精準(zhǔn)高空拋出點(diǎn)定位儀

王文杰 穆業(yè)帥 蘭 鵬 李金龍 何林興 魯婷婷 張春志

（哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 儀器研究背景

隨著我國人口的快速增長和房地產(chǎn)業(yè)的開發(fā)，辦公樓、居民小區(qū)等樓房高度逐漸提高，密度大和高度高成了我國房地產(chǎn)開發(fā)樓房的新趨勢。然而，這些高空建筑又為社會(huì)帶來了新的問題，一些人的文明程度跟不上時(shí)代的發(fā)展，使得高空拋物成為近代以來社會(huì)上出現(xiàn)的一個(gè)焦點(diǎn)問題，頻發(fā)的高空拋物案件不斷地刺痛著人們的眼睛。高空拋物行為危險(xiǎn)系數(shù)極高，近年來不斷出現(xiàn)高空拋物所引發(fā)的案件，給人們帶來了極大的人身危害，嚴(yán)重?cái)_亂了社會(huì)治安，許多人開始呼吁，希望能夠及時(shí)解決高空拋物問題[1]。解決高空拋物問題成為了一個(gè)迫在眉睫的事情。

目前，對于解決高空拋物問題所采用的主要方法有人工巡邏、攝像監(jiān)控和法律監(jiān)管。

基于攝像技術(shù)的監(jiān)控是許多學(xué)者認(rèn)為對高空拋物問題的有效解決方案。許多地區(qū)都采用多重多種攝像監(jiān)控設(shè)備，以此來對人們進(jìn)行震懾和約束。許多小區(qū)、辦公樓安保部門都耗費(fèi)巨資，在主要的道路旁和建筑下架起了各式各樣的攝像頭，通過事后追責(zé)的方式來對高空住戶進(jìn)行威懾，以此來減少高空拋物事件的發(fā)生。這種方式雖然有效，但是仍存在設(shè)備數(shù)量多、無法提供實(shí)時(shí)追蹤、后期信息處理工作任務(wù)重等問題。

法律監(jiān)管。各國對高空拋物問題均有開展立法治理。其中，根據(jù)《中華人民共和國民法典》第一千二百五十四條之規(guī)定：從建筑物中拋擲物品或者從建筑物上墜落的物品造成他人損害的，由侵權(quán)人依法承擔(dān)侵權(quán)責(zé)任；經(jīng)調(diào)查難以確定具體侵權(quán)人的，除能夠證明自己不是侵權(quán)人的外，由可能加害的建筑物使用人給予補(bǔ)償?？赡芗雍Φ慕ㄖ锸褂萌搜a(bǔ)償后，有權(quán)向侵權(quán)人追償。

本課題的研究旨在通過外部監(jiān)管協(xié)助的方式，減少高空拋物行為對人類自身和財(cái)產(chǎn)安全帶來的威脅，能夠在高空拋物事件發(fā)生后，定位到具體住戶或個(gè)人，減小事后追責(zé)的難度，提升社區(qū)管理效率。同時(shí)記錄高空拋物的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、處理和上報(bào)。

2 儀器的基礎(chǔ)-CCD 模塊

定位儀主要傳感器部件為CCD，它具有以下特點(diǎn)：靈敏度高、響應(yīng)速度快、技術(shù)成熟、噪聲低、成像質(zhì)量高、自動(dòng)掃描、圖像畸變小和無殘像。

圖1

2.1 CCD 傳感器的分類

線陣CCD 傳感器是通過使用一列像素對目標(biāo)圖像進(jìn)行掃描，而后分別通過紅、綠、藍(lán)三色濾鏡進(jìn)行三次曝光，從而達(dá)到捕捉到一維圖像。線陣CCD 一般將CCD 內(nèi)部電極分成數(shù)組，一組稱為一相，并且時(shí)鐘脈沖施加是相同的。所需相數(shù)由CCD 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，結(jié)構(gòu)相異的CCD 可滿足不同場合的使用要求。線陣CCD 也有區(qū)別之分，分別為單溝道和雙溝道，其中光敏區(qū)是MOS 電容或光敏二極管結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工藝方面相對來說比較簡單。其特點(diǎn)是外圍電路簡單，容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，處理信息速度快。線陣CCD 的研發(fā)主要用于平面廣告、掃描儀、復(fù)印機(jī)等受移動(dòng)局限連續(xù)光照的線性陣列物體。

面陣CCD 傳感器是通過兩列二維像素對目標(biāo)圖像區(qū)域進(jìn)行掃描，在一次曝光中可以以任意的快門速度來及時(shí)捕捉所需二維圖像，其主要運(yùn)用于高級(jí)數(shù)碼相機(jī)和監(jiān)控器等方面。在高空墜物時(shí)，落下的物體由于具有一定的加速度，速度持續(xù)加快，這時(shí)，面陣CCD 的快門捕捉就起到了作用。

傳感器三線CCD 是通過三列并行的像素分別對RGB 濾鏡進(jìn)行覆蓋的，傳感器三線CCD 主要用于高端的數(shù)碼相機(jī)，以求取更高的分辨率。

2.2 CCD 與CMOS 的結(jié)構(gòu)組成

圖2

電荷耦合元件（Charge-coupled Device）能夠?qū)⒐鈱W(xué)信號(hào)（光線）轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)（電荷），通過放大信號(hào)電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對圖像的攝取、儲(chǔ)存、傳遞、處理和再現(xiàn)。CCD 光電傳感器主要由感光二極管組塊、讀出移位寄存器、并行信號(hào)寄存器、信號(hào)放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換組塊組成。CCD光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，通過轉(zhuǎn)換電路輸出到讀出移位寄存器，經(jīng)過信號(hào)放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換組塊實(shí)現(xiàn)圖像的輸出，從而完成圖像的輸入與輸出工作。CCD 器件由硅材料制成，其特色在于充分保持信號(hào)在傳輸?shù)臅r(shí)候高度保真。

CMOS 稱為“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”，CMOS 的技術(shù)實(shí)際上只是將晶體管放置在硅晶塊上，只是CMOS 的每個(gè)像素需要單獨(dú)搭配一個(gè)“放大器”，這就會(huì)帶來了兩個(gè)問題：一方面，在每個(gè)像素中“放大器”都要占用一定面積，這部分面積不能感光，會(huì)直接損失圖像；另一方面，要讓每個(gè)“放大器”的放大效果保持均衡很困難，這也會(huì)增加噪點(diǎn)。CMOS 制作的流程相對簡單，沒有專屬的通道設(shè)計(jì)，需將各個(gè)像素的資料先行放大再進(jìn)行整合。

2.3 距離傳感器

距離傳感器是利用激光或超聲波來測量物體距離的傳感器，其主要作用是，用來測量物體的位置隨時(shí)間變化的規(guī)律，使用它可以完成多種運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)測定。譬如，墜落物體的高空測速。并且，距離傳感器作為一種可靠的工具，可用于各種應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)精確、快速的測量和廣泛的材料發(fā)現(xiàn)。用于高空拋物中，可起到一定的作用。距離傳感器的工作原理是產(chǎn)生某種波，比如激光、紅外發(fā)光二極管或超聲波。然后它會(huì)讀取波傳播回來后的變化情況。這種變化主要取決于返回信號(hào)的強(qiáng)度和返回所需的時(shí)間等。

3 目標(biāo)圖像追蹤方法

幀差法：要想在視頻中捕獲到物體的物理移動(dòng)軌跡，就需要將視頻長度無限細(xì)分，得到單張的圖像，再通過二維坐標(biāo)定點(diǎn)分析，從而整合到物體的移動(dòng)軌跡，這種方法也叫做幀差法。當(dāng)兩個(gè)圖像的時(shí)間間隔足夠小時(shí)，圖像中的像素點(diǎn)基本是相同的，當(dāng)像素點(diǎn)發(fā)生變化，也就是物體進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，對應(yīng)的像素點(diǎn)也會(huì)發(fā)生變化，從而通過對比得到目標(biāo)物體的移動(dòng)軌跡。公式為：Ik-1(x,y)的差分圖像。

注：Dk(x,y)是第k 幀圖像Ik(x,y)和第k-1 幀圖像

而后，進(jìn)行差分圖像的閾值分割[2]，進(jìn)而得到二值化[4]的前景圖像：

注：Tk(x,y)為二值化的前景圖像。

背景差法：背景差法是通過提前建立好背景模型，后期通過單幀圖像與背景模型進(jìn)行對比，從而對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行檢測。目前建立背景模型的方法主要有：中值背景建模法、均值背景建模法、單高斯分布模型法和混合高斯分布模型法[8]。背景差法的公式為：

注：Bk-1(x,y)是建立的背景模型[9]。

以上在進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測后，在視頻測速系統(tǒng)中也是通過跟蹤得到的運(yùn)動(dòng)軌跡來計(jì)算運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度。接下來，對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，其目標(biāo)跟蹤目的是想用于定位儀獲取的圖像序列進(jìn)行分析，從而利用二維坐標(biāo)系計(jì)算出目標(biāo)在每幀圖像時(shí)刻的目標(biāo)，根據(jù)不同的特征值，再將圖像序列內(nèi)不同幀率的同一運(yùn)動(dòng)目標(biāo)關(guān)聯(lián)在一起，進(jìn)而得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)完整的運(yùn)動(dòng)軌跡。

4 儀器的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行

該儀器是基于CCD 的近紅外定位儀，將兩個(gè)CCD 定位儀相隔一定高度放置。首先讓定位儀對靜止背景進(jìn)行圖像采樣并保存，隨即定位儀采集的圖像不斷的和原背景圖像做差分運(yùn)算來檢測拋出物體，即計(jì)時(shí)信號(hào)觸發(fā)。當(dāng)定位儀1 檢測到有拋出物體進(jìn)入并且運(yùn)動(dòng)到測量標(biāo)線后，此時(shí)監(jiān)測端計(jì)時(shí)開始；之后定位儀2 也檢測到拋出物體進(jìn)入并且運(yùn)動(dòng)到測量的標(biāo)線時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束。此時(shí)可以得到兩個(gè)定位儀檢測到運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間差，由于兩個(gè)定位儀測量區(qū)域包含的測量標(biāo)線間距離是固定值，所以用這個(gè)固定的距離值除以兩定位儀檢測到物體的時(shí)間差值，此時(shí)運(yùn)動(dòng)物體的速度就可以計(jì)算出來。由于兩個(gè)定位儀放置的間距很近，并且傳感器CCD 采樣頻率很高。因此對于測量運(yùn)動(dòng)物體或者運(yùn)動(dòng)物體速度是可行的，并且測速的系統(tǒng)具有較高的精確度，為了使CCD 光電傳感器能夠正常工作，需要有時(shí)序的產(chǎn)生及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊[6][10]。

圖3

在兩層AB 單元中間布置一根高3 米的立桿，兩個(gè)定位儀以上下對稱排布，其監(jiān)測范圍覆蓋AB 單元所夾道路，保障拋物行為能夠得到記錄和監(jiān)測。

圖4

兩臺(tái)內(nèi)置面陣CCD 圖形傳感器及距離傳感器儀器全天工作，監(jiān)測兩面樓層。當(dāng)物體出現(xiàn)在面陣CCD1 圖像監(jiān)測范圍內(nèi)，即進(jìn)行第一次連幀記錄，而物體經(jīng)過面陣CCD2 時(shí)則進(jìn)行第二次連幀記錄，以及距離傳感器對拋出物體距離的獲取，通過儀器的工作將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，此時(shí)硬件工作已完成。其中面陣CCD1 連幀的畫面提供了初速度、角度、變化及拋體運(yùn)動(dòng)類別。結(jié)合面陣CCD2 的連幀畫面，可計(jì)算得出某時(shí)刻的瞬時(shí)速度，原因如下：面陣CCD1 與CCD2 兩臺(tái)儀器設(shè)備之差為△x，選取的兩張圖片幀差時(shí)間間隔為t，即可得出物體在某時(shí)刻的瞬時(shí)速度。由于面陣CCD1 上傳的連幀畫面在軟件層次判斷出拋體運(yùn)動(dòng)類別，從而做出不同的處理，來解決現(xiàn)實(shí)問題中高空拋物的各種類型。如斜上拋、斜下拋、平拋、豎直上拋和豎直下拋，實(shí)現(xiàn)在VisualC++中調(diào)用不同函數(shù)進(jìn)行處理數(shù)據(jù)和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。采用Visual C++ 開發(fā)環(huán)境，該開發(fā)環(huán)境為源代碼編輯、源代碼瀏覽、項(xiàng)目管理與配置和調(diào)試工具提供強(qiáng)力支持。由于距離傳感器數(shù)據(jù)的傳輸會(huì)判斷出被拋物體到儀器的距離，這也是鎖定窗戶的條件，而要鎖定居民住戶則需要進(jìn)行窗戶編號(hào)，此方法便于信息呈現(xiàn)和記錄查找。當(dāng)面陣CCD1 監(jiān)測到物體出現(xiàn)時(shí)，產(chǎn)生計(jì)時(shí)觸發(fā)信號(hào)，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)呈現(xiàn)在拋物記錄信息條中。抓取的圖片進(jìn)行二維坐標(biāo)分析處理，以道路長度為x，定位儀監(jiān)測范圍高度為y，這樣就把空中拋出物體在二維坐標(biāo)系中以一個(gè)點(diǎn)呈現(xiàn)，尋找拋出點(diǎn)就是在找如圖中的初始點(diǎn)P[3][7]。

距離傳感器通過發(fā)射能量波束并由被測物體反射，計(jì)算波束發(fā)射到被物體反射回來的時(shí)間，來計(jì)算與物體之間的距離。這種傳感器測量精度高，可以精確測量距離，針對距離變化產(chǎn)生信號(hào)的傳感器原理和形式多，距離傳感器并不要求對距離做出定量檢測，只需判斷在設(shè)定的距離范圍內(nèi)是否有物體出現(xiàn)。

據(jù)以上距離傳感器數(shù)據(jù)的傳輸會(huì)判斷出被拋物體到儀器的距離，這也是坐標(biāo)尋找的條件，窗戶編號(hào)鎖定居民住戶，此步驟可以找到對應(yīng)的坐標(biāo)x，從而找出物體拋出點(diǎn)。

以上拋出點(diǎn)的尋找可以二維坐標(biāo)呈現(xiàn)和分析如圖5。

圖5

在顯示是模塊，本次高空拋物數(shù)據(jù)以信息條呈現(xiàn)，并截取此時(shí)間點(diǎn)的拋物連幀視頻展現(xiàn)于信息條中，而后以傳統(tǒng)視頻模式播放。如圖6。

圖6

這樣，無論是否發(fā)生事故的高空拋物事件，都會(huì)記錄事件處理和警報(bào)的數(shù)據(jù)，觸發(fā)的警報(bào)裝置便于提醒物業(yè)及管理人員處理，也可向公安機(jī)關(guān)呈交數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

本定位儀主要以雙面陣CCD 傳感器作為圖像采集前端裝置，以計(jì)算機(jī)軟件作為圖像分析處理和信息儲(chǔ)存裝置，通過對目標(biāo)圖像進(jìn)行二維化分析，使拋出點(diǎn)轉(zhuǎn)化為二維坐標(biāo)并通過軟件系統(tǒng)分析處理，而后將處理結(jié)果以信息條的形式呈現(xiàn)。本儀器的研究對于解決高空拋物問題意義重大，在解決高空拋物問題領(lǐng)域相對空白的情況下，本儀器能夠有效地解決高空拋物相關(guān)問題，并為以后的相關(guān)研究提供有效的參考。對于該儀器未來可能進(jìn)行的研究，將會(huì)從數(shù)據(jù)的精確度和儀器的實(shí)際應(yīng)用方面進(jìn)行展開。