李 洋，韓 偉，沈 暉，陳漢祿

(1.北京警察學院，北京 102202；2.北京市公安局公安交通管理局，北京 100037；3.北京博研智通科技有限公司，北京 100190)

AR(增強現(xiàn)實)是虛擬現(xiàn)實的提升，通過實時計算實景影像的位置及角度，將真實世界信息通過運算和圖像技術，并與虛擬世界信息進行有機疊加的新技術，它的目標是在屏幕上展示現(xiàn)實世界與虛擬世界的疊加、呈現(xiàn)與互動[1].

AR技術，在展現(xiàn)真實環(huán)境信息的同時將虛擬的信息疊加顯示出來，實現(xiàn)真實環(huán)境和虛擬環(huán)境信息相互疊加[2].通過視覺化的增強現(xiàn)實場景，系統(tǒng)地把真實環(huán)境的場景與計算機圖形多重合的無縫疊加在一起，實現(xiàn)更多的信息呈現(xiàn).AR技術包括但不限于場景建模、視頻跟蹤、圖像顯控、數(shù)據(jù)融合、場景融合等數(shù)據(jù)處理技術[3].

目前，在交通領域中視頻技術已在視頻監(jiān)控、交通流檢測、違法抓拍及事故取證等細分領域應用，但現(xiàn)有系統(tǒng)獨立存在，無法實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動、直觀呈現(xiàn)全景化的監(jiān)控拼接畫面[4].本研究結合城市交通管理的業(yè)務需求，研究AR可視化技術在城市交通管理的應用場景，分析AR視頻可視化在交通管控“情指勤督”中發(fā)揮的作用，解決目標區(qū)域內多視頻間無法聯(lián)動、視頻圖像無法拼接的問題，進而促進AR視頻在交通管控和治安行業(yè)的普及應用，提升城市交通管理效能.

1 關鍵技術研究

1.1 智能化視頻跟蹤技術

智能化視頻跟蹤技術可確定虛擬目標在真實場景的對應關系，識別、定位真實場景環(huán)境的相關信息位置，對拍攝到的圖形數(shù)據(jù)進行虛擬化分析處理，并疊加到相應真實場景中，進而處理虛擬信息與真實場景的關系邏輯，實現(xiàn)視頻可視化的動態(tài)跟蹤處理.針對拍攝到的圖形信息可實現(xiàn)人工標注和基于自然特征自動識別的視頻跟蹤注冊[5]，其中人工標注主要是通過把特定人工標志的物體標記在真實場景中，然后對拍攝到的圖像中已知物體的識別進行分析處理和運算后，得到攝像機位置和角度，再經過坐標變換算法，將虛擬物體有機的疊加到真實場景的相對位置.ARToolkit和ARTag是人工標注最具代表性的2種方法[6].圖1和圖2分別展示了ARToolkit和ARTag的人工標注方案示意.

圖1 ARToolkit人工標注示意

圖2 ARTag人工標注示意

1.2 三維圖像融合技術

AR三維圖像融合技術，首先采集多個攝像機設備拍攝的可視區(qū)域內的真實場景或物體模型視頻圖像，并與相適應的虛擬場景圖像進行融合，通過計算機運算形成全新的AR三維視頻實景，三維視頻融合技術主要包括視頻采集、圖像修正、圖像配準、色彩還原、視頻拼接、轉換輸出幾個處理流程[7].

1)視頻采集設備分布在真實場景下的多個安裝位置，由1組或多組組成，2～10個高清攝像機為1組，實現(xiàn)對可視監(jiān)控區(qū)域的360°全覆蓋.

2)圖像修正完成對視頻的畸變矯正，主要解決視頻圖像周邊和交界處的邊緣變形.

3)視頻圖像經過計算機運算準確實現(xiàn)全景大視角圖像的分塊分區(qū)配準，確保視頻圖像的各個區(qū)塊平面投影轉換的誤差最小.

4)色彩還原主要針對不同視頻采集設備或各個采集環(huán)境下形成的視頻色彩進行還原校準，并做歸一化處理，消除視頻之間的色差.

5)并行處理視頻拼接需要在區(qū)塊匹配和視頻圖像配準數(shù)據(jù)基礎上，對視頻圖像分區(qū)分塊進行映射，并完成邊緣融合處理.

6)對視頻拼接后形成全景圖像進行整體輸出，或分片分區(qū)進行視頻轉換后輸出到系統(tǒng)屏幕上，輸出范圍和規(guī)則可由用戶選擇定義.

1.3 增強現(xiàn)實動態(tài)標注技術

增強現(xiàn)實動態(tài)標注技術主要完成針對不同品牌、不同類型的視頻監(jiān)控統(tǒng)一標準化后圖像動態(tài)標注數(shù)字化標簽，研究AR標簽技術、數(shù)字化標簽增強信息及動態(tài)標注技術，分析各種視頻聯(lián)動應用場景的標注信息參數(shù)，完成標簽數(shù)據(jù)的實時顯示，實現(xiàn)AR增強現(xiàn)實對虛擬信息的可視化管理及多層、多級標簽之間的信息交互(圖3).

圖3 增強現(xiàn)實的動態(tài)標注示意圖

AR標簽內容具有多形式展現(xiàn)，可關聯(lián)多種數(shù)據(jù)，如監(jiān)控點、圖片、文字、鏈接等信息，滿足用戶信息集中的需求.

2 AR可視化技術業(yè)務應用

通過AR可視化關鍵技術的研究和城市交通業(yè)務需求分析，并以交通視頻監(jiān)控管理平臺為基礎與AR可視化技術相融合，構建智能交通AR可視化綜合業(yè)務平臺，通過平臺架構和業(yè)務功能設計，為交通管理部門提供智能化手段和可視化輔助決策工具，并通過實際業(yè)務場景實踐應用，為交通管理者解決監(jiān)控畫面無法實現(xiàn)“畫中畫”(兼顧整體與局部)問題.

2.1 平臺架構

利用AR可視化技術的智能化視頻跟蹤、三維圖像融合和增強現(xiàn)實動態(tài)標注等技術，結合交通視頻監(jiān)控管理平臺，構建AR可視化監(jiān)控平臺的整體架構，充分發(fā)揮AR可視化技術在城市交通管理中的作用.交通視頻監(jiān)控管理平臺負責接入外場視頻監(jiān)控資源、電警抓拍資源、人臉抓拍資源、卡口抓拍資源等，實現(xiàn)交通前端物聯(lián)設備的統(tǒng)一匯聚與接入，構建視頻監(jiān)控統(tǒng)一的結構化數(shù)據(jù)管理.AR可視化監(jiān)控平臺利用交通視頻監(jiān)控管理平臺的前端AR球機(槍機)、高清全景視頻等設備，通過高速光纖的視頻專網通信鏈路保障AR視頻應用的實時性，AR視頻以虛擬標簽方式整合場景內的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)視域內圖像增強現(xiàn)實的效果(圖4).

圖4 平臺架構圖

2.2 平臺功能

2.2.1 全景視頻聯(lián)動聯(lián)控

在平臺GIS界面上展示所有AR視頻點位，通過平臺窗口的視頻標簽可調閱任意的AR視頻，并通過高點、低點互動標簽進行全域視頻監(jiān)控資源聯(lián)動，使之形成全域視頻監(jiān)控一張圖的格局(圖5).

圖5 GIS地圖聯(lián)動展示圖

2.2.2 與GIS地圖聯(lián)動

平臺采用高德的離線GIS地圖和高精GIS地圖，實現(xiàn)AR視頻與GIS地圖的聯(lián)動.GIS地圖可顯示AR高點視頻、AR低點視頻設備安裝的實際地理位置，如點擊平臺GIS地圖上對應的AR高低點視頻標簽，即可呈現(xiàn)對應的AR視頻監(jiān)控場景(圖6).

圖6 AR視頻場景巡邏圖

2.2.3 AR場景自動巡邏

平臺具有多個AR場景巡邏功能，可設置AR場景按照一定的時間間隔進行循環(huán)巡邏，通常默認時間間隔為20～30 s.點擊對應開啟按鈕開啟巡邏，再次點擊關閉巡邏.

2.2.4 視頻聯(lián)動預案

平臺根據(jù)實際交通場景需要，配置對應的視頻巡邏預案，通過制訂聯(lián)動預案，可在預定的時間自動調用執(zhí)行對應的預案，減少操作人員頻繁的操作視頻，提高視頻巡邏效率(圖7).

圖7 AR視頻預案分屏顯示圖

2.2.5 標簽自動同步功能

平臺通過AR視頻設備，在全景相機上面添加的虛擬數(shù)字標簽，可自動同步至云臺相機畫面中.利用坐標系轉換技術，可實現(xiàn)全景相機中的坐標標簽同步到球機后依舊保持精準的坐標位置.

2.2.6 AR場景高高聯(lián)動

平臺支持在AR高點視域場景監(jiān)視畫面中添加視域邊界信息，并通過虛擬標簽關聯(lián)相鄰區(qū)域的高點視頻信息.指揮中心人員發(fā)布勤務安保和涉車布控預案時，當勤務車隊或涉事車輛從一個AR視頻視域向另一個AR視頻視域行進時，2個相鄰監(jiān)控區(qū)域的AR視頻將自動轉換監(jiān)視場景，形成監(jiān)視場景無縫對接.

2.2.7 AR場景高低聯(lián)動

平臺以AR高點視頻的寬視野、大場景及可視域范圍廣，視頻全景窗口可實現(xiàn)區(qū)域內重點路段的全方位立體化巡視的特點，并以高點視頻為核心通過虛擬標簽動態(tài)標注信息統(tǒng)領視域內低點視頻，在實景地圖上呈現(xiàn)全域高點、低點AR視頻聯(lián)動的防控網絡.

3 應用研究成果

通過對城市交通管理中AR可視化關鍵技術和AR可視化技術業(yè)務應用的深入研究表明，AR視頻在交管和治安業(yè)務的應用，將解決傳統(tǒng)視頻監(jiān)控需人工實時監(jiān)視的現(xiàn)狀問題，實現(xiàn)事件的自動感知、識別和報警[8].當監(jiān)視場景內事件、事故發(fā)生時，利用AR視頻檢測技術的自動報警，使值班人員在第一時間獲悉報警消息，及時進行快速響應及事件處置.

通過AR可視化技術的業(yè)務分析和實踐應用，城市交通管理中AR可視化技術可在以下方面應用并發(fā)揮重要作用.

1)路口全息監(jiān)測：全息感知路口的交通流行駛軌跡、實時交通流量及車輛構成，實現(xiàn)對路口的各流向車道通行路徑進行全量統(tǒng)計，為交通信號優(yōu)化提供精細化交通流數(shù)據(jù)支撐.

2)全局監(jiān)視：AR技術的應用，解決了以往查看一條道路的狀況時需要調動多個視頻攝像機的獨立畫面才能確定，實現(xiàn)了可視域內交通宏觀狀態(tài)“一張圖”的全局監(jiān)視.

3)緝查布控：AR視頻聯(lián)動視頻綜合違法平臺對各類重點人員及重點車輛進行布控預警，檢測到涉事目標車輛后，根據(jù)涉案車輛的行駛軌跡、場所，自動產生AR視頻布控指令，聯(lián)動區(qū)域內視頻攝像機自動接力追蹤.

4)視頻聯(lián)動預案：根據(jù)視頻監(jiān)控視域內實際場景配置對應的視頻巡邏預案，并在預定的時間自動執(zhí)行對應預案，減少AR系統(tǒng)操作人員頻繁的視頻操作，提高視頻巡邏效率.

5)人臉識別：利用AR視頻的高精度檢測技術自動對交通出行者進行人臉識別，并與公安治安人口數(shù)據(jù)庫進行人物身份比對驗證.

6)車輛識別：通過AR視頻識別車輛的類型、顏色、車牌號碼等特征，并與公安部六合一平臺的“車、駕、管”數(shù)據(jù)庫進行實時比對，適用于車輛逃逸及涉車案件追蹤等場景.

7)拋灑物品檢測：對AR視頻監(jiān)視區(qū)域內的城市道路和高速公路行駛貨車及客車發(fā)生物品掉落、拋灑時，AR視頻就會實時報警，應用場景包括公交場站、城際大巴車站、城市道路、高速道路等[9].

8)擁堵檢測：對擁堵路口、路段進行實時交通流檢測，當發(fā)現(xiàn)車輛滯留在路口內引起的路口擁堵或路口下游路段泄流能力不足，導致交通流回溢至路口內，視頻將自動啟動擁堵預警.

9)人體異常特征分析：在城市道路、公共場所及交通樞紐等場所的AR視頻檢測區(qū)域，通過對人體正常行為特征行為的采集，形成人體特征行為數(shù)據(jù)庫，利用人體行為特征數(shù)據(jù)庫辨別交通出行者的異常行為，對突然倒地、打架、斗毆和聚眾鬧事等有潛在危險的行為進行預警.

10)事件監(jiān)測：在城市道路交叉口、路段及高速公路的交通事故發(fā)生現(xiàn)場，通過AR視頻檢測技術對事故現(xiàn)場的場景突變狀況進行實時檢測預警.

11)實景化警力調度：通過AR系統(tǒng)動態(tài)標簽與警員手持終端、車載終端、警務通和執(zhí)法記錄儀等設備映射關聯(lián)，實現(xiàn)警員、警車在AR系統(tǒng)窗口中具體位置的實時定位，為交通管理者指揮調度和警力調配提供可視化、實景化決策依據(jù).

12)交通管控：以AR可視化技術為支撐，通過精準、實時、全面地掌控交通運行狀態(tài)，逐步實現(xiàn)交通管控由“粗獷管理”向“動態(tài)掌控”轉變，達到全面提升交通立體防控體系的掌控能力.

4 結束語

隨著AR技術快速發(fā)展，在人工智能、物聯(lián)網和人機交互技術的推動下，視頻跟蹤技術、三維圖像融合技術、拼接設備性能均有不同程度的提高.交通管理信息化中AR技術創(chuàng)新和廣泛應用，有效整合各種交通管理數(shù)據(jù)資源，使視頻巡邏模式由人工設置向智能巡邏轉變，實現(xiàn)了視頻監(jiān)控隨勤務預案、交通擁堵、涉車逃逸等交通事件的智能跟蹤和立體化綜合管控，有效緩解警務人員頻繁接處警的工作強度，快速將交通事件消滅在萌芽狀態(tài)，提高交通擁堵與涉車事件的處置率.通過AR可視化技術在交通管理中的應用，可實現(xiàn)交管領域的數(shù)據(jù)與視頻、業(yè)務與視頻、管理與視頻的結合；推動交通管理基礎工作創(chuàng)新，構建高空全景瞭望、低位跟蹤接力的交通場景監(jiān)測“一張圖”，解決目前交通監(jiān)測宏觀與微觀之間過渡跳躍的問題，提升公安交警部門宏觀交通管理和立體防控能力.