徐 艦

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市200092)

0 前言

隨著全國道路交通建設(shè)的快速發(fā)展和機(jī)動車輛的迅速普及，與道路和機(jī)動車輛相關(guān)的刑事和治安案件呈逐年上升趨勢，特別像肇事或作案后駕車逃逸，盜搶機(jī)動車輛，車輛走私等。另外，近些年因周邊環(huán)境的不斷惡化、恐怖行為的不斷侵?jǐn)_，對于像打砸搶燒、聚眾斗毆等群體性暴力事件也從鮮有發(fā)生發(fā)展到現(xiàn)在的近于常態(tài)化的窘境。

為此，為提高對刑事、治安案件的快速響應(yīng)、處理及進(jìn)一步預(yù)防的能力，設(shè)置高清視頻監(jiān)控卡口系統(tǒng)對于交通治安具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及組成

高清視頻監(jiān)控卡口系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由前端信息采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信息中心三部分組成。

(1)前端信息采集系統(tǒng)：主要功能為信息采集和通信，即采集并記錄所有經(jīng)過本斷面的機(jī)動車、非機(jī)動車、行人等信息，對經(jīng)過的車輛進(jìn)行車牌識別、經(jīng)過的非機(jī)動車和行人進(jìn)行記錄，采集本斷面所有機(jī)動車、非機(jī)動車、行人的圖片和數(shù)據(jù)信息，并與信息中心通信。

(2)通信系統(tǒng)：完成前端卡口信息采集子系統(tǒng)與信息中心之間的高速通信，傳輸前端卡口信息采集子系統(tǒng)所采集的各種數(shù)據(jù)和圖片，滿足系統(tǒng)對分布式存儲在各前端卡口信息采集子系統(tǒng)內(nèi)的各種數(shù)據(jù)的調(diào)用。

(3)信息中心：是高清視頻監(jiān)控卡口系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)處理中心，是用戶訪問整個(gè)卡口系統(tǒng)的窗口；完成數(shù)據(jù)信息和圖片的接收、處理及存儲，實(shí)時(shí)展示系統(tǒng)和前端采集設(shè)備的狀態(tài)以及對系統(tǒng)的日常管理；根據(jù)實(shí)時(shí)車輛信息，進(jìn)行黑名單比對、套牌車檢測、行駛軌跡分析、跟車關(guān)聯(lián)查詢分析等業(yè)務(wù)處理，完成對車輛布控等實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證功能；能夠根據(jù)業(yè)務(wù)要求，提供綜合查詢功能，為業(yè)務(wù)分析提供參考依據(jù)。

高清視頻監(jiān)控卡口系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

2 前端信息采集系統(tǒng)組成

從卡口布控的工作性質(zhì)考慮，系統(tǒng)對運(yùn)動狀態(tài)的目標(biāo)不但要有高圖像捕獲率，還必須抓拍到清晰的圖像(車牌、前排司乘人員、行人)，作為事后查詢和取證的重要依據(jù)。

前端信息采集系統(tǒng)見圖2，主要組成為控制主機(jī)、攝像機(jī)、輔助照明設(shè)備、軟件及設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施等，安裝在外場路段，通過采集控制軟件實(shí)現(xiàn)全天候不間斷的機(jī)動車、前排司乘人員、非機(jī)動車和行人的圖片抓拍和信息處理、存儲、通信等功能，對于抓拍的機(jī)動車圖片實(shí)現(xiàn)號牌自動識別等功能，所有信息在前端控制主機(jī)內(nèi)進(jìn)行存儲，并由專用通信軟件將獲取的所有信息實(shí)時(shí)傳遞給信息中心。

3 前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于卡口點(diǎn)具有路況條件復(fù)雜、對象移動不規(guī)律、周圍環(huán)境不可預(yù)料性等特點(diǎn)，為保證系統(tǒng)在上述各種條件下運(yùn)行的高可靠性與可用性，需要采用較為合理的技術(shù)實(shí)施方案，包括前端攝像機(jī)的選擇、布置方式、觸發(fā)方式、抓拍距離以及補(bǔ)光方式等。

4 前端攝像機(jī)

經(jīng)過多年的發(fā)展，視頻技術(shù)經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字、從低分辨率到高分辨率的不斷進(jìn)步，表1是一些常用的視頻分辨率規(guī)格，圖3是相同視角下不同分辨率圖片的比較。

早期卡口系統(tǒng)幾乎都采用模擬標(biāo)清成像技術(shù)，記錄的車輛信息為車牌部份圖像和車輛的全景圖像兩張圖片，分辨率最大為768×576。模擬攝像機(jī)所采用的圖像傳感器雖然具有線性好，反應(yīng)靈敏的特點(diǎn)，最低光照度可小于0.01 LUX，但也存在諸如模擬線性成像中面臨的圖像層次區(qū)分不明朗，對比度差等問題，直接的結(jié)果即是對于刑偵、治安等業(yè)務(wù)部門要求追查套牌車輛、黑名單車輛、肇事車輛的司機(jī)面貌來講就無能為力，無法為其提供具備清晰面部特征的目標(biāo)車輛前排司乘情況。

鑒于近年來高清成像元器件(大尺寸CCD、CMOS)和數(shù)字信號處理技術(shù)(高速DSP)處于高速發(fā)展期，高清視頻成像技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品也已經(jīng)非常成熟并廣泛應(yīng)用，采用數(shù)字高清成像技術(shù)，能達(dá)到1 920×1 080分辨率，有效像素在200萬以上，是標(biāo)清卡口系統(tǒng)的5倍以上，可以利用更少的設(shè)備覆蓋更大的目標(biāo)識別場景，并能夠?qū)植磕繕?biāo)進(jìn)行清晰放大，很好地解決了刑偵、治安等業(yè)務(wù)部門對于嫌疑目標(biāo)面部特征、前排司乘人員面部特征、可疑車輛車型外貌的細(xì)節(jié)辨識問題，是卡口系統(tǒng)建設(shè)的新熱點(diǎn)和新的發(fā)展方向。

表1 常用視頻分辨率

采用高清攝像機(jī)作為前端卡口視頻檢測的視頻采集單元，從而全面提升卡口系統(tǒng)的警用服務(wù)水平。另一方面，采用高清也能更好地滿足系統(tǒng)對于可擴(kuò)展性的要求，在圖像處理技術(shù)進(jìn)步的前提下，可以提供更多的采集信息單元，從而降低將來系統(tǒng)升級改造所帶來的成本。

5 前端攝像機(jī)的布置方式

根據(jù)機(jī)動車道和非機(jī)動車道目標(biāo)抓拍的實(shí)際需求，在每條機(jī)動車道配置1臺高清攝像機(jī)；非機(jī)動車道雙向各配置1臺高清攝像機(jī)；每條機(jī)非混合車道雙向各配置1臺高清攝像機(jī)。

非機(jī)動車道上的攝像機(jī)布置方案應(yīng)不同于機(jī)動車道，具備其獨(dú)有特性，是單一方向抓拍還是雙向抓拍，雙向抓拍是采用同一立面還是不同立面，存在以下幾種不同的布置方案：

(1)單方向抓拍

僅對非機(jī)動車道單個(gè)方向進(jìn)行抓拍，對于逆向行駛或行走的移動對象，無法捕捉到正面圖片信息，難以滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

(2)同立面雙向抓拍

非機(jī)動車道在同一門架或立桿上布設(shè)雙向抓拍攝像機(jī)，比較節(jié)約基礎(chǔ)設(shè)施成本，但抓拍的兩個(gè)斷面間的跨度相對較大，容易漏抓信息。

(3)不同立面雙向抓拍

非機(jī)動車道在兩不同的門架或立桿上布設(shè)雙向抓拍攝像機(jī)，相對基礎(chǔ)設(shè)施的成本會較高，但其具備很大的靈活性，安裝高度、拍攝角度以及與補(bǔ)光單元的配合等，是其他方案所不具備的。

綜合考慮各項(xiàng)因素，采用不同立面雙向抓拍效果較佳。

6 觸發(fā)方式

為保證對機(jī)動車、非機(jī)動車和行人都能進(jìn)行準(zhǔn)確抓拍，視頻觸發(fā)是當(dāng)前最為切實(shí)可行的方式。所以對機(jī)動車道和非機(jī)動車道采用視頻檢測為主的觸發(fā)方式。另外，為提高機(jī)動車的車速檢測精度，每一機(jī)動車道和機(jī)非混合車道設(shè)置一組雙檢測線圈。

(1)非機(jī)動車道觸發(fā)方式

主要采集對象為非機(jī)動車、行人及可能出現(xiàn)的機(jī)動車，系統(tǒng)對此主要采用視頻檢測的觸發(fā)方式。在光照條件相對較差時(shí)，由補(bǔ)光單元依據(jù)光感元件針對現(xiàn)場光照度的大小，自動調(diào)節(jié)補(bǔ)光量的多少，充分體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保；當(dāng)有移動物體出現(xiàn)時(shí)，抓拍單元對由攝像機(jī)以一定幀速拍攝的視頻進(jìn)行分析，輸出移動物體處于最佳位置的圖片；預(yù)處理單元對得到的圖片信息做進(jìn)一步的特征信息提取，包括移動方向、衣著主體顏色等；通信傳輸單元對獲取的圖片、數(shù)據(jù)信息進(jìn)行本地存儲與遠(yuǎn)程傳輸。

(2)機(jī)動車道及機(jī)非混合車道

主要采集對象為機(jī)動車輛、混行非機(jī)動車與行人，主要采用視頻檢測為主輔以線圈的觸發(fā)方式。補(bǔ)光單元依據(jù)現(xiàn)場光照度，自動調(diào)節(jié)補(bǔ)光量；當(dāng)有移動物體出現(xiàn)時(shí)，抓拍單元對由攝像機(jī)以一定幀速拍攝的視頻進(jìn)行分析，輸出移動物體處于最佳位置的圖片，同時(shí)輔以雙環(huán)形檢測線圈進(jìn)行交通參數(shù)檢測，需保證檢測線圈輸出交通參數(shù)的對象和時(shí)間與視頻分析輸出圖片的對象和時(shí)間保持一致；如果接收到線圈檢測數(shù)據(jù)而視頻檢測無觸發(fā)時(shí)，視頻分析處理應(yīng)兼顧線圈檢測信息，保留距線圈觸發(fā)最為接近時(shí)刻的抓拍圖片(在保證系統(tǒng)同步的前提下)，確保車輛的高捕獲率；預(yù)處理單元對圖片信息進(jìn)行特征信息提取，包括號牌號碼、號牌顏色等；通信傳輸單元對獲取的圖片、數(shù)據(jù)信息進(jìn)行本地存儲與遠(yuǎn)程傳輸。

7 抓拍距離

影響卡口建設(shè)的技術(shù)指標(biāo)主要有以下三種：

(1)車輛圖像捕獲率：所記錄的有效車輛數(shù)(指車輛圖像中包含全景圖像要求的車輛數(shù))與實(shí)際通過斷面車輛數(shù)的百分比。

(2)號牌識別準(zhǔn)確率：信息識別正確車輛數(shù)與斷面號牌信息有效的車輛總數(shù)的百分比。

(3)需要掌握道路上機(jī)動車前排司乘人員的面貌特征。

以上三個(gè)指標(biāo)互相影響，其中影響最大的因素是攝像機(jī)拍攝角度(即攝像機(jī)立桿高度與攝像機(jī)立桿到抓拍點(diǎn)的距離之比)，在立桿高度一定的情況下(6 m)：攝像機(jī)立桿到抓拍點(diǎn)的距離越大，高峰時(shí)期前后車輛遮擋的概率越高，車輛圖像捕獲率越低；攝像機(jī)立桿到抓拍點(diǎn)的距離越大，由于號牌縱向變形越小，號牌識別率越高；攝像機(jī)立桿到抓拍點(diǎn)的距離越大，由于俯瞰角度越小，車頂遮擋前排司乘人員的面貌特征的概率越小，臉像越清晰。

根據(jù)攝像機(jī)到被監(jiān)控目標(biāo)的距離D，選擇鏡頭的焦距f后，則由攝像機(jī)靶面決定了視野V·H，其間的關(guān)系 f=v·D/V或 f=v·D/H，見圖4。

視野也可用視角的大小來表征，即水平視角α：2arctanv/2f，垂直視角 β：2arctanh/2f，因此當(dāng)設(shè)定高清晰攝像機(jī)覆蓋抓拍寬度不小于4.5 m(兩個(gè)車道攝像機(jī)覆蓋范圍9 m，與兩個(gè)車道的寬度(約7.5 m)相比，視場重合1.5 m，滿足跨線抓拍的需求)。這樣，選用靶面 1/2in(6.4mm×4.8mm)的攝像機(jī)，鏡頭焦距選擇10~60mm時(shí)：

水平視角 α=2arctanv/2f=35.5°~6.1°(f=10~60mm)

垂直視角β=2arctanh/2f=27°~4.6°(f=10~60mm)。

景物至鏡頭距離D=f·V/v=7~42m(f=10~60mm)

如圖5所示，攝像機(jī)抓拍的最小間距l(xiāng)和車輛高度、立桿高度L、立桿至抓拍點(diǎn)的距離D相關(guān)，根據(jù)計(jì)算，最小車間距見表2。

表2 最小車間距

表2可以看出，在立桿高度為6m的情況下，如果跟車距離不大于1.6 m，則抓拍距離應(yīng)小于16m，這種情況適用于車流量較大的情況。

另外攝像機(jī)俯瞰角度ф與駕駛?cè)四樝裣嚓P(guān)，各抓拍模式如下：

(1)人像優(yōu)先抓拍模式

用于車輛間距大、車流量不高的城市地面道路，對線圈切割限制較小的路段。該模式因俯瞰角度較小，對各種車型司乘人員的臉像特征可做到近乎100%的有效采集。抓拍效果見圖6。

(2)人像，擁堵兼顧抓拍模式

人像，擁堵兼顧抓拍模式，主要用于車輛間距較近、車流量較高的城市地面道路，或?qū)€圈切割有限制的路段。該模式可對各種車型司乘人員的臉像特征進(jìn)行有效抓拍，部分圖像可能由于遮陽板遮擋、司乘人員體態(tài)習(xí)慣等因素影響司乘人員臉像采集。司乘人員的臉像特征可做到約80%的有效采集。抓拍效果見圖7。

(3)擁堵優(yōu)先抓拍模式

擁堵優(yōu)先抓拍模式，主要用于車輛間距密集、車流量非常大、或?qū)€圈切割有限制的路段。該模式可對各種車型司乘人員的臉像特征進(jìn)行有效抓拍，但因取像角度較大，司乘人員的臉像特征可能會有部分遮擋(60%以上的信息有效采集)。抓拍效果見圖8。

8 補(bǔ)光方式

考慮到系統(tǒng)必須24 h運(yùn)行，對于室外圖像抓拍，環(huán)境照度無疑是個(gè)無法避免的問題。為了保證在夜晚、陰雨天環(huán)境照度低的情況下抓拍到清晰的圖像，要在低照度時(shí)給予一定的光補(bǔ)償，需要增加輔助照明。但一般的用大光燈輔助照明，會產(chǎn)生光污染，對司機(jī)的夜間行車造成影響，留有事故隱患，因此采用LED燈補(bǔ)光方式，與攝像機(jī)同步觸發(fā)。該輔助照明模塊采用高亮度LED發(fā)光管作為發(fā)光器件，通過機(jī)箱內(nèi)部的LED燈控板控制發(fā)光。它的主要器件是LED頻閃燈同步脈沖發(fā)生器，主要由場同步分離電路，相位比較電路，壓控振蕩器，分頻器，譯碼電路以及輸出驅(qū)動電路組成，視頻輸入信號經(jīng)場同步分離電路分離出場同步脈沖給相位比較電路；相位比較電路比較場同步脈沖和譯碼電路輸出的起始脈沖后，輸出給壓控振蕩器；經(jīng)壓控振蕩器處理輸出給分頻器；再經(jīng)譯碼電路輸出起始脈沖送到相位比較電路，同時(shí)譯碼電路將光輸出脈沖經(jīng)輸出驅(qū)動電路送到LED頻閃燈。采用LED脈沖輔助照明模塊，通過與攝像機(jī)的快門同步，光利用率達(dá)到100%，并減少光污染，在CCTV攝像機(jī)弱光條件下對車輛號牌進(jìn)行補(bǔ)光照明方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

9 結(jié)語

高清視頻監(jiān)控卡口系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮上述幾項(xiàng)因素外，對前端系統(tǒng)控制主機(jī)的選擇、外場建設(shè)的周邊環(huán)境因素(與交叉口距離；附近是否有車輛出入口、岔道、人行橫道、公交車站、高架(隧道)上下匝道；常態(tài)擁擠狀態(tài)區(qū)域等)都應(yīng)進(jìn)行有效分析。

通過高清視頻監(jiān)控卡口的建設(shè)，可以有效遏制車輛違章行為，控制、減少道路交通事故，減少機(jī)動車輛治安案件的發(fā)生，應(yīng)用道路監(jiān)控設(shè)備結(jié)合現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，形成道路監(jiān)控智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，更好地提升道路動態(tài)管控和滿足治安、刑偵、交通管理新形勢下的業(yè)務(wù)需求。