一种数据采集处理系统 【技术领域】
本发明涉及自动乘客计数系统，特别是涉及一种数据采集处理系统。
背景技术
为了控制客流量，以及优化城市公共汽车调度，实现日常营运的科学调度，公共交通系统需要获得实时的客流统计信息。
以往安装在公共汽车上的人数统计仪，采用光电技术或则机械踏板技术，可以比较粗略地统计到人数，准确率在60～70％之间。
光电技术或则机械踏板技术的主要问题是：光电技术或则机械踏板技术只能获得二值开关信息，而乘客上下车的行为模式以及客流的模式非常复杂，不能满足简单的信号触发或遮挡进行技术的条件。
采用光电技术或则机械踏板技术的乘客统计仪，只在客流稀疏以及乘客排队进行上下车条件下才工作正常，这显然不满足像中国等公共交通次序比较混乱的发展中国家。
而利用视频图像处理和模式识别方法，来解决一些某些场合的客人到达以及离开的人流量，已经有了一些实际的实验系统，比如商场客流统计。这种技术不能应用到公共汽车上，原因很简单，商场的客流统计系统，摄像机安装高度超过3.5米以上，商场出入口图像中的人体目标是小目标。而公共汽车上的摄像机安装高度在2米左右，车门图像中的人体目标是大目标，个子比较高的乘客头部图像可以站图像面积80％以上。
根据技术实现方式的不同，APC(APC：英文Automatic Passenger Counter的缩写，即自动乘客计数仪)系统大致可以分为以下几种类型。
1.“物理接触式APC”或车辆测重方式。“物理接触式APC”，指踏板垫、开关矩阵、多功能垫等需要物理接触，并在其中嵌有开关进行统计乘客的一种方式。压力板公交客流统计仪安装在车辆的前、后门踏板上，乘客上下车时触发压力传感器就会被自动记录下来。此种设备在使用初期有较高的准确率，但由于其具有物理接触式的特性，抗疲劳性差，系统部件易损坏，导致其计数趋于不准确。另外，由于设备安装的位置对于准确计数性至关重要，所以安装调试费用也较高。
车辆测重方式是通过测量车辆重量的变化来测定乘客人数的一种方式。
2.红外式自动乘客计数
(1)被动红外式自动乘客计数：被动红外式自动乘客计数技术由于采用合适的热释红外线探头只能检测到人体发出的信号，这就避免了其它物体的干扰。当公交车上下乘客时，红外传感器探测人体红外光谱所造成的变化即得到乘客上下车的过程，通过信号处理可以判别上下车方向和上下车人数。虽然人体温度相对稳定，但红外传感器的探测信号会受到乘客着装的影响。这种技术的固有缺点在于如果环境温度与人体温度相接近时，传感器就不能有效探测到乘客上下车过程，不同地区，环境温度、湿度的不同，对红外线吸收率的差别，容易影响系统在不同地区的安装。另外，它对环境温度快速变化和强烈曝光照射也比较敏感。
(2)主动红外式自动乘客计数：主动红外式计数系统安装在公交车前后门附近特定的高度，通过发射定制波长的红外线覆盖一定的区域，并通过传感器检测从乘客身上反射回来的光线，从而自动识别乘客上下车方向及人数。由于采用自身光源，它不易受外界环境温度、光线状况的影响，能够达到较高的精度，是公交客流信息采集比较理想的计数技术。国外市场上比较成熟的都是主动多束红外客流计数器。国外加拿大INFODEV公司、德国DILAX公司采用的都是这种工作模式，价格非常昂贵。
由于传感器安装在公交车门，依赖于人体切割红外线判定方向，对于拥挤状况的中国国情式公交乘客环境，该系统在高峰时准确率会大幅下降，如果依靠记忆相同人体反射光的灵敏度相同，整套系统算法复杂度大大加强，还可能随着传感器老化严重影响系统使用。这是国内红外系统在性能上远输于国外同类产品的主要原因。
(3)红外式复合系统自动乘客计数：由于被动红外式自动乘客计数的固有缺点，可以同时采用主动式红外计数器构成复合系统以补偿被动红外式计数的误差。但是，系统成本会增加，并且由于两种传感器同时被激发，会产生重复计数的问题。
4.基于图像处理的公交客流计数系统：在车门内安装摄像机获取视频图像，经过软件对连续图像进行分析处理，识别乘客及其运动，从而自动对上下车人数及方向进行计数。这种技术的计数精度很大程度上取决于图像分析软件的设计水平。系统易受振动、光线的影响，图像质量的好坏影响软件分析结果的精度。
该技术的复杂难易度最高，涉及到多种学科，如光学、图像分析学、计算机系统、人工智能学习技术。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题就是为了克服上述现有技术存在地缺陷而提供一种数据采集处理系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种数据采集处理系统，其特征在于，包括数据采集装置、运算控制装置、LED光源控制装置以及通讯接口，所述的数据采集装置、LED光源控制装置以及通讯接口均与运算控制装置连接。
所述的数据采集装置包括LED补光光源、镜头、工业摄像机、车门传感器。
所述的运算控制装置包括图像解码器、信号处理器、图像编码器、车门开关检测模块以及通讯接口模块，所述的图像解码器、图像编码器、车门开关检测模块以及通讯接口模块均与信号处理器连接，所述的通讯接口模块包括网络通讯接口单元、串行通讯接口单元。
所述的LED光源控制装置包括用于接收视频输入信号的同步分离器、运算处理器、LED电源控制开关以及LED通讯接口，所述的同步分离器、LED电源控制开关以及LED通讯接口均与运算处理器连接。
所述的通讯接口包括RS232通讯接口以及RS485通讯接口，该RS485通讯接口与工业摄像机连接，所述的LED通讯接口为RS485通讯接口或MAX485通讯接口。
所述的镜头、工业摄像机均通过视频传输线与运算控制装置的图像解码器连接，所述的车门传感器与车门开关检测模块连接。
所述的数据采集装置还包括监视器，该监视器与运算控制装置的图像编码器连接。
所述的通讯接口还包括以太网口，该以太网口与运算控制装置的网络通讯接口单元连接。
所述的图像解码器为TVP5150，所述的信号处理器为TMS320DM642，所述的图像编码器为SAA7104，所述的车门开关检测模块为TL521-4，所述的网络通讯接口单元为LXT971，所述的串行通讯接口单元为TL16C752，所述的同步分离器为LM1881M，所述的运算处理器为AT89S52。
与现有技术相比，本发明在复杂的客流模式和上下车行为模式下，将乘客人数统计精度提高到95％以上，基本解决了公交车人数实时准确统计的难题。
【附图说明】
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的运算控制装置的结构示意图；
图3为本发明的LED光源控制装置的结构示意图；
图4为本发明的摄像机以及LED补光光源安装要求示意图；
图5为本发明在公交车应用时拍摄图像的要求示意图一；
图6为本发明在公交车应用时拍摄图像要求示意图二；
图7为本发明的人数计数过程示意图；
图8为本发明的相机控制过程示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1-8所示，一种数据采集处理系统，包括数据采集装置1、运算控制装置2、LED光源控制装置3以及通讯接口4，所述的数据采集装置1、LED光源控制装置2以及通讯接口4均与运算控制装置3连接。
所述的数据采集装置1包括LED补光光源、镜头、工业摄像机、车门传感器；所述的运算控制装置2包括图像解码器21、信号处理器22、图像编码器23、车门开关检测模块24以及通讯接口模块，所述的图像解码器21、图像编码器23、车门开关检测模块23以及通讯接口模块均与信号处理器22连接，所述的通讯接口模块包括网络通讯接口单元25、串行通讯接口单元26；所述的LED光源控制装置3包括用于接收视频输入信号的同步分离器31、运算处理器32、LED电源控制开关33以及LED通讯接口34，所述的同步分离器31、LED电源控制开关33以及LED通讯接口34均与运算处理器32连接；所述的通讯接口4包括RS232通讯接口以及RS485通讯接口，该RS485通讯接口与工业摄像机连接，所述的LED通讯接口为RS485通讯接口或MAX485通讯接口；所述的镜头、工业摄像机均通过视频传输线与运算控制装置的图像解码器21连接，所述的车门传感器与车门开关检测模块24连接；所述的数据采集装置1还包括监视器，该监视器与运算控制装置的图像编码器23连接；所述的通讯接口4还包括以太网口，该以太网口与运算控制装置的网络通讯接口单元25连接；所述的图像解码器为TVP5150，所述的信号处理器为TMS320DM642，所述的图像编码器为SAA7104，所述的车门开关检测模块为TL521-4，所述的网络通讯接口单元为LXT971，所述的串行通讯接口单元为TL16C752，所述的同步分离器为LM1881M，所述的运算处理器为AT89S52。
本发明采用大目标图像识别方法，分辨识别乘客上下车的行为模式以及上下客流的客流模式，实时统计公共汽车乘客上下车的人数数据。目的是为了解决公交车人数统计精度低下的问题。
(一)公共汽车视频乘客统计系统的工作原理
摄像机拍摄车门乘客上下车的视频图像，该视频图像信号经过分析处理，获得乘客上下车统计数据，这些数据通过RS232通讯接口输出到车载主机或车载终端计算机，由他们以无线通讯方式将数据发送到监控中心。
为了克服光照变化导致图像识别的困难，系统使用快门和增益调节控制方法，由车门图像照度计算摄像机需要的工作参数，并通过RS485通讯总线发送到摄像机。必要时，通过LED光源进行不光来获得质量稳定的图像。
车门开关检测获得车门的开关状态，以便控制图像处理算法，将车门关闭以后的图像只用于相机控制算法，放弃人数统计算法处理图像，这样能够提高系统的稳定性，并消除可能的错误计数。此外，若车门关闭前LED光源处于打开补光的状态，则车门关闭3秒后，LED光源自动关闭，已保证夜间行车安全，同时节约能源，降低系统功耗。在车门处，夜间可以只使用LED光源为乘客上下车提供照明。
本发明系统中使用的摄像机，必须具有通过485总线上的指令程控快门速度和增益的功能。APC系统使用的光源，是高亮度LED白光光源，用于光照不足时补光，使图像的成像质量提高，进而提高系统的图像分析精确度。
监视器在本系统中只用于安装调试时观察APC输出的图像，以了解系统是否正常工作以及工作的效果。
视频图像识别产品，对摄像机的安装以及光源的安装以及摄像机的工作状态都有比较严格的限制，作为公交车人数统计仪的APC，一样有应用要求，参见图4、图5、图6。
(二)公共汽车视频乘客统计仪的工作原理
APC是集机器视觉、图像处理与模式识别技术，计算机软硬件、数据库和网络技术，光学成像技术，大规模集成电路技术和自动控制技术于一体的高科技应用系统，其主要功能是实时统计公共汽车在任何时间、任何地点上车乘客的数量和下车乘客的数量作为乘客统计基础数据。
车载APC计数设备，由数据采集装置、运算控制单元、市售的图像识别算法软件、市售的相机控制算法软件、LED光源控制装置和通讯接口六个主要模块组成，完成乘客基础统计数据的采集和发送以及配置参数的接收。安装在公共汽车车门附近正上方顶棚位置的相机采集乘客上下车图像，由运算控制单元中的内置图像识别软件完成对数字图像的分析和理解，实时输出上车乘客数量和下车乘客数量，相机控制算法软件和光源控制软件根据对数字图像的分析和理解，输出控制相机和光源的参数，保障摄像机的成像质量满足人数统计的要求。
a.数据采集装置
数据采集装置属于APC的前端装置，完成图像数据的采集和车门开关状态的辨别。数据采集装置包括补光光源、镜头、工业相机、稳压电源、防尘罩、视频传输线、车门传感器等七个部件。在车内光线不足时，补光光源自动开启，增加相机环境光照强度。镜头和工业相机相互配合采集待识别的图像数据。稳压电源为工业相机、镜头、补光光源和车门传感器等设备供电。防尘罩保护镜头、工业相机和稳压电源等设备不被尘土、杂物、高低温、潮湿和振动等外界因素所损伤。视频传输线将工业相机的输出信号传输至图像采集压缩卡。车门传感器随时将检测到的车门开关状态传送至APC，由APC控制工业相机和图像采集卡采集图像以及控制算法的运行。
b.运算控制单元
运算控制单元是APC的主要硬件设备，包括图像解码器、信号处理器、图像编码器、通信接口四个主要组成部分。图像解码器接受视频输入图像信号，完成由模拟图像至计算机可以处理的数字图像的采集和转换。信号处理器是APC的核心运算部件，负责运行图像识别内核、相机控制算法内核以及通讯协议处理内核等软件。图像编码器，负责将处理过的图像数据合成为视频信号，以方便使用监视器观察APC的运行状态，也方便安装调试过程。通信接口与监控中心软件相互配合完成数据通信功能，接收APC所需的各种配置参数和发送乘客统计数据，并提供软件升级的通讯信道。
c.图像识别算法软件
图像识别软件是自动乘客计数仪的核心模块，由复杂的机器视觉、图像处理与模式识别算法组成。连续输入的数字图像经图像识别算法软件运算、分析与理解后，输出乘客数量结果，并区分每名乘客的上车状态或下车状态。
d.相机控制算法软件
相机控制算法软件是自动乘客计数仪的必要模块，由图像处理算法和相机控制算法组成。连续输入的数字图像经图像处理算法计算图像的亮度，并将亮度数据输入到相机控制算法中进行处理，计算出相机快门参数、相机增益参数和光源补光参数。通讯软件将自动把这三个参数传送到相机和LED光源。
e.LED光源控制装置
LED光源控制装置，包含LED电源、运算处理器、LED电源控制开关和通讯四个部分，主要是配合相机控制算法控制好LED光源部分。运算处理单元通常由单片机这种高度集成外设的CPU来担当。运行通讯软件和LED开关控制软件。
f.通讯接口
APC的通讯接口，必须包括RS232和RS485两种通讯接口，可选配以太网网络接口(10M/100M自适应)和其他计算机系统进行TCP/IP通讯。RS232接口是APC标准的人数统计输出接口，也是默认的参数配置输入接口和软件升级接口。RS485是APC控制摄像机的通讯信道，也是APC控制LED光源控制器的通讯信道。
(三)人数计数过程
如图7，人数计数包括以下几个步骤的运算处理：
1)图像信息获取；2)图像预处理；3)运动检测；4)运动图像分割；5)目标分类与特征提取；6)多运动目标跟踪；7)运动目标分类判决；8)上车/下车目标计数输出。
(四)相机控制过程
如图8，相机控制包括以下几个步骤的运算处理：
1)图像信息获取；2)图像预处理；3)图像亮度分析；4)控制曲线计算；5)快门、增益以及LED光源补光参数输出。