機場全景可視化系統設計

黎永志 張焱輝

摘 ?要：隨著機場飛行區越來越繁忙，迫切需要智慧化、可視化的技術手段，滿足飛行區管制運行指揮需要，機場全景可視化系統是大規模實現這一目標的重要途徑，是大密度機場提高飛行區運行效率和機場運行效率的必然選擇。本文基于全景4K拼接融合和全景視頻實景地圖的關鍵技術，最終實現成像無拼接痕跡，多個攝像機嚴格同步，畫面色彩均衡統一，拼縫處無重影、無殘缺，讓監控人員體驗完美的全景視頻效果。以融合后的全景視頻為底圖，通過坐標空間轉換關鍵技術，實現信息掛牌和聯動控制業務應用，為飛行區管制運行提供可視化手段。

關鍵詞：民用機場;視頻拼接融合;全景可視化

中圖分類號：TP277 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）12-0009-04

Abstract：The airport flight area is becoming busier and busier，and there is an urgent need for intelligent and visualized technical means to meet the needs of control and operation command of the flight area. Airport panoramic visualization system is an important way to achieve this goal on a large scale，and it is an inevitable choice for dense airports to improve the operation efficiency of the flight area and the airport operation efficiency. Based on the key technology of panoramic 4K mosaic fusion and panoramic video scene map，this paper finally realizes the perfect panoramic video effect for the surveillance personnel，which has no mosaic traces，strict synchronization of multiple cameras，uniform color balance and no ghost or defect at the mosaic. Taking the fused panoramic video as the base image，the key technologies of coordinate space conversion are used to realize the application of information listing and linkage control business，which provides a visual means for the control and operation of the flight area.

Keywords：civil airport;video mosaic and fusion;panoramic visualization

0 ?引 ?言

隨著我國民航快速發展，機場規模不斷擴大、布局更加復雜，多跑道、多滑行道、多航站樓、多機坪的機場眾多，大型機場地面交通流量大、密度大已呈常態化，復雜的運行情況在機場飛行區運行時也尤其明顯。

機場飛行區大致分為機動區和機坪區。機場機動區主要包括機場跑道和主滑行道，在這里面主要是飛機在活動;機坪區主要是停機坪，在這里面活動的不只有飛機，還包括相應的服務保障設備和人員，如客梯車、擺渡車、行李車等以及機務維修、安全監護等人員，運行情況遠比機動區復雜。為滿足飛行區管制運行指揮需要，機場全景可視化系統是大規模實現這一目標的重要途徑，是大密度機場提高飛行區運行效率和機場運行效率的必然選擇。

1 ?基于4K視頻的拼接融合算法

根據機場飛行區可視化運行管制的實際應用需求，我們創新性地利用視頻的拼接融合算法[1]，結合采用先進的4K視頻融合和拼接技術，最終成像無拼接痕跡，多個攝像機嚴格同步，畫面色彩均衡統一，拼縫處無重影、無殘缺，讓監控人員體驗完美的全景視頻效果。

本次實現的4K全景拼接技術，支持每路圖像分辨率為3840*2160，算法支持3到6路視頻流實時拼接，視頻解碼、圖像投影變換、圖像融合、圖像亮度補償、圖像色度補償、圖像顯示均在GPU里完成，利用多線程技術并行加速處理。在拼接過程中，算法自動識別相鄰幀畫面之間的重疊部分及亮度、色度差異，并自動矯正及進行無縫拼接，整個系統參數只在初始幀時計算一次，后續幀僅完成圖像投影變換及圖像融合，從而大大節省時間成本，保證整個系統快速高效的運行。3路4K全景視頻拼接融合圖像效果如圖1所示。

2 ?基于全景視頻的可視化系統

通過全景融合拼接算法形成全景視頻，融合后的全景視頻為信息掛牌（疊加）和聯動控制業務應用提供視頻圖像底圖。

全景視頻實景地圖結合增強現實技術對機場重要目標、設備（低點槍機、圍欄攝像機）、航班信息、入侵事件、飛機入離位事件等以標簽的形式進行標注，形成整體的實景效果，給監控人員帶來非常直觀的現場感。

全景視頻中支持疊加建筑物信息、飛行區中的重要目標（跑道區、飛行區、停機坪）、安保設施（含低點攝像機）、機位編號等信息進行標注，實現飛行區運行全景可視化顯示。

客戶端可通過全景圖像縮放分層顯示各種信息，逐層疊加顯示或隱藏不同信息圖層，支持多極縮放。通過鼠標點擊全景視頻中的目標圖標，即可對標注的重要目標進行詳情查看，可以幫助操作人員快速掌握機場重要區域分布情況，在事件發生后，快速準確地定位到事發現場，迅速獲取區域負責人的聯系方式，極大地減少了操作人員的工作量，有助于提高工作效率。為全景視頻疊加標簽的效果如圖2所示。

為全景視頻中的航空器疊加標簽來顯示航班號等信息，標簽跟隨航空器一起運動，從而輔助機場飛行區管理用戶的調度指揮，提高工作效能。

系統通過接口從A-CDM系統獲取航空器的航班信息，包括航班號、經緯度、海拔、速度等數據（如表1所示），計算得到每個起降航空器的位置信息。同時，全景視頻通過智能分析，檢測視頻圖像中運動的航空器，獲得航空器的位置。系統建立空間坐標系和視頻二維坐標系之間的變換關系，為每個運動的航空器匹配航班信息，將航班信息疊加到全景視頻中。全景視頻航空器掛牌顯示效果如圖3所示。

用戶通過全景視頻可以掌握機場全局態勢，然而由于廣闊的機場監控區域，對于遠處目標，即使4K分辨率也無法獲取清晰畫面，用戶在實際使用中，希望看清遠處的細節。通過坐標空間轉換關鍵技術，用戶可以全景視頻中雙擊目標，系統自動引導激光夜視云臺移動到目標區域，并變倍放大顯示，將目標清晰地呈現在畫面中。全景與云臺聯動效果如圖4所示。

激光夜視云臺在夜間具備較好的成像效果，對于暗處的目標也能較為清晰地成像，同時激光采用的波段對機場航空安全無影響，適用于機場環境。

通過對接航站樓現有監控平臺，獲取攝像機列表與視頻，用戶將已部署的低點視頻在全景視頻中標注，而無須記錄低點攝像機的名稱和位置，在全景視頻中點擊低點視頻的數據標簽，即可彈出獨立視頻窗口播放視頻。從而實現對低點視頻的快捷調閱。在全景視頻中定位事件位置后，即可快速查看事件周邊的攝像機，從多個角度監控事發現場，實現事發周邊多攝像機的同步播放，提高工作效率。全景聯動低點視頻效果如圖5所示。

重要區域入侵檢測與記錄是利用智能視頻分析技術，對4K全景視頻中的該區域進行實時分析處理。檢測該區域的人員和車輛的非法入侵事件，具備目標自動智能發現和跟蹤能力，主動提醒監控人員關注疑似目標，記錄事件全過程。有效保障重點區域的安全，提前消除安全隱患，避免人員、車輛闖入作業區造成的飛行安全事故，提高機場安全管理水平，從科技角度避免（或降低）機場事故的發生。全景視頻分析效果如圖6所示。

通過地圖全局態勢功能，可了解整個系統的態勢，地圖中標記所有攝像機、云臺等設備，顯示云臺的方位角度，在預警發生后，第一時間顯示報警區域，并通過設備配置的參數完成預警目標和軌跡在地圖中的疊加。目標預警后，基于設備安裝參數、云臺角度、預警目標坐標等參數，利用數學公式計算出預警點的實際坐標，并不斷更新目標當前位置，在電子地圖中實時繪制目標軌跡。系統支持目標歷史軌跡的回放。

通過地圖可了解系統的整個態勢，比如當前系統內的設備分布情況、每個設備的當前監視區域、報警目標位置以及報警目標的運動目標等軌跡。電子地圖使信息更加直觀，便于指揮中心值班人員全面掌握實時的綜合態勢，針對不同事件快速便捷地制定精確的指揮計劃，并根據不斷變化的情勢隨機應變，調整戰略。電子地圖態勢效果如圖7所示。

通過地圖聯動支持疊加各種圖標，包括前端設備、報警點、監控中心，用圖標體現設備狀態，并支持選擇，攝像機圖標需要疊加可視區，云臺攝像機實時更新當前監視的扇形區域等。通過地圖，可以引導云臺移動至關注區域，便于事件發生后，監控人員快速引導云臺進行視頻關注。電子地圖示意圖如圖8所示。

歷史數據多畫面回溯功能，可以將機場實時監看的全景視頻，再度以全景的形式回放出來，對整體的歷史事件的回溯，可以更加直觀、準確地再現。便于事后的研判分析和運營的指揮管理，并且可以將關聯的激光云臺視頻同步回放顯示。

3 ?機場全景視頻可視化系統實踐

在多家機場項目中，在飛行區機坪運行指揮時，全景可視化系統是最為方便和直觀的，全景監控畫面符合人視野的習慣性，比起點位監控對地域影像的捕捉更為整體和連貫，有效減少了機坪上飛機滑行與特種車輛的沖突，使出行更加安全。指揮效率的提高，縮短了飛機在機坪上滑行的時間，從而縮短旅客等待起飛和等待下機時間，提高了廊橋使用率，更多安排近機位，可使旅客更方便地上下機。機場全景可視化系統的實施，成為現代化塔臺指揮利用科技手段實施管制運行指揮的重要技術保障。

4 ?結 ?論

本課題研究符合《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020）》《中國民用航空發展第十三個五年規劃》、MH/T 7003-2017《民用運輸機場安全保衛設施》《關于推進航空器機坪運行管理移交機場管理機構工作的通知》等國家、行業的規劃和戰略部署。

機場全景可視化系統投入使用，為機場飛行區域整體監控提供了支撐，從而使指揮人員、監控人員能快速、正確地判斷飛行區域整體運行情況，降低安全隱患，確保人員、財產安全。

參考文獻：

[1] 劉杰，王生進.基于邊界擴展的圖像顯著區域檢測 [J].清華大學學報（自然科學版），2017，57（1）：72-78.

[2] 張建偉，趙旭，潘輝.基于卡爾曼濾波與相位相關算法的機場周邊遠場圖像全景拼接優化 [J].中國民航飛行學院學報，2019，30（2）：5-9.

[3] 張簡.全景視頻監視系統在貴陽機場的應用 [J].電腦知識與技術，2015，11（7）：228-229.

作者簡介：黎永志（1980.08-），男，漢族，廣東佛山人，民航事業部總經理，工程師，有著10多年電子信息、軟件研發經驗和民航行業應用研發經驗，碩士研究生，研究方向：電子工程;張焱輝（1984.08-），男，漢族，廣東梅州人，產品經理，助理工程師，本科，研究方向：通信工程。