基于視覺傳感的動態高危區域檢測與系統構建

安明偉　鄭少華

摘 要： 動態高危區域的檢測、決策發布是智能道路、智能基礎設施研究的重要內容。為提高交通實時監控、安全預警及應急疏導，確保交通安全穩定，提出融合寬帶無線接入，以拓展現有固網視頻接入方式。通過視頻圖像處理和數據挖掘技術，實現道路災害氣象檢測、通數據采集和事件檢測，對高危區域的交通運行狀況和短時交通流量進行預測，進而給出路網狀況評測和交通路網的穩定性分析。通過在高速公路搭建系統進行實驗與測試表明，系統實時性好，檢測準確度高、誤差小，且具有較好的魯棒性，提高了實現高速公路的智能化管理。

關鍵詞： 視頻圖像處理； 事件檢測； 實時監控； 動態高危區域

中圖分類號： TN911?34； TP391.41 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0155?04

Detection and construction of dynamic dangerous area monitoring

system based on video sensing

AN Ming?wei， ZHENG Shao?hua

（Department of Communication and Scout， Armored Force Institute， Bengbu 233050， China）

Abstract： The detection and decision release of the dynamic dangerous area are the important research contents of intelligence road and intelligence infrastructure. To improve real?time supervise， safety early warning and emergency evacuation for transportation， and ensure a traffic safety stability， the broadband wireless connection is put forward to expand the way of the exis?ting fixed network video connection. The road disaster weather detection， data acquisition and event detection are carried out with video image processing and data mining technique to predict the traffic condition and the short time traffic flow in the dynamic dangerous area， and then release the road net condition and the stability analysis. Through the experiment and testing results of the system built in the expressway show that the system has good real?time performance， high detection accuracy， small error and better robustness. It improved the intelligence management of expressway.

Keywords： video image processing； event detection； real?time monitoring； dynamic dangerous area

0 引 言

動態高危區域主要是指在道路行駛過程中發生的與交通安全有關的事件，即可能產生交通安全威脅或風險所有事件和因素。如環境因素，或在路上的障礙，也可能是因之前一些事件產生的不穩定的交通環境，或者突然的交通飽和等。我國發生的交通事故主要就是在這些動態高危區域區，所以，對于動態高危區域的研究和檢測具有重要意義。本文提出融合寬帶無線接入以拓展現有固網視頻接入方式，通過視頻圖像處理和數據挖掘技術，實現道路災害氣象檢測，交通數據采集和事件檢測，并對預測視頻盲區的交通運行狀況和短時交通流量，進而給出路網狀況評測和交通路網的穩定性分析，實現實時監控、安全預警及應急疏導，確保交通安全穩定[1]。

1 系統結構與模塊設計

系統整體結構如圖1所示，以中心服務器為中心，建立基于3G，WiMAX，WiFi的無線網絡的信息采集、傳輸、發布、控制的交通動態高危區域或盲區應急監控系統，兼容原有傳統固網系統，設計車載系統、中心訪問控制、并發處理、應急輔助決策系統，并提供兼容多種終端的Web信息訪問模式[2]。

系統在動態高危區域盲區信息采集系統，即車載系統模塊中，涵蓋了信息采集、兼容RFID等傳感網絡采集設備、信息壓縮編碼和信息的預處理，包括信息過濾、數據挖掘、網絡傳輸QoS保障等功能，通過3G，WiMAX，WiFi等無線網絡將信息回傳中心，在公網上架設中心服務器，兼容原有交通固網監控系統，在中心提供安全訪問控制、網絡固態檢測及反饋、信息多路并發訪問和應急輔助決策等功能，并提供基于Web的信息發布，客戶端提供基于B/S+C/S兼容多種異構終端的訪問模式通過用戶認證，對交通信息進行訪問和相應的控制[3]。系統總體模塊如圖2所示。

1.1 車載信息采集

其主要功能為：視頻采集、編碼、網絡自適應、發送、回顯，RFID等傳感網絡信息采集等等，車載系統以UPS電源或車載逆變器供電，主要包括車載攝像機、視頻采集服務器、無線路由設備、天線、觸摸屏、RDIF射頻等其他信息采集采集設備。車載攝像機負責視頻采集，視頻模擬信號通過視頻采集卡輸入到視頻采集服務器經過視頻編碼（H.264，MPEG4）、封裝（TS、3GPP，AVI，RTP），RDIF射頻等其他信息采集設備通過其相應的射頻采集技術對應急事件中的物體、貨物、路面、設施進行信息采集和處理，通過路由器向中心服務器發送數據，并根據當時網絡的情況，動態調節緩沖和發送頻率，同時在視頻采集服務器內提供基于Web的配置調整界面，通過觸摸屏用戶可以在車上現場實時調節信息采集配置；移動設備通過蓄電池供電，其設備與車載設備相比更具備便攜性，可以由功能較強的3G手機代替或者由便攜式攝像機+便攜式視頻采集發送服務器組成，可以很方便用戶隨身攜帶，并且功能上與車載設備一致[4]。

1.2 中心服務器

中心服務器必須具有公網接口，架設在具有高帶寬的公網上，同時在硬件要求上由于需滿足200路并發；以公網發布為依托，擺脫專網范圍的限制，跨網絡、跨區域，實時性高、靈活性強、架設方便、成本低；并且不需要考慮覆蓋問題、信號送達問題、異構網絡傳輸等采用專網必須考慮的問題。視頻采集端不需要考慮中心服務器的位置和方式，只需將視頻數據發送到公網中某個固定IP上就可很好地完成視頻傳輸目的地問題。

服務器由3個子服務器組成，包括：文件服務器、中心并發訪問服務器、目錄管理服務器，分別應對不同的應用需求，其中目錄服務器是對各個接入系統的客戶端I/O進行安全訪問控制管理、對信息的輸入輸出進行登記和配置、提供基于Web的信息訪問模式、對中心服務器各類事件進行記錄和反饋；文件服務器對各類輸入信息及其相應的輸入管理者進行登記和存儲，并在目錄服務器上進行登記，提供相應的調看訪問；中心并發服務器負責對各類接入的客戶端進行基于并發復用的處理，優化系統負載性能及實時訪問保障。

1.3 再現終端

客戶瀏覽視頻只需要具有Web瀏覽器的手機、PDA、PC、監控大屏等設備，并且需要接入公網，無論是通過WiFi、WiMAX、固網、3G等網絡接入模式；安裝相應的視頻播放查看管理軟件即可查看圖像，用戶通過登錄相應的公網網頁，并點擊相應需要查看的視頻即可，并可融入B/S+C/S模式，在瀏覽器加入控制反饋機制，實現對視頻的實時調度指揮[5]。

2 系統構建

2.1 總體結構及數據流程

路網動態高危區域檢測系統旨在利用路況監控視頻圖像，采用圖象處理、計算機視覺以及模式識別技術，從中發現路況車輛異常，統計路段交通流信息，提取能見度變化的圖像特征，對路況進行全面的綜合分析，并通過高速公路千兆監控以太網發布警報，同時將請求人工干預，以實現高速公路的智能化管理，其總體結構及數據流程如圖3所示[6]。

可以看出，本系統獨立組網，各視頻綜合服務器從以太網獲取視頻數據，并進行分析，檢測其中的車輛、交通流信息，并計算氣象能見度值。當檢測到能見度異常情況時，通知視頻存儲服務器進行預前存儲。

C/S模式的前臺監控終端可實時從視頻綜合服務器獲取監控視頻，獲取異常報警、實時交通流參數以及能見度情況[7]。對于興趣區域可以通過球機控制模塊控制攝像機進行位置調整；并可從存儲服務器調看事故預前錄像和歷史統計參數。當發生異常事件時，在系統終端界面上發出警報，以提醒監控人員。B/S模式的前臺監控可配置各視頻服務器的工作狀態，并從存儲服務器獲取歷史數據，并報表輸出。

設置基于Web的配置管理B/S模式和實時流控制的C/S模式兩種界面模式，分別由兩臺終端實現和使用：

視頻查看模式（C/S模式）： C/S終端用于實時觀看視頻、能見度圖像，并調看歷史視頻和數據查看，進行攝像機控制，預置位設定等操作控制，在公路發生異常行為的情況下，主動提醒監控員采取措施，以防患于未然。系統的操作基本分布在工具欄和菜單上。

設備配置和報表模式（B/S模式）：用于對視頻服務器設備進行配置，包括其圖像輸入端口，工作狀態等，同時對歷史數據進行統計分析，給出統一的報表輸出。

2.2 中心服務器模塊間的通信流程

中心服務器模塊間的通信流程，如圖4所示，告警服務器主程序是一個守護進程，啟動后就一直在運行，監聽網絡上的控制命令組播端口，等待告警終端的指令；在收到告警終端指令后，判斷指令類型，如果是對指定視頻進行告警，對系統進行檢測，如果符合系統運行要求，啟動子進程視頻檢測程序檢測指定視頻，然后返回到等待網絡命令狀態；如果指令為關閉指定視頻，對告警列表進行檢查，關閉已經啟動的檢測進程。

告警進程在啟動后，按照告警終端的所指定的圖像地址，接受網絡組播圖像，進行分析處理，將處理后疊加字符、異常標識、告警提示等附件信息的視頻通過組播網絡發送，并針對異常事件給出觸發信令，提示監控終端及時進行處理。

3 系統特點

3.1 實時監控

提供覆蓋廣泛，成本低廉的監控覆蓋范圍，構建基于三網融合乃至多網融合的實時監控體系，構建基于電信運營商3G及寬帶網絡和交通專網為主體的大網架構，兼容基于WLAN、WiMAX的無線網絡，基于802.11P的無線車聯網等協議，在無線、有線、IPv4、IPv6等多種協議上，兼容合并現有網絡，采用以固網為主導、移動網絡為補充，在原有的固定監控的基礎上，構建基于范圍更加廣泛、實時性更加高效的移動實時監控。

3.2 安全預警

針對交通狀態的實時分析、模型構建、車輛跟蹤、事故預警、災害天氣預警、預警信息發布等方面，構建以視覺傳感為主的，基于交通流分析的交通實時安全預警，采用多元傳感為信息采集單位，針對實時監控的數據的分析、挖掘和融合，實時給出對交通實時態勢的評估，同時對交通敏感信息，包括：災害天氣、路面黑冰、特殊車輛的軌跡跟蹤、交通流量估計等多種交通應急情況的實時檢測和預警。

3.3 應急疏導

針對已發生或可能發生的交通事故、交通擁堵、交通突發情況，為管理者和出行者做出實時高效的應對策略，構建以路由誘導、交通信號燈控制、匝道控制為手段的，以交通流控制、分流、疏導和應急救援為目的，城市交通和高速公路交通為服務對象的交通應急疏導機動處理響應機制和方式。

4 結 語

基于視頻傳感的動態高危區域檢測系統采用路況現有的攝像數據為統一的分析對象，其建設和維護均無需破壞路面，成本低，密度高，覆蓋面廣，反應快，促使交通基礎設施能發揮出更大的效能。同時，動態高危區域分析系統的應用，將大步提升事件檢測的反應速度快，定位精準，縮短事故發現時間，可及時發現高危區域車輛異常行為，統計路況交通流參數，實時計算路況帶狀能見度分布，并進行報警和錄像，大大提高了監控系統效率，有利于減少交通事故過程中的傷亡以及傷害程度，并可極大減少由此引發的二次事故。系統以其豐富的數據為高速公路管理和決策提供了便捷、全面的信息。并以此開展進一步的交通數據分析，給出行者提供實時有效的信息，提高服務質量，從而獲得巨大的社會經濟效益。

參考文獻

[1] 安明偉，趙霖，陳啟美.基于IP融合的公路監控視頻編碼選擇研究[J].電視技術，2007，31（3）：88?90.

[2] 李勃，董蓉，陳啟美.無需人工標記的視頻對比度道路能見度檢測[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2009，21（11）：1575?1582.

[3] 郭凡，陳啟美，李勃.基于云臺攝像的實時車速檢測算法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2006，18（9）：1337?1344.

[4] VLAHOGIANNI E I， KARLAFTIS M G. Comparing traffic flow time series under fine and adverse weather conditions using recurrence?based complexity measures [J]. Nonl Dyn， 2012， 69（4）： 1949?1963.

[5] 范泳文，官洪運，蔣靜學，等.基于3G網絡的智能交通視頻監控系統[J].電視技術，2012，36（5）：103?105.

[6] 李勃，陳啟美，王穎健.路況監控圖像預警處理算法實現[J].公路交通科技，2004，21（12）：123?126.

[7] MA Lin， LI Song?nan， ZHANG Fan， et al. Reduced reference image quality assessment using reorganized DCT?based image representation [J]. IEEE Transactions on Multimedia， 2011， 13（4）： 824?829.