高清視頻監(jiān)控卡口系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)淺析

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(guó)道路交通建設(shè)的快速發(fā)展和機(jī)動(dòng)車(chē)輛的迅速普及，與道路和機(jī)動(dòng)車(chē)輛相關(guān)的刑事和治安案件呈逐年上升趨勢(shì)，特別像肇事或作案后駕車(chē)逃逸，盜搶機(jī)動(dòng)車(chē)輛，車(chē)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)本斷面的機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)、行人等信息，對(duì)經(jīng)過(guò)的車(chē)輛進(jìn)行車(chē)牌識(shí)別、經(jīng)過(guò)的非機(jī)動(dòng)車(chē)和行人進(jìn)行記錄，采集本斷面所有機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)、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(duì)分布式存儲(chǔ)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(wèn)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(chǔ)，實(shí)時(shí)展示系統(tǒng)和前端采集設(shè)備的狀態(tài)以及對(duì)系統(tǒng)的日常管理；根據(jù)實(shí)時(shí)車(chē)輛信息，進(jìn)行黑名單比對(duì)、套牌車(chē)檢測(cè)、行駛軌跡分析、跟車(chē)關(guān)聯(lián)查詢分析等業(yè)務(wù)處理，完成對(duì)車(chē)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(jiàn)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(chē)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(jiàn)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(chǎng)路段，通過(guò)采集控制軟件實(shí)現(xiàn)全天候不間斷的機(jī)動(dòng)車(chē)、前排司乘人員、非機(jī)動(dòng)車(chē)和行人的圖片抓拍和信息處理、存儲(chǔ)、通信等功能，對(duì)于抓拍的機(jī)動(dòng)車(chē)圖片實(shí)現(xiàn)號(hào)牌自動(dòng)識(shí)別等功能，所有信息在前端控制主機(jī)內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)，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(duì)象移動(dòng)不規(guī)律、周?chē)h(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(guò)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(chē)輛信息為車(chē)牌部份圖像和車(chē)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(duì)比度差等問(wèn)題，直接的結(jié)果即是對(duì)于刑偵、治安等業(yè)務(wù)部門(mén)要求追查套牌車(chē)輛、黑名單車(chē)輛、肇事車(chē)輛的司機(jī)面貌來(lái)講就無(wú)能為力，無(wú)法為其提供具備清晰面部特征的目標(biāo)車(chē)輛前排司乘情況。

鑒于近年來(lái)高清成像元器件(大尺寸CCD、CMOS)和數(shù)字信號(hào)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(wàn)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(shí)別場(chǎng)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(mén)對(duì)于嫌疑目標(biāo)面部特征、前排司乘人員面部特征、可疑車(chē)輛車(chē)型外貌的細(xì)節(jié)辨識(shí)問(wèn)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(cè)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(duì)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(lái)系統(tǒng)升級(jí)改造所帶來(lái)的成本。

5 前端攝像機(jī)的布置方式

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

非機(jī)動(dòng)車(chē)道上的攝像機(jī)布置方案應(yīng)不同于機(jī)動(dòng)車(chē)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(duì)非機(jī)動(dòng)車(chē)道單個(gè)方向進(jìn)行抓拍，對(duì)于逆向行駛或行走的移動(dòng)對(duì)象，無(wú)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(dòng)車(chē)道在同一門(mén)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(duì)較大，容易漏抓信息。

(3)不同立面雙向抓拍

非機(jī)動(dòng)車(chē)道在兩不同的門(mén)架或立桿上布設(shè)雙向抓拍攝像機(jī)，相對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的成本會(huì)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(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)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(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)道和非機(jī)動(dòng)車(chē)道采用視頻檢測(cè)為主的觸發(fā)方式。另外，為提高機(jī)動(dòng)車(chē)的車(chē)速檢測(cè)精度，每一機(jī)動(dòng)車(chē)道和機(jī)非混合車(chē)道設(shè)置一組雙檢測(cè)線圈。

(1)非機(jī)動(dòng)車(chē)道觸發(fā)方式

主要采集對(duì)象為非機(jī)動(dòng)車(chē)、行人及可能出現(xiàn)的機(jī)動(dòng)車(chē)，系統(tǒng)對(duì)此主要采用視頻檢測(cè)的觸發(fā)方式。在光照條件相對(duì)較差時(shí)，由補(bǔ)光單元依據(jù)光感元件針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)光照度的大小，自動(dòng)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(dòng)物體出現(xiàn)時(shí)，抓拍單元對(duì)由攝像機(jī)以一定幀速拍攝的視頻進(jìn)行分析，輸出移動(dòng)物體處于最佳位置的圖片；預(yù)處理單元對(duì)得到的圖片信息做進(jìn)一步的特征信息提取，包括移動(dòng)方向、衣著主體顏色等；通信傳輸單元對(duì)獲取的圖片、數(shù)據(jù)信息進(jìn)行本地存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程傳輸。

(2)機(jī)動(dòng)車(chē)道及機(jī)非混合車(chē)道

主要采集對(duì)象為機(jī)動(dòng)車(chē)輛、混行非機(jī)動(dòng)車(chē)與行人，主要采用視頻檢測(cè)為主輔以線圈的觸發(fā)方式。補(bǔ)光單元依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)光照度，自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)光量；當(dāng)有移動(dòng)物體出現(xiàn)時(shí)，抓拍單元對(duì)由攝像機(jī)以一定幀速拍攝的視頻進(jìn)行分析，輸出移動(dòng)物體處于最佳位置的圖片，同時(shí)輔以雙環(huán)形檢測(cè)線圈進(jìn)行交通參數(shù)檢測(cè)，需保證檢測(cè)線圈輸出交通參數(shù)的對(duì)象和時(shí)間與視頻分析輸出圖片的對(duì)象和時(shí)間保持一致；如果接收到線圈檢測(cè)數(shù)據(jù)而視頻檢測(cè)無(wú)觸發(fā)時(shí)，視頻分析處理應(yīng)兼顧線圈檢測(cè)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(chē)輛的高捕獲率；預(yù)處理單元對(duì)圖片信息進(jìn)行特征信息提取，包括號(hào)牌號(hào)碼、號(hào)牌顏色等；通信傳輸單元對(duì)獲取的圖片、數(shù)據(jù)信息進(jìn)行本地存儲(chǔ)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(chē)輛圖像捕獲率：所記錄的有效車(chē)輛數(shù)(指車(chē)輛圖像中包含全景圖像要求的車(chē)輛數(shù))與實(shí)際通過(guò)斷面車(chē)輛數(shù)的百分比。

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

(3)需要掌握道路上機(jī)動(dòng)車(chē)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(chē)輛遮擋的概率越高，車(chē)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(hào)牌縱向變形越小，號(hào)牌識(shí)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(chē)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(jiàn)圖4。

視野也可用視角的大小來(lái)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(chē)道攝像機(jī)覆蓋范圍9 m，與兩個(gè)車(chē)道的寬度(約7.5 m)相比，視場(chǎng)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(chē)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(chē)間距見(jiàn)表2。

表2 最小車(chē)間距

表2可以看出，在立桿高度為6m的情況下，如果跟車(chē)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(chē)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(chē)輛間距大、車(chē)流量不高的城市地面道路，對(duì)線圈切割限制較小的路段。該模式因俯瞰角度較小，對(duì)各種車(chē)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(jiàn)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(chē)輛間距較近、車(chē)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(duì)各種車(chē)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(yáng)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(jiàn)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(chē)輛間距密集、車(chē)流量非常大、或?qū)€圈切割有限制的路段。該模式可對(duì)各種車(chē)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(huì)有部分遮擋(60%以上的信息有效采集)。抓拍效果見(jiàn)圖8。

8 補(bǔ)光方式

考慮到系統(tǒng)必須24 h運(yùn)行，對(duì)于室外圖像抓拍，環(huán)境照度無(wú)疑是個(gè)無(wú)法避免的問(wèn)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(huì)產(chǎn)生光污染，對(duì)司機(jī)的夜間行車(chē)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(guò)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(chǎng)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(dòng)電路組成，視頻輸入信號(hào)經(jīng)場(chǎng)同步分離電路分離出場(chǎng)同步脈沖給相位比較電路；相位比較電路比較場(chǎng)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(dòng)電路送到LED頻閃燈。采用LED脈沖輔助照明模塊，通過(guò)與攝像機(jī)的快門(mén)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(duì)車(chē)輛號(hào)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(yǔ)

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(duì)前端系統(tǒng)控制主機(jī)的選擇、外場(chǎng)建設(shè)的周邊環(huán)境因素(與交叉口距離；附近是否有車(chē)輛出入口、岔道、人行橫道、公交車(chē)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(guò)高清視頻監(jiān)控卡口的建設(shè)，可以有效遏制車(chē)輛違章行為，控制、減少道路交通事故，減少機(jī)動(dòng)車(chē)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(dòng)態(tài)管控和滿足治安、刑偵、交通管理新形勢(shì)下的業(yè)務(wù)需求。