Função de segurança de portas para elevadores utilizando análise de vídeo

Este artigo foi apresentado em   Berlim 2018, Congresso Internacional sobre Tecnologias de Transporte Vertical, e publicado pela primeira vez no livro da IAEE. Tecnologia de elevadores 22, editado por A. Lustig. É uma reimpressão com permissão da Associação Internacional de Engenheiros de Elevadores. (www.elevcon.com).

por Shuhei Noda, Kentaro Yokoi, Hiroshi Sukegawa, Teh KoK Long e Sayumi Kimura

Desenvolvemos um sensor de porta baseado em câmera que detecta pessoas se aproximando do elevador e evita colisões entre passageiros e a porta em fechamento. O novo sensor apresenta duas vantagens em relação aos sensores fotoelétricos convencionais: uma área de detecção mais ampla e detecção de movimento precisa. Ele consegue diferenciar uma pessoa que se aproxima da cabine do elevador de uma que passa pela porta na área de entrada. Implementamos o algoritmo em um sistema embarcado e o executamos em tempo real.

Introdução

A Toshiba comercializa sensores fotoelétricos para evitar que pessoas fiquem presas ou sejam puxadas por portas. A Figura 1 ilustra esquematicamente o alcance de detecção de um sensor fotoelétrico para detectar uma pessoa prestes a entrar em um elevador. Quando uma pessoa prestes a entrar no elevador é detectada, as portas se reabrem para evitar que ela fique presa. No entanto, esse sensor fotoelétrico tem um alcance de detecção muito estreito e fica muito próximo das portas, o que limita sua eficácia em termos de segurança.

Considerando essa circunstância, desenvolvemos um novo sensor de porta utilizando uma câmera (sensor de porta baseado em câmera).[1] A Figura 2 ilustra o alcance de detecção do novo sensor de porta. Ele é mais seguro do que os sensores convencionais, pois possui um alcance de detecção mais amplo. Além disso, ele pode prever quando uma pessoa está se aproximando do elevador, utilizando uma tecnologia de análise de vídeo recentemente desenvolvida. Com esse recurso, o novo sensor de porta não abrirá ou fechará as portas desnecessariamente, pois não reage a uma pessoa que simplesmente passa em frente às portas ou que parou.

Em 2016, a Toshiba lançou o SMART DOOR™ para controlar a abertura e o fechamento de portas de acordo com o resultado da detecção do novo sensor de porta. Este artigo descreve a configuração do novo sensor de porta com a tecnologia de análise de vídeo empregada e apresenta os resultados dos testes de verificação de desempenho.

Composição do sensor de porta baseado em câmera

O novo sensor de porta é composto por uma câmera com uma lente grande angular e uma placa de processamento de controle de imagem (Figura 3). A câmera é montada em um painel instalado na parte superior da cabine do elevador (Figura 4) e captura uma imagem com um ângulo de visão da área de entrada do elevador. Como o sensor é instalado na cabine do elevador, não há necessidade de instalar uma câmera em cada andar e, portanto, o sistema SMART DOOR pode ser configurado com um sensor por elevador.

A Figura 5 mostra um exemplo de imagem capturada quando uma pessoa se aproxima do elevador. A câmera captura imagens de vídeo da área de entrada do elevador e de parte do interior da cabine, incluindo a divisa entre a cabine e a área de entrada. As imagens de vídeo são processadas pela placa de controle de imagem, e o sistema determina se uma pessoa está se aproximando do elevador. Caso seja detectada a aproximação de uma pessoa, as portas são reabertas ou mantidas abertas.

A tecnologia de análise de vídeo que funciona na placa de processamento de reconhecimento de imagem será descrita em detalhes na seção seguinte.

Tecnologia de análise de vídeo

A Figura 6 mostra o fluxo do método de análise de vídeo desenvolvido para o novo sensor de porta. Esta seção descreve o método de análise de vídeo de acordo com esse fluxo.

Dividindo uma imagem em blocos matriciais

A imagem capturada pela câmera é dividida em uma matriz de segmentos (Figura 7). A menor unidade formada pela divisão é chamada de bloco. Dividir a imagem em blocos é vantajoso por reduzir a quantidade de processamento de análise de imagem.

Detecção de movimento em cada bloco

O valor médio da luminância da imagem é observado em uma série temporal para cada bloco, a fim de detectar mudanças nesse valor. Se o valor da luminância mudar ao longo da série temporal, considera-se que há movimento (Figura 8).

Detecção da posição do pé

A posição do bloco mais próximo das portas, dentre os blocos em que um movimento é detectado, é considerada a posição do pé (Figura 9).

Determinar se a posição do pé está próxima das portas.

A distância entre as portas e a posição dos pés é observada em uma série temporal. Se a distância diminui com o tempo, conclui-se que a pessoa está se aproximando das portas (Figura 10). Se a distância não diminui, conclui-se que a pessoa não está se aproximando das portas e não tem intenção de entrar no elevador (Figura 11).

Com o método descrito acima, é possível detectar uma pessoa que pretende entrar no elevador em um amplo raio de alcance na área de entrada. Por outro lado, se uma pessoa estiver apenas passando em frente ao elevador ou parada, o sensor não responde, pois ela não está se aproximando das portas; portanto, as portas podem ser fechadas. Dessa forma, os passageiros do elevador não são incomodados, mas a segurança ainda é garantida. A introdução desse novo sensor de porta pode proporcionar um ambiente confortável para o uso do elevador.

Como o novo sensor de porta é baseado na detecção de movimento, ele detectará não apenas um corpo humano, mas também uma pessoa em cadeira de rodas ou um carrinho de bebê sendo empurrado por alguém. Por esse motivo, a segurança pode ser aprimorada em diversos locais, como residências, estabelecimentos comerciais e prédios de escritórios.

Além disso, o novo sensor de porta possui uma área de detecção de aproximação muito próxima às portas do elevador. É possível determinar a aproximação de uma pessoa às portas simplesmente detectando o movimento (Figura 12). Com essa área de detecção, conseguimos aumentar ainda mais a segurança.

Implementamos o método de análise de vídeo descrito acima em um sistema embarcado. Como um sistema embarcado em geral, o novo sensor de porta não possui muitos recursos computacionais. Existem severas restrições no desempenho da CPU para processamento computacional e na capacidade de armazenamento da memória para imagens de vídeo capturadas e resultados de cálculos. Isso significava que, para implementar o método de análise de vídeo sem diminuir o desempenho da detecção, precisávamos reduzir a quantidade de memória e cálculos. Isso foi alcançado dividindo a imagem em blocos, conforme descrito em (1) do método de análise de imagem.

Resultados das verificações de desempenho

Para verificar o desempenho do novo sensor de porta, capturamos imagens de vídeo com a câmera usando um elevador real. Considerando o funcionamento normal do elevador, as imagens foram capturadas em diversas condições, incluindo diferentes ambientes e movimentos de uma pessoa, gerando assim um banco de dados de imagens de vídeo para avaliação. A Figura 13 mostra exemplos de imagens de vídeo para avaliação.

Verificamos offline o desempenho das imagens de vídeo de avaliação capturadas. O resultado foi que todos os movimentos da pessoa que se aproximava das portas puderam ser detectados.

Verificamos também todo o sistema, incluindo o controle de abertura e fechamento das portas do elevador. Simulando o funcionamento real do elevador, repetimos diversas vezes os movimentos de entrar e sair, caminhar e ficar parado em frente às portas. Como resultado, confirmamos que a abertura e o fechamento das portas do elevador são controlados corretamente, com base na detecção realizada pelo novo sensor de porta.

Conclusões

O novo sensor de porta que desenvolvemos consegue determinar, por meio de tecnologia de análise de vídeo, se uma pessoa está se aproximando do elevador. Quando detecta a aproximação de alguém, as portas são reabertas ou mantidas abertas. Caso haja alguém passando ou parado em frente ao elevador, as portas podem ser fechadas automaticamente, sem necessidade de intervenção humana. Dessa forma, é possível proporcionar um ambiente seguro e confortável para o uso do elevador.

Em 2016, a Toshiba lançou o SMART DOOR, um sistema para controlar a abertura e o fechamento das portas do elevador com base na detecção de um sensor. Este elevador inteligente está amplamente disponível no mercado atualmente.

Referência
[1] Kawaguchi Kenichi, Nakanishi Kota, Onoda Hiroshi e Nishimura Hidekazu. “Elevadores que oferecem viagens confortáveis ​​pela aplicação do design universal”, Toshiba Review, Vol. 72, No. 2, p. 32-35 (2017).