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針對目前汽車衡計(jì)量中存在的車輛上磅位置作弊現(xiàn)象，提出一種基于機(jī)器視覺的車輛上磅作弊檢測系統(tǒng). 首先分析了該系統(tǒng)組成及原理，然后設(shè)計(jì)了車輛上磅位置作弊檢測算法，并利用GSM網(wǎng)絡(luò)短消息業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)在 線遠(yuǎn)程報(bào)警.該系統(tǒng)能有效降低企業(yè)建設(shè)成本，減少稱重系統(tǒng)舞弊現(xiàn)象，具有較好實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景.

目前，電子汽車衡作弊方式主要有車輛上磅位 置作弊(包括車輪壓邊作弊、車輪靠邊作弊）、工作人 員作弊(包括儀表作弊、票據(jù)作弊）、遙控作弊.其 中，車輛停靠位置作弊方式無需成本且操作簡單，易 被司機(jī)所采用.因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)汽車衡車輛位置作 弊檢測系統(tǒng)，對實(shí)現(xiàn)無人值守汽車衡稱重系統(tǒng)具有 重要的現(xiàn)實(shí)意義.

近年來，圖像檢測方法將采集的圖像進(jìn)行數(shù)字 化，并通過計(jì)算機(jī)直接處理，柔性大，測量精度高，被 廣泛用于工業(yè)非接觸測量領(lǐng)域中.因此，本文提出一種基于機(jī)器視覺的汽車衡車輛位置作弊檢測方 法，并利用 GSM( global system for mobile commu-nication) 網(wǎng)絡(luò)的短消息業(yè)務(wù)功能（short message service，SMS)構(gòu)建了檢測報(bào)警系統(tǒng)，完成車輛位置 作弊在線檢測任務(wù).

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

2. 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.主要由車輛上磅視覺 檢測子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程查詢子系統(tǒng)3 部分組成.車輛上磅視覺檢測子系統(tǒng)包含磅房計(jì)算 機(jī)、汽車衡、射頻識別模塊、道閘、信號燈、大屏幕、視頻采集模塊和GSM模塊.網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)是由 GSM網(wǎng)絡(luò)和短消息服務(wù)中心組成.遠(yuǎn)程查詢子系統(tǒng) 由稱重上位機(jī)、管理數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和遠(yuǎn)程查詢終端組成。

2.系統(tǒng)工作原理

車輛上磅視覺檢測子系統(tǒng):磅房計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)控 制信號燈、射頻識別模塊、道閘、視頻采集模塊、汽車 衡、大屏幕等工作順序，自動(dòng)完成車輛位置檢測及車 輛稱重.射頻識別模塊配置非接觸式遠(yuǎn)距離讀卡器， 在駕駛員不出駕駛室的情況下，讀取車輛電子標(biāo)簽 信息，即可進(jìn)人磅房稱重.道閘系統(tǒng)配備左右2臺帶 地感線圈道閘，控制車輛進(jìn)出.視頻采集模塊由一臺 數(shù)據(jù)錄像機(jī)、視頻卡和左右2臺攝像機(jī)組成，完成稱 重車輛上磅錄像和圖像抓拍.其中，攝像機(jī)通過同軸 電纜將模擬信號傳輸給視頻分配器，并將視頻信號 分為2路，一路接到硬盤錄像機(jī)，進(jìn)行視頻顯示和錄 制;另一路通過視頻采集卡壓縮編碼成數(shù)字視頻序 列輸人計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)則對圖像進(jìn)行濾波、校正以及 后續(xù)算法判斷車輛位置是否作弊，若存在作弊，則控 制GSM模塊將報(bào)警信息（作弊車輛信息、時(shí)間等） 以短消息編碼發(fā)送至數(shù)據(jù)庫管理中心;若不存在作 弊，則控制汽車衡系統(tǒng)根據(jù)接口協(xié)議采集稱重?cái)?shù)據(jù).

網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng):移動(dòng)臺(各磅房、管理中心)可 通過GSM無線傳輸通道實(shí)現(xiàn)與基站收發(fā)信臺之間 的無線連接.管理中心上位機(jī)可通過各移動(dòng)臺的用 戶識別卡SIM，識別不同磅房發(fā)來的作弊報(bào)警信 息，同時(shí)可對磅房發(fā)出控制命令.

遠(yuǎn)程査詢子系統(tǒng):管理中心上位機(jī)完成遠(yuǎn)程稱 重?cái)?shù)據(jù)接收、控制命令發(fā)送及報(bào)表打印.質(zhì)檢部門、 銷售部門、調(diào)度部門可通過多種方式訪問數(shù)據(jù)庫服 務(wù)器查詢作弊信息.

3.車輛上磅位置作弊檢測算法

車輛停靠位置作弊主要是靠車輪出衡以減輕自 身重量，因此在視覺檢測算法中選取車輪圓形特征 定位車輪、跟蹤汽車前輪上坡A時(shí)間內(nèi)移動(dòng)實(shí)際位 移ZS求出汽車上磅初速度％，由vn預(yù)測車輛前后 輪完全上磅所需時(shí)間的區(qū)間，若車輛實(shí)際上磅時(shí)間 (初速度v0至速度為零時(shí)時(shí)間）未在預(yù)測時(shí)間范圍 內(nèi)則判定車輛上鎊位置存在作弊.汽車衡現(xiàn)場設(shè)計(jì) 如圖2所示.因輕型卡車的高度大多在2?2. 4 m左 右，為獲得較大的視場，將兩臺攝像機(jī)以一定高度 (2. 5m分別安裝于汽車衡對角線兩側(cè)， 以合適角度對準(zhǔn)汽車衡的前后邊沿（紅線標(biāo)示），稱 重車輛進(jìn)人視場后，只需對視場內(nèi)圖像的車輛區(qū)域 進(jìn)行車輪定位，根據(jù)車輛上磅位置作弊檢測算法判 定車輛上鎊位置是否作弊.

3.11圖像預(yù)處理

汽車衡多處于惡劣的露天環(huán)境，在圖像采集過 程中，圖像質(zhì)量將不可避免受到鏡頭臟污、揚(yáng)塵微 粒、天氣差異(如雨點(diǎn)、光線變化)等影響，同時(shí)，車輪 表面上也可能帶有淤泥或污潰.為消除這些噪聲對 圖像質(zhì)量的影響，需對原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理 效果如圖3所示.

其中，圖(a)是由RGB空間變換到灰度空間效 果圖；圖(b)是采用基于空間域非線性3X3中值濾波去除圖像噪聲后效果圖；圖（c)采用Canny算子 進(jìn)行邊緣檢測后效果圖，圖中可以看出Carmy算子 在噪聲抑制的同時(shí)能相對精準(zhǔn)提取邊緣；因Otsu 法是以目標(biāo)和背景的類間方差最大自適應(yīng)選取閾 值，本文采用Otsu法進(jìn)行閾值分割，二值化效果圖 如圖（d)所示;采用背景差分方法對視頻中運(yùn)動(dòng)車輛 進(jìn)行檢測.

3.2基于形狀特征的車輪定位

車輪定位本質(zhì)是對圖像中圓形檢測及定位.由 于霍夫（Hough)變換具有抗噪抗干擾、對局部間斷 信息缺損不敏感及較強(qiáng)魯棒性，因此在圓檢測中得 到廣泛研究和應(yīng)用.但當(dāng)參數(shù)空間超過二維時(shí)，傳統(tǒng) Hough變換因計(jì)算量、存儲空間較大而不適用.為 減少變換維度、降低運(yùn)算量，本文采用文獻(xiàn)[6]的改 進(jìn)算法進(jìn)行車輪定位.

O—xy平面內(nèi)一個(gè)半徑為r的圓可由式（1)表 示，其中(a，6)為圓心坐標(biāo)

圓心定位:①邊緣點(diǎn)分類.以邊緣上任意一點(diǎn)P (~_)為中心，將其八連通單像素邊緣的16種情況 分為8類:斜率為水平、垂直、45°、135°方向的四類， 分別記為：I]、L2山上；水平占優(yōu)的凹點(diǎn)類，記為 L ;水平占優(yōu)的凸點(diǎn)類，記為U ;垂直占優(yōu)的右凸點(diǎn) 類，記為L7;垂直占優(yōu)的左凸點(diǎn)類，記為L8.②將圖 像中的邊緣點(diǎn)按上述8類分別存人數(shù)組L,、L2、…、 U初始化一個(gè)二維累加數(shù)組A (w，《) = 0，m和》 為原始圖像的行列大小.③Hough變換.對L?L4 中的各類坐標(biāo)點(diǎn)分別計(jì)算中點(diǎn)坐標(biāo)，并使對應(yīng)累加 器數(shù)組AG。)加1.分別在和“中取點(diǎn)計(jì)算中 點(diǎn)，并使對應(yīng)累加器數(shù)組A(_r，y)加1.分別在L7和 Ls中取點(diǎn)計(jì)算中點(diǎn)，并使對應(yīng)累加器數(shù)組AUo) 加1.④累加器數(shù)組A中最大值所對應(yīng)的坐標(biāo)即為 圓心坐標(biāo).

半徑檢測:設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)拈撝担瑢?/span>A中的累 計(jì)值大于閾值的所有坐標(biāo)點(diǎn)存入數(shù)組C.遍歷數(shù)組 C的各個(gè)元素，代人圓方程，在一維空間中采用 Hough變換對半徑參數(shù)r進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若r的統(tǒng)計(jì)值 r滿足r>iaXr)，則r為圓的半徑.其中cr為閾值， 一般取值為1. 6.

3.3車輪壓線檢測算法

因汽車衡邊沿在背景圖像中為直線，利用Hough 變換點(diǎn)線對偶特性將兩攝像機(jī)拍攝的背景圖像映射 至參數(shù)空間;根據(jù)圖像空間直線上所有點(diǎn)凝聚到變換 空間形成峰點(diǎn)的獨(dú)有特性統(tǒng)計(jì)參數(shù)空間各共點(diǎn)(^0) 的次數(shù)累加值;尋找參數(shù)空間中的峰點(diǎn)確定閾值thr 大小及汽車衡邊沿直線的參數(shù)，基于Hough變換的 直線檢測汽車.因兩臺攝像機(jī)位置、視場固定，則汽車 衡左、右邊沿直線對應(yīng)參數(shù)空間交線共點(diǎn)的次數(shù)累加 值是定值(閾值An；r2);因稱重車輛從左至右駛?cè)?/span> 汽車衡，當(dāng)車輪上磅莊線時(shí)，汽車衡左邊沿直線遭受 車輪遮擋，根據(jù)參數(shù)累加統(tǒng)計(jì)值小于thn原則判定車 輪上鎊.當(dāng)車輪下磅壓線時(shí)，汽車衡右邊沿直線遭受 車輪遮擋，根據(jù)參數(shù)累加統(tǒng)計(jì)值小于thr2原則判定車 輪下磅;為減少霍夫變換運(yùn)算量、避免汽車衡邊沿誤 檢測，主要選取視場內(nèi)感興趣(ROI)區(qū)域?yàn)樽?/span>1/3區(qū) 域并預(yù)先選取沒取值范圍.

3.4車輛上磅停靠位置預(yù)測算法

為利用視頻圖像精確判斷稱重車輛是否在衡 內(nèi)，可度量汽車前輪中心點(diǎn)上磅壓線瞬間初速度至 速度減為零時(shí)所需時(shí)間，由距離公式可判斷車輛是 否行駛出衡.車輛上磅停靠位置估計(jì)原理示意圖如 圖4所示.

（1）剎車距離模型

假設(shè)汽車沿斜坡上磅后剎車，剎車距離由反應(yīng) 距離（司機(jī)決定剎車到制動(dòng)開始起作用汽車行駛距 離）和制動(dòng)距離(制動(dòng)器開始起作用到汽車完全停止 行駛的距離)組成.

（2）模型假設(shè)與建立

①剎車距離d等于反應(yīng)距離山和制動(dòng)距離d2 之和，即 = +C/2 ;

②反應(yīng)距離4與車速D成正比，比例系數(shù)為反 應(yīng)時(shí)間6，即4=0;

③剎車時(shí)使用最大制動(dòng)力F，F做的功等于汽 車動(dòng)能的改變，且F與車的質(zhì)量w成正比，即有 Fd2 = l/2mv2，而 F=wa，則 d2 = l/(2a)z/.其中 a 為剎車加速度，是常數(shù)，則d2=kv2.

(3)模型求解

剎車距離與速度的模型為

d = tivJrkv2 (4)

其中A根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0. 75s,^可根據(jù)實(shí)際采集的同 種車型不同車速時(shí)的剎車距離數(shù)據(jù)由下式計(jì)算確定.

式中r為汽車前輪上衡時(shí)速度、M為汽車衡的 長度、L2為汽車前后輪中心點(diǎn)間最大間距、r為輪胎 半徑.其中，、L2、r分別由可汽車衡、汽車參數(shù)得 出.若已知汽車前輪上衡時(shí)速度V，即可預(yù)測汽車是 否完全上磅.

假設(shè)汽車上坡時(shí)做勻速運(yùn)動(dòng)，只要在車輛上坡 過程中提取h、t2兩時(shí)刻對應(yīng)兩幀圖像，計(jì)算出車輪 上坡在At時(shí)間內(nèi)移動(dòng)實(shí)際位移AS，即可求出汽車 前輪上衡時(shí)速度u本文采用文獻(xiàn)的攝像機(jī)坐標(biāo) 標(biāo)定方法計(jì)算車輪在幀間2維圖像中的近似位移 As，再利用計(jì)算機(jī)視覺單視幾何測量方法，即可獲得 車輛在3維空間的實(shí)際位移ZS.因攝像機(jī)1對應(yīng)的 視場處于上斜坡，h取車輛前輪中心點(diǎn)進(jìn)人攝像機(jī) 1視場的初始時(shí)刻4取檢測到車輛前輪上鎊壓線 圖像所對應(yīng)的時(shí)刻.

4.車輛上磅位置作弊檢測系統(tǒng)流程

系統(tǒng)流程圖如圖5所示.射頻識別模塊配置非 接觸式遠(yuǎn)距離讀卡器，在駕駛員不出駕駛室的情況 下，讀取車輛電子標(biāo)簽信息，即可進(jìn)人磅房稱重.當(dāng) 持有非接觸式1C卡的車輛開到汽車衡人口時(shí)，自動(dòng) 識別系統(tǒng)首先對1C卡進(jìn)行驗(yàn)證，判斷是否注冊.如 為非注冊1C卡則語音提示到射頻卡管理中心注冊. 如果已注冊，磅房計(jì)算機(jī)讀取車輛信息，控制信號燈 綠燈亮、地感線圈檢測到車輛通過時(shí)自動(dòng)道閘升起， 允許車輛上衡計(jì)量，觸發(fā)2臺攝像機(jī)及采集卡采集 車輛上磅圖像.車輛進(jìn)人攝像機(jī)1視場后，當(dāng)檢測到 車輛前輪上磅壓線信號時(shí)，抓拍、保存圖片并預(yù)測車 輛上磅停靠位置.t時(shí)刻，信號燈紅燈點(diǎn)亮、自動(dòng)道 閘落下，以阻擋后面車輛進(jìn)人.為防止后面車輛前輪 上磅，結(jié)合壓線檢測算法檢測共同判定是否存在車 輛停靠位置作弊.若無作弊，計(jì)算機(jī)發(fā)出計(jì)量指令并 采集數(shù)據(jù)、大屏幕顯示稱重信息.車輛開下汽車衡， 紅綠信號燈熄滅，至此稱量過程完成，可以進(jìn)行下一 次的稱量.若有作弊，語音警告，當(dāng)警告滿3次，計(jì)算 機(jī)驅(qū)動(dòng)GSM模塊將作弊車輛信息發(fā)送至遠(yuǎn)程管理 數(shù)據(jù)庫.

5.結(jié)束語

本文基于機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了車輛上磅位置作 弊檢測系統(tǒng).該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集汽車衡車輛稱重現(xiàn) 場視頻圖像，根據(jù)車輛上磅位置作弊檢測算法分析、 判斷車輛位置是否作弊，發(fā)現(xiàn)車輛作弊時(shí)磅房計(jì)算 機(jī)能實(shí)時(shí)將作弊信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程發(fā)送至管 理中心數(shù)據(jù)庫，企業(yè)相關(guān)部門可通過多種方式訪問 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息查詢、遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理.該系統(tǒng)能有 效降低企業(yè)建設(shè)成本，減少汽車衡計(jì)量的舞弊現(xiàn)象， 具有較好實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景.