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針對(duì)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(jué)的車輛上磅作弊檢測(cè)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(cè)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?？课恢米鞅追绞綗o(wú)需成本且操作簡(jiǎn)單，易 被司機(jī)所采用.因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)汽車衡車輛位置作 弊檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(lái)，圖像檢測(cè)方法將采集的圖像進(jìn)行數(shù)字 化，并通過(guò)計(jì)算機(jī)直接處理，柔性大，測(cè)量精度高，被 廣泛用于工業(yè)非接觸測(cè)量領(lǐng)域中.因此，本文提出一種基于機(jī)器視覺(jué)的汽車衡車輛位置作弊檢測(cè)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(cè)報(bào)警系統(tǒng)，完成車輛位置 作弊在線檢測(cè)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(jué) 檢測(cè)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(jué)檢測(cè)子系統(tǒng)包含磅房計(jì)算 機(jī)、汽車衡、射頻識(shí)別模塊、道閘、信號(hào)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(kù)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(jué)檢測(cè)子系統(tǒng):磅房計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)控 制信號(hào)燈、射頻識(shí)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(cè)及車 輛稱重.射頻識(shí)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(tái)帶 地感線圈道閘，控制車輛進(jìn)出.視頻采集模塊由一臺(tái) 數(shù)據(jù)錄像機(jī)、視頻卡和左右2臺(tái)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(guò)同軸 電纜將模擬信號(hào)傳輸給視頻分配器，并將視頻信號(hào) 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(guò)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(duì)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(kù)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(tái)(各磅房、管理中心)可 通過(guò)GSM無(wú)線傳輸通道實(shí)現(xiàn)與基站收發(fā)信臺(tái)之間 的無(wú)線連接.管理中心上位機(jī)可通過(guò)各移動(dòng)臺(tái)的用 戶識(shí)別卡SIM，識(shí)別不同磅房發(fā)來(lái)的作弊報(bào)警信 息，同時(shí)可對(duì)磅房發(fā)出控制命令.

遠(yuǎn)程?hào)嗽冏酉到y(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(guò)多種方式訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)服 務(wù)器查詢作弊信息.

3.車輛上磅位置作弊檢測(cè)算法

車輛?？课恢米鞅字饕强寇囕喅龊庖詼p輕自 身重量，因此在視覺(jué)檢測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)，將兩臺(tái)攝像機(jī)以一定高度 (2. 5m分別安裝于汽車衡對(duì)角線兩側(cè)， 以合適角度對(duì)準(zhǔn)汽車衡的前后邊沿（紅線標(biāo)示），稱 重車輛進(jìn)人視場(chǎng)后，只需對(duì)視場(chǎng)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(cè)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(guò) 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(duì) 圖像質(zhì)量的影響，需對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)視頻中運(yùn)動(dòng)車輛 進(jìn)行檢測(cè).

3.2基于形狀特征的車輪定位

車輪定位本質(zhì)是對(duì)圖像中圓形檢測(cè)及定位.由 于霍夫（Hough)變換具有抗噪抗干擾、對(duì)局部間斷 信息缺損不敏感及較強(qiáng)魯棒性，因此在圓檢測(cè)中得 到廣泛研究和應(yīng)用.但當(dāng)參數(shù)空間超過(guò)二維時(shí)，傳統(tǒng) Hough變換因計(jì)算量、存儲(chǔ)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即為 圓心坐標(biāo).

半徑檢測(cè):設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)拈撝?，?/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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)汽車.因兩臺(tái)攝像機(jī)位置、視場(chǎng)固定，則汽車 衡左、右邊沿直線對(duì)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(cè)，主要選取視場(chǎng)內(nèi)感興趣(ROI)區(qū)域?yàn)樽?/span>1/3區(qū) 域并預(yù)先選取沒(méi)取值范圍.

3.4車輛上磅?？课恢妙A(yù)測(cè)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?？课恢霉烙?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(kāi)始起作用汽車行駛距 離）和制動(dòng)距離(制動(dòng)器開(kāi)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(zhǎng)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(cè)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(guò)程中提取h、t2兩時(shí)刻對(duì)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(jué)單視幾何測(cè)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(duì)應(yīng)的 視場(chǎng)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(chǎng)的初始時(shí)刻4取檢測(cè)到車輛前輪上鎊壓線 圖像所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻.

4.車輛上磅位置作弊檢測(cè)系統(tǒng)流程

系統(tǒng)流程圖如圖5所示.射頻識(shí)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(kāi)到汽車衡人口時(shí)，自動(dòng) 識(shí)別系統(tǒng)首先對(duì)1C卡進(jìn)行驗(yàn)證，判斷是否注冊(cè).如 為非注冊(cè)1C卡則語(yǔ)音提示到射頻卡管理中心注冊(cè). 如果已注冊(cè)，磅房計(jì)算機(jī)讀取車輛信息，控制信號(hào)燈 綠燈亮、地感線圈檢測(cè)到車輛通過(guò)時(shí)自動(dòng)道閘升起， 允許車輛上衡計(jì)量，觸發(fā)2臺(tái)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(chǎng)后，當(dāng)檢測(cè)到 車輛前輪上磅壓線信號(hào)時(shí)，抓拍、保存圖片并預(yù)測(cè)車 輛上磅?？课恢?/span>.t時(shí)刻，信號(hào)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(cè)算法檢測(cè)共同判定是否存在車 輛?？课恢米鞅?/span>.若無(wú)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(kāi)下汽車衡， 紅綠信號(hào)燈熄滅，至此稱量過(guò)程完成，可以進(jìn)行下一 次的稱量.若有作弊，語(yǔ)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(kù).

5.結(jié)束語(yǔ)

本文基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)了車輛上磅位置作 弊檢測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集汽車衡車輛稱重現(xiàn) 場(chǎng)視頻圖像，根據(jù)車輛上磅位置作弊檢測(cè)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(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程發(fā)送至管 理中心數(shù)據(jù)庫(kù)，企業(yè)相關(guān)部門可通過(guò)多種方式訪問(wèn) 數(shù)據(jù)庫(kù)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.