一種新的雙視角安檢設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)

王宇石 李宏偉 董明文

摘 要：文章提出了一種為雙（多）視角安檢設(shè)備配備的軟件系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足，針對(duì)智能化探測(cè)所需的“更多的計(jì)算資源”、“包裹的智能切分”、“多視角之間的通信與協(xié)同”，進(jìn)行了更為實(shí)用化的設(shè)計(jì)。測(cè)試與試用結(jié)果證明，本軟件系統(tǒng)能夠在高壓力場(chǎng)景下同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的圖像顯示功能和包裹探測(cè)功能。

關(guān)鍵詞：雙視角；安檢設(shè)備；軟件架構(gòu)；包裹切分

中圖分類號(hào)：TP274.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）01-0085-03

Abstract： This paper presents an architecture design of a software system for double-view （multi-view） security inspection equipment， which overcomes the shortcomings of traditional design. Aiming at "more computing resources"， "parcel intelligent segmentation" and "communication and cooperation between multi-view points"， a more practical design is carried out. The test and trial results show that the software system can achieve both the traditional image display function and the package detection function under high pressure scenarios.

Keywords： dual view； security equipment； software architecture； package segmentation

1 概述

當(dāng)前，對(duì)于具有一定智能的、探測(cè)能力較強(qiáng)的安檢設(shè)備出現(xiàn)了強(qiáng)烈呼聲，除了經(jīng)典的液體、爆炸物探測(cè)功能[1，2]，地鐵用戶因大客流下安檢員的超高工作負(fù)荷（隨之安檢質(zhì)量缺乏保證），也提出了自動(dòng)檢測(cè)違禁品的需求。而具有智能化探測(cè)的雙/多視角安檢設(shè)備的軟件架構(gòu)需滿足以下目標(biāo)：

（1）足夠的計(jì)算資源（多計(jì)算機(jī)乃至安裝GPU顯卡，計(jì)算機(jī)之間的通訊）。

（2）包裹的智能切分（保證進(jìn)行有針對(duì)性的探測(cè)）。

（3）多視角間的通信與協(xié)同（包裹切分的協(xié)同、多視角的協(xié)同探測(cè)）。

由于傳統(tǒng)功能中卷軸、拼接等功能對(duì)計(jì)算資源的占有率有較高的要求，如果將復(fù)雜的探測(cè)算法與傳統(tǒng)功能集中于一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，有可能造成：卷軸受到?jīng)_擊后會(huì)卡頓或遲緩（卷軸速度慢于包裹傳輸速度），或者等待探測(cè)的包裹圖像發(fā)生堆積，無(wú)法及時(shí)返回探測(cè)結(jié)果。為此，把大部分探測(cè)算法的執(zhí)行可放在新增的計(jì)算機(jī)上（相當(dāng)于后臺(tái)計(jì)算機(jī)，可加裝GPU），都是智能化安檢設(shè)備的必由之路。

包裹切分也是智能化安檢機(jī)的一個(gè)重要需求。因?yàn)楦鞣N探測(cè)算法都是以一個(gè)（基本）完整的“包裹”或“物品”進(jìn)行探測(cè)的，例如探測(cè)一個(gè)筆記本，需要這個(gè)筆記本是完整的。傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)每次按固定的行數(shù)截取采集到的圖像數(shù)據(jù)形成包裹圖像，有可能造成需探測(cè)的違禁品、炸藥、液體、筆記本被隨機(jī)地切成兩半、分屬兩個(gè)圖像，導(dǎo)致探測(cè)條件不完整、周邊上下文環(huán)境的斷裂。特別的，在地鐵大人流的情況中，包連包在客運(yùn)高峰階段是基本形態(tài)，對(duì)包裹的智能化切分需求格外強(qiáng)烈。

第三，是在包裹層面的視角間協(xié)同。過(guò)去只是在顯示數(shù)據(jù)上進(jìn)行了視角之間的對(duì)齊，但是現(xiàn)在還需要考慮在包裹層面上進(jìn)行視角間“對(duì)齊”。首先在包裹切分時(shí)，兩個(gè)視角的分包結(jié)果要基本一致、互相對(duì)應(yīng)；其次在執(zhí)行探測(cè)時(shí)，有些功能需要同一包裹的多個(gè)視角的圖像協(xié)同使用，才能進(jìn)行探測(cè)，典型如液體探測(cè)功能。

以上三項(xiàng)要素是傳統(tǒng)多視角安檢設(shè)備軟件設(shè)計(jì)[3，4，5]中考慮較少的地方，在包裹密集高壓力情況下無(wú)法滿足實(shí)際需求。本文提出的軟件設(shè)計(jì)提出了一種卷軸和切分包裹（及其后的探測(cè)）分路處理的架構(gòu)，并引入了復(fù)雜的包裹切分機(jī)制，從而更好地滿足了智能化安檢設(shè)備的三項(xiàng)需求。本文將按照以下結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述：第2節(jié)介紹軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)，第3節(jié)介紹包裹智能切分的基本思想，第4節(jié)進(jìn)行總結(jié)。

2 軟件架構(gòu)

整套軟件的架構(gòu)分兩大部分：（1）“前端平臺(tái)主控程序”及其下屬的模塊，主管傳統(tǒng)的安檢設(shè)備工控機(jī)的功能，本文把工控機(jī)稱為“前端計(jì)算機(jī)”；（2）把新增的計(jì)算機(jī)稱為“后臺(tái)計(jì)算機(jī)”，在后臺(tái)計(jì)算機(jī)上部署的是“后臺(tái)主控程序”及其下屬的模塊（詳見(jiàn)圖2）。

如圖1所示，預(yù)處理模塊及其下屬的模塊，在前端計(jì)算機(jī)中對(duì)每個(gè)視角都有一套對(duì)象實(shí)例，例如雙視角安檢設(shè)備的前端平臺(tái)上有2套預(yù)處理模塊、視角對(duì)齊模塊等。按照傳統(tǒng)的多視角軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)，每個(gè)視角的視角對(duì)齊模塊不斷獲得圖像采集模塊送來(lái)的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)利用找空氣背景模塊切分各個(gè)包裹，形成包裹圖像，然后視角對(duì)齊模塊一邊發(fā)起對(duì)包裹圖像的卷軸顯示，同時(shí)對(duì)包裹圖像相繼調(diào)用判斷圖像類型模塊（例如圖像內(nèi)容是液體還是常規(guī)包裹）和探測(cè)/存儲(chǔ)模塊（進(jìn)行材料探測(cè)[6]）。現(xiàn)在的前端平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)改為將卷軸顯示、包裹的切分/探測(cè)分為兩路，分別進(jìn)行，互不影響。其中視角對(duì)齊模塊是軟件運(yùn)轉(zhuǎn)的核心。在處理的過(guò)程中，卷軸和包裹的切分/探測(cè)兩路均以射線燈的亮起到熄滅為一個(gè)單元進(jìn)行處理（稱為“一次采集”），一次采集結(jié)束后，包裹切分/探測(cè)流程將進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)初始化。下面分別描述卷軸顯示、包裹的切分/探測(cè)兩路處理的機(jī)制。

2.1 卷軸顯示流程

參看圖1，視角對(duì)齊模塊是預(yù)處理模塊發(fā)起的一個(gè)重要線程。在S1步驟中，視角對(duì)齊模塊每次通過(guò)調(diào)用圖像采集模塊獲得一定行數(shù)的圖像數(shù)據(jù)，稱為1塊數(shù)據(jù)（例如60行）；如果還沒(méi)有找到本次采集的數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)第一個(gè)包裹的頭位置Grab_BagHead，則在S2步驟中，視角對(duì)齊模塊把當(dāng)前數(shù)據(jù)塊發(fā)給找空氣背景模塊進(jìn)行分析，直至找到本次采集的Grab_BagHead，相當(dāng)于一次采集的有意義內(nèi)容的開始位置。

當(dāng)視角對(duì)齊模塊獲得Grab_BagHead之后，會(huì)開始與設(shè)備的最后一個(gè)視角VN（按開始數(shù)據(jù)采集的順序）的視角對(duì)齊模塊，通過(guò)WinSock機(jī)制[7]進(jìn)行通訊；此后每獲得1塊數(shù)據(jù)就告知VN一次（步驟S3），使得VN可以知道其余各視角都獲得了多少塊的圖像數(shù)據(jù)；同時(shí)，視角對(duì)齊模塊還會(huì)把當(dāng)前獲得的這塊數(shù)據(jù)發(fā)給探測(cè)主控模塊（S4步驟），由探測(cè)主控模塊把這塊數(shù)據(jù)放入探測(cè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

當(dāng)VN的視角對(duì)齊模塊獲得了VN的Grab_BagHead，從此開始，VN的視角對(duì)齊模塊每獲得1塊數(shù)據(jù)就通過(guò)S5步驟告知其他各視角的視角對(duì)齊模塊：可以卷軸顯示Grab_BagHead之后待顯示的下一塊數(shù)據(jù)了；在視角對(duì)齊模塊得知自己可以顯示下一塊數(shù)據(jù)時(shí)，就通過(guò)S6步驟告知本視角的預(yù)處理模塊，預(yù)處理模塊隨之調(diào)用卷軸顯示模塊（步驟S7）把下一塊數(shù)據(jù)在安檢員所看的計(jì)算機(jī)屏幕上卷出。從而各視角的圖像實(shí)現(xiàn)同步卷出。

以上過(guò)程與包裹的切分/探測(cè)沒(méi)有直接關(guān)系，兩者關(guān)系的松綁，使得包裹的切分與探測(cè)可以在后臺(tái)進(jìn)行、采用復(fù)雜的算法，極端情況下發(fā)生分析錯(cuò)誤后也不影響卷軸顯示。

2.2 包裹的切分/探測(cè)流程

參看圖2。按2.1所述，在S4步驟中，探測(cè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)已經(jīng)被填入本視角采集到的從Grab_BagHead開始的圖像數(shù)據(jù)。探測(cè)主控模塊的一個(gè)獨(dú)立線程實(shí)例，會(huì)循環(huán)掃描探測(cè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是否有新填入的數(shù)據(jù)塊，若有則調(diào)用包裹切分模塊對(duì)新數(shù)據(jù)塊進(jìn)行分析（步驟T1）；如果某次調(diào)用被返回一個(gè)包裹在探測(cè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的頭尾位置（以下簡(jiǎn)稱“頭尾位置”或“切分位置”），探測(cè)主控模塊就會(huì)把此包裹對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)從探測(cè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中截取出來(lái)，形成包裹圖像塊，放入包裹的隊(duì)列；探測(cè)主控模塊的第二個(gè)線程實(shí)例會(huì)循環(huán)掃描包裹的隊(duì)列，一旦發(fā)現(xiàn)有新切分出的包裹，則通過(guò)T3步驟調(diào)用探測(cè)/存儲(chǔ)模塊，由該模塊把此圖像塊按一定命名機(jī)制保存為包裹圖像文件、并返回相關(guān)的文件信息（文件名、圖像的頭尾位置等）；隨后探測(cè)主控模塊的第二線程實(shí)例通過(guò)事件機(jī)制[7]，告知前端平臺(tái)主控模塊有關(guān)這個(gè)圖像的文件信息（步驟T4），前端平臺(tái)主控模塊也會(huì)形成一個(gè)圖像文件信息的隊(duì)列。

然后，前端平臺(tái)主控模塊會(huì)在步驟T5中，把這個(gè)包裹圖像和相關(guān)的文件信息發(fā)送給后臺(tái)主控程序。后臺(tái)主控程序按隊(duì)列記錄各個(gè)視角發(fā)來(lái)的圖像及相關(guān)信息，在步驟T6中把各視角對(duì)應(yīng)同一包裹的一組圖像發(fā)給后臺(tái)探測(cè)模塊進(jìn)行探測(cè)，并將每組圖像的探測(cè)結(jié)果（主要是畫框的相對(duì)位置信息）通過(guò)T7步驟返回給前端平臺(tái)主控模塊，并由前端平臺(tái)主控模塊結(jié)合自己記錄的圖像文件信息隊(duì)列，調(diào)用卷軸顯示模塊在計(jì)算機(jī)屏幕上畫框（步驟T8）。

2.3 兩個(gè)流程的一些關(guān)聯(lián)性管理

本軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)中，存在一定的關(guān)聯(lián)性管理。其中有兩種關(guān)聯(lián)性非常重要。

第一是在每個(gè)視角中，卷軸所用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和探測(cè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于兩路機(jī)制分別開展，卷軸顯示的數(shù)據(jù)行數(shù)和填入探測(cè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)行數(shù)不一致，所以在每次采集結(jié)束后還要進(jìn)行位置的關(guān)聯(lián)統(tǒng)一。

第二是對(duì)于同一包裹在各個(gè)視角中切分形成的圖像，如何找到彼此的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于各種原因，可能出現(xiàn)個(gè)別視角意外丟失個(gè)別包裹的圖像?？梢杂砂蟹帜K為包裹進(jìn)行編號(hào)，對(duì)于同一包裹，不同視角的包裹切分模塊將使用同一編號(hào)。此編號(hào)隨包裹圖像在各個(gè)步驟中傳遞，最終根據(jù)包裹編號(hào)保證后臺(tái)探測(cè)模塊每次處理的一組圖像來(lái)自于同一包裹。

3 包裹切分模塊的實(shí)現(xiàn)

包裹切分的目的是在探測(cè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中找到包裹之間銜接的位置，或包裹中沒(méi)有可探測(cè)物體的位置，在這些位置進(jìn)行切分，形成包裹圖像。

包裹切分模塊每次被調(diào)用時(shí)會(huì)一次給予30行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這些數(shù)據(jù)被循環(huán)覆蓋地加入包裹切分模塊自備的圖像緩沖區(qū)DB（行數(shù)、列數(shù)都進(jìn)行了高度壓縮，以降低算法復(fù)雜度）。每行圖像的信息含量，由以下三方面確定：

每行各像素的X射線衰減量之和（如果足夠小則意味著遇到包裹間的空氣背景），每行經(jīng)過(guò)的可探測(cè)物體區(qū)域的種類、個(gè)數(shù)（及像素?cái)?shù)），其中可探測(cè)物體區(qū)域是通過(guò)在圖像緩沖區(qū)DB里執(zhí)行生長(zhǎng)算法[8]，形成的具有一定灰度或材料特性的區(qū)域，各行包裹寬度的變化幅度（如果包裹的寬度在臨近各行中沒(méi)有顯著變化，則意味著很可能是同一包裹的延續(xù)）。

匯總圖像各行的以上三方面的信息，可以判斷是否遇到了包裹與包裹之間的銜接位置，從而確定是否在某一行形成包裹的切分位置（包裹的頭或尾，如果是包連包則前一包的尾同時(shí)也是下一包裹的頭）。個(gè)別包連包且包裹內(nèi)容復(fù)雜的情況下，有可能在探測(cè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)較長(zhǎng)的范圍內(nèi)都找不到包裹切分位置，則會(huì)尋找一個(gè)沒(méi)有粘著可探測(cè)物體的行，作為一個(gè)包裹的切分位置（相當(dāng)于超長(zhǎng)包裹的處理）。

包裹切分更為復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)要求，在于多個(gè)視角對(duì)于同一包裹的切分結(jié)果的一致性。為此第一個(gè)視角V1（按照數(shù)據(jù)開始采集的順序）被作為主視角，它執(zhí)行上述的包裹切分算法，并把得到的切分位置及包裹的編號(hào)返回給探測(cè)主控模塊線程1，再將這些分包信息通過(guò)視角對(duì)齊模塊發(fā)WinSock消息告知后續(xù)各視角；其余各視角的包裹切分模塊，每次被調(diào)用時(shí)獲得最新傳來(lái)的V1分包信息，并且將在V1的包裹切分位置的指導(dǎo)下，尋找自己對(duì)應(yīng)的包裹切分位置。需要防范各種意外：包括其他視角與V1視角對(duì)圖像內(nèi)容的分析結(jié)果不一致，特別是對(duì)于軟包（例如包裹間的小間隙在一個(gè)視角中被探測(cè)到、但在另一個(gè)視角中無(wú)法確認(rèn)）；由于推、拉包導(dǎo)致同一包裹在不同視角的探測(cè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中位置有差異等。

4 試用與結(jié)論

使用本軟件的雙視角安檢設(shè)備在北京的火車站、地鐵站分別進(jìn)行了試用，并實(shí)現(xiàn)了相關(guān)項(xiàng)目所要求的液體探測(cè)功能，在試用過(guò)程中運(yùn)行流暢。在試用之前進(jìn)行了約50小時(shí)嚴(yán)酷的循環(huán)帶測(cè)試，往往一次采集長(zhǎng)達(dá)2-3小時(shí)（包連包，含幾千包次），經(jīng)受了比現(xiàn)場(chǎng)壓力更大的考驗(yàn)。

本文所提出的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠很好地完成卷軸與探測(cè)各項(xiàng)工作，使兩者互不干擾，滿足了引言中所提到的智能化安檢設(shè)備軟件所需的三要素：（1）足夠的計(jì)算資源

（多計(jì)算機(jī)）；（2）包裹的智能化切分；（3）多視角間的通信與協(xié)同；從而使相關(guān)的雙視角設(shè)備能運(yùn)行復(fù)雜的探測(cè)算法并滿足各種實(shí)用化的需求。

此外，本軟件架構(gòu)同時(shí)也是多視角軟件產(chǎn)品線的更進(jìn)一步的發(fā)展。稍加改造、調(diào)試，該軟件架構(gòu)可以較為容易地應(yīng)用于三視角、四視角設(shè)備，所需的只是相應(yīng)地增加計(jì)算機(jī)以部署更多的前端平臺(tái)及其主控程序。

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