羅桂林 何燕南 李治國 張勇 公安部第一研究所

引言

（一）背景與意義

在我國，機(jī)場安檢部門依照有關(guān)民航法律法規(guī)對旅客托運(yùn)的行李實施安全檢查工作，防止危及航空安全的危險品、違禁品進(jìn)入民用航空器，以保障民用航空器及其所載人員、財產(chǎn)的安全。據(jù)不完全統(tǒng)計，2018年中國某市航空旅客吞吐量達(dá)到近9000萬人次，該市旅客托運(yùn)行李開包率累計達(dá)到10%，換而言之，機(jī)場開包進(jìn)行安全檢查的旅客行李數(shù)約數(shù)百萬次，而開包檢出打火機(jī)、火柴、鋰電池、刀具等各類違禁品總數(shù)高達(dá)數(shù)十萬件。

操作員與開包員在機(jī)場行李安全檢查分層管理系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色，而對講機(jī)是機(jī)場操作員與開包員之間常見的溝通工具。操作員位于安檢集中判讀室，集中判斷旅客行李的X光機(jī)掃描圖像是否需要開包檢查；若操作員判讀行李可疑，則開包員需對旅客行李是否攜帶違禁品進(jìn)行行李開包安全檢查[1,4,8]。在整個行李違禁品安檢過程中，操作員通過研讀行李的X射線掃描圖像，判定行李中是否攜帶違禁品。當(dāng)行李中有違禁品時，開包員工作站顯示有危險區(qū)的行李X射線圖像，開包員通過對講機(jī)與操作員確認(rèn)其畫出的違禁品的種類和位置。在開包之前根據(jù)操作員的描述，開包員需要與旅客確認(rèn)是否攜帶違禁品。

為了改善操作員與開包員之間的溝通方式，提高開包員的開包效率，同時避免與旅客之間因開包引起的糾紛，本文設(shè)計的音視頻對講軟件，首次實現(xiàn)了機(jī)場分層管理系統(tǒng)操作員與開包員之間的可視化對講功能。該軟件一方面能夠協(xié)助操作員、開包員識別和確認(rèn)機(jī)場旅客托運(yùn)行李攜帶違禁品的種類、位置等信息，另一方面為機(jī)場、公安、海關(guān)、檢驗檢疫等有關(guān)部門建立違禁品信息化管理平臺提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

（二）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

音視頻對講軟件的核心技術(shù)為對講技術(shù)，表現(xiàn)為可視化對講產(chǎn)品應(yīng)用。上世紀(jì)80年代，對講系統(tǒng)興起于日本和歐美。最早進(jìn)入國內(nèi)市場的對講產(chǎn)品是智能樓宇對講產(chǎn)品，該產(chǎn)品功能單一，簡單地實現(xiàn)了訪客確認(rèn)對話的功能[2,7]。隨著音視頻對講產(chǎn)品新技術(shù)的不斷引入，對講產(chǎn)品的功能也日趨多元化，如采用音頻和視頻數(shù)字化技術(shù)[6]、ARM嵌入式技術(shù)可以使系統(tǒng)直接接入寬帶網(wǎng)絡(luò)[3]，采用Bluetooth便可以實現(xiàn)免布線的對講系統(tǒng)[5]等。

目前，對講機(jī)或內(nèi)通電話是機(jī)場行李安全檢查分層管理系統(tǒng)中開包員與操作員主要的工具。對講機(jī)或內(nèi)通電話只能實現(xiàn)語音對講，功能單一。通過使用可視化的對講軟件，不僅改善了開包員與操作員的溝通方式，縮減開包安檢處理時間，優(yōu)化開包的處理流程，而且還能改善乘機(jī)旅客的開包體驗。因此，可以預(yù)見，在使用分層管理系統(tǒng)進(jìn)行旅客托運(yùn)行李安檢的大中型機(jī)場，操作員開包員使用可視化的對講軟件替代對講機(jī)將成為優(yōu)化旅客行李開包流程的必然之選。

一、軟件功能與概要設(shè)計

（一）軟件功能

音視頻對講軟件功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，共有四大功能模塊組成。

第一部分是數(shù)據(jù)采集功能。該功能用于采集操作員與開包員的音頻和視頻數(shù)據(jù)。當(dāng)操作員（開包員）未與開包員（操作員）建立對講連接時，操作員（開包員）無需采集音頻數(shù)據(jù)，但仍需采集視頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行本地回放。當(dāng)操作員與開包員建立連接后，采集本站點音頻、視頻數(shù)據(jù)。

第二部分是數(shù)據(jù)協(xié)議功能。根據(jù)數(shù)據(jù)類型和使用用途不同，實現(xiàn)操作員與開包員之間的音視頻數(shù)據(jù)傳輸及對講通信控制協(xié)議。

第三部分是音視頻播放功能，即播放源端站點采集的音視頻數(shù)據(jù)。

第四部分是警報功能。當(dāng)操作員判斷旅客行李安檢X光圖像為需要開包檢查后，操作員端軟件會自動向開包員發(fā)送開包檢查報警。開包員收到報警后，對旅客及旅客行李中的違禁品進(jìn)行拍照，所拍攝的照片與開包檢查錄入結(jié)果對應(yīng)存儲到安檢分層管理數(shù)據(jù)庫中。

（二）概要設(shè)計

音視頻對講軟件基于已有的機(jī)場分層管理系統(tǒng)和機(jī)場安檢網(wǎng)絡(luò)，其軟件解決方案如圖2所示。

音視頻對講軟件架構(gòu)解決方案是基于組件模塊化的軟件架構(gòu)。其核心設(shè)計思想是將基于UDP的對講通信控制協(xié)議、音頻對講、視頻對講等功能進(jìn)行模塊化設(shè)計與實現(xiàn)。

二、設(shè)計與實現(xiàn)

（一）基于UDP的對講通信控制協(xié)議模塊

機(jī)場音視頻對講軟件，是基于UDP傳輸協(xié)議實現(xiàn)的對講軟件，需要傳輸音頻、視頻以及通信控制命令共三類數(shù)據(jù)。其中，音、視頻類數(shù)據(jù)對對講實時性要求不高，且允許傳輸1~2秒的時延，也能容忍一定數(shù)據(jù)報文丟失；通信控制命令數(shù)據(jù)則用于控制操作員與開包員之間的視頻連接建立、音視頻通話中直至通話掛斷。為了保障對講軟件能夠正確地運(yùn)行，對講軟件對傳輸控制命令的實時性、有效性有著較高的要求。基于UDP的對講通信控制協(xié)議實現(xiàn)了以下功能：

1. 自定義可靠UDP傳輸協(xié)議

建立多個監(jiān)聽時鐘，必要地實現(xiàn)報文丟失、報文超時重傳機(jī)制。防止因UDP報文丟失、系統(tǒng)異常、網(wǎng)絡(luò)異常等原因造成操作員或者開包員對講軟件無限等待。

2. 自動構(gòu)建各個站點在線、空閑、繁忙等狀態(tài)維護(hù)表

維護(hù)各站點最新的視頻在線、繁忙、空閑以及異常等狀態(tài)表，避免正在建立連接以及建立連接后的操作員與開包員受到其他工作站的視頻請求干擾。在機(jī)場實際應(yīng)用環(huán)境中，為了保障操作員與開包員之間正常的開包檢查流程不受影響，雙方在建立通信、音視頻通話過程中拒絕任何其他音視頻建立的請求。同時為了避免雙方由于各種原因或者異常導(dǎo)致的死等，在雙方的通信過程中加入超時檢測與超時自動處理機(jī)制。

如圖3所示，該圖描述了音視頻對講軟件設(shè)計與實現(xiàn)的初步方案，經(jīng)與機(jī)場用戶方研討后基本能夠滿足機(jī)場用戶使用需求。簡而言之，實現(xiàn)音視頻對講方案通信機(jī)制要求如下：

（1）僅允許開包員與操作員之間建立音視頻連接；

（2）操作員A向開包員B發(fā)送視頻請求后，站點A和站點B既不能向其他用戶站點發(fā)送視頻請求連接，也不能接受其他站點用戶發(fā)送過來的視頻連接請求；

（3）如果站點用戶正在接受其他類型的站點發(fā)送過來的視頻請求或者正在視頻會話中，該站點收到其他站點的視頻請求后，則直接拒絕其請求；

（4）為防止網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、站點主機(jī)宕機(jī)、數(shù)據(jù)庫離線等異常情況，站點用戶在更新其他站點實時狀態(tài)的同時，通過向其他站點實時廣播發(fā)送自身站點工作狀態(tài)，以保持站點空閑時可用。

開包員與操作員通過控制命令類數(shù)據(jù)發(fā)送視頻請求、建立視頻連接直至中斷視頻連接，主要包括請求命令、上線通知命令、下線通知命令、超時響應(yīng)命令、拒絕視頻命令、關(guān)機(jī)命令等。如圖4所示，該圖為通信數(shù)據(jù)消息格式協(xié)議規(guī)范。

（1）通信數(shù)據(jù)消息類型

數(shù)據(jù)類型包括音頻類型數(shù)據(jù)、視頻類型數(shù)據(jù)、控制命令類型數(shù)據(jù)，其字段含義如表1所示。

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（2）通信對講消息命令

對講命令主要包括請求命令、上線通知命令、下線通知命令、超時響應(yīng)命令、拒絕視頻命令、關(guān)機(jī)命令等，其字段含義如表2所示。

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（3）通信對講消息長度

通信對講消息長度是用于通信過程中對講消息內(nèi)容的數(shù)據(jù)量。一般而言，對講消息內(nèi)容最終數(shù)據(jù)格式為字節(jié)數(shù)據(jù)，故而通信對講消息長度即為字節(jié)數(shù)組長度。數(shù)據(jù)消息長度可能為0，也有可能大于0，但不應(yīng)超過UDP的最大傳輸單元（Max Transfer Unit, MTU）規(guī)定的長度。

（4）通信對講消息內(nèi)容

對講消息內(nèi)容最終數(shù)據(jù)格式為字節(jié)數(shù)據(jù)，程序語言通過拓展軟件接口實現(xiàn)將站點客戶端采集的音頻數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)以及站點之間通信的控制命令語句轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)組。數(shù)據(jù)傳達(dá)至目標(biāo)客戶端后，可將字節(jié)數(shù)組類型消息格式按照協(xié)議規(guī)范約定轉(zhuǎn)換為對應(yīng)消息類型的消息格式。

（二）音頻對講模塊

音視頻對講軟件的使用場景尤其依賴于現(xiàn)場具體使用環(huán)境。所有操作員均處于同一房間，彼此之間可能會產(chǎn)生聲音干擾或串?dāng)_，開包檢查工作站為安檢現(xiàn)場一線業(yè)務(wù)，現(xiàn)場旅客和行李傳送帶會對客戶端造成聲音干擾。為解決操作員與開包員對講過程中的聲音干擾或串?dāng)_問題，具體方案如下：

（1）操作員使用頭戴式耳機(jī)，而開包員使用音響播放聲音；

（2）DirectSound組件實現(xiàn)了音頻數(shù)據(jù)采集隊列和音頻數(shù)據(jù)播放隊列的雙緩沖隊列機(jī)制，解決了操作員與操作員之間的音頻相互干擾，在優(yōu)化成循環(huán)緩沖隊列的基礎(chǔ)上，操作員與開包員之間能清晰地進(jìn)行音頻溝通。

DirectSound是微軟提供的DirectX API的一部分。它能夠以極低的時延播放聲音，使應(yīng)用程序可以高度利用硬件資源，其特性如下：

（1）按照WAV格式播放聲音；

（2）可同時播放多種聲音；

（3）支持將高優(yōu)先級的聲音分配給由硬件控制的緩沖區(qū)；

（4）將普通的聲音融入3D環(huán)境中，以便添加不同聲音效果，如回聲等。

（三）視頻對講模塊

視頻對講是音視頻對講軟件的核心功能之一，其本質(zhì)是實現(xiàn)雙方現(xiàn)場畫面的可視化展現(xiàn)。從技術(shù)上講，視頻對講功能包括了視頻幀畫面的采集、傳輸及播放等基本視頻功能操作。

1. 視頻采集

視頻采集利用羅技攝像頭，將開包員（操作員）周圍的現(xiàn)場環(huán)境保存下來并通過UDP傳輸協(xié)議發(fā)送給操作員（開包員）客戶端站點用戶，為保證視頻畫面的流暢性，本文實現(xiàn)的視頻對講功能的采集頻率為每秒24幀，這一采集頻率設(shè)置值符合人類視覺需求。視頻對講模塊基于

AForge.Video設(shè)計與實現(xiàn)的。AForge.NET專門為開發(fā)者和研究者基于C#框架設(shè)計，包括計算機(jī)視覺與人工智能、圖像處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、機(jī)器學(xué)習(xí)、模糊系統(tǒng)、機(jī)器人控制等領(lǐng)域。

在封裝AForge.Video的基礎(chǔ)上，視頻對講模塊設(shè)計與實現(xiàn)了VideoCapture視頻捕獲類。VideoCapture類主要功能有設(shè)置視頻采集所用攝像頭、設(shè)置采集視頻幀分辨率、事件訂閱方式獲取圖片以及開啟和關(guān)機(jī)視頻采集功能。

VideoCapability為視頻攝像頭類，封裝了VideoCapture類訪問攝像頭采集分辨率、幀率等基本屬性。

2. 視頻播放

站點客戶端視頻數(shù)據(jù)采集后，根據(jù)用戶需求，一方面需要將采集到的視頻幀數(shù)據(jù)進(jìn)行本地回放，另一方面需要將這些數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議發(fā)送至對方站點客戶端處播放。兩處視頻播放的原理是一致的，不一致的地方在于視頻幀數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與傳輸。前者無需將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組，直接在本地視頻控件上顯示播放；而后者需要在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，這就要求首先需要將采集的視頻幀轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組；然后通過

UDP協(xié)議發(fā)送至目的站點客戶端，目的站點客戶端收到數(shù)據(jù)后，將收到的字節(jié)數(shù)組反序列化視頻幀數(shù)據(jù)；最后，在目的站點客戶端的視頻控件上顯示源端站點客戶端采集發(fā)送過來的視頻畫面信息。

3. 違禁品拍照與管理

機(jī)場行李安全檢查分層管理系統(tǒng)中包括了開包工作站、違禁品管理工作站等站點。音視頻對講軟件提供開包員站點客戶端違禁品拍照功能。本文在實現(xiàn)對違禁品拍照的過程中，實現(xiàn)了音視頻對講軟件與開包工作站之間內(nèi)部接口功能。開包員對違禁品拍照獲取違禁品實物照片，然后進(jìn)行本地存儲。該接口要求存儲違禁品照片時，其文件名需遵循接口協(xié)議規(guī)定文件命名規(guī)范。違禁品照片命名規(guī)范如下：

（1）開包工作站存儲違禁品圖像存儲目錄為網(wǎng)絡(luò)共享目錄

（2）開包工作站存儲違禁品圖像存儲目錄為本地存儲目錄images/BZ_49_343_2348_371_2376.pngimages/BZ_49_399_2348_426_2375.pngimages/BZ_49_646_2349_661_2370.pngimages/BZ_49_930_2349_947_2370.pngimages/BZ_49_950_2349_966_2370.pngimages/BZ_49_236_2560_266_2591.pngimages/BZ_49_307_2563_336_2590.pngimages/BZ_49_339_2560_369_2590.pngimages/BZ_49_402_2561_432_2590.pngimages/BZ_49_435_2561_465_2590.pngimages/BZ_49_465_2560_497_2591.pngimages/BZ_49_497_2561_529_2590.pngimages/BZ_49_530_2560_560_2591.pngimages/BZ_49_562_2560_592_2590.pngimages/BZ_49_596_2562_623_2590.pngimages/BZ_49_657_2560_720_2591.pngimages/BZ_49_721_2561_752_2590.pngimages/BZ_49_787_2561_816_2590.pngimages/BZ_49_818_2561_845_2590.pngimages/BZ_49_849_2561_881_2591.pngimages/BZ_49_881_2561_912_2590.pngimages/BZ_49_913_2560_944_2591.pngimages/BZ_49_944_2561_976_2590.pngimages/BZ_49_1010_2561_1040_2590.pngimages/BZ_49_1041_2560_1072_2591.pngimages/BZ_49_1073_2562_1103_2590.pngimages/BZ_49_1105_2560_1135_2591.pngimages/BZ_49_259_2621_287_2648.pngimages/BZ_49_315_2621_342_2648.pngimages/BZ_49_343_2621_370_2648.pngimages/BZ_49_626_2621_640_2642.pngimages/BZ_49_343_2667_371_2695.pngimages/BZ_49_399_2668_426_2694.pngimages/BZ_49_639_2668_653_2689.pngimages/BZ_49_923_2668_939_2689.pngimages/BZ_49_943_2668_959_2689.png

開包員工作站可通過文件名規(guī)范的第一個字符來獲取目標(biāo)存儲路徑類型——網(wǎng)絡(luò)集中存儲或本地分散存儲，將音頻對講軟件開包員違禁品拍照獲取的違禁品照片存放至照片命名規(guī)范的文件路徑下。

在轉(zhuǎn)移存儲違禁品照片后，開包員工作站將所獲取的照片記錄以及旅客行李信息存放至數(shù)據(jù)庫，以便違禁品管理工作站對違禁品信息進(jìn)行日常維護(hù)管理。

三、結(jié)語

機(jī)場音視頻對講軟件設(shè)計與實現(xiàn)的關(guān)鍵點在于音視頻數(shù)據(jù)的采集、傳輸、接收及播放，從而實現(xiàn)操作員與開包員之間的音視頻通信。通過使用機(jī)場音視頻對講軟件，較大地優(yōu)化了操作員、開包員處理旅客行李開包的流程，改善了開包服務(wù)效率和體驗。該軟件已在石家莊正定國際機(jī)場、上海虹橋國際機(jī)場、上海浦東國際機(jī)場等國內(nèi)多個機(jī)場部署并使用，為機(jī)場行李安全檢查提供優(yōu)質(zhì)的對講服務(wù)，有效減少了旅客開包檢查等待時間，提高了機(jī)場安全檢查效率。