基于視頻技術(shù)的機(jī)場場面監(jiān)視系統(tǒng)綜述

陳運(yùn)翔+++鮑福泰

摘 要：民航機(jī)場場面監(jiān)視系統(tǒng)是民航運(yùn)輸安全的有力保障，針對(duì)近年國內(nèi)外視頻場面監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了歸納總結(jié)，介紹了現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，以及未來視頻場面監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展方向，并對(duì)場面視頻技術(shù)前景進(jìn)行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：民航運(yùn)輸；機(jī)場監(jiān)視；視頻技術(shù)

1 概述

機(jī)場場面監(jiān)視系統(tǒng)是飛行安全的有力保證，傳統(tǒng)的機(jī)場場面監(jiān)視主要以場面監(jiān)視雷達(dá)（SMR）為主，國內(nèi)的大型機(jī)場，如北京首都機(jī)場、上海浦東機(jī)場一般裝有完備的場面監(jiān)視雷達(dá)。但是隨著未來通航政策的開放，中小機(jī)場負(fù)擔(dān)不起這種高成本的場面監(jiān)視雷達(dá)，因此，作為在交通信息控制中廣泛使用的視頻監(jiān)視技術(shù)成為取代昂貴場面監(jiān)視雷達(dá)的有效工具。

視頻場面監(jiān)視技術(shù)是近年來興起的一種低成本的機(jī)場監(jiān)視技術(shù)。它主要通過為機(jī)場裝備高清攝像頭，為機(jī)場運(yùn)行人員提供飛機(jī)的軌跡與方運(yùn)行信息，使其準(zhǔn)確進(jìn)行決策。由于無需在航空器或地面運(yùn)載工具上加載接收器，視頻技術(shù)比雷達(dá)技術(shù)更加的靈活，在機(jī)場附近，可以通過大量布置攝像頭實(shí)現(xiàn)原有SMR的覆蓋。同時(shí)，對(duì)一些SMR受限的區(qū)域，視頻技術(shù)也能夠進(jìn)行覆蓋并輔助運(yùn)行人員進(jìn)行決策。

2 國外研究進(jìn)展

歐美發(fā)達(dá)國家通航開放較早，中小機(jī)場規(guī)模大，視頻技術(shù)得到了很大的發(fā)展，典型的項(xiàng)目有美國NASA與德國DLR合作的RapTor項(xiàng)目，瑞典SAAB公司的遠(yuǎn)程塔臺(tái)項(xiàng)目。

在2006-2007年，歐洲與美國的ATM研究計(jì)劃SESAR、NEXTGEN相繼明確了遠(yuǎn)程塔臺(tái)（RTC）概念與解決方案[1-2]。傳統(tǒng)的塔臺(tái)空中交通管制是管制員在全角度視景下對(duì)飛機(jī)進(jìn)行引導(dǎo)控制，而遠(yuǎn)程塔臺(tái)控制中心（RAiCe）是在沒有直觀視景情況下中小型機(jī)場場面監(jiān)視的一種遠(yuǎn)程視景系統(tǒng)。由于中小型機(jī)場普遍缺乏先進(jìn)場面引導(dǎo)和控制系統(tǒng)（ASMGCS），采用高精度的視頻技術(shù)成為取代ASMGCS的一種輔助場面監(jiān)視工具。

DLR的Schmidt·M小組在2006-2007年在布倫瑞克機(jī)場針對(duì)RTO系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)[3-4]。他們根據(jù)模擬管制員決策過程明確了RTO的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與任務(wù)分析并進(jìn)行了模型分析。他們?cè)O(shè)計(jì)了RTO的系統(tǒng)框架，開發(fā)了180度的視頻全景系統(tǒng)并作為RTO系統(tǒng)中人機(jī)交互的核心。

M·Schmidt的研究小組在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)180度塔臺(tái)視景系統(tǒng)的一些不足，在2009年進(jìn)一步研究了低能見度的情況，引入了紅外線傳感器[5]。另一方面，他們考慮加強(qiáng)利用圖像處理的功能，通過改進(jìn)算法獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡將這套180度的視頻場面監(jiān)視視景改進(jìn)為輔助決策系統(tǒng)。

2 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)視頻場面監(jiān)視技術(shù)發(fā)展相對(duì)較晚。2011年，羅曉與盧宇[6]結(jié)合DLR的一些經(jīng)驗(yàn)，提出采用多視頻融合的機(jī)場場面監(jiān)視方法，該方法的核心是利用圖像識(shí)別技術(shù)中的光流法計(jì)算運(yùn)動(dòng)場，用動(dòng)態(tài)模糊聚類算法分析運(yùn)動(dòng)場，并用多視頻融合增強(qiáng)檢測精度，最后對(duì)仿真序列和機(jī)場視頻序列進(jìn)行了比較，他們用了三臺(tái)攝像機(jī)對(duì)成都雙流機(jī)場的場面飛機(jī)運(yùn)行進(jìn)行了動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測與識(shí)別，但是光流法的視頻場面監(jiān)視方法也存在缺陷，有時(shí)即使沒有目標(biāo)，在外部照明發(fā)生變化時(shí)，也可以觀測到光流，這在布滿了燈光系統(tǒng)的機(jī)場上容易出現(xiàn)誤判。另外，光流法在缺乏足夠的灰度等級(jí)變化的區(qū)域，實(shí)際運(yùn)動(dòng)往往觀測不到，而視頻場面監(jiān)視需要高精度的目標(biāo)檢測。最后，光流法以迭代的方法進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算需要消耗大量內(nèi)容，因此需要特殊硬件的支持。

2013年盧宇，吳宏剛，徐自勵(lì)繼續(xù)對(duì)多視頻融合的機(jī)場監(jiān)視方法進(jìn)行了研究[7]，提出了一種基于視頻MLAT的場面目標(biāo)監(jiān)視新方法，該方法從定位原理及算法上分析了視頻多點(diǎn)定位誤差的拓?fù)浞植?，并通過對(duì)誤差分布信息來配置跟蹤濾波參數(shù)，從而達(dá)到提高定位于跟蹤精度的目的，解決了視頻監(jiān)視技術(shù)中的飛機(jī)定位的問題，在一定程度上準(zhǔn)確確定了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的坐標(biāo)，但是該方法在定位連貫性上仍有所欠缺。

南京航空航天大學(xué)的研究小組也在2013年針對(duì)視頻場面監(jiān)視技術(shù)進(jìn)行了研究[8]，他們根據(jù)民航二所的視頻監(jiān)視系統(tǒng)，提出了一種視頻監(jiān)視中實(shí)現(xiàn)飛機(jī)自動(dòng)掛標(biāo)牌的新方法。首先對(duì)視頻進(jìn)行圖像跟蹤獲得飛機(jī)圖像坐標(biāo)，再通過在機(jī)場地圖與視頻圖像上分別選取4個(gè)及以上點(diǎn)、線對(duì)應(yīng)計(jì)算出兩個(gè)投影平面之間的單應(yīng)矩陣把圖像坐標(biāo)映射成地圖坐標(biāo)，最后把圖像跟蹤數(shù)據(jù)與ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)視頻中飛機(jī)自動(dòng)掛標(biāo)牌。這種掛標(biāo)牌的方法準(zhǔn)確且誤差小，但是大范圍的推廣還有待實(shí)驗(yàn)。

比較國內(nèi)外基于視頻技術(shù)的場面監(jiān)視系統(tǒng)不難發(fā)現(xiàn)，我國在這一領(lǐng)域起步較晚，場面視頻監(jiān)視技術(shù)主要借鑒了國外的一些經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)前，國內(nèi)的視頻技術(shù)的場面監(jiān)視系統(tǒng)急需解決的問題是飛機(jī)起飛與著陸的監(jiān)視。DLR利用GPS描繪的著陸軌跡與視頻場面監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，得出了視頻監(jiān)視下的下滑道軌跡與真實(shí)軌跡之間的偏差。國內(nèi)的視頻技術(shù)尚未在這方面進(jìn)行嚴(yán)格的討論，同時(shí)，DLR在機(jī)場低能見度的情況也進(jìn)行了討論，國內(nèi)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)可以在這之上進(jìn)行借鑒。

3 幾種常用視頻識(shí)別方法比較分析

3.1 時(shí)間差分法

時(shí)間差分法是通過將圖像序列中連續(xù)幀中所有的對(duì)應(yīng)位置像素點(diǎn)亮度值相減，如果差的絕對(duì)值大于給定的閾值，則相應(yīng)的像素值取“1”。否則取“0”[9]。在像素點(diǎn)亮度變化過程中得到幀差圖像，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別的功能。在相鄰幀的差分過程中，運(yùn)用高斯模糊處理可以僅得到運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡而非其輪廓，因此在模糊處理后可大大降低圖像中的雜色，從而減少了最終檢測過程中的噪聲[10]。該方法較為簡單，但閾值的相關(guān)設(shè)定較為復(fù)雜，對(duì)某些亮度變化相似的像素點(diǎn)不能有效識(shí)別，因此易造成圖像識(shí)別不連續(xù)，在實(shí)時(shí)監(jiān)控識(shí)別中不推薦使用。

3.2 背景差分法

背景差分法是目前運(yùn)動(dòng)分割中另一種常用的方法，它是利用當(dāng)前圖像與背景圖像的差分來檢測運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的一種技術(shù)。即以相鄰幀圖像作圖像比較，使兩幅圖具有相似的背景圖像，從而使移動(dòng)目標(biāo)“顯現(xiàn)”出來[9]。它一般能夠提供較完整的特征數(shù)據(jù)，但對(duì)于場景的變化，如光照、天氣變化以及突發(fā)事件等的干擾比較敏感。該方法適合對(duì)機(jī)場內(nèi)固定攝像頭采集視頻的目標(biāo)識(shí)別。若背景圖像有變化，則無法準(zhǔn)確跟蹤識(shí)別運(yùn)動(dòng)的航空器。endprint

3.3 光流法

在動(dòng)態(tài)圖像所構(gòu)成的景物范圍中，各物體與各部分的運(yùn)動(dòng)是不同的，其所形成的眾多瞬時(shí)位置速度向量，即成為了光流。光流法[9]即從運(yùn)動(dòng)速度上區(qū)分不同目標(biāo)與背景。此方法不需要將所取圖像進(jìn)行灰度化和二值化處理，但易受噪聲的影響，且計(jì)算方法復(fù)雜量大，實(shí)時(shí)性比較差，識(shí)別結(jié)果的精度無法保證，所以對(duì)于精度要求較高的機(jī)場場面監(jiān)控來說，光流法并不推薦。

3.4 特征匹配法

確定移動(dòng)目標(biāo)的特征，利用特征點(diǎn)建立模板并在全圖內(nèi)作塔式遍歷，通過相關(guān)系數(shù)值來確定特征的相似程度，從而確定目標(biāo)。相關(guān)特征匹配法檢測移動(dòng)目標(biāo)一般分為兩步：第一，要先選擇合適的特征，這些特征應(yīng)該對(duì)灰度的變化不敏感；第二，通過對(duì)相同特征區(qū)域進(jìn)行特征相關(guān)系數(shù)計(jì)算來確定對(duì)應(yīng)的特征從而確定移動(dòng)目標(biāo)[10]。此法需要較多的數(shù)學(xué)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。

4 前景預(yù)測

4.1 ADS-B與視頻場面監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合

ADS-B作為未來新航行系統(tǒng)的一部分，已經(jīng)在中國民航范圍進(jìn)行了推廣。未來的空中交通系統(tǒng)要求運(yùn)載方配有機(jī)載的ADS-B設(shè)備，這為發(fā)展視頻技術(shù)的場面監(jiān)視系統(tǒng)提供了突破。視頻場面監(jiān)視系統(tǒng)雖然能為中小機(jī)場提供低成本的監(jiān)視解決方案，但受制于視頻技術(shù)獲得的信息有限，無法為機(jī)場決策人員提供全方位的輔助監(jiān)控平臺(tái)。而ADS-B由于包括了飛機(jī)的一系列信息，可以彌補(bǔ)視頻監(jiān)視系統(tǒng)在信息提取上的不足。此外，在快要著陸過程中，考慮給視頻場面監(jiān)視系統(tǒng)掛上應(yīng)答機(jī)代碼與機(jī)載速度高度信息達(dá)到雷達(dá)場面監(jiān)視的效果也是視頻場面監(jiān)視技術(shù)未來發(fā)展的方向。

4.2 通航機(jī)場的發(fā)展機(jī)遇

中國低成本的通用航空正處于發(fā)展的起步階段，從市場方面看，我國擁有巨大的低成本航空市場潛力。2012年中國民航旅客運(yùn)輸量3.2億人次、人均年乘機(jī)次數(shù)0.24次、人均GDP約6000美元（美國在人均GDP為6000美元時(shí)，人均年乘機(jī)次數(shù)接近1次）。預(yù)計(jì)到2030年，我國民航旅客運(yùn)輸量將達(dá)到15億人次，大力發(fā)展低成本航空是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。

2014年10月，國務(wù)院批準(zhǔn)對(duì)通用機(jī)場核準(zhǔn)權(quán)限下放，這代表了通航機(jī)場將迎來快速發(fā)展的機(jī)遇，而基于視頻技術(shù)的機(jī)場場面監(jiān)視系統(tǒng)作為一種安全廉價(jià)的機(jī)場運(yùn)行輔助設(shè)施，必將得到廣泛的推廣。

5 結(jié)束語

基于視頻技術(shù)的民航機(jī)場場面監(jiān)視方法是實(shí)現(xiàn)未來空管自動(dòng)化的一項(xiàng)重要的發(fā)展方向，由于傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視所需要的成本大，不適用通航機(jī)場空中交通管制的需要，而視頻技術(shù)的場面監(jiān)視方法就可以成為替代昂貴的場面監(jiān)視雷達(dá)的有效工具。在歐洲，這種技術(shù)作為遠(yuǎn)程塔臺(tái)的核心手段引起了廣泛的研究興趣，國內(nèi)的一些民航科研單位也在抓緊對(duì)這種技術(shù)的探索研究。這種技術(shù)主要是利用了圖像處理技術(shù)對(duì)機(jī)場實(shí)時(shí)的視頻流進(jìn)行處理并結(jié)合空管人員的實(shí)際需要來實(shí)現(xiàn)機(jī)場場面監(jiān)視等一系列功能。目前，這種技術(shù)還不成熟，尚不足以滿足未來眾多通航機(jī)場的需要，應(yīng)此需要我們給予更多的關(guān)注與支持。

致謝

文章結(jié)束之際，感謝中國民航大學(xué)老師的辛勤栽培及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)中國民航大學(xué)專項(xiàng)資助項(xiàng)目（3122013Z006），中國民航大學(xué)國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

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