卡口系統(tǒng)是系統(tǒng)工程,其成功與否取決于所有設(shè)備間有效的協(xié)調(diào)工作。卡口系統(tǒng)的性能跟工程設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量也有很大的關(guān)系。高捕獲率和高圖像質(zhì)量是卡口系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。
智能卡口系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展,已成為智能交通及平安城市工程中應(yīng)用最為廣泛且不可或缺的系統(tǒng),是機(jī)動(dòng)車通行自動(dòng)監(jiān)測(cè)最重要的手段,卡口系統(tǒng)的應(yīng)用在提高涉車案件偵破率、緩解交通擁堵、提高道路通行效率、提供車輛出行服務(wù)方面發(fā)揮著越來越重要的作用,政府相關(guān)主管部門對(duì)卡口系統(tǒng)的重視程度也越來越高,建設(shè)的力度也越來越大。
從應(yīng)用方向看,卡口系統(tǒng)最重要的性能指標(biāo)包括四方面:高捕獲率、高質(zhì)量圖像、高識(shí)別率、高穩(wěn)定性。
高捕獲率:全天候車輛捕獲率不低于99%,不僅要求有可靠的車輛檢測(cè)手段,還需要整套系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)保證不能出現(xiàn)車輛漏檢漏拍;
高質(zhì)量圖像:各種環(huán)境光線下拍攝的車輛圖片必須是清晰可辨的,需要有清晰的車輛、車牌特征,和較好的司乘人員面部特征;
高識(shí)別率:自動(dòng)識(shí)別的車輛特征準(zhǔn)確可靠,車牌識(shí)別率要達(dá)到95%以上;
高穩(wěn)定性:卡口系統(tǒng)需要7×24小時(shí)不間斷工作,所以穩(wěn)定性是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。
綜上所述,卡口系統(tǒng)是系統(tǒng)工程,其成功與否取決于所有設(shè)備間有效的協(xié)調(diào)工作??谙到y(tǒng)的性能跟工程設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量也有很大的關(guān)系。
高捕獲率和高圖像質(zhì)量是卡口系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ),也是我們本文闡述的重點(diǎn)。
目前比較成熟的檢測(cè)技術(shù)包括:地感線圈、窄波雷達(dá)和視頻檢測(cè),視頻檢測(cè)主要采用基于虛擬線圈的檢測(cè)和基于車輛建模的檢測(cè)以及兩種方式的綜合。
任何領(lǐng)域都沒有全能的技術(shù),每種檢測(cè)方式的工作原理決定了它的功能和限制,表1從幾個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有幾種技術(shù)進(jìn)行了分析對(duì)比。
綜上所述,每種檢測(cè)方式均有其適用范圍。項(xiàng)目實(shí)施時(shí)應(yīng)盡可能根據(jù)建設(shè)點(diǎn)的具體情況合理選擇。但受現(xiàn)在政府招標(biāo)模式的限制和設(shè)備提供廠家的技術(shù)側(cè)重點(diǎn)不同,招標(biāo)時(shí)選擇建設(shè)方案會(huì)有一定的傾向性,往往造成后期部分系統(tǒng)運(yùn)行情況不佳,影響系統(tǒng)的使用和項(xiàng)目驗(yàn)收。隨著相關(guān)部門管理人員對(duì)行業(yè)理解的加深,能提供綜合解決方案的廠商將會(huì)在市場(chǎng)逐步占據(jù)優(yōu)勢(shì)。
表1:常規(guī)檢測(cè)方式對(duì)比表
傳統(tǒng)卡口檢測(cè)方式的技術(shù)發(fā)展雖然已比較成熟,但是還存在實(shí)用性方面的限制,因此,我們逐步將一些新興技術(shù)應(yīng)用到智能卡口系統(tǒng)中,對(duì)現(xiàn)有技術(shù)形成很好的補(bǔ)充,隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步提升和成本的降低,將有可能逐步取代現(xiàn)有技術(shù)。
目前翔迅科技已經(jīng)將地磁檢測(cè)技術(shù)、激光檢測(cè)技術(shù)、多目標(biāo)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于卡口系統(tǒng)中。
即利用GMR地磁傳感器實(shí)現(xiàn)車輛的檢測(cè)。GMR是Giant Magneto Resistive的簡(jiǎn)寫,中文稱為巨磁阻效應(yīng)。GMR效應(yīng)是指:外部磁場(chǎng)的微量變化可使特定材料的電阻發(fā)生巨大變化。GMR效應(yīng)是由幾納米厚的多層金屬膜的磁場(chǎng)產(chǎn)生的電阻變化導(dǎo)致的。簡(jiǎn)單來說,該金屬膜由具備固定的穩(wěn)定磁化方向(參考方向)的參考層和磁化方向由外部磁場(chǎng)決定(如指南針)的傳感層構(gòu)成。傳感層和參考層通過僅為幾個(gè)原子厚的銅層隔開,從而產(chǎn)生GMR效應(yīng)。施加的磁場(chǎng)和傳感器參考層之間的角度決定了金屬膜的電阻變化。
地球是一個(gè)大磁鐵,地球表面的磁場(chǎng)大約為0.5Oe,地磁場(chǎng)平行地球表面并始終指向北方,地磁場(chǎng)在一定的空間范圍內(nèi)是穩(wěn)定的,為檢測(cè)器形成一個(gè)穩(wěn)定的磁背景。各種不同的車輛進(jìn)入地磁場(chǎng)中都有其自身特征的磁場(chǎng)分布,當(dāng)車輛靠近GMR傳感器時(shí),會(huì)使周圍的磁場(chǎng)產(chǎn)生輕微的變化,GMR傳感器可檢測(cè)到這種變化,從而發(fā)現(xiàn)車輛。利用GMR傳感器不僅可探測(cè)靜止車輛的狀況進(jìn)而用在交通燈處的交通控制和停車場(chǎng)處停車位置的監(jiān)控,而且也可探測(cè)移動(dòng)車輛的情況。具體來說,埋設(shè)在高速公路邊的GMR傳感器可以計(jì)算和區(qū)別通過傳感器的車輛。如果同時(shí)分開放置兩個(gè)GMR傳感器,還可以探測(cè)出通過車輛的速度和車輛的長度。
地磁檢測(cè)器可以設(shè)計(jì)成較小的尺寸,一般只需在路面打直徑9CM,深度10CM的孔即可安裝,大大降低施工難度,且一般的路面損傷不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。由于功耗極低,地磁檢測(cè)器采用內(nèi)置電池供電可提供超過5年的工作時(shí)間,無需線纜連接。地磁檢測(cè)器通過Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線聯(lián)網(wǎng),使用和配置均比較方便。如地磁傳感器可替代地感線圈,將大大減少道路施工時(shí)間,降低施工成本。
應(yīng)用于智能卡口的地磁檢測(cè)器設(shè)計(jì)時(shí)序需考慮兩個(gè)關(guān)鍵問題:檢測(cè)器對(duì)高速運(yùn)動(dòng)車輛可實(shí)時(shí)檢測(cè)并發(fā)出檢測(cè)信號(hào),應(yīng)用于同一車道的一組檢測(cè)器有一致的定位精度。
地磁檢測(cè)器對(duì)一般車輛的響應(yīng)距離在1米左右,為保證可實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛對(duì)車輛精確定位,需要保證每輛車至少有100個(gè)采樣點(diǎn),檢測(cè)器的采樣周期需要小于1.2ms,這要求檢測(cè)器具備較高運(yùn)算能力的同時(shí)保持較低的功耗,對(duì)硬件設(shè)計(jì)要求較高。
為保證測(cè)速精度,需要車輛在距離檢測(cè)器同樣的距離被檢測(cè)到,因此每組檢測(cè)器的靈敏度需要保持一致,需要對(duì)檢測(cè)器的檢測(cè)算法和參數(shù)進(jìn)行精確的調(diào)校。
針對(duì)智能卡口的應(yīng)用場(chǎng)景,翔迅公司在地磁檢測(cè)器的硬件設(shè)計(jì)上選用高性能低功耗微處理器,并通過控制算法的優(yōu)化,降低其在無車時(shí)的功耗,使檢測(cè)器在較高的檢測(cè)周期下還保持較低的功耗,保持長期穩(wěn)定運(yùn)行。檢測(cè)器出廠時(shí)均經(jīng)過一致性調(diào)校,在現(xiàn)場(chǎng)還可以通過軟件快速完成檢測(cè)器靈敏度設(shè)置,可保證工程應(yīng)用中達(dá)到較高的檢測(cè)和測(cè)速精度。
地磁檢測(cè)器的適用場(chǎng)景,可快速施工安裝,適用于城市快速路、高速公路等封路施工較困難的道路。
激光檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用十分廣泛。激光測(cè)量是一種非接觸式測(cè)量,不影響被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng),精度高、測(cè)量范圍大、檢測(cè)時(shí)間短,具有很高的空間分辨率。
智能卡口的激光檢測(cè)技術(shù)是激光測(cè)距技術(shù)的一種應(yīng)用。
激光測(cè)距原理:先由激光發(fā)射器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器,被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器,因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間,即可測(cè)定目標(biāo)距離。道路上使用的激光測(cè)距器精度可達(dá)到5cm。
激光檢測(cè)器一般安裝在道路上方,以每秒32KHz的掃描速度進(jìn)行檢測(cè),通過車輛不同部位與檢測(cè)器距離的不同,可掃描出通行車輛的外輪廓。通過兩個(gè)間隔一定距離安裝的檢測(cè)器,可計(jì)算出車輛運(yùn)行速度和運(yùn)行方向。
激光發(fā)射器發(fā)射的是點(diǎn)光束,無法覆蓋整條車道,為避免車輛漏檢,可通過安裝波束擴(kuò)散器,將波束擴(kuò)展到整條車道。
相對(duì)于其他檢測(cè)技術(shù),激光檢測(cè)不僅可準(zhǔn)確定位車輛,測(cè)量車輛速度,還可以根據(jù)輪廓對(duì)車輛準(zhǔn)確分型,并且不受車輛排隊(duì)限制,是比較理想的車輛檢測(cè)手段。成本較高是激光檢測(cè)器的缺點(diǎn)。
激光檢測(cè)適用場(chǎng)景:適用于車流密度較大的城市道路,同時(shí)有車輛分型統(tǒng)計(jì)要求的場(chǎng)合。
目前常用的窄波雷達(dá)通過對(duì)車輛的更高的指向性和波束覆蓋區(qū)域更小的性能,從而一定程度上避免了相鄰車道目標(biāo)的干擾,可以在一定角度下,相對(duì)比較精準(zhǔn)的定位車輛,可用于卡口攝像機(jī)的觸發(fā)拍照。但是,窄波的定位是通過波束的相對(duì)較窄來取得定位能力的,不是精準(zhǔn)定位,因此,仍然會(huì)有一定數(shù)量的目標(biāo)定位不準(zhǔn)或漏檢的情況發(fā)生。每臺(tái)窄波雷達(dá)只能覆蓋一條車道,使用更多的設(shè)備數(shù)量也提高了施工難度和故障率。
多目標(biāo)雷達(dá)技術(shù)源于軍用的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)。相控陣?yán)走_(dá)(Phased Array Radar)即電子掃描陣列雷達(dá)(AESA),可通過改變天線表面陣列所發(fā)出波束的合成方式,來改變波束掃描方向的雷達(dá)。目前使用的電子掃描方式包括改變頻率或者是改變相位的方式,將合成的波束發(fā)射的方向加以變化。
多目標(biāo)雷達(dá)輸出的目標(biāo)數(shù)據(jù)不僅包括車輛的速度,而且還包括車輛的空間位置信息(距離、水平角度、垂直角度),通過坐標(biāo)換算,可計(jì)算出目標(biāo)在地面的精準(zhǔn)位置,其定位精度可達(dá)0.25米,可準(zhǔn)確分析目前車輛處于哪條車道。通過目標(biāo)反射雷達(dá)波強(qiáng)度,可區(qū)分目標(biāo)大小,對(duì)目標(biāo)進(jìn)行初步的分型,可區(qū)分大型車、轎車、自行車、行人等目標(biāo)。通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)十個(gè)目標(biāo)的連續(xù)跟蹤,記錄目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。
圖1:激光檢測(cè)工作原理圖
圖2:激光檢測(cè)波束擴(kuò)散示意圖
圖3:多目標(biāo)雷達(dá)水平及垂直波束覆蓋示意圖
一臺(tái)多目標(biāo)雷達(dá)可同時(shí)檢測(cè)4-8車道的車輛目標(biāo),可替代多臺(tái)窄波雷達(dá),分別控制每條車道的相機(jī)抓拍車輛,也可配合更高分辨率的攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)單相機(jī)多車道車輛抓拍,可大大降低現(xiàn)有卡口系統(tǒng)的施工成本,提高系統(tǒng)可靠性。
翔迅科技的多目標(biāo)雷達(dá)卡口產(chǎn)品提供單相機(jī)單車道或單相機(jī)多車道的不同解決方案,用戶可根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際需求合理選擇。
經(jīng)過多年的發(fā)展,智能卡口系統(tǒng)使用的攝像機(jī)經(jīng)歷了標(biāo)清攝像機(jī)、高清工業(yè)相機(jī)、高清抓拍機(jī)、智能一體機(jī)等幾個(gè)時(shí)代。卡口用相機(jī)目前的發(fā)展趨勢(shì)仍然是:更高的分辨率、更高的幀率,更強(qiáng)的算法處理能力。
圖4:雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤示意圖
圖5:攝像機(jī)不同分辨率場(chǎng)景對(duì)比圖
目前常規(guī)的卡口系統(tǒng)一般使用200萬像素?cái)z像機(jī)拍攝一條車道,拍攝場(chǎng)景見圖5,此場(chǎng)景下可拍攝清晰的車牌和人臉照片。如果需要單相機(jī)拍攝多車道車輛,為保證車牌與人臉質(zhì)量,水平像素需要按比例提高,2車道需要300萬-500萬像素,3車道需要800萬像素。高像素大場(chǎng)景可以為卡口生成真正意義上的“全景圖像”,為事后分析提供除車輛以外更多的圖像信息。
為減少拍攝車輛延遲,卡口攝像機(jī)的幀率也在不斷提升,200萬像素?cái)z像機(jī)的幀率從15幀/秒提高到30幀/秒甚至到50幀/秒,500萬像素?cái)z像機(jī)的幀率從7.5幀提高到15幀/秒。對(duì)200萬相機(jī)拍攝單車道而言,目前的幀率已能滿足實(shí)時(shí)抓拍的要求。隨分辨率的提升,拍攝范圍增加,同時(shí)拍攝車輛的可能性也增加,越高分辨率的攝像機(jī)對(duì)幀率有更高的要求。從現(xiàn)在的CCD制造工藝上看,幀率的提升已達(dá)到瓶頸,需等待元件制造商的技術(shù)突破。CMOS攝像機(jī)在成像幀率上相對(duì)CCD有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),長遠(yuǎn)來看是未來技術(shù)發(fā)展的方向。
攝像機(jī)內(nèi)智能分析芯片的處理能力在近幾年有了很大的提升,使得一些交通領(lǐng)域的視頻算法例如:車牌識(shí)別和視頻檢測(cè)等都得以集成到相機(jī)中。多核處理器不僅有DSP內(nèi)核可以運(yùn)行算法,還有強(qiáng)勁的ARM內(nèi)核可以用作更多外設(shè)的控制,使得原來的一些必須在后端主機(jī)上實(shí)現(xiàn)的功能逐步移植到相機(jī)中。針對(duì)嵌入式多核處理器的開發(fā)提高了技術(shù)進(jìn)入門檻,一些開發(fā)能力較弱的廠商逐步被淘汰。
我國幅員遼闊,南北、東西各5000公里的跨度不僅使得地理、氣候上有較大差異,而且?guī)韰^(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不均衡,因此,智能卡口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)需要綜合考慮道路規(guī)劃、環(huán)境因素、投資水平等多方面因素,因地制宜的選取技術(shù)方案,更好的發(fā)揮智能卡口系統(tǒng)的作用。