高清視頻監控卡口系統前端設計淺析

徐 艦

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市200092)

0 前言

隨著全國道路交通建設的快速發展和機動車輛的迅速普及，與道路和機動車輛相關的刑事和治安案件呈逐年上升趨勢，特別像肇事或作案后駕車逃逸，盜搶機動車輛，車輛走私等。另外，近些年因周邊環境的不斷惡化、恐怖行為的不斷侵擾，對于像打砸搶燒、聚眾斗毆等群體性暴力事件也從鮮有發生發展到現在的近于常態化的窘境。

為此，為提高對刑事、治安案件的快速響應、處理及進一步預防的能力，設置高清視頻監控卡口系統對于交通治安具有重大的現實意義。

1 系統總體架構及組成

高清視頻監控卡口系統總體架構如圖1所示，系統由前端信息采集系統、通信系統、信息中心三部分組成。

(1)前端信息采集系統：主要功能為信息采集和通信，即采集并記錄所有經過本斷面的機動車、非機動車、行人等信息，對經過的車輛進行車牌識別、經過的非機動車和行人進行記錄，采集本斷面所有機動車、非機動車、行人的圖片和數據信息，并與信息中心通信。

(2)通信系統：完成前端卡口信息采集子系統與信息中心之間的高速通信，傳輸前端卡口信息采集子系統所采集的各種數據和圖片，滿足系統對分布式存儲在各前端卡口信息采集子系統內的各種數據的調用。

(3)信息中心：是高清視頻監控卡口系統核心業務處理中心，是用戶訪問整個卡口系統的窗口；完成數據信息和圖片的接收、處理及存儲，實時展示系統和前端采集設備的狀態以及對系統的日常管理；根據實時車輛信息，進行黑名單比對、套牌車檢測、行駛軌跡分析、跟車關聯查詢分析等業務處理，完成對車輛布控等實戰驗證功能；能夠根據業務要求，提供綜合查詢功能，為業務分析提供參考依據。

高清視頻監控卡口系統總體架構見圖1。

2 前端信息采集系統組成

從卡口布控的工作性質考慮，系統對運動狀態的目標不但要有高圖像捕獲率，還必須抓拍到清晰的圖像(車牌、前排司乘人員、行人)，作為事后查詢和取證的重要依據。

前端信息采集系統見圖2，主要組成為控制主機、攝像機、輔助照明設備、軟件及設備基礎設施等，安裝在外場路段，通過采集控制軟件實現全天候不間斷的機動車、前排司乘人員、非機動車和行人的圖片抓拍和信息處理、存儲、通信等功能，對于抓拍的機動車圖片實現號牌自動識別等功能，所有信息在前端控制主機內進行存儲，并由專用通信軟件將獲取的所有信息實時傳遞給信息中心。

3 前端系統設計

由于卡口點具有路況條件復雜、對象移動不規律、周圍環境不可預料性等特點，為保證系統在上述各種條件下運行的高可靠性與可用性，需要采用較為合理的技術實施方案，包括前端攝像機的選擇、布置方式、觸發方式、抓拍距離以及補光方式等。

4 前端攝像機

經過多年的發展，視頻技術經歷了從模擬到數字、從低分辨率到高分辨率的不斷進步，表1是一些常用的視頻分辨率規格，圖3是相同視角下不同分辨率圖片的比較。

早期卡口系統幾乎都采用模擬標清成像技術，記錄的車輛信息為車牌部份圖像和車輛的全景圖像兩張圖片，分辨率最大為768×576。模擬攝像機所采用的圖像傳感器雖然具有線性好，反應靈敏的特點，最低光照度可小于0.01 LUX，但也存在諸如模擬線性成像中面臨的圖像層次區分不明朗，對比度差等問題，直接的結果即是對于刑偵、治安等業務部門要求追查套牌車輛、黑名單車輛、肇事車輛的司機面貌來講就無能為力，無法為其提供具備清晰面部特征的目標車輛前排司乘情況。

鑒于近年來高清成像元器件(大尺寸CCD、CMOS)和數字信號處理技術(高速DSP)處于高速發展期，高清視頻成像技術和相關產品也已經非常成熟并廣泛應用，采用數字高清成像技術，能達到1 920×1 080分辨率，有效像素在200萬以上，是標清卡口系統的5倍以上，可以利用更少的設備覆蓋更大的目標識別場景，并能夠對局部目標進行清晰放大，很好地解決了刑偵、治安等業務部門對于嫌疑目標面部特征、前排司乘人員面部特征、可疑車輛車型外貌的細節辨識問題，是卡口系統建設的新熱點和新的發展方向。

表1 常用視頻分辨率

采用高清攝像機作為前端卡口視頻檢測的視頻采集單元，從而全面提升卡口系統的警用服務水平。另一方面，采用高清也能更好地滿足系統對于可擴展性的要求，在圖像處理技術進步的前提下，可以提供更多的采集信息單元，從而降低將來系統升級改造所帶來的成本。

5 前端攝像機的布置方式

根據機動車道和非機動車道目標抓拍的實際需求，在每條機動車道配置1臺高清攝像機；非機動車道雙向各配置1臺高清攝像機；每條機非混合車道雙向各配置1臺高清攝像機。

非機動車道上的攝像機布置方案應不同于機動車道，具備其獨有特性，是單一方向抓拍還是雙向抓拍，雙向抓拍是采用同一立面還是不同立面，存在以下幾種不同的布置方案：

(1)單方向抓拍

僅對非機動車道單個方向進行抓拍，對于逆向行駛或行走的移動對象，無法捕捉到正面圖片信息，難以滿足業務應用需求。

(2)同立面雙向抓拍

非機動車道在同一門架或立桿上布設雙向抓拍攝像機，比較節約基礎設施成本，但抓拍的兩個斷面間的跨度相對較大，容易漏抓信息。

(3)不同立面雙向抓拍

非機動車道在兩不同的門架或立桿上布設雙向抓拍攝像機，相對基礎設施的成本會較高，但其具備很大的靈活性，安裝高度、拍攝角度以及與補光單元的配合等，是其他方案所不具備的。

綜合考慮各項因素，采用不同立面雙向抓拍效果較佳。

6 觸發方式

為保證對機動車、非機動車和行人都能進行準確抓拍，視頻觸發是當前最為切實可行的方式。所以對機動車道和非機動車道采用視頻檢測為主的觸發方式。另外，為提高機動車的車速檢測精度，每一機動車道和機非混合車道設置一組雙檢測線圈。

(1)非機動車道觸發方式

主要采集對象為非機動車、行人及可能出現的機動車，系統對此主要采用視頻檢測的觸發方式。在光照條件相對較差時，由補光單元依據光感元件針對現場光照度的大小，自動調節補光量的多少，充分體現節能環保；當有移動物體出現時，抓拍單元對由攝像機以一定幀速拍攝的視頻進行分析，輸出移動物體處于最佳位置的圖片；預處理單元對得到的圖片信息做進一步的特征信息提取，包括移動方向、衣著主體顏色等；通信傳輸單元對獲取的圖片、數據信息進行本地存儲與遠程傳輸。

(2)機動車道及機非混合車道

主要采集對象為機動車輛、混行非機動車與行人，主要采用視頻檢測為主輔以線圈的觸發方式。補光單元依據現場光照度，自動調節補光量；當有移動物體出現時，抓拍單元對由攝像機以一定幀速拍攝的視頻進行分析，輸出移動物體處于最佳位置的圖片，同時輔以雙環形檢測線圈進行交通參數檢測，需保證檢測線圈輸出交通參數的對象和時間與視頻分析輸出圖片的對象和時間保持一致；如果接收到線圈檢測數據而視頻檢測無觸發時，視頻分析處理應兼顧線圈檢測信息，保留距線圈觸發最為接近時刻的抓拍圖片(在保證系統同步的前提下)，確保車輛的高捕獲率；預處理單元對圖片信息進行特征信息提取，包括號牌號碼、號牌顏色等；通信傳輸單元對獲取的圖片、數據信息進行本地存儲與遠程傳輸。

7 抓拍距離

影響卡口建設的技術指標主要有以下三種：

(1)車輛圖像捕獲率：所記錄的有效車輛數(指車輛圖像中包含全景圖像要求的車輛數)與實際通過斷面車輛數的百分比。

(2)號牌識別準確率：信息識別正確車輛數與斷面號牌信息有效的車輛總數的百分比。

(3)需要掌握道路上機動車前排司乘人員的面貌特征。

以上三個指標互相影響，其中影響最大的因素是攝像機拍攝角度(即攝像機立桿高度與攝像機立桿到抓拍點的距離之比)，在立桿高度一定的情況下(6 m)：攝像機立桿到抓拍點的距離越大，高峰時期前后車輛遮擋的概率越高，車輛圖像捕獲率越低；攝像機立桿到抓拍點的距離越大，由于號牌縱向變形越小，號牌識別率越高；攝像機立桿到抓拍點的距離越大，由于俯瞰角度越小，車頂遮擋前排司乘人員的面貌特征的概率越小，臉像越清晰。

根據攝像機到被監控目標的距離D，選擇鏡頭的焦距f后，則由攝像機靶面決定了視野V·H，其間的關系 f=v·D/V或 f=v·D/H，見圖4。

視野也可用視角的大小來表征，即水平視角α：2arctanv/2f，垂直視角 β：2arctanh/2f，因此當設定高清晰攝像機覆蓋抓拍寬度不小于4.5 m(兩個車道攝像機覆蓋范圍9 m，與兩個車道的寬度(約7.5 m)相比，視場重合1.5 m，滿足跨線抓拍的需求)。這樣，選用靶面 1/2in(6.4mm×4.8mm)的攝像機，鏡頭焦距選擇10~60mm時：

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

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

景物至鏡頭距離D=f·V/v=7~42m(f=10~60mm)

如圖5所示，攝像機抓拍的最小間距l和車輛高度、立桿高度L、立桿至抓拍點的距離D相關，根據計算，最小車間距見表2。

表2 最小車間距

表2可以看出，在立桿高度為6m的情況下，如果跟車距離不大于1.6 m，則抓拍距離應小于16m，這種情況適用于車流量較大的情況。

另外攝像機俯瞰角度ф與駕駛人臉像相關，各抓拍模式如下：

(1)人像優先抓拍模式

用于車輛間距大、車流量不高的城市地面道路，對線圈切割限制較小的路段。該模式因俯瞰角度較小，對各種車型司乘人員的臉像特征可做到近乎100%的有效采集。抓拍效果見圖6。

(2)人像，擁堵兼顧抓拍模式

人像，擁堵兼顧抓拍模式，主要用于車輛間距較近、車流量較高的城市地面道路，或對線圈切割有限制的路段。該模式可對各種車型司乘人員的臉像特征進行有效抓拍，部分圖像可能由于遮陽板遮擋、司乘人員體態習慣等因素影響司乘人員臉像采集。司乘人員的臉像特征可做到約80%的有效采集。抓拍效果見圖7。

(3)擁堵優先抓拍模式

擁堵優先抓拍模式，主要用于車輛間距密集、車流量非常大、或對線圈切割有限制的路段。該模式可對各種車型司乘人員的臉像特征進行有效抓拍，但因取像角度較大，司乘人員的臉像特征可能會有部分遮擋(60%以上的信息有效采集)。抓拍效果見圖8。

8 補光方式

考慮到系統必須24 h運行，對于室外圖像抓拍，環境照度無疑是個無法避免的問題。為了保證在夜晚、陰雨天環境照度低的情況下抓拍到清晰的圖像，要在低照度時給予一定的光補償，需要增加輔助照明。但一般的用大光燈輔助照明，會產生光污染，對司機的夜間行車造成影響，留有事故隱患，因此采用LED燈補光方式，與攝像機同步觸發。該輔助照明模塊采用高亮度LED發光管作為發光器件，通過機箱內部的LED燈控板控制發光。它的主要器件是LED頻閃燈同步脈沖發生器，主要由場同步分離電路，相位比較電路，壓控振蕩器，分頻器，譯碼電路以及輸出驅動電路組成，視頻輸入信號經場同步分離電路分離出場同步脈沖給相位比較電路；相位比較電路比較場同步脈沖和譯碼電路輸出的起始脈沖后，輸出給壓控振蕩器；經壓控振蕩器處理輸出給分頻器；再經譯碼電路輸出起始脈沖送到相位比較電路，同時譯碼電路將光輸出脈沖經輸出驅動電路送到LED頻閃燈。采用LED脈沖輔助照明模塊，通過與攝像機的快門同步，光利用率達到100%，并減少光污染，在CCTV攝像機弱光條件下對車輛號牌進行補光照明方面具有很高的應用價值。

9 結語

高清視頻監控卡口系統前端設計時除了考慮上述幾項因素外，對前端系統控制主機的選擇、外場建設的周邊環境因素(與交叉口距離；附近是否有車輛出入口、岔道、人行橫道、公交車站、高架(隧道)上下匝道；常態擁擠狀態區域等)都應進行有效分析。

通過高清視頻監控卡口的建設，可以有效遏制車輛違章行為，控制、減少道路交通事故，減少機動車輛治安案件的發生，應用道路監控設備結合現代信息網絡技術，形成道路監控智能化網絡系統，更好地提升道路動態管控和滿足治安、刑偵、交通管理新形勢下的業務需求。