智能卡口的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

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(guò)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(chē)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(chē)案件偵破率、緩解交通擁堵、提高道路通行效率、提供車(chē)輛出行服務(wù)方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，政府相關(guān)主管部門(mén)對(duì)卡口系統(tǒng)的重視程度也越來(lái)越高，建設(shè)的力度也越來(lái)越大。

卡口系統(tǒng)技術(shù)需求

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(chē)輛捕獲率不低于99%，不僅要求有可靠的車(chē)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(chē)輛漏檢漏拍；

高質(zhì)量圖像：各種環(huán)境光線下拍攝的車(chē)輛圖片必須是清晰可辨的，需要有清晰的車(chē)輛、車(chē)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(chē)輛特征準(zhǔn)確可靠，車(chē)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)。

卡口檢測(cè)技術(shù)分析

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(chē)輛建模的檢測(cè)以及兩種方式的綜合。

任何領(lǐng)域都沒(méi)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(mén)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。

地磁檢測(cè)

即利用GMR地磁傳感器實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的檢測(cè)。GMR是Giant Magneto Resistive的簡(jiǎn)寫(xiě)，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(lái)說(shuō)，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(guò)僅為幾個(gè)原子厚的銅層隔開(kāi)，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(chē)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(chē)輛靠近GMR傳感器時(shí)，會(huì)使周?chē)拇艌?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(chē)輛。利用GMR傳感器不僅可探測(cè)靜止車(chē)輛的狀況進(jìn)而用在交通燈處的交通控制和停車(chē)場(chǎng)處停車(chē)位置的監(jiān)控，而且也可探測(cè)移動(dòng)車(chē)輛的情況。具體來(lái)說(shuō)，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(guò)傳感器的車(chē)輛。如果同時(shí)分開(kāi)放置兩個(gè)GMR傳感器，還可以探測(cè)出通過(guò)車(chē)輛的速度和車(chē)輛的長(zhǎng)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(guò)5年的工作時(shí)間，無(wú)需線纜連接。地磁檢測(cè)器通過(guò)Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(wèn)題：檢測(cè)器對(duì)高速運(yùn)動(dòng)車(chē)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(chē)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(chē)輛的響應(yīng)距離在1米左右，為保證可實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)輛對(duì)車(chē)輛精確定位，需要保證每輛車(chē)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(chē)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(guò)控制算法的優(yōu)化，降低其在無(wú)車(chē)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。檢測(cè)器出廠時(shí)均經(jīng)過(guò)一致性調(diào)校，在現(xiàn)場(chǎng)還可以通過(guò)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)

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(guò)車(chē)輛不同部位與檢測(cè)器距離的不同，可掃描出通行車(chē)輛的外輪廓。通過(guò)兩個(gè)間隔一定距離安裝的檢測(cè)器，可計(jì)算出車(chē)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(wú)法覆蓋整條車(chē)道，為避免車(chē)輛漏檢，可通過(guò)安裝波束擴(kuò)散器，將波束擴(kuò)展到整條車(chē)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(chē)輛，測(cè)量車(chē)輛速度，還可以根據(jù)輪廓對(duì)車(chē)輛準(zhǔn)確分型，并且不受車(chē)輛排隊(duì)限制，是比較理想的車(chē)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(chē)流密度較大的城市道路，同時(shí)有車(chē)輛分型統(tǒng)計(jì)要求的場(chǎng)合。

多目標(biāo)雷達(dá)

目前常用的窄波雷達(dá)通過(guò)對(duì)車(chē)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(chē)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(chē)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(guò)波束的相對(duì)較窄來(lái)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(chē)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(guò)改變天線表面陣列所發(fā)出波束的合成方式，來(lái)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(chē)輛的速度，而且還包括車(chē)輛的空間位置信息（距離、水平角度、垂直角度），通過(guò)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(chē)輛處于哪條車(chē)道。通過(guò)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(chē)、轎車(chē)、自行車(chē)、行人等目標(biāo)。通過(guò)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(chē)道的車(chē)輛目標(biāo)，可替代多臺(tái)窄波雷達(dá)，分別控制每條車(chē)道的相機(jī)抓拍車(chē)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(chē)道車(chē)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(chē)道或單相機(jī)多車(chē)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。

卡口成像技術(shù)分析

經(jīng)過(guò)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(wàn)像素?cái)z像機(jī)拍攝一條車(chē)道，拍攝場(chǎng)景見(jiàn)圖5，此場(chǎng)景下可拍攝清晰的車(chē)牌和人臉照片。如果需要單相機(jī)拍攝多車(chē)道車(chē)輛，為保證車(chē)牌與人臉質(zhì)量，水平像素需要按比例提高，2車(chē)道需要300萬(wàn)-500萬(wàn)像素，3車(chē)道需要800萬(wàn)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(chē)輛以外更多的圖像信息。

為減少拍攝車(chē)輛延遲，卡口攝像機(jī)的幀率也在不斷提升，200萬(wàn)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(wàn)像素?cái)z像機(jī)的幀率從7.5幀提高到15幀/秒。對(duì)200萬(wàn)相機(jī)拍攝單車(chē)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(chē)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看是未來(lái)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(chē)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(lái)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(kāi)發(fā)提高了技術(shù)進(jìn)入門(mén)檻，一些開(kāi)發(fā)能力較弱的廠商逐步被淘汰。

結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)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)?lái)區(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。