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基于区域激光扫描仪的快速图像检查控制系统论文

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2023-10-16 17:30:19    来源:    作者:yeyuankang

摘要:传统基于红外开关和光幕的快速图像检查系统,占地面积大、安装复杂、调试周期长,已经无法满足客户需求。通过研发新的控制方案,引入区域激光扫描仪作为核心传感器,融合侧面轮廓、视觉和长度比例等多种识别手段,使检查系统能够实时获得通道内车辆的测速、位置和长度等信息,对车辆类型进行识别,针对不同类型的车辆进行精准检查,并对扫描图像进图像校正。基于区域激光扫描仪的快速图像检查控制系统方案,使用区域激光扫描仪替代传统的光点开关和光幕,大幅减少了传感器数量和占地面积,设备安装和调试更加便捷。试验结果表明,系统设计方案合理,

  摘要:传统基于红外开关和光幕的快速图像检查系统,占地面积大、安装复杂、调试周期长,已经无法满足客户需求。通过研发新的控制方案,引入区域激光扫描仪作为核心传感器,融合侧面轮廓、视觉和长度比例等多种识别手段,使检查系统能够实时获得通道内车辆的测速、位置和长度等信息,对车辆类型进行识别,针对不同类型的车辆进行精准检查,并对扫描图像进图像校正。基于区域激光扫描仪的快速图像检查控制系统方案,使用区域激光扫描仪替代传统的光点开关和光幕,大幅减少了传感器数量和占地面积,设备安装和调试更加便捷。试验结果表明,系统设计方案合理,出束成功率97.48%,提升了速度测量准确度和车辆定位精度,使扫描图像不再失真,让客户能够看到更真实的扫描图像,提升查验效果。

  关键词:区域激光;车辆状态监测;车型识别;图像校正

  Abstract:The fast-scan image inspection system based on traditional infrared sensors and curtains has been unable to meet the needs of customers for image inspection,due to its large area,complex installation and long period of installation.Using laser sensors as the key component,new system can merge vision,cab/cargo length ratio,vehicle profile recognition methods,and obtain the speed measurement,position and length information of vehicles in the channel in real time,so the system can identify the vehicle type and carry out accurate inspection for different vehicles,and correct the scanned image.Because the fast-scan image inspection system covers uses laser sensor instead of traditional photoelectric sensors and curtains,it reduces the number of sensors and footprint,and makes equipment installation and debugging more convenient.The test results show that the system design scheme is reasonable,and the success rate of scanning is 97.48%,which improves the accuracy of speed measurement and vehicle positioning,eliminates the distortion of inspection images,and enables customers to see more real inspection images,improving the inspection effect.

  Key words:laser;vehicle monitoring;vehicle recognition;image correction

  0引言

  自世界上首套以电子直线加速器为射线源的车辆快速安全检查系统问世以来,车辆快检安全检查系统以其通过率高、占地面积小的独特优势,逐渐被用户接受并追捧[1-4]。应用场景从港口码头扩展到陆路口岸,检查对象也从传统集装箱扩展到各种车辆[5-6],快速图像检查系统也在不断演变和完善,为了实现复杂流程,大量使用光电开关、光幕等传感器[7-9],为了提高通过速度,不断加大设备占地面积,进而造成设备安装繁琐、复杂,设备现场安装、调试周期不断增加,设备厂家成本不断增长,投入人力物力不断增加,最终所有成本、费用叠加到用户身上后,传统的快速图像检查系统已无法满足用户的需求[10-12]。同时,检查对象扩展为各种车辆后,检查区域不再是港口内特定范围,在通过检查系统时的通过速度变化大,在通道内停车、甚至倒车等异常情况不断出现,使检查系统的车辆扫描图像失真,辐射防护安全风险增加[13-15]。

  针对以上需求,本文提出了一种基于区域激光扫描仪的快速图像检查控制系统。该系统是为满足用户对检查系统降低整体成本、提升系统安全性、提升图像质量等需求而设计的,系统使用区域激光扫描仪替代传统的光点开关和光幕,大幅减少传感器数量,减小占地面积、简化安装工艺、降低安装要求、缩短调试周期;通过使用区域激光扫描仪对通道内车辆进行状态监测,可连续获取车辆位置、速度、长度等信息,提升速度测量准确度和车辆定位精度;通过融合侧面轮廓、视觉和长度比例等识别手段,丰富车辆的识别信息,提升类型识别的准确度;通过连续记录车辆速度,利用速度变化对扫描图像进行校正,使扫描图像不再失真,提升客户使用感受和查验效果。

  1系统概述

  基于区域激光扫描仪的快速图像检查系统(以下简称检查系统)的主要组成如图1所示。

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  检查系统由6大分系统组成,包括加速器分系统、探测器分系统、运行检查分系统、扫描控制分系统、扫描装置分系统、辐射防护分系统[1]。

  扫描控制分系统实现了车辆状态的监测、车型识别功能,控制了整个快速图像检查系统,对其他分系统进行了有效贯穿,从车辆进入通道开始,连续进行车辆状态监测、测速,按照设计流程对不同分系统发送控制命令和状态检测,直到设备开始扫描、停止扫描,最后车辆离开通道。

  本文将重点对基于区域激光扫描仪的快速图像检查系统的扫描控制分系统进行研究和论述,包括车辆状态监测、车型识别和图像校正。

  2车辆状态监测

  2.1功能实现模式

  基于区域激光扫描仪的快速图像检查系统利用一个区域激光扫描仪传感器,其检测面与地面水平或者成一定的夹角,区域激光扫描仪以一定的预设扫描频率对进入通道的车辆进行监测,一次可同时发射多条不同角度的激光束,多条激光束构成的扫描截面能够覆盖整个通道,激光束打到通道内的车辆表面上后会立即反射回来,区域激光扫描仪利用发射回来的激光束,就可以检测到通道内车辆的位置,车辆状态监测模块对区域激光扫描仪返回的数据不断分析处理,就可以实时判断出车辆所在的位置、车辆长度以及车辆速度。

  使用区域激光扫描仪对通道内的车辆进行定位、测速,相比于测速雷达等测速传感器,可显著提高低速移动车辆的测量精度,且区域激光扫描仪易于安装、成本低。此外,通过区域激光扫描仪还可以及时发现车辆的异常状态(如在检测通道内倒车、停车等),从而快速进行处理,保证司机及公众的安全。通过使用区域激光扫描仪对通道内的车辆进行实时测速,还可以提高对出束时机判断的精确度,有效避免在驾驶室避让计算中,因速度变化给驾驶员带来的安全隐患。

  2.2实现原理

  区域激光扫描仪可实时检测并返回各角度激光束发射位置至激光束反射位置(如图2中车头前沿上的点A)之间的距离d及其对应的发射角度θ,通过距离d和激光束的发射角度θ就可以计算出该车辆在不同时刻距离区域激光扫描仪的相对位置,进而确定其他通道内的位置。

截图20231016172403.png

  当车辆位于1号位置时,根据区域激光扫描仪检测到的返回数据发生变化的一点(即图3中的固定点A)当前距离激光束发射位置之间的距离S1与该激光束的角度α,来确定1号位置距离区域激光扫描仪的相对位置L1为:

  L 1=S 1×cosα或者,L 1=S 1×sin(γ-α)

截图20231016172412.png

  当车辆沿箭头所示的移动方向移动到2号位置时,根据区域激光扫描仪再次检测到的返回数据发生变化的一点(即图4中的固定点A)当前距离激光束发射位置之间的距离S2与该激光束的角度β,来确定2号位置距离区域激光扫描仪的相对位置L2为:

  L2=S2×cosβ(3)

  同样,还可以通过计算车辆在1号位置和2号位置之间的位移S3来计算2号位置与区域激光扫描仪之间的相对位置L2。

截图20231016172423.png

  式中T1和T2分别为车辆移动到1号位置和2号位置的时间。

  为了减少单个点的差异对于整个车辆速度和位置计算的影响,需要选取车辆上的多个参考点,基于各参考点分别计算上述位移之后,对多个位移值进行平均值拟合,根据最终得到的平均位移计算移动目标的速度。根据多个参考点进行测速,可以进一步提高整个系统的测速精度值。

  根据对车辆移动速度的判断,可以及时准确的发现车辆的状态是否为异常,如在通道内停车、倒车及超速等,从而进行相应的快速处理并给出异常提示。

  3车型识别

  3.1基本原理

  基于区域激光扫描仪的快速图像检查系统能够对各种车辆进行检查,车型识别模块能够识别不同的车辆类型,如客车、货车等,针对不同的车辆类型进行相应的图像检查,并保证检查系统的驾驶室避让安全。

  车型识别模块对于车辆的识别过程分为三步:第一步是根据视觉图像识别,第二步是根据驾驶室和货物长度比例进行识别,第三步是根据车辆侧面轮廓图像进行识别。

  (1)视觉图像

  视觉图像识别是利用车脸照片识别,车脸识别可以根据车辆的多个特征进行识别区分,通过提取车辆前脸的多个特征,不再依赖个别国家的车牌号码对车辆类型进行识别,提高识别的通用性、准确性和可靠性。车脸识别系统识别出某个车辆后,如果车脸信息显示该车辆是货车,则启动系统识别流程,进行后续车辆长度、侧面轮廓等步骤,如果车脸信息显示该车辆是客车,则根据用户的选取模式启动相应的系统识别流程。

  (2)长度比例

  通过水平安装的区域激光扫描仪,车型识别单元可以比较准确的测量车辆的总长度,同时如果是驾驶室和货物之间有缝隙的话,还可以测量出驾驶室的长度、货物长度。通过驾驶室与货物长度的比例关系,可以将车辆分为两类:第一类是比例无穷大,即驾驶室与整个车辆为一个整体,货物部分长度为0,主要包括小轿车、中巴及大客车等;第二类是比例关系小于1,主要包括集装箱卡车、普通货车等。

  (3)侧面轮廓

  垂直于通道中心线安装的区域激光扫描仪安装在距离主束前一定的距离,当车辆经过该区域激光扫描仪时,通过连续采集区域激光的数据,并周期性的对采集到的数据进行计算识别,可以接近实时的测量到驾驶室通过区域激光扫描仪所在位置的时刻,再通过综合车辆状态监测模块所测量到的车辆速度,可以准确计算出驾驶室通过主束的时刻,进行对驾驶室进行避让并对货物进行扫描。区域激光扫描仪对侧面轮廓图像的处理过程如图4所示。

截图20231016172434.png

  3.2结构框图

  扫描控制分系统的结构框图如图5所示。

截图20231016172447.png

  3.3布置图

  区域激光扫描仪的布置如图6所示。

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  3.4控制流程

  扫描控制分系统在工作过程中的控制流程如图7所示。

截图20231016172521.png

  4图像校正

  利用车辆状态监测模块采集到的车辆速度,可以实时测量车辆在通道内的速度变化情况。每次扫描图像的采集频率都是根据出束时的速度设定一个匹配的采集频率,但是车辆在通过通道的过程中车辆的速度不可避免地会发生变化,影响采集到的扫描图像,出现图像拉伸或是压缩,影响查图人员对图像的判断。如图8~10所示。

截图20231016172529.png

  利用车辆状态监测模块输出的车辆位置和其对应的速度,可以把车辆在通道内任意位置的速度准确测量出来,驾驶室通过主束后开始出束的位置也能够测量到,利用出束后测量到的速度值和出束时的速度比例关系,把采集到的扫描图像数据进行相应的还原,得到接近实际比例的扫描图像。

  车辆状态监测模块的图像校正功能,还可以扩展到其他产品上进行应用,比如顶视检查小车设备上,使用的效果如图11和图12所示。

截图20231016172538.png

  5试验与验证

  在完成样机开发后,为了验证设计的可靠性和程序的稳定性,在工厂内部和现场进行了多次测试和试验,测试现场图片如图13所示。

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  测试试验的数据结果如表1所示。在总计3 023次试验中,2 818次正常出束,205次未出束,成功率为93.02%。针对205次未出束情况进行认真分析发现,未出束的原因主要是由于先期场地存在干扰、车辆停车、车辆倒车及程序早期存在bug等异常情况导致。在修正程序bug、排除场地干扰后,最后一次的874次市实验中的成功率提高到97.48%,22次未出束原因均是由于驾驶员对系统不熟悉,出现了车辆停车、倒车等异常情况,在实际使用中,通过对驾驶员进行培训、通过内增加禁止停车和倒车等提示牌可以有效解决。

截图20231016172609.png

  通过以上对测试和试验数据分析,可以看出该系统设计方案达到预期效果、实现了设计需求,且系统工作稳定、可靠,较好地完成了该系统的设计开发工作。

  6结束语

  本文以基于区域激光扫描仪的快速图像检查系统的扫描控制分系统为重点研究对象,对其车辆状态监测、车型识别和图像校正等方面进行了深入的研究。

  系统通过在扫描通道安装两个区域激光扫描仪,对经过车辆的状态进行实时监测,实现了对车辆状态的连续准确定位,速度的实时测量,车辆侧面轮廓信息的采集、车辆类型的准确识别、驾驶室位置的可靠避让。同时,利用测量到的连续速度数据,对于扫描得到的图像进行实时校正,极大地改善了图像显示质量和客户的查图体验。

  基于区域激光扫描仪的快速图像检查系统目前已经完成样机的开发和系统测试,经过现场实际试验后累计测试样本超过3 000辆次,试验结果表明系统控制逻辑与流程很好的解决了原有快速检查系统对于车辆状态监测非连续的缺陷,通道过长带来的系统绑定、控制流程复杂的问题,通过该系统的实现,极大地增强了快速图像检查系统产品线的核心竞争力和适应性,同时其扫描控制分系统可以快速移植到其他产品线上应用,目前已经移植到车载产品线上进行应用,基于区域激光扫描仪的快速图像检查系统必将使具备快速检查功能的产品升级换代,给客户带去更好的客户体验。

  

参考文献:

  [1]孙尚民.适用于对多种车辆进行快速安全检查系统的实现[J].电子测量与仪器学报,2018,32(8):124-131.

  [2]陈志强,张丽,金鑫.X射线安全检查技术研究新进展[J].科学通报,2017,62(13):1350-1365.

  [3]文振宇.基于多源信息融合的车辆测速与定位技术研究[D].长沙:湖南大学,2021.

  [4]曾夏明,何家雄,曹林根,等.基于激光雷达车检器的车型识别研究[J].中国工程机械学报,2021,19(4):324-330.

  [5]何书兴,孙晓杰,潘立威.基于测量型光栅的汽车车型识别研究[J].电子技术与软件工程,2021(1):122-123.

  [6]王鹏,郭朋军,郭建宇.激光车型识别技术研究和应用[J].中国交通信息化,2019(S1):57-62.

  [7]王亮亮,王国栋,赵毅,等.基于车窗特征的快速车辆检测算法[J].青岛大学学报(自然科学版),2019,32(3):1-7.

  [8]张洋,周达天,刘宏杰,等.基于多传感器融合的列车测速定位方法[J].都市快轨交通,2011,24(4):30-32.

  [9]邢昆.基于图像处理的车辆检查系统研究[D].廊坊:北华航天工业学院,2018.

  [10]孙潇郴.关于X射线安检图像的校正方法研究[J].电子制作,2016(21):42.

  [11]莫玲,麦康机.基于机器视觉的车牌识别系统设计[J].机电工程技术,2018,47(11):112-116.

  [12]杨明辉.绿色通道车辆快速检查系统在高速公路收费站的应用[J].黑龙江交通科技,2018,41(9):208-209.

  [13]李晏,阚斐然,陈辛波.基于单线激光雷达的目标车辆位姿检测方法[J].激光杂志,2021,42(2):66-71.

  [14]张旭,王智,崔粲,等.二维激光雷达定位建图系统设计与实现[J].光学技术,2019,45(5):596-600.

  [15]罗程远,刘世梁,蓝志鹏.X射线图像非均匀性分析及校正[J].机电工程技术,2022,51(5):61-63.