高清视频监控卡口系统前端设计浅析

2011-03-19徐舰

城市道桥与防洪 2011年6期

徐舰

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市200092)

0 前言

随着全国道路交通建设的快速发展和机动车辆的迅速普及，与道路和机动车辆相关的刑事和治安案件呈逐年上升趋势，特别像肇事或作案后驾车逃逸，盗抢机动车辆，车辆走私等。另外，近些年因周边环境的不断恶化、恐怖行为的不断侵扰，对于像打砸抢烧、聚众斗殴等群体性暴力事件也从鲜有发生发展到现在的近于常态化的窘境。

为此，为提高对刑事、治安案件的快速响应、处理及进一步预防的能力，设置高清视频监控卡口系统对于交通治安具有重大的现实意义。

1 系统总体架构及组成

高清视频监控卡口系统总体架构如图1所示，系统由前端信息采集系统、通信系统、信息中心三部分组成。

(1)前端信息采集系统：主要功能为信息采集和通信，即采集并记录所有经过本断面的机动车、非机动车、行人等信息，对经过的车辆进行车牌识别、经过的非机动车和行人进行记录，采集本断面所有机动车、非机动车、行人的图片和数据信息，并与信息中心通信。

(2)通信系统：完成前端卡口信息采集子系统与信息中心之间的高速通信，传输前端卡口信息采集子系统所采集的各种数据和图片，满足系统对分布式存储在各前端卡口信息采集子系统内的各种数据的调用。

(3)信息中心：是高清视频监控卡口系统核心业务处理中心，是用户访问整个卡口系统的窗口；完成数据信息和图片的接收、处理及存储，实时展示系统和前端采集设备的状态以及对系统的日常管理；根据实时车辆信息，进行黑名单比对、套牌车检测、行驶轨迹分析、跟车关联查询分析等业务处理，完成对车辆布控等实战验证功能；能够根据业务要求，提供综合查询功能，为业务分析提供参考依据。

高清视频监控卡口系统总体架构见图1。

2 前端信息采集系统组成

从卡口布控的工作性质考虑，系统对运动状态的目标不但要有高图像捕获率，还必须抓拍到清晰的图像(车牌、前排司乘人员、行人)，作为事后查询和取证的重要依据。

前端信息采集系统见图2，主要组成为控制主机、摄像机、辅助照明设备、软件及设备基础设施等，安装在外场路段，通过采集控制软件实现全天候不间断的机动车、前排司乘人员、非机动车和行人的图片抓拍和信息处理、存储、通信等功能，对于抓拍的机动车图片实现号牌自动识别等功能，所有信息在前端控制主机内进行存储，并由专用通信软件将获取的所有信息实时传递给信息中心。

3 前端系统设计

由于卡口点具有路况条件复杂、对象移动不规律、周围环境不可预料性等特点，为保证系统在上述各种条件下运行的高可靠性与可用性，需要采用较为合理的技术实施方案，包括前端摄像机的选择、布置方式、触发方式、抓拍距离以及补光方式等。

4 前端摄像机

经过多年的发展，视频技术经历了从模拟到数字、从低分辨率到高分辨率的不断进步，表1是一些常用的视频分辨率规格，图3是相同视角下不同分辨率图片的比较。

早期卡口系统几乎都采用模拟标清成像技术，记录的车辆信息为车牌部份图像和车辆的全景图像两张图片，分辨率最大为768×576。模拟摄像机所采用的图像传感器虽然具有线性好，反应灵敏的特点，最低光照度可小于0.01 LUX，但也存在诸如模拟线性成像中面临的图像层次区分不明朗，对比度差等问题，直接的结果即是对于刑侦、治安等业务部门要求追查套牌车辆、黑名单车辆、肇事车辆的司机面貌来讲就无能为力，无法为其提供具备清晰面部特征的目标车辆前排司乘情况。

鉴于近年来高清成像元器件(大尺寸CCD、CMOS)和数字信号处理技术(高速DSP)处于高速发展期，高清视频成像技术和相关产品也已经非常成熟并广泛应用，采用数字高清成像技术，能达到1 920×1 080分辨率，有效像素在200万以上，是标清卡口系统的5倍以上，可以利用更少的设备覆盖更大的目标识别场景，并能够对局部目标进行清晰放大，很好地解决了刑侦、治安等业务部门对于嫌疑目标面部特征、前排司乘人员面部特征、可疑车辆车型外貌的细节辨识问题，是卡口系统建设的新热点和新的发展方向。

表1 常用视频分辨率

采用高清摄像机作为前端卡口视频检测的视频采集单元，从而全面提升卡口系统的警用服务水平。另一方面，采用高清也能更好地满足系统对于可扩展性的要求，在图像处理技术进步的前提下，可以提供更多的采集信息单元，从而降低将来系统升级改造所带来的成本。

5 前端摄像机的布置方式

根据机动车道和非机动车道目标抓拍的实际需求，在每条机动车道配置1台高清摄像机；非机动车道双向各配置1台高清摄像机；每条机非混合车道双向各配置1台高清摄像机。

非机动车道上的摄像机布置方案应不同于机动车道，具备其独有特性，是单一方向抓拍还是双向抓拍，双向抓拍是采用同一立面还是不同立面，存在以下几种不同的布置方案：

(1)单方向抓拍

仅对非机动车道单个方向进行抓拍，对于逆向行驶或行走的移动对象，无法捕捉到正面图片信息，难以满足业务应用需求。

(2)同立面双向抓拍

非机动车道在同一门架或立杆上布设双向抓拍摄像机，比较节约基础设施成本，但抓拍的两个断面间的跨度相对较大，容易漏抓信息。

(3)不同立面双向抓拍

非机动车道在两不同的门架或立杆上布设双向抓拍摄像机，相对基础设施的成本会较高，但其具备很大的灵活性，安装高度、拍摄角度以及与补光单元的配合等，是其他方案所不具备的。

综合考虑各项因素，采用不同立面双向抓拍效果较佳。

6 触发方式

为保证对机动车、非机动车和行人都能进行准确抓拍，视频触发是当前最为切实可行的方式。所以对机动车道和非机动车道采用视频检测为主的触发方式。另外，为提高机动车的车速检测精度，每一机动车道和机非混合车道设置一组双检测线圈。

(1)非机动车道触发方式

主要采集对象为非机动车、行人及可能出现的机动车，系统对此主要采用视频检测的触发方式。在光照条件相对较差时，由补光单元依据光感元件针对现场光照度的大小，自动调节补光量的多少，充分体现节能环保；当有移动物体出现时，抓拍单元对由摄像机以一定帧速拍摄的视频进行分析，输出移动物体处于最佳位置的图片；预处理单元对得到的图片信息做进一步的特征信息提取，包括移动方向、衣着主体颜色等；通信传输单元对获取的图片、数据信息进行本地存储与远程传输。

(2)机动车道及机非混合车道

主要采集对象为机动车辆、混行非机动车与行人，主要采用视频检测为主辅以线圈的触发方式。补光单元依据现场光照度，自动调节补光量；当有移动物体出现时，抓拍单元对由摄像机以一定帧速拍摄的视频进行分析，输出移动物体处于最佳位置的图片，同时辅以双环形检测线圈进行交通参数检测，需保证检测线圈输出交通参数的对象和时间与视频分析输出图片的对象和时间保持一致；如果接收到线圈检测数据而视频检测无触发时，视频分析处理应兼顾线圈检测信息，保留距线圈触发最为接近时刻的抓拍图片(在保证系统同步的前提下)，确保车辆的高捕获率；预处理单元对图片信息进行特征信息提取，包括号牌号码、号牌颜色等；通信传输单元对获取的图片、数据信息进行本地存储与远程传输。

7 抓拍距离

影响卡口建设的技术指标主要有以下三种：

(1)车辆图像捕获率：所记录的有效车辆数(指车辆图像中包含全景图像要求的车辆数)与实际通过断面车辆数的百分比。

(2)号牌识别准确率：信息识别正确车辆数与断面号牌信息有效的车辆总数的百分比。

(3)需要掌握道路上机动车前排司乘人员的面貌特征。

以上三个指标互相影响，其中影响最大的因素是摄像机拍摄角度(即摄像机立杆高度与摄像机立杆到抓拍点的距离之比)，在立杆高度一定的情况下(6 m)：摄像机立杆到抓拍点的距离越大，高峰时期前后车辆遮挡的概率越高，车辆图像捕获率越低；摄像机立杆到抓拍点的距离越大，由于号牌纵向变形越小，号牌识别率越高；摄像机立杆到抓拍点的距离越大，由于俯瞰角度越小，车顶遮挡前排司乘人员的面貌特征的概率越小，脸像越清晰。

根据摄像机到被监控目标的距离D，选择镜头的焦距f后，则由摄像机靶面决定了视野V·H，其间的关系 f=v·D/V或 f=v·D/H，见图4。

视野也可用视角的大小来表征，即水平视角α：2arctanv/2f，垂直视角 β：2arctanh/2f，因此当设定高清晰摄像机覆盖抓拍宽度不小于4.5 m(两个车道摄像机覆盖范围9 m，与两个车道的宽度(约7.5 m)相比，视场重合1.5 m，满足跨线抓拍的需求)。这样，选用靶面 1/2in(6.4mm×4.8mm)的摄像机，镜头焦距选择10~60mm时：

水平视角 α=2arctanv/2f=35.5°~6.1°(f=10~60mm)

垂直视角β=2arctanh/2f=27°~4.6°(f=10~60mm)。

景物至镜头距离D=f·V/v=7~42m(f=10~60mm)

如图5所示，摄像机抓拍的最小间距l和车辆高度、立杆高度L、立杆至抓拍点的距离D相关，根据计算，最小车间距见表2。

表2 最小车间距

表2可以看出，在立杆高度为6m的情况下，如果跟车距离不大于1.6 m，则抓拍距离应小于16m，这种情况适用于车流量较大的情况。

另外摄像机俯瞰角度ф与驾驶人脸像相关，各抓拍模式如下：

(1)人像优先抓拍模式

用于车辆间距大、车流量不高的城市地面道路，对线圈切割限制较小的路段。该模式因俯瞰角度较小，对各种车型司乘人员的脸像特征可做到近乎100%的有效采集。抓拍效果见图6。

(2)人像，拥堵兼顾抓拍模式

人像，拥堵兼顾抓拍模式，主要用于车辆间距较近、车流量较高的城市地面道路，或对线圈切割有限制的路段。该模式可对各种车型司乘人员的脸像特征进行有效抓拍，部分图像可能由于遮阳板遮挡、司乘人员体态习惯等因素影响司乘人员脸像采集。司乘人员的脸像特征可做到约80%的有效采集。抓拍效果见图7。

(3)拥堵优先抓拍模式

拥堵优先抓拍模式，主要用于车辆间距密集、车流量非常大、或对线圈切割有限制的路段。该模式可对各种车型司乘人员的脸像特征进行有效抓拍，但因取像角度较大，司乘人员的脸像特征可能会有部分遮挡(60%以上的信息有效采集)。抓拍效果见图8。

8 补光方式

考虑到系统必须24 h运行，对于室外图像抓拍，环境照度无疑是个无法避免的问题。为了保证在夜晚、阴雨天环境照度低的情况下抓拍到清晰的图像，要在低照度时给予一定的光补偿，需要增加辅助照明。但一般的用大光灯辅助照明，会产生光污染，对司机的夜间行车造成影响，留有事故隐患，因此采用LED灯补光方式，与摄像机同步触发。该辅助照明模块采用高亮度LED发光管作为发光器件，通过机箱内部的LED灯控板控制发光。它的主要器件是LED频闪灯同步脉冲发生器，主要由场同步分离电路，相位比较电路，压控振荡器，分频器，译码电路以及输出驱动电路组成，视频输入信号经场同步分离电路分离出场同步脉冲给相位比较电路；相位比较电路比较场同步脉冲和译码电路输出的起始脉冲后，输出给压控振荡器；经压控振荡器处理输出给分频器；再经译码电路输出起始脉冲送到相位比较电路，同时译码电路将光输出脉冲经输出驱动电路送到LED频闪灯。采用LED脉冲辅助照明模块，通过与摄像机的快门同步，光利用率达到100%，并减少光污染，在CCTV摄像机弱光条件下对车辆号牌进行补光照明方面具有很高的应用价值。