圖書館智能座位管理系統(tǒng)

陳南南 李鴻翔 林聰明 彭榮超 廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

關(guān)鍵字： 圖書館 座位管理 預(yù)約 空座檢測

高校的圖書館是重要的學(xué)習(xí)空間，特別是考試之前，高校學(xué)生日益增多，而校園中的圖書館座位資源有限，不合理占座的現(xiàn)象已經(jīng)司空見慣。目前各高校圖書館的藏書資源、目錄資源等都實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)管理，唯獨(dú)座位資源還停留在人工管理階段。

1 圖書館管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

為了合理管理圖書館座位資源，部分高校開發(fā)了圖書館座位管理系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)在使用過程中也存在以下一些問題。

（1）占座問題。目前的圖書館管理系統(tǒng)大多是通過校園一卡通或其他身份驗(yàn)證方式確定讀者身份，隨后通過圖書館的觸摸屏設(shè)備或計(jì)算機(jī)查詢圖書館座位分布和實(shí)時使用情況，根據(jù)顯示屏顯示的座位閑置情況選擇座位，讀者流量較多時也可選擇自動排座。這種方式一定程度上解決了圖書館座位無序就坐的問題，但也引發(fā)了新的“占座”問題。部分讀者在刷卡選座后離開圖書館長時間未回，甚至出現(xiàn)替人刷卡占座的現(xiàn)象，導(dǎo)致真正有需求的讀者無法使用圖書館座位資源。

（2）成本高。為了解決圖書館座位預(yù)約后，座位空置“占座”問題，有的高校使用人工的方式定時巡查座位，長時間空閑的座位將被回收。這種方式增加了人力成本。在有的研究中，通過增加了紅外線感應(yīng)器對座位情況進(jìn)行檢測 。這種方式需要對所有座位進(jìn)行改造，增加了部署的難度和成本。

（3）離館與短時離座難以區(qū)分

無論是人工方式或是自動方式，都需要對長時間無人的座位進(jìn)行回收，但如何區(qū)分離館和短時離座也是一個難題。若使用人工方式巡查回收，工作人員無法長時間駐留座位附近判斷用戶是離館還是短時離座，經(jīng)常會造成誤判，引發(fā)誤會和矛盾。有的高校通過校園卡預(yù)約后可使用圖書館座位資源，每次有效時間為兩小時。繼續(xù)使用，須在下一時段前30分鐘內(nèi)進(jìn)行續(xù)約，超時后座位會被自動釋放。一些認(rèn)真學(xué)習(xí)的學(xué)生通常會忘記按時續(xù)約，造成座位被強(qiáng)行回收。

針對以上情況，本文提出了一種基于攝像頭空座檢測的圖書館座位管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主要包括以下功能：

（1）座位信息實(shí)時檢測

統(tǒng)帶有網(wǎng)絡(luò)攝像頭等圖像抓取設(shè)備，繼而將圖像傳至服務(wù)器再經(jīng)過圖像識別算法處理，將圖書館的每一個位置的情況實(shí)時反饋到前端網(wǎng)站上，用戶根據(jù)空座信息進(jìn)行座位預(yù)訂。

（2）座位預(yù)訂功能

用戶登錄網(wǎng)站根據(jù)圖書館座位實(shí)時狀態(tài)，可以直接在網(wǎng)站上進(jìn)行預(yù)訂，預(yù)訂

后在規(guī)定時限內(nèi)到達(dá)圖書館，若用戶未在時限內(nèi)抵達(dá)圖書館，將取消預(yù)約并歸還座位。

（3）續(xù)約功能

在圖書館期間，若臨時有事需要離開，用戶可以根據(jù)自己需要離開的時間，

選擇是否續(xù)約，若不續(xù)約直接離開，系統(tǒng)只為用戶保留座位10分鐘。選擇續(xù)約，系統(tǒng)將為用戶重新預(yù)訂該位置，但回到座位后需手動解除續(xù)約，超過30分鐘后“不回來”或者“不解除續(xù)約狀態(tài)”都視為放棄座位。極大程度地提高了系統(tǒng)的靈活性。

（4）查詢及修改功能

預(yù)訂好座位后，因故無法到達(dá)圖書館，可以取消預(yù)約。也可查詢當(dāng)前預(yù)約情況。

（5）違規(guī)記錄

對于預(yù)約后，無故未到達(dá)圖書館或惡意預(yù)約占座等行為記錄至數(shù)據(jù)庫，同時制定規(guī)則限制其在某段時間內(nèi)使用預(yù)約功能。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖1 系統(tǒng)功能示意圖

如圖2所示，本文提出的圖書館座位管理系統(tǒng)包括攝像頭模塊、服務(wù)器模塊、客戶端模塊、空座檢測模塊。

3.1 服務(wù)端模塊

服務(wù)端模塊通過接收攝像頭拍攝傳回的圖像進(jìn)行空座檢測，更新數(shù)據(jù)庫信息，并處理用戶的預(yù)約和查詢請求。

云服務(wù)器使用linux centos版本系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)端程序，與攝像頭之間的通信不斷的通過websocket定時收發(fā)數(shù)據(jù)，攝像頭通過無線wifi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

在socket服務(wù)器框架中，通過設(shè)置客戶端連接對應(yīng)一個Connection對象，完成對象的onMessage、onClose等回調(diào)，同時提供了向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)send接口與關(guān)閉連接close接口，以及其它一些必要的接口。在此基礎(chǔ)上通過tcp協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，服務(wù)端將接收到的數(shù)據(jù)信息通過相關(guān)的算法進(jìn)行處理和分析，存儲至對應(yīng)的mysql關(guān)系數(shù)據(jù)庫表中，服務(wù)端基于ngnix環(huán)境下運(yùn)行，使用php語言對客戶端開放各個請求接口，返回相應(yīng)的請求數(shù)據(jù)，對于部分長時間不改變的數(shù)據(jù)而言，會使用緩存集群redis或者memory進(jìn)行數(shù)據(jù)上的緩存，提高服務(wù)端的數(shù)據(jù)返回速度，客戶端數(shù)據(jù)的接收速率，將速率提升至毫秒級返回，提升用戶體驗(yàn)水平。

同時，在用戶數(shù)據(jù)請求量龐大時，必須進(jìn)行高并發(fā)處理，通過反向代理達(dá)到負(fù)載均衡，即將工作任務(wù)分發(fā)至各個服務(wù)器，使得每個服務(wù)器能正常運(yùn)行，否則系統(tǒng)會崩潰重啟。對于服務(wù)端與客戶端之間交互數(shù)據(jù)的安全性，各個接口請求的數(shù)據(jù)，進(jìn)行MD5的32位不規(guī)則加密，達(dá)到防篡改的目的。

3.2 客戶端模塊

客戶端是用戶預(yù)訂和查詢的交互界面，為了方便使用，分別設(shè)計(jì)了PC端頁面和基于Android的APP客戶端。

用戶可以通過客戶端進(jìn)行座位的查看、篩選、預(yù)訂。對于已經(jīng)進(jìn)行了座位預(yù)訂的用戶，同樣可以查看自己所預(yù)訂位置的信息，進(jìn)行續(xù)約、退訂、改選座位等操作。除主要的預(yù)訂座位功能，用戶可以查看到圖書館不同時段的人數(shù)分布情況、圖書館近日新聞等信息，同時可以對該系統(tǒng)進(jìn)行留言反饋。

Android端采用了Retrofit＋RxJava + OkHttp的網(wǎng)絡(luò)框架 ，其中Retrofit 負(fù)責(zé)請求的數(shù)據(jù)和請求的結(jié)果，使用接口的方式呈現(xiàn)。OkHttp 負(fù)責(zé)請求的過程，RxJava 負(fù)責(zé)異步，以及各種線程之間的切換。圖片加載使用Glide圖片加載庫， 服務(wù)端返回圖片鏈接url， 用Glide加載顯示圖片。Android界面如圖2所示。

圖2 Android客戶端界面

3.3 空座檢測模塊

空座檢測模塊負(fù)責(zé)將下位機(jī)攝像頭傳回服務(wù)器的圖像信息通過圖像識別算法轉(zhuǎn)化成座位信息并存入數(shù)據(jù)庫。

首先使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭拍攝現(xiàn)場圖像，通過FTP發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器使用shell腳本將圖片拷貝到圖像識別工程中，工程將檢測得到的座位信息存放在數(shù)據(jù)庫，供客戶端提取。

識別工程中的算法通過“不同光照條件下的閾值選擇”、“感興趣區(qū)域”、“標(biāo)記識別”、“移動物體檢測”以及一些邏輯程序來判斷各個座位的實(shí)時狀態(tài)。

（1）不同光照條件下的閾值選擇

針對同一個環(huán)境，在不同光照強(qiáng)度下采集到的圖片需要有合理的閾值去處理，才能夠識別出標(biāo)記，以及檢測到物體移動。在本系統(tǒng)采用的方案是，先采集優(yōu)越環(huán)境下不同光照強(qiáng)度下的圖片，采集圖片四個角落各取4個像素點(diǎn)共16個像素點(diǎn)計(jì)算平均灰度值，再找出適合的閾值，將它們的對應(yīng)關(guān)系制成表格。當(dāng)使用時，對拍攝到的圖片同樣進(jìn)行平均灰度值的計(jì)算，再查表選擇閾值。

（2）有效區(qū)域

采集到一張圖片并不是圖中所有信息都是有效信息，將圖片中有效區(qū)域“裁剪”出來，即將座位的部分提取出來，減少后續(xù)算法的計(jì)算量，提高算法效率，如圖3所示，將座位從整張圖片中提取出來。

圖3 有效區(qū)域提取

（3）標(biāo)記識別

為了判斷是否空座有多種方法，比如識別人體輪廓，識別人臉等，這些識別精確率高，但算法復(fù)雜度大。本系統(tǒng)僅需檢測空座信息，無需識別具體用戶。因此在座位（或桌面也可）上放置標(biāo)記，利用ORB（Oriented FAST and Rotated BRIEF）特征檢測與匹配來尋找圖片中椅子上的標(biāo)記，若無標(biāo)記則表明非空座，識別效果如圖所示。

ORB算法是基于FAST特征檢測與BRIEF特征描述子匹配實(shí)現(xiàn)，并在它們原來的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)與優(yōu)化[4]。

FAST特征點(diǎn)是沒有尺度不變性的，所以通過構(gòu)建高斯金字塔，然后在每一層金字塔圖像上檢測角點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)尺度不變性。ORB選擇了BRIEF作為特征描述方法，但是BRIEF是沒有旋轉(zhuǎn)不變性的，所以需要給BRIEF加上旋轉(zhuǎn)不變性，把這種方法稱為“Steer BREIF”。

圖4 空座標(biāo)記識別

（4）移動物體檢測

用標(biāo)記識別方法可以判斷空座，但有些用戶會使用書包等物品遮蓋標(biāo)記，從而造成座位有人的假象，而本人長時間離館，造成資源浪費(fèi)。因此，增加判斷遮擋物是否是移動物體的方式區(qū)分人體和占座物品。系統(tǒng)使用改進(jìn)的幀間差分法來判斷圖片區(qū)域內(nèi)是否存在移動物體。

首先采集3幀圖像，其次對圖像進(jìn)行邊緣提取得到連續(xù)的3幀邊緣圖像， 然后對兩組相鄰的邊緣圖像差分運(yùn)算，也就是進(jìn)行3幀差分，把兩次差分后的圖像再進(jìn)行“與”運(yùn)算，然后根據(jù)圖像信息使用自適應(yīng)迭代閾值的計(jì)算方法進(jìn)行二值化處理，最后通過圖像形態(tài)學(xué)處理（腐蝕、膨脹等）完成確定移動物體的區(qū)域 。

（5）空座檢測模塊流程

最后通過一些簡單邏輯結(jié)合以上技術(shù)，從而使整個識別流程合理運(yùn)作，提取出正確、有效的座位信息。

首先，開啟所有座位的標(biāo)記檢測及運(yùn)動物體檢測，只有當(dāng)一個座位的標(biāo)記被覆蓋以及存在運(yùn)動物體兩個條件同時成立時，并且兩個條件在將來20秒內(nèi)沒有發(fā)生改變才判斷該座位此時有人使用，如圖5所示。保持20秒不改變的理由是防止路過現(xiàn)象。

當(dāng)一個座位被預(yù)訂或者用戶選擇了續(xù)約座位，將關(guān)閉該座位的標(biāo)記檢測及運(yùn)動檢測，直到用戶通過刷卡簽到和返回座位，將重新打開該座位的檢測。

圖5 入座狀態(tài)檢測過程

若一旦一個座位的狀態(tài)從被使用變?yōu)闊o人使用，則開啟計(jì)時，超出10分鐘則視為離開即放棄座位。在10分鐘內(nèi)一旦該座位的狀態(tài)從無人狀態(tài)轉(zhuǎn)換為被使用，則再將來20秒中的檢測內(nèi)一旦出現(xiàn)該座位無人，則判定為“路過”，不會關(guān)閉10分鐘的離開計(jì)時。如20秒內(nèi)的檢測中一直保持被使用狀態(tài)，則表示用戶短時離開并回到座位了，關(guān)閉10分鐘的離開計(jì)時，用戶繼續(xù)使用座位。

4 結(jié)束語

本文通過分析目前高校圖書館管理系統(tǒng)中存在的一些問題，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個通過攝像頭傳輸?shù)膱D像進(jìn)行空座檢測從而進(jìn)行圖書館座位管理的系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：第一，無需人工，自動檢測空座；第二，使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭，每個攝像頭可檢測多個座位，無需對圖書館線路進(jìn)行過多改造，成本低；第三，功能設(shè)計(jì)人性化，暫時離座可保留座位。當(dāng)然，一切的管理制度都離不開用戶的遵守，良好的學(xué)習(xí)閱讀環(huán)境需要系統(tǒng)和人的共同努力。