文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182836
中文引用格式: 薛夢(mèng),鄖建平,,梁赫西,,等. 基于背景差分法的尾氣煙度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2019,45(5):85-88.
英文引用格式: Xue Meng,,Yun Jianping,,Liang Hexi,et al. Design of automobile exhaust detection system based on background difference[J]. Application of Electronic Technique,,2019,,45(5):85-88.
0 引言
國內(nèi)對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣的煙氣黑度檢測(cè)的方法大部分是檢測(cè)人員使用模擬檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量[1]。在實(shí)際檢測(cè)操作中,,檢測(cè)人員的熟練程度會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,,同時(shí)對(duì)檢測(cè)人員進(jìn)行專業(yè)的訓(xùn)練也需要一定的成本。機(jī)動(dòng)車的煙度檢測(cè)主要有三種方式,,分別是對(duì)照法,、測(cè)煙望遠(yuǎn)鏡和基于光電的測(cè)煙法。對(duì)照法要求在檢測(cè)時(shí),煙氣圖至檢測(cè)人員眼睛的距離在2 m以內(nèi),,實(shí)際操作中一般采取1.5 m左右,,被檢測(cè)機(jī)動(dòng)車的尾氣黑度等級(jí)值依據(jù)檢測(cè)人員的主觀判斷;使用測(cè)煙望遠(yuǎn)鏡會(huì)因?yàn)榱指衤诙葓D被安裝在望遠(yuǎn)鏡的鏡筒內(nèi)而影響檢測(cè)人員的判斷,?;诠怆姷臏y(cè)煙法對(duì)天氣的依賴程度較高,常用于天氣較為晴朗的情況下,,而陰霾,、多云天氣會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果有較大程度的影響。對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣黑度檢測(cè)采用自動(dòng)化處理,,可以使得檢測(cè)更為便捷與準(zhǔn)確[2],。對(duì)機(jī)動(dòng)車的檢測(cè)結(jié)果亦可以進(jìn)行報(bào)告打印,同時(shí)進(jìn)行電子存儲(chǔ),。
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于背景差分法的機(jī)動(dòng)車尾氣檢測(cè)系統(tǒng),。通過對(duì)尾氣進(jìn)行拍攝,、處理、分析得到尾氣的林格曼黑度值,,克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷,。為方便操作,檢測(cè)也可以通過手機(jī)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,。該設(shè)計(jì)為檢測(cè)車輛尾氣黑度提供了一種簡(jiǎn)便可行的方案[3-6],。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
基于可見光的尾氣檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由三部分組成:手機(jī)控制APP,、檢測(cè)系統(tǒng)(控制板和攝像頭),、打印與通信系統(tǒng)。手機(jī)控制APP部分主要功能為:對(duì)煙度檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)設(shè)置與顯示,;通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)手機(jī)端與煙度檢測(cè)控制端進(jìn)行通信,,手機(jī)端可以將設(shè)置信息發(fā)送到檢測(cè)端,也可以控制拍攝圖拍的數(shù)量,;控制端可以向手機(jī)端發(fā)送圖片拍攝成功標(biāo)記,,也可以發(fā)送尾氣檢測(cè)結(jié)果。
尾氣煙度檢測(cè)控制端主控芯片使用的是ARM架構(gòu)的RK3399,,該芯片由CortexA72和CortexA53組成大小核,,主頻可達(dá)2 GHz,性能上可完成對(duì)尾氣的實(shí)時(shí)拍攝,。為了更好地支持圖像處理,,該芯片還搭載了Mali T860的GPU(Graphics Processing Unit)。芯片集成H.265(高達(dá)2 Mb/s的傳輸速度傳送720P普通高清音視頻傳送)的解碼方式和H.264的編碼方式,,使得檢測(cè)系統(tǒng)能夠采集連續(xù)且清晰的尾氣圖像,。尾氣檢測(cè)終端運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)來完成對(duì)硬件資源管理[7-8]。打印機(jī)通過串口接入煙度檢測(cè)設(shè)備,,對(duì)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行打印,。手機(jī)APP與煙度檢測(cè)系統(tǒng)的通信通過電信網(wǎng)絡(luò),使得檢測(cè)人員可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離操控,。
2 系統(tǒng)核心部分設(shè)計(jì)
2.1 使用背景差分法檢測(cè)尾氣區(qū)域
為檢測(cè)車輛的尾氣黑度,,需要對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理,提取圖像中的尾氣煙霧區(qū)域,,獲得林格曼黑度等級(jí)[9-12],。為解決這個(gè)問題,本系統(tǒng)采用背景差分法來確定尾氣煙霧區(qū)域[13],。該算法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,、計(jì)算速度快的特點(diǎn),因而響應(yīng)速度快,是常用的區(qū)域檢測(cè)技術(shù),。同時(shí)該算法不易受光線影響,,有益于對(duì)尾氣的檢測(cè)。因?yàn)橄到y(tǒng)檢測(cè)對(duì)象是尾氣區(qū)域,,是非動(dòng)態(tài)對(duì)象模型,,故對(duì)算法中的背景固定為檢測(cè)前未排放尾氣時(shí)圖片,無需對(duì)背景模型不停地更新,,提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度,。檢測(cè)區(qū)域?yàn)椋?/p>
式中,(x,,y)為圖像像素點(diǎn)的坐標(biāo),,該坐標(biāo)系以圖片長(zhǎng)為X軸,圖片寬為Y軸建立,。G(x,,y,t)為采集的圖片,,B(x,,y,t)為背景圖片,。對(duì)連續(xù)拍攝的兩張圖片差分,,也肯定存在干擾。為了濾除干擾,,可以通過分析差分圖像的直方圖得到閾值T。
利用圖像采集部分采集圖片,,然后利用改進(jìn)了的背景差分法識(shí)別圖中尾氣區(qū)域,,算法處理前后的圖像效果如圖2所示,可見背景差分法能較好地對(duì)尾氣進(jìn)行提取,。
2.2 控制檢測(cè)設(shè)計(jì)
檢測(cè)控制端程序基于Qt框架進(jìn)行開發(fā),,主要包括通信、相機(jī)控制和圖像處理,。在系統(tǒng)啟動(dòng)后,,通過添加一個(gè)腳本完成對(duì)尾氣檢測(cè)程序的啟動(dòng)[14]。程序的啟動(dòng)過程如圖3所示,。程序啟動(dòng)后進(jìn)行相機(jī)設(shè)備枚舉,,并進(jìn)行初始化,開啟圖片采集的線程,。相機(jī)相關(guān)屬性設(shè)置從本地配置文件中獲取或者設(shè)置為默認(rèn)值,,其他信息從本地讀取上一次操作的備份。信息備份文件在填寫或接收到手機(jī)端發(fā)送的被檢測(cè)車輛信息時(shí)生成,并在初始化顯示屏后讀取并顯示,。
4G模塊接收到拍照請(qǐng)求后,,進(jìn)行車輛尾氣圖片的采集。采集成功則給手機(jī)端返回信息,,并將該圖片編號(hào),。當(dāng)圖片數(shù)量達(dá)到設(shè)置值后,再接收到拍照請(qǐng)求將返回圖片采集已完成的信息,。尾氣圖片采集完成后調(diào)用圖像處理函數(shù),,進(jìn)行尾氣區(qū)域的提取,并與標(biāo)準(zhǔn)林格曼圖進(jìn)行比較,,獲得林格曼黑度值,。處理完畢后,生成檢測(cè)報(bào)告,。手機(jī)端可以通過獲取分析來獲得被檢測(cè)車輛的尾氣檢測(cè)結(jié)果,。打印機(jī)可以將檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行打印。
2.3 攔截短信和彩信
為了讓手機(jī)APP實(shí)時(shí)收發(fā)短信和彩信,,需要對(duì)Android系統(tǒng)短信和彩信進(jìn)行攔截與讀取[15],。為管理短信服務(wù)(Short Message Service)和彩信服務(wù)(Multimessage Service),Android系統(tǒng)在MMSSMS數(shù)據(jù)庫中維護(hù)了13張表,。每張表為不同的功能服務(wù),,如inbox用于存儲(chǔ)接收到的短信內(nèi)容,outbox用于存儲(chǔ)發(fā)送短信的內(nèi)容等,。接收短信彩信的解析路徑為“content://sms/inbox”和“content://mms/part”,,獲取短信彩信內(nèi)容后,判定是不是尾氣檢測(cè)終端發(fā)送過來的內(nèi)容,。短信彩信的接收通知問題,,解決方案有輪循和注冊(cè)廣播接收器。第一種方案,,以一定的時(shí)間間隔去MMSMS數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)的字段來獲取通知,。這種方案存在效率低下的問題,通過使用觀察者模式監(jiān)視收件箱來對(duì)這一缺陷進(jìn)行改進(jìn),。第二種方案,,在Android系統(tǒng)中注冊(cè)一個(gè)廣播接收器,在接收到短信或者彩信時(shí)進(jìn)行廣播,,APP去遍歷廣播接收器,。這種方案存在一個(gè)權(quán)限問題,對(duì)于系統(tǒng)的安全性管理,,手機(jī)廠商并沒有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范,,故其在定制Android系統(tǒng)時(shí),可能僅給預(yù)裝軟件發(fā)送廣播事件。綜合比較兩種方案,,選擇改進(jìn)后的輪詢方式,,因?yàn)樽?cè)廣播接收器這個(gè)功能對(duì)系統(tǒng)具有強(qiáng)依賴性。
3 系統(tǒng)測(cè)試
對(duì)手機(jī)和檢測(cè)終端之間的通信進(jìn)行測(cè)試,。打開手機(jī)APP,,設(shè)置檢測(cè)信息,圖4所示為相應(yīng)的設(shè)置信息,。點(diǎn)擊發(fā)送設(shè)置按鈕,,將設(shè)置信息發(fā)送到檢測(cè)端。檢測(cè)端接收到數(shù)據(jù)后,,先進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換,,然后利用正則匹配來提取各項(xiàng)信息。提取完后將信息備份到本地,,然后顯示在檢測(cè)端的顯示屏上,,如圖5所示。
測(cè)試完通信功能后,,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體性測(cè)試,。圖6所示為使用手機(jī)APP設(shè)置相應(yīng)的信息并采集完圖片。也可以直接通過尾氣檢測(cè)端設(shè)置,,圖片的采集通過界面上的相機(jī)按鈕來進(jìn)入操作界面,。圖7為最后的檢測(cè)結(jié)果圖,可以將結(jié)果發(fā)送到手機(jī)端,。
4 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于背景差分法的尾氣檢測(cè)系統(tǒng),,通過對(duì)尾氣的成像以及圖像處理,能有效地對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣的黑度進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè),。該檢測(cè)系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單易操作,、快捷、成本低的特點(diǎn),,可在機(jī)動(dòng)車尾氣黑度檢測(cè)場(chǎng)景下使用。在實(shí)際使用過程中,,可從報(bào)告的存儲(chǔ)和尾氣區(qū)域的檢測(cè)部分進(jìn)行改進(jìn),。由于檢測(cè)報(bào)告存儲(chǔ)在本地,需要定期取出,,后期可以使用數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ),。還有就是優(yōu)化尾氣區(qū)域檢測(cè)算法,使其可以適應(yīng)更為復(fù)雜的環(huán)境,。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫鵬.固定污染源排放煙氣黑度的測(cè)定——林格曼煙氣黑度圖法(HJ/T 398-2007)有效性復(fù)審意見[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,,2017,42(2):123-124.
[2] 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué).一種柴油車煙氣黑度自動(dòng)檢測(cè)裝置:中國,CN201410070139.3[P].2014-05-21.
[3] 李海卜.基于ARM的嵌入式煙霧檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].秦皇島:燕山大學(xué),,2012.
[4] VICENTE J,,GUILLEMANT P.An image processing technique for automatically detecting forest fire[J].International Journal of Thermal Sciences,2002,,41(12):1113-1120.
[5] 劉峰,,劉光遠(yuǎn),龍正吉,,等.一種新型的激光煙霧濃度檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,,2014,51(12):147-152.
[6] ZHU J,,CHOI M Y,,MULHOLLAND G W,et al.Measurement of visible and near-IR optical properties of soot produced from laminar flames[J].Proceedings of the Combustion Institute,,2002,,29(2):2367-2374.
[7] 宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解[M].北京:人民郵電出版社,2010.
[8] 拉芙.Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,,2011.
[9] 宗世朋.基于視頻圖像的煙霧檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),,2013.
[10] 王新玲.基于圖像的煙霧濃度檢測(cè)技術(shù)研究[D].太原:中北大學(xué),2012.
[11] WIDMANN J F,,YANG J C,,BUNDY M,et al.A laboratory apparatus for the measurement of optical extinction coefficients of postflame soot in the infrared[J].Review of Scientific Instruments,,2003,,74(2):938-944.
[12] Zhang Xiaoying,Lai Cheng,,Chen Xuyi.A similarity study on the infrared radiation of solid rocket plume in different reduced-scale sizes[C].IEEE Aerospace Conference,,2015.
[13] 屈晶晶,辛云宏.連續(xù)幀間差分與背景差分相融合的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法[J].光子學(xué)報(bào),,2014,,43(7):219-226.
[14] 門佳.Linux Shell腳本攻略[M].北京:人民郵電出版社,2014.
[15] 張倩倩.基于Android短信服務(wù)的手機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].天津:天津大學(xué),,2012.
作者信息:
薛 夢(mèng),,鄖建平,梁赫西,,艾 勇,,周凌林,裘兆炳
(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,,湖北 武漢 430072)