy是红外相机感光元件在垂直方向上的尺寸，width是图像水平方向上的像素数，height是图像垂直方向上的像素数；
步骤1.6：考虑相机畸变，行人头顶的位置(u1,v1)的公式为：
u1＝u(1+k1*r2+k2*r4+k3*r6)
v1＝v(1+k1*r2+k2*r4+k3*r6)
其中，r2＝(u1-u0)2+(v1-v0)2,k1/k2/k3是相机径向畸变的参数。
步骤2、通过图像处理计算出行人头顶的像素位置；包括：
步骤2.1：对于红外相机得到的彩色图像，首先对其做灰度化处理，灰度化算法为：
Gray＝R*0.299+G*0.587+B*0.114
其中，R是像素的红色值，G是像素的绿色值，B是像素的蓝色值，Gray是像素求得的灰度值；
步骤2.2：从上到下，从左至右开始搜索行人头顶的位置；对于每一个像素点(x,y1)，如果从该像素点向右连续N个点，其灰度值均大于threshold，则认为这一位置为行人头部；此时继续向右搜索，直到第一个灰度值小于等于threshold的点(x,y2)，则行人头顶的位置为(x,(y1+y2)/2)，并停止搜索。
与现有技术相比，本发明通过发射红外线，并接收行人反射回的红外线，有效检测行人的身高，有效解决了漫反射传感器检测不到穿黑衣服行人的问题。本发明还设有微调旋钮。不同的摄像头，由于生产安装时的误差，其相机参数有一定误差。因此本发明通过微调按钮来进行微调，保证同一批次，不同的相机，都能够通过同样的查表来计算出行人的身高。
附图说明
图1是本发明红外发射器发射的光线通过闸机时的示意图。
图2是本发明测量身高的闸机的身高测量模块原理示意图。
图3是本发明一种测量身高的闸机的身高测量模块检测区域示意图。
图4是以红外相机正下方地面为原点，以垂直地面为Y轴的世界坐标系示意图。
图5是以红外相机为原点，以垂直地面为Y轴的世界坐标系示意图。
图6是以红外相机为原点，以相机光轴为Y轴的世界坐标系示意图。
图7是计算物体在像平面上的X轴位置投影计算公式示意图。
图8是计算物体在像平面上的Y轴位置投影计算公式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，一种测量身高的闸机，包含身高测量模块，所述身高测量模块安装在所述闸机机体上，包含红外发射器、红外相机、计算单元、微调旋钮；所述红外发射器向闸机通道内发射一束竖直的红外线，所述红外相机能够接收到红外发射器发射后反射回来的红外线，红外发射器发射的红外线和红外相机接收的红外线的波长是一致的。计算单元通过图像处理算法寻找到行人的头部位置，并换算为行人的身高，由此检测行人的身高。
所述红外发射器发射的红外线和红外相机的光轴之间的夹角在0°—90°之间。当行人距离身高测量模块越近，人体所反射的红外光在图像上与基准线的偏移量越大。
所述红外发射器发射的红外线，与红外相机接收的红外线，其红外波长均为840nm。
所述红外发射器发射的红外线和红外相机的光轴之间有一定夹角，这样，当行人距离身高测量模块越近，人体所反射的红外光在图像上与基准线的偏移量越大。
如图3所示，一种测量身高的闸机的身高测量模块检测区域示意图，身高测量模块与地面的距离H为1000毫米，行人距离身高测量模块的距离d的取值范围为100-1000毫米，光轴与水平面之间的夹角α＝30°，红外发射器与红外相机的距离baseline为182毫米，红外相机感光元件的尺寸为0.1英寸，感光元件的宽高比为3:4，红外发射器发出的激光束和红外相机光轴之间的夹角θ为15°，图像水平方向上的像素数width为480，图像垂直方向上的像素数height为640，红外相机光轴与像平面的交点(u0,v0)＝(240,320)，相机径向畸变的参数k1＝0，k2＝0，k3＝0。
身高测量模块在使用之前，需要通过图像标定流程，确定每个像素点对应的行人与身高测量模块的距离，以及行人的身高。图像标定流程如下：
将假人模型的身高调整为120cm，距离身高测量模块10cm，将此时行人头顶的位置记录下来；
模型身高保持不变，距离身高测量模块距离调整为20cm，将此时行人头顶的位置记录下来；
如此循环，将所有情况对应的行人头顶位置都记录下来。
在使用时，先通过图像算法计算出行人头顶的位置A(x,y)，然后通过查表的方式，计算出行人的身高，并同时计算出行人距离身高测量模块的距离；
如果表上没有位置A，则判断位置A表示的含义。首先，判断位置A和整个表格在的位置关系。计算表格在X轴方向的最小值Xmin，最大值Xmax；
首先判断x是否处在[Xmin,Xmax]区间内。如果x不处于此区间内，说明目标尚未进入检测区域，停止判断。如果x在此区间内，则继续；
通过查表的方式，找到表中X＝x的所有值中，Y值的最小值Ymin，Y值的最大值Ymax。因为进入此流程的前提是，表上没有此位置A，所以可以确定y不在[Ymin,Ymax]区间内，因此只有2种可能：y小于Ymin，或者y大于Ymax；
如果y<Ymin，说明此行人的身高比可检测到的最小值还小，为了方便后续处理，将此行人的身高定为Ymin；
如果y>Ymax，说明此行人的身高比可检测到的最大值还大，为了方便后续处理，将此行人的身高定为Ymax；
至此，身高测量模块能够检测并输出行人的身高。
另外，身高测量模块还具有微调旋钮。不同的摄像头，由于生产安装时的误差，其相机参数有一定误差。因此需要微调按钮来进行微调，保证同一批次，不同的相机，都能够通过同样的查表来计算出行人的身高。模块有2个微调旋钮：旋钮1和旋钮2。旋钮用于调节身高高矮的误差。旋钮1用于调节较近距离的行人检测误差，旋钮2用于调节较远距离的行人检测误差。
调节旋钮1的方式：将模型设置在某一高度，放在距离身高测量模块10厘米的位置，然后检测身高测量模块的测量值。如果测量结果显示未达到此高度，则沿顺时针旋转旋钮，将红外发射器和红外相机的角度向下调节；如果测量结果显示高于此高度，则逆时针旋转旋钮，将红外发射器和红外相机的角度向上调节；直到测量结果和实际结果一致。
调节旋钮2的方式：将模型设置在某一高度，放在距离身高测量模块100厘米的位置，然后检测身高测量模块的测量值。如果测量结果显示未达到此高度，则沿顺时针旋转旋钮，将红外发射器和红外相机的角度向下调节；如果测量结果显示高于此高度，则逆时针旋转旋钮，将红外发射器和红外相机的角度向上调节；直到测量结果和实际结果一致。
本发明提出的一种测量身高的闸机，检测行人身高分为两部分。第一部分是判断当行人身高、与身高测量模块在某距离时，其头顶在红外相机的位置。第二部分是通过图像处理计算出行人头顶的像素位置。
以下分别对两部分做详细阐述。
1、判断行人头顶在红外相机的位置
1.1假设行人头顶位置的世界坐标系位置是P＝(0,h,d)，其中h是行人身高，d是行人距离相机的水平高度，如说明书附图4所示，此时世界坐标系的原点在身高传感器红外相机的正下方。
1.2以红外相机作为世界坐标系原点，则行人头顶的位置是P1＝P+T，T＝(0,-H,0)，H为红外相机距离地面的高度，如说明书附图5所示。
1.3以红外相机作为世界坐标系原点，相机光轴为Z轴，像平面为Y轴，则行人头顶的位置为
α是光轴与水平面之间的夹角，如说明书附图6所示。
1.4投影到红外相机的像平面上，位置设为(X,Y)，
X＝f(baseline-z*tanθ)/(z-f)
Y＝-y*f/z
其中，f是红外相机的焦距，baseline是红外发射器与红外相机的距离，θ是红外发射器发出的激光束和红外相机光轴之间的夹角，x/y/z分别是步骤3.1.3得到的行人头顶坐标点的X轴、Y轴、Z轴坐标。投影到红外相机的像平面的X方向坐标原理如说明书附图7所示，根据相似三角形比例关系推导得出。投影到红外相机的像平面的Y方向坐标原理如说明书附图8所示，也是根据相似三角形比例关系推导得出。
1.5换算成红外相机的像素点坐标，设其次坐标为(u,v,1)，则换算公式为：
dx＝fx/width
dy＝fy/height
其中，(u0,v0)是红外相机光轴与像平面的交点，fx是红外相机感光元件在水平方向上的尺寸，fy是红外相机感光元件在垂直方向上的尺寸，width是图像水平方向上的像素数，height是图像垂直方向上的像素数。
1.6考虑相机畸变，行人头顶的位置(u1,v1)的公式为：
u1＝u(1+k1*r2+k2*r4+k3*r6)
v1＝v(1+k1*r2+k2*r4+k3*r6)
其中，r2＝(u1-u0)2+(v1-v0)2,k1/k2/k3是相机径向畸变的参数。
2、通过图像处理计算出行人头顶的像素位置
计算过程如下：
2.1对于红外相机得到的彩色图像，首先对其做灰度化处理，灰度化算法为
Gray＝R*0.299+G*0.587+B*0.114
其中，R是像素的红色值，G是像素的绿色值，B是像素的蓝色值，Gray是像素求得的灰度值。
2.2从上到下，从左至右开始搜索行人头顶的位置。对于每一个像素点(x,y1)，如果从该像素点向右连续N个点，其灰度值均大于threshold，则认为这一位置为行人头部。此时继续向右搜索，直到第一个灰度值小于等于threshold的点(x,y2)，则行人头顶的位置为(x,(y1+y2)/2)，并停止搜索。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种测量身高的闸机，包括闸机机体，其特征在于：它还包括身高测量模块，所述身高测量模块安装在所述闸机机体上，所述身高测量模块包含红外发射器、红外相机、计算单元；所述红外发射器向所述闸机机体的通道内发射一束竖直的红外线，所述红外相机接收所述红外发射器发射后反射回来的红外线，所述红外发射器发射的红外线和所述红外相机接收的红外线的波长是一致的；所述计算单元通过图像处理算法寻找到行人的头部位置，并换算为行人的身高，由此检测行人的身高。
2.根据权利要求1所述的闸机，其特征在于：所述红外发射器发射的红外线，与红外相机接收的红外线，其红外波长均为840nm。
3.根据权利要求1所述的闸机，其特征在于：所述红外发射器发射的红外线和红外相机的光轴之间的夹角在0°—90°之间。
4.根据权利要求1所述的闸机，其特征在于，所述身高测量模块还具有微调旋钮，所述微调旋钮分为旋钮一和旋钮二，所述旋钮一用于调节较近距离的行人检测误差，所述旋钮二用于调节较远距离的行人检测误差。
5.一种身高闸机的检测方法，其特征在于，包括两个步骤：
步骤1、判断行人头顶在红外相机的位置；
步骤2、通过图像处理计算出行人头顶的像素位置。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤为：
步骤1.1：假设行人头顶位置的世界坐标系位置是P＝(0,h,d)，其中h是行人身高，d是行人距离相机的水平高度，此时世界坐标系的原点在身高传感器红外相机的正下方；
步骤1.2：以红外相机作为世界坐标系原点，则行人头顶的位置是P1＝P+T，T＝(0,-H,0)，H为红外相机距离地面的高度；
步骤1.3：以红外相机作为世界坐标系原点，相机光轴为Z轴，像平面为Y轴，则行人头顶的位置为
α是光轴与水平面之间的夹角；
步骤1.4：投影到红外相机的像平面上，位置设为(X,Y)，
X＝f(baseline-z*tanθ)/(z-f)
Y=-y*f/z
其中，f是红外相机的焦距，baseline是红外发射器与红外相机的距离，θ是红外发射器发出的激光束和红外相机光轴之间的夹角，x/y/z分别是步骤1.3得到的行人头顶坐标点的X轴、Y轴、Z轴坐标；投影到红外相机的像平面的X方向坐标，根据相似三角形比例关系推导得出；投影到红外相机的像平面的Y方向坐标，也是根据相似三角形比例关系推导得出；
步骤1.5：换算成红外相机的像素点坐标，设其次坐标为(u,v,1)，则换算公式为：
dx＝fx/width
dy＝fy/height
其中，(u0,v0)是红外相机光轴与像平面的交点，fx是红外相机感光元件在水平方向上的尺寸，fy是红外相机感光元件在垂直方向上的尺寸，width是图像水平方向上的像素数，height是图像垂直方向上的像素数；
步骤1.6：考虑相机畸变，行人头顶的位置(u1,v1)的公式为：
u1＝u(1+k1*r2+k2*r4+k3*r6)
v1＝v(1+k1*r2+k2*r4+k3*r6)
其中，r2＝(u1-u0)2+(v1-v0)2,k1/k2/k3是相机径向畸变的参数。
7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤为：
步骤2.1：对于红外相机得到的彩色图像，首先对其做灰度化处理，灰度化算法为：
Gray＝R*0.299+G*0.587+B*0.114
其中，R是像素的红色值，G是像素的绿色值，B是像素的蓝色值，Gray是像素求得的灰度值；
步骤2.2：从上到下，从左至右开始搜索行人头顶的位置；对于每一个像素点(x,y1)，如果从该像素点向右连续N个点，其灰度值均大于threshold，则认为这一位置为行人头部；此时继续向右搜索，直到第一个灰度值小于等于threshold的点(x,y2)，则行人头顶的位置为(x,(y1+y2)/2)，并停止搜索。
8.根据权利要求6或7所述的检测方法，其特征在于，调节旋钮一的方式：将模型设置在某一高度，放在距离身高测量模块固定距离的位置，然后检测身高测量模块的测量值；如果测量结果显示未达到此高度，则沿顺时针旋转旋钮，将红外发射器和红外相机的角度向下调节；如果测量结果显示高于此高度，则逆时针旋转旋钮，将红外发射器和红外相机的角度向上调节；直到测量结果和实际结果一致。
9.根据权利要求6或7所述的检测方法，其特征在于，调节旋钮二的方式：将模型设置在某一高度，放在距离身高测量模块固定距离的位置，然后检测身高测量模块的测量值；如果测量结果显示未达到此高度，则沿顺时针旋转旋钮，将红外发射器和红外相机的角度向下调节；如果测量结果显示高于此高度，则逆时针旋转旋钮，将红外发射器和红外相机的角度向上调节；直到测量结果和实际结果一致。
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