高清治安卡口智能信息識別系統(tǒng)及應用

唐 震，黃燁亮，楊 華

（1.上海市公安局楊浦分局，上海 200240；2.上海交通大學 上海市數(shù)字媒體與傳輸重點實驗室，上海 200240）

城市治安與交通管理是現(xiàn)代城市管理的重要組成部分。尤其對于中國特大城市，隨著外來人口與汽車保有量的逐年激增，如何更有效地對上述兩大問題進行有效治理已成為公安戰(zhàn)線必須面對的重要課題。如果不能對其有效解決和根本治理，必將對經濟的持續(xù)、快速、健康發(fā)展構成嚴重威脅。

治安卡口（檢查站、查報站）是指在城市的重要出入口、重要區(qū)域內的治安節(jié)點以及車流、人流、物流匯集的道路上設立的警察作戰(zhàn)單位，其主要職能是檢查車輛、盤查嫌疑人與物、截破案件、抓獲違法犯罪人員[1]。高清智能化治安卡口是指將網(wǎng)絡技術、高清視頻監(jiān)控技術、自動識別技術等公安信息化建設成果引入傳統(tǒng)治安卡口工作中，將公安網(wǎng)絡中各種信息數(shù)據(jù)庫直接用于卡口民警的日常盤查，改變治安卡口的工作模式和查控方式，實現(xiàn)道路信息實時監(jiān)控、嫌疑車輛自動識別報警、嫌疑人和物信息遠程比對關聯(lián)查詢等功能一體化運行，提高治安卡口查控能力。

以往的公路車輛智能監(jiān)測記錄系統(tǒng)（標清卡口系統(tǒng)）大都是同時記錄經過車輛的車頭部份特寫圖像和車輛的全景圖像兩張照片，實際分辨力最大是768×288。由于圖像分辯力不夠，全景圖像往往只能看清楚車輛外部概貌，特寫圖像只能看到車頭的一小部分。而要在打擊、預防涉車犯罪中真正起到有效的作用，需要盡可能多地看清車輛的細節(jié)、清楚的車牌號碼等信息，并且盡量能在一張圖片上表現(xiàn)所有的信息，所以標清卡口系統(tǒng)盡管對于車輛的管理可以起到一定的作用，但不足以滿足打擊涉車犯罪、治安管理、識別套牌車輛、黑名單車輛等更高層次的需求。

本文的高清治安卡口智能信息識別系統(tǒng)采用先進的、高清晰度的前端圖像采集技術，其圖片有效分辨力達到200萬像素以上，從而解決以往系統(tǒng)前端采集設備成像質量差的弊病，并大大提高高清圖像智能信息識別的準確率，同時系統(tǒng)將前端的視頻和抓拍圖像信息統(tǒng)一傳至指揮中心，為指揮中心提供實時的高清全景視頻監(jiān)控和車輛、行人特征信息，高清治安卡口智能信息識別系統(tǒng)為治安管理和防控、打擊犯罪提供了有效的技術手段。

1 系統(tǒng)架構

高清治安卡口智能信息識別系統(tǒng)主要包括3個子系統(tǒng)：前端信息采集及識別子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和中心應用平臺子系統(tǒng)，如圖1所示。

1）前端信息采集及識別子系統(tǒng)

作為本系統(tǒng)建設和應用的基礎，實現(xiàn)卡口車輛、行人等圖像的捕獲，高清晰度采集，高準確度地自動識別車輛特征信息，并實現(xiàn)車輛信息（包括數(shù)據(jù)和圖片）的長時間存儲，同時根據(jù)實際應用情況采取合適的車檢、補光、通信技術。同時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)除了實現(xiàn)卡口的圖像采集，還應該包括高清全景視頻采集。

2）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由光纖網(wǎng)絡、光收發(fā)設備、核心交換機等組成。信息采集及識別系統(tǒng)和卡口應用平臺系統(tǒng)之間一般通過光纖網(wǎng)絡連接，采用光纖通信設備實現(xiàn)前端設備和中心系統(tǒng)的網(wǎng)絡連通和數(shù)據(jù)傳送。

3）中心應用平臺子系統(tǒng)

中心應用平臺系統(tǒng)在邏輯上包括數(shù)據(jù)管理（通信服務與數(shù)據(jù)服務）、數(shù)據(jù)存儲和綜合應用3部分，主要實現(xiàn)所有前端數(shù)據(jù)的集中式存儲、系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示調用、遠程嫌疑布控、實時比對報警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、系統(tǒng)管理維護以及與各個外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和協(xié)調聯(lián)動等功能。一般由數(shù)據(jù)庫服務器、存儲磁盤陣列、Web服務器、通信服務器及操作終端等構成，為系統(tǒng)控制中心和各相關業(yè)務部門提供數(shù)據(jù)服務和業(yè)務支撐。

2 關鍵技術及分析

2.1 觸發(fā)技術

常見卡口觸發(fā)技術有以下3種：

1）線圈觸發(fā)

線圈觸發(fā)是一種傳統(tǒng)的成熟車輛檢測技術。線圈檢測基于電磁感應原理，當車輛通過時，車輛自身鐵質切割磁通線，將導致環(huán)形線圈回路電感量的變化，從而檢測出車輛的存在。

其主要優(yōu)點是對機動車觸發(fā)準確率高，技術原理比較簡單以及應用成熟。

隨著客戶對卡口的要求越來越高，其缺點也越來越明顯。根據(jù)線圈檢測的原理，不能實現(xiàn)對非機動車與行人進行有效的檢測。因為行人基本不會引起磁場變化，而非機動車引起的變化很小，不能達到檢測器靈敏度的最低限。

另外，采用線圈檢測方式：（1）施工復雜，需要破路，安裝過程對可靠性和壽命影響很大；（2）系統(tǒng)結構復雜，故障率高，線圈間有可能出現(xiàn)相互干擾；（3）破路后經車壓易引起路面沉降，線圈會斷裂而失效，在車輛多或有重型卡車的路上尤其嚴重；（4）線圈會老化，老化后易受損，維護成本高；（5）抓拍單幀圖片有時會導致漏車，無法擴展應用。

2）全視頻觸發(fā)

全視頻檢測是最新的檢測技術，它對連續(xù)的視頻流進行分析，覆蓋整個視場的目標。全視頻檢測技術對視頻、圖像處理、目標檢測與跟蹤等方面技術要求比較高。要對多幀圖像連續(xù)識別處理，對處理能力要求比較高。

系統(tǒng)不需要接收外部觸發(fā)信號控制其進行圖像的采集，由車牌識別系統(tǒng)本身自行完成對輸入視頻流的檢測分析，并由算法控制其自身，自行決定抓拍圖像，并進行識別。其優(yōu)勢在于不依賴外部硬件來觸發(fā)信號，只需接入視頻信號便可自行完成從采集圖像到完成識別的全部功能。

全視頻觸發(fā)方式可以抓拍包括機動車、非機動車、行人在內的所有運動目標。避免了前面提到的外部觸發(fā)方式中所涉及到的外部觸發(fā)信號源裝置的使用年限、安裝調試、維護等工作，不會造成對監(jiān)測點路面的破壞。其施工、安裝、調試方便，不受線圈、車輛檢測器、前車擋后車、后車跟前車太近等問題影響。由于系統(tǒng)對每一幀圖像都進行采集，分析圖像，定位車牌，識別車牌，經多次識別車牌號碼選取結果最好的識別結果為最終的車牌識別結果輸出。因為是多次識別，所以能有效地避免前車擋后車的現(xiàn)象，同時多次識別能提高車牌識別率。

其缺點是由于對每幀均進行識別處理，算法復雜性較高，對硬件性能要求比較高。同時其抓拍準確率性能依賴于視頻分析算法的性能，如果算法設計不當，則可能導致漏拍或者誤拍。

3）線圈+全視頻觸發(fā)

線圈+全視頻觸發(fā)同時工作的方式使系統(tǒng)的觸發(fā)可靠性更高，在機動車捕獲方面互為補充，提高機動車捕獲率。線圈捕獲率基本不受氣候等環(huán)境影響，全視頻提高了前車擋后車、后車跟前車太近等情況下的捕獲率。在機動車道有非機動車與行人的情況下，線圈觸發(fā)不能捕獲，全視頻觸發(fā)則可以很好地捕獲。采用線圈+全視場多目標跟蹤的全視頻觸發(fā)方式，可以有效消除誤觸發(fā)與多觸發(fā)現(xiàn)象，滿足對各種目標的捕獲率要求。

2.2 補光方式

根據(jù)不同的功能要求，結合環(huán)境保護要求及防擾民要求，采用合適的補光方式。目前，常用的補光方式如下：

1）曝閃燈補光（高強度氣體放電燈）

利用電子激發(fā)氣體發(fā)光，瞬間產生強光。例如35 W氙氣燈能產生3 200 lm的強光，亮度提升300%。曝閃燈在視場照度提升方面有著明顯優(yōu)勢，可以通過曝閃燈補光看清機動車前排司乘人員的特征。但曝閃燈補光會給人以曝閃的感覺，對環(huán)境有一定程度的光污染，需要通過技術及工程設計，限定曝光的范圍及角度，使用恰當?shù)钠亻W燈進行補光。

2）LED燈補光

LED光源，綠色環(huán)保、光線柔和、功耗低、壽命長，是未來照明的發(fā)展方向。

在LED補光方式中，有一種可控窄脈沖高亮度LED燈補光方式，與攝像機同步觸發(fā)。該技術脈沖時間1 ms，僅為普通閃光燈的1/3；亮度高，色溫高達5 600 K，圖像色彩還原性好；長壽命，其壽命大于50 000 h，而且其壽命與頻閃次數(shù)無關；對周圍環(huán)境和駕駛員的正常通行無影響。由于采用窄脈沖頻閃方式，在保證瞬時亮度的同時，其平均功耗僅為約35 W，節(jié)省能源，保護環(huán)境。但LED補光在夜間成像質量上目前尚無法達到曝光燈的水平。同時，LED燈可以給監(jiān)控視頻提供補光，而曝光燈則不能。

2.3 檢測模式前后端選擇

前端檢測模式是將視頻檢測器放置在前端機柜內，在前端完成檢測識別并將識別結果傳輸?shù)街行摹?/p>

后端檢測模式是通過專用光纖網(wǎng)絡傳輸原始視頻流到中心，需要在中心建立機柜或機架放置視頻檢測器，在后端完成識別并將識別結果傳輸給中心。

兩種方式各有優(yōu)缺點，但前端檢測方式更加經濟，擴建系統(tǒng)更容易，響應速度快，符合分布式的原則，系統(tǒng)更可靠。

2.4 視頻檢測設備

常見的視頻檢測設備如下：

1）工控機

優(yōu)點：常用的視頻檢測設備，應用簡單，處理速度快，升級換代比較容易。

缺點：不適合在室外震動高溫多塵環(huán)境下工作，穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)故障損壞；出現(xiàn)故障時自動恢復能力差，功耗高，散熱效果差，使用壽命短；體積比較大，安裝需要較大的室外機箱。

2）DSP智能工業(yè)相機

優(yōu)點：將視頻采集與運算集成到一臺設備上，簡化系統(tǒng)結構，提高了集成度；采用工業(yè)元器件，適合室外震動高溫多塵環(huán)境下工作。

缺點：由于高度集成，體積小，使用特定的處理芯片，在運算速度方面比較差，只能處理相對比較簡單的運算，可以處理線圈觸發(fā)抓拍，使用視頻虛擬線圈觸發(fā)時效果不理想，難以達到高捕獲率，在功能擴展上受到限制；另外，DSP設備出現(xiàn)故障，需拆除桿上的相機，調試維修比較困難。

3）嵌入式主機

優(yōu)點：采用高可靠、低功耗的嵌入式設計，機殼表面散熱（無風扇設計），可以在野外高污染、多塵、高低溫的惡劣環(huán)境下長時間可靠工作；采用高端高性能處理芯片，處理速度快；采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，開機運行釋放到內存，速度快、資源利用率高、穩(wěn)定可靠、無病毒、防侵入，并且在斷電恢復后能夠迅速自啟動；安裝調試比較容易。

3 實戰(zhàn)應用分析與策略

3.1 布防原則

卡口智能信息識別系統(tǒng)是利用先進的視頻檢測技術、計算機圖像處理計術及計算機智能分析技術，對監(jiān)控路面過往的機動車、非機動車及行人進行連續(xù)全天候實時記錄，計算機根據(jù)所拍攝的圖像進行車牌自動識別，并能進行車輛動態(tài)布控，對超速、逆行等違法以及被盜搶、肇事逃逸、作案嫌疑車輛進行報警，通過光纖網(wǎng)絡將各個監(jiān)控點信息實時傳送到中心。卡口智能信息識別系統(tǒng)的有效布防既要滿足空間上全局范圍的出入口和重點區(qū)域的布防，也要注重單一布防點細節(jié)特征信息的提取和分析。因此，布防的原則主要兼顧以下兩個方面：

1）“抓全局”空間區(qū)域的有效布防——“點”與“面”的兼顧

“面”指的是本區(qū)關鍵出入口，如主要路段、環(huán)路、國道、干道的出入口；

“點”指的是案件多發(fā)地段、事故多發(fā)地段、重點單位地段。

2）“重細節(jié)”全局特征的有效提取和分析——“高清”與“智能”的結合

（1）高清晰的圖像采集和監(jiān)控[2]

高清卡口系統(tǒng)采用先進的、高清晰度的前端圖像采集技術，其圖片有效分辨力比常規(guī)的標情系統(tǒng)提高數(shù)倍，從而解決以往系統(tǒng)前端采集設備成像質量差的弊病，同時本系統(tǒng)還將前端的全景視頻圖像信息統(tǒng)一傳至中心，為中心提供實時的視頻監(jiān)控。另外，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對道路交通相關區(qū)域的實時全景監(jiān)控，對各種交通行為進行自動記錄取證，對嫌疑車輛進行自動布控，并在兩端出入口執(zhí)勤點進行攔截等功能，滿足公安部門對打擊涉車犯罪、治安管理、識別套牌車輛、黑名單車輛等更高層次的需求。

（2）智能化的信息處理和識別[3]

系統(tǒng)以車輛（機動車和非機動車）檢測、牌號自動識別、行人監(jiān)控為核心，結合定點抓拍功能和視頻監(jiān)控功能，對卡口截面場景進行全面的特征分析、信息提取和識別。主要體現(xiàn)在“動”（連續(xù)的高清視頻片斷）與“靜”（車輛號牌、車型、車標、車顏色等特征信息的全面提??；司機、非機動車和行人的信息提取）的有效結合，來滿足公安部門實戰(zhàn)應用的需要。

3.2 綜合應用

1）實時報警

業(yè)務支撐系統(tǒng)根據(jù)實時檢測到的黑名單車輛、套牌車、交通事件等以聲光報警方式通知用戶，用戶根據(jù)收到的報警信息區(qū)分其嚴重程度以采取合適的處理方案進行處理。

2）軌跡分析

刑偵、經偵、禁毒業(yè)務部門比較關心嫌疑車的運行軌跡和出沒規(guī)律，系統(tǒng)提供了相應的行車軌跡分析功能。

對于指定的嫌疑車輛，系統(tǒng)可以在GIS電子地圖上實時顯示該車的當前通過位置，并進行準確標記；也可搜索該車在所轄區(qū)域內歷史通行記錄，自動繪制車輛的歷史行車軌跡，協(xié)助公安部門進行案件分析和攔截布控。

3）車輛布控報警

為了打擊違法犯罪以及對突發(fā)事件進行跟蹤處理，通過該功能協(xié)助警方對涉案車輛或者重點關注車輛進行布控跟蹤，當被布控車輛出現(xiàn)在該系統(tǒng)所設攝像機覆蓋范圍內時，攝像機捕捉布控車輛信息并進行報警，將報警信息實時推送到客戶端。

嫌疑車輛布控是系統(tǒng)的基本功能，但由于公安各業(yè)務部門對嫌疑車輛的定義和關注程度不同，嫌疑車輛布控需要分級分用戶。

4）查詢功能

車輛特征查詢：通過車輛固有屬性（車身顏色、所屬地、車牌號等）進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢，查詢結果以抓拍圖片方式顯示。

非機動車輛特征查詢：通過非機動車、人的顏色，時間和地點對系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢，查詢結果以抓拍圖片方式顯示。

套牌車查詢：提供用戶對于套牌歷史查詢以及對于未處理的套牌嫌疑進行確認操作。

車輛區(qū)域性查詢：一段時間內通過指定斷面的每輛車的經過次數(shù)；一段時間內在某幾個區(qū)域內按指定規(guī)則出現(xiàn)的車輛。

違章車輛查詢：通過車輛固有屬性（車身顏色、所屬地、車牌號等）、違章行為、違章時間等條件進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢，查詢結果以抓拍圖片方式顯示。

5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計[4]

系統(tǒng)支持高清、標清數(shù)據(jù)的統(tǒng)計功能，可以按照小時、日、周、月、季度、年進行固定模板統(tǒng)計，也可自定義時間段統(tǒng)計。統(tǒng)計對象包括車流量（分地點）、報警類型、布控單位等。

可根據(jù)報警地點統(tǒng)計結果進行治安黑點地區(qū)的摸查，報警時間段統(tǒng)計結果確定治安事件常發(fā)時間分布，便于公安部門合理安排警力資源，采取有效措施，有效遏制治安事件發(fā)生。

統(tǒng)計結果可以圖表方式進行顯示，也可用折線圖、柱狀圖、立體柱狀圖、餅狀圖等方式進行直觀展示。

6）車輛關聯(lián)性分析功能

針對嫌疑車輛可能會結隊出行的特點，在刑偵等業(yè)務應用時，確定特定嫌疑車輛后，通過數(shù)據(jù)挖掘技術，在海量的車輛通行數(shù)據(jù)中搜尋和分析在多個監(jiān)測點與嫌疑車輛相鄰的車輛號牌，能夠找出與嫌疑車輛有關聯(lián)的車輛，從而獲取破案線索。

7）交通事件管理

通過事件類型、事件發(fā)生的時間等信息進行查詢，以圖片形式顯示，可以下載事件錄像視頻進行查看?？梢跃幹坪托薷氖录幚眍A案。

4 結束語

治安卡口是城市治安防控體系建設中的重要組成部分。隨著經濟和社會的發(fā)展以及城市化進程的加快，治安防控體系的建設也將進一步深入，治安卡口的功能將不斷提升，其綜合化、智能化是必然的發(fā)展方向。如何運用高科技的手段，從觀念、制度、管理和技術上來解決治安卡口信息識別系統(tǒng)存在的問題，提高監(jiān)控圖像信息識別的準確度為實戰(zhàn)服務，是包括公安工作在內的公共管理工作所面臨和亟待思考解決的一個重要課題。

[1]葉 堅，王海.智能化治安卡口的作用及其發(fā)展走勢[J].江蘇警官學院學報，2008，23（6）：118-123.

[2]毛曉東，樊亞文.高清視頻監(jiān)控技術在城市公共安全中的應用[J].電視技術，2010，34（4）：103-105.

[3]KASTRINAKI V，ZERVAKIS M，KALAITZAKIS K.A survey of video processing techniques for traffic applications[J].Image and Vision Computing，2003，21（4）：359-381.

[4]劉海峰，郭寶龍，馮宗哲.治安卡口系統(tǒng)中基于內容的圖像數(shù)據(jù)庫的應用[J].計算機工程及應用，2002（17）：251-253.