0 引言

    國(guó)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(guò)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(guò)手機(jī)來(lái)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(lái)完成對(duì)硬件資源管理^[7-8]。打印機(jī)通過(guò)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(guò)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(wèn)題，本系統(tǒng)采用背景差分法來(lái)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)獲取分析來(lái)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(kù)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(guò)來(lái)的內(nèi)容。短信彩信的接收通知問(wèn)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(kù)中查找相應(yīng)的字段來(lái)獲取通知。這種方案存在效率低下的問(wèn)題，通過(guò)使用觀察者模式監(jiān)視收件箱來(lái)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(wèn)題，對(duì)于系統(tǒng)的安全性管理，手機(jī)廠商并沒(méi)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(lái)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(guò)尾氣檢測(cè)端設(shè)置，圖片的采集通過(guò)界面上的相機(jī)按鈕來(lái)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(yǔ)

    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(guò)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(guò)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(kù)來(lái)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。

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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）