利用智能視頻分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速公路行人入侵報(bào)警

■劉文杰

（福建省高速公路集團(tuán)有限公司龍巖管理分公司，龍巖 364000）

1 背景

自1988年10月31日中國第一條高速公路滬嘉高速建成通車后，截至2017年底，我國的高速公路通車總里程居世界第一。高速公路的快速發(fā)展，大大縮短了省際之間、重要城市之間的時(shí)空距離，加快了區(qū)域間人員、商品、技術(shù)、信息的交流，對促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步起到了重要的作用。

高速公路作為封閉式道路，《中華人民共和國道路交通安全法》第六十七條明確規(guī)定，“行人、非機(jī)動(dòng)車、拖拉機(jī)、輪式專用機(jī)械車、鉸接式客車、全掛拖斗車以及其他設(shè)計(jì)最高時(shí)速低于70公里的機(jī)動(dòng)車，不得進(jìn)入高速公路”。收費(fèi)廣場作為進(jìn)出高速公路的出入口，車輛通行收費(fèi)站的速度較快（特別是ETC車輛），若摩托車和行人違規(guī)進(jìn)入，由于其體積小，處在其他車輛的盲區(qū)里時(shí)將很難被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)車輛（特別是大型車輛）快速通過收費(fèi)站廣場時(shí)，若行人或摩托車無視安全隨意穿行，很容易釀成交通事故。

現(xiàn)實(shí)生活中，總有部分人貪圖方便，或者駕駛摩托車、電動(dòng)自行車上高速（摩托車由于體積小，從超寬車道進(jìn)入時(shí)，收費(fèi)員很難及時(shí)進(jìn)行攔截），或者隨意進(jìn)入收費(fèi)廣場上下車，再加上隨著入口自助取卡和收費(fèi)站集中監(jiān)控成為主流趨勢，收費(fèi)站入口工作人員將大幅減少，收費(fèi)站廣場（特別是入口發(fā)卡廣場）基本處于“盲管”狀態(tài)，產(chǎn)生了很大的安全隱患。

傳統(tǒng)的高速公路CCTV監(jiān)控系統(tǒng)主要集中在服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站、隧道、大橋等。通過架設(shè)大量各種各樣的攝像機(jī)、云臺來監(jiān)控各個(gè)場合，避免意外事件的發(fā)生。但是現(xiàn)有的CCTV監(jiān)控系統(tǒng)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。大量的視頻源通過光纖傳輸至集中監(jiān)控并顯示在監(jiān)控大屏幕上，通過人工查看的方式，進(jìn)行監(jiān)控。在大量的視頻流當(dāng)中，人工監(jiān)管顯得繁重而低效，監(jiān)控更大的作用，依然只能作為事后的取證和檢索。因此，如何能在事情發(fā)生的第一時(shí)間，通過視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)異常事故行為，通知值班人員，避免事件發(fā)生，就顯得尤為突出。

為解決以上問題，可以考慮利用技術(shù)手段自動(dòng)識別行人（含摩托車、電動(dòng)自行車），對行人與機(jī)動(dòng)車（含轎車、貨車、工程車、以下同）進(jìn)行區(qū)分，通過24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)行人，立即觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)以通知收費(fèi)站工作人員及時(shí)前往勸阻，即可減少安全隱患，又可對工作人員盡職勸阻的行為進(jìn)行取證存檔。

2 系統(tǒng)介紹

智能視頻分析技術(shù)：英文稱IVA（Intelligent Video Analytics），指計(jì)算機(jī)圖像視覺分析技術(shù)，通過將所需監(jiān)管場景中背景和目標(biāo)進(jìn)行分離，進(jìn)而分析并追蹤在視頻監(jiān)管場景內(nèi)出現(xiàn)的目標(biāo)。智能視頻分析技術(shù)廣泛用于公共安全相關(guān)系統(tǒng)，如建筑智能化，交通智能化等相關(guān)系統(tǒng)。智能視頻分析技術(shù)主要是在傳統(tǒng)視頻分析技術(shù)的基礎(chǔ)上整合了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使得安防工程中的視頻監(jiān)控有傳統(tǒng)的記錄功能變成分析功能[1]。這項(xiàng)技術(shù)改變了以往人工值守的被動(dòng)監(jiān)控模式，轉(zhuǎn)化為主動(dòng)的事前預(yù)警、事中管理和方便的事后搜索分析模式，體現(xiàn)著未來視頻監(jiān)控系統(tǒng)全面走向數(shù)字化、智能化、多元化的必然發(fā)展趨勢。

圖1 系統(tǒng)整體布局

如圖1所示，視頻分析報(bào)警系統(tǒng)由多路網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、視頻處理終端、報(bào)警驅(qū)動(dòng)器組成，其中網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、視頻處理終端、報(bào)警驅(qū)動(dòng)器設(shè)備通過以太網(wǎng)（光線或網(wǎng)線）進(jìn)行連接，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)內(nèi)置的移動(dòng)偵測模塊移動(dòng)物體進(jìn)行偵測，攝像機(jī)拍攝的視頻信號和偵測結(jié)果自動(dòng)傳輸?shù)揭曨l處理終端，由視頻處理終端對移動(dòng)物體進(jìn)行甄別并判斷是否要發(fā)送報(bào)警信號給報(bào)警驅(qū)動(dòng)器。

2.1 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

采用1/1.8英寸600萬像素CMOS日夜型智能高清攝像機(jī)，支持H.264/MJPEG視頻壓縮算法，支持多級視頻質(zhì)量配置、編碼復(fù)雜度設(shè)置，支持區(qū)域裁剪（作用是可實(shí)現(xiàn)小帶寬看清大細(xì)節(jié)）。分辨率方面最高可輸出Full HD 3072x2048（600W像素），并且在此分辨率下可輸出25fps實(shí)時(shí)圖像。編碼方面支持低碼率、低延遲、ROI感興趣區(qū)域增強(qiáng)編碼、SVC自適應(yīng)編碼技術(shù)等可適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的使用。存儲上也支持主流存儲設(shè)備SD/SDHC/SDXC等作為本地存儲，并且支持抓拍圖片斷網(wǎng)續(xù)傳的功能。攝像機(jī)內(nèi)置的識別功能包括車牌識別、車身顏色識別、車型識別、機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車識別、行人分類和捕獲等。因在戶外使用，因此所采用的攝像機(jī)還具備IP66級防塵、防水滴、網(wǎng)絡(luò)防雷、防浪涌等功能。

本套系統(tǒng)采用H.264作為視頻采集的編碼技術(shù)。因H.264是一種高性能的視頻編碼技術(shù)。H.264采用統(tǒng)一的VLC符號編碼[2]，以及基于4塊的整數(shù)變換、分層編碼設(shè)計(jì)，這些措施使得H.264算法具有很高的編碼效率、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，能夠更好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

我在回答有關(guān)教養(yǎng)問題的提問時(shí)，經(jīng)常提到“讓孩子有路可走”。許多媽媽向我表示：她們理解并接受這個(gè)親子教育的“雙贏策略”理念，但是在實(shí)行的時(shí)候，就發(fā)現(xiàn)問題不簡單。媽媽們在摸不到門徑時(shí)就問我：“究竟路在何方？”

優(yōu)先采用ROI技術(shù)對采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，ROI編碼技術(shù)是ISO組織在2000年提出的新一代靜態(tài)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000中一套新的技術(shù)規(guī)范，也是當(dāng)今圖像編碼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。此項(xiàng)技術(shù)可以對圖像中的感興趣區(qū)域（ROI）進(jìn)行低壓縮比的無損壓縮或近無損壓縮，在背景區(qū)域進(jìn)行高壓縮比的有損壓縮。這樣在碼流不變的情況下，即可保證不丟失重要信息又能有效地壓縮數(shù)據(jù)量，很好地解決了壓縮比和圖像質(zhì)量之間的矛盾。

2.2 視頻處理終端

作為視頻分析的最終處理單元，視頻處理終端應(yīng)像電腦的主機(jī)箱一樣具備擴(kuò)展性廣、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此處理終端具備多接口支持，其中網(wǎng)絡(luò)部分包括10/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通訊、4G/3G/2G無線網(wǎng)絡(luò)通訊、Wifi無線網(wǎng)絡(luò)通訊等。接口方面包括485/232/CAN/USB等接口。主控采用的是海思的Hi3520D芯片，該芯片是一款基于ARM11處理器內(nèi)核以及視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器，雙DDR架構(gòu)能夠提供更大的數(shù)據(jù)處理帶寬和能力，滿足對人車特征甄別區(qū)分等復(fù)雜數(shù)據(jù)處理的需求。

2.3 相關(guān)技術(shù)

人車甄別是整套系統(tǒng)的核心，分為拍攝圖像預(yù)處理、背景建模及更新、目標(biāo)檢測、行人特征提取、車輛特征提取、特征訓(xùn)練及分類等，其中：

(1)拍攝圖像預(yù)處理：視頻監(jiān)控圖像多為彩色圖像，在圖像處理中的計(jì)算量遠(yuǎn)大于灰度圖，因此需要對圖像進(jìn)行灰度化處理。此外圖像序列在采集過程中包含了很多噪聲，需要進(jìn)行濾波處理，然后將圖像中感興趣的地方進(jìn)行圖像增強(qiáng)。

(2)背景建模及更新：采用基于高斯混合背景建模的分塊背景更新算法。首先通過高斯混合背景建模提取的圖像序列的初始背景，然后對后續(xù)讀入的圖像幀進(jìn)行分塊并標(biāo)記感興趣區(qū)域，計(jì)算小方塊內(nèi)的四周區(qū)域像素值的均值和方差，選擇性地對背景實(shí)施更新，可以簡單、快速、有效地處理光照變化等因素引起的背景緩慢變化及背景局部突變的問題。

(3)目標(biāo)檢測：將實(shí)時(shí)更新的背景模型與讀入的圖像幀利用背景差分法提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，再進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，通過動(dòng)態(tài)雙閾值法對目標(biāo)進(jìn)行分割為特征提取做鋪墊。

(5)車輛特征提取：采用Haar小波[3]對視頻圖像域進(jìn)行分析，利用Haar小波對車輛圖像進(jìn)行三級分解，得到不同分辨率下水平、垂直和對角方向的細(xì)節(jié)信息，再通過矩形特征進(jìn)行特征值的計(jì)算用于車輛檢測。

(6)特征訓(xùn)練及分類：采用融合SVM（Support Vector Machine是一種利用統(tǒng)計(jì)理論將結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)控制最小化的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，它能將有限的樣本數(shù)量的分類錯(cuò)誤率控制在一定精度以內(nèi)，然后尋求特征分類的最佳分割面）[4]與 AdaBoost（Adaptive Boosting）[5]的特征分類算法。 針對AdaBoost迭代算法在后期分類中的不穩(wěn)定做了改進(jìn)，通過對每一級訓(xùn)練的總體誤判率和分類器個(gè)數(shù)的控制，對分類算法進(jìn)行選擇。結(jié)合SVM在小樣本分類中的優(yōu)勢，提高了原有算法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[6]。

2.4 工作原理

正常情況下，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和視頻處理終端處于靜默運(yùn)行狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)拍攝到的移動(dòng)車輛，經(jīng)過視頻處理終端甄別后不發(fā)出報(bào)警。一旦網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)拍攝到的移動(dòng)物體符合某種特征（形狀、體積大小等），則視頻處理終端會(huì)判定為行人（或摩托車、電動(dòng)自行車），此時(shí)視頻處理終端把報(bào)警信號發(fā)給報(bào)警驅(qū)動(dòng)器，一方面觸發(fā)安裝于邊道收費(fèi)崗?fù)ど戏降穆暪鈭?bào)警器，另一方面觸發(fā)監(jiān)控大廳的獨(dú)立的報(bào)警器，同時(shí)自動(dòng)將幾路網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)拍攝到的視頻信號切換到監(jiān)控室電視墻的主屏幕上，監(jiān)控室的監(jiān)控員聽到報(bào)警聲后查看現(xiàn)場視頻，并立即通過對講機(jī)通知收費(fèi)廣場值班人員前去處理。

由于收費(fèi)站值班人員并不具備執(zhí)法權(quán)力，因此對行人（或非機(jī)動(dòng)車輛）進(jìn)行勸阻時(shí)，行人有可能不予理睬，此時(shí)若發(fā)生交通事故，行人應(yīng)承擔(dān)絕大部分責(zé)任，為此收費(fèi)站應(yīng)對勸阻過程進(jìn)行錄像取證。因此當(dāng)視頻處理終端發(fā)現(xiàn)行人（或非機(jī)動(dòng)車輛）非法進(jìn)入收費(fèi)廣場時(shí)，除了發(fā)送觸發(fā)報(bào)警信號，還應(yīng)將終端觸發(fā)報(bào)警前5～10秒（可配置）和觸發(fā)報(bào)警后一段時(shí)間（可配置）內(nèi)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)拍攝到的視頻內(nèi)容做本地存儲，此后后臺工作站可以隨時(shí)根據(jù)時(shí)間、地點(diǎn)查看存儲的視頻錄像。

若收費(fèi)站希望值班工作人員的勸阻細(xì)節(jié)全程錄音、錄像，則還可為前往勸阻的工作人員配備執(zhí)法記錄儀，執(zhí)法記錄儀所拍攝的音、視頻信號內(nèi)容也可作為取證內(nèi)容作存檔。

3 應(yīng)用方案

如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)安裝于收費(fèi)站頂棚上，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)覆蓋2條收費(fèi)車道，因?yàn)榕臄z角度和車輛行進(jìn)方向平行，可有效減少拍攝盲區(qū)，避免車輛遮擋行人所導(dǎo)致的漏報(bào)。

圖2 現(xiàn)場圖例

視頻處理終端安裝于出口車道的收費(fèi)崗?fù)?nèi)，視頻處理終端輸出的視頻信號可通過收費(fèi)站的視頻光線上傳到監(jiān)控室。視頻處理終端從收費(fèi)廣場機(jī)柜接入收費(fèi)站的熱線電話系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)行人違規(guī)進(jìn)入時(shí)，通過收費(fèi)站的熱線電話系統(tǒng)對監(jiān)控室進(jìn)行報(bào)警，以提醒監(jiān)控員安排車道工作人員前去查看。

以7車道收費(fèi)站 （3入4出，其中入、出口各一條ETC車道）如圖3為例做布局說明。

圖3 布局圖例

圖中，所有攝像機(jī)均面向出高速方向（即行人有可能進(jìn)入的方向），每2條車道用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)安裝于收費(fèi)站頂棚下方，每個(gè)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的電纜線沿著雨棚信號燈的電纜線線管引入到收費(fèi)崗?fù)ぁ?/p>

每個(gè)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)配備一個(gè)視頻處理終端，所有視頻終端都可輸出報(bào)警信號以觸發(fā)聲光報(bào)警燈，每個(gè)車道的視頻處理終端通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接到最內(nèi)側(cè)的視頻處理終端，最內(nèi)側(cè)的視頻處理終端通過兩芯電纜線連接聲光報(bào)警器。

聲光報(bào)警燈安裝于最內(nèi)側(cè)收費(fèi)崗?fù)ぃ‥TC崗?fù)ぃ┑纳戏揭苑奖闾嵝衍嚨乐蛋嗳藛T。

4 結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智慧城市等概念不斷推進(jìn)，視頻監(jiān)控行業(yè)的發(fā)展前景正得到業(yè)界的廣泛認(rèn)同和市場本身的印證，將帶有智能視頻分析技術(shù)的高清攝像機(jī)和視頻處理終端充分運(yùn)用于收費(fèi)站的收費(fèi)廣場中，相當(dāng)于給視頻監(jiān)控系統(tǒng)裝上了有思考能力的大腦，具備自主分析道路情況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)記錄行人闖高速等功能，在降低人員成本，減輕工作人員壓力的同時(shí)，提高了高速公路的安全性。