高速公路能見度檢測與廣播報警系統探析

李玖霖

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 雙亮度差算法

2005年，呂偉濤等[1]研究了雙亮度差法的大氣能見度檢測方法。該法能準確地檢測大氣的能見度，擴大了觀測系統的測量范圍，提高了測量的準確度，在不同可見性環境、不同可視范圍條件下合理利用規則，打破傳統的檢測方法。郭庚山[2]提出了一種改進的原始雙亮度差方法的新算法，對天空區域進行重新劃分，得到了更準確的實驗數據。陳曉婷等[3]提出了天空信息重構的方法，對天空圖像分割后進行重建，再計算可見度。

雙亮度差算法的工作原理是利用不同距離兩組目標與其背景所呈現出的亮度差進行比較，計算出所選圖片中的氣象能見度。雙亮度差算法檢測原理如圖1所示。

圖1 雙亮度差算法檢測原理

根據Koschmieder定律，兩個黑體目標物之間存在以下關系：

式中：R1、R2——攝像機鏡頭距離兩組目標物體的不同直線距離；Bt1、Bt2——黑體目標t1、t2視亮度；Bt10、Bt20——黑體目標t1、t2的固有亮度；Bg1、Bg2——黑體目標t1、t2對應無限遠天空的視亮度；Bg10、Bg20——黑體目標t1、t2對應天空遠處的原有亮度。

考慮到目標物呈現亮度與圖像對應灰度值為線性關系，經驗算可得到消光系數σ：

式中：GL1、GL2——光源目標L1、L2的灰度值；BL10、BL20——光源目標L1、L2的原有亮度比。

每組目標與背景視線方向同向時，兩組目標與背景的視線方向也彼此接近。假設視線方向上氣柱光學特性和照明條件均默認一致，采用實用黑體作為目標物時，可變換得到：

在實際計算時，受到材料和制造工藝的影響，目標物的固有亮度Bt10、Bt20、BL10、BL20難以量化，且天空的初始亮度難以準確測量。為解決原始公式中部分參數獲取困難的問題，實際應用中經常采用式（7），即理想中的雙亮度差算法計算能見度。

2 暗通道算法

能見度檢測算法如圖2所示。

圖2 能見度檢測算法

暗通道先驗算法是將視頻圖像轉換為暗通道圖像，采用區域增長法將圖像分為天空與其他區域，運用修正系數法對天空區域的透射率進行優化[4]。為了消除暗通道先驗理論假設帶來的誤差，根據不同的能見度條件，設計了一種多模分割方法校正透射比。采用導波消去法消除塊狀效應，得到各像素點的透射率。采用可見度公式、朗伯比爾定律的透射率與消光系數的聯系得出能見度的值。該方法僅需要一個攝像頭，不需要專門設置參考目標和搭建硬件設施供其觀測就能夠快速計算出能見度。

在戶外圖像的大多數無霧區域里，存在較多局部像素，至少滿足一個通道的顏色強度值通常較低，最小像素值趨近于0，這類像素稱為暗像素。

進行數字圖像與計算機視覺處理時，圖像亮度計算公式為：

式中：I——圖像亮度；A——大氣光強；J——場景亮度；t——大氣透射率。

式中：c——蘭基色空間顏色通道；Jc( )y——y像素位置顏色通道的像素值；Ω( )x——x像素點的局部區域；Jdark——J的暗通道。

對于任意一個沒有霧的天氣，大氣之中仍然存在少許粒子。因此，需要把一個固有參數引入檢測到的圖像。

通過實驗確立ω0的值，視頻圖像大氣透射率的預估值是(x)[5]。

3 廣播通信技術

目前高速公路大部分采用基于IP的網絡型廣播。與傳統結構的廣播相比，基于TCP/IP協議傳輸語音編碼可以更好地與視頻監控、事件監測、交通管理等系統兼容，擴展更便利，且支持分布式架構，無須為系統專門設置專用光纖，利用現有標準TCP/IP網絡進行傳輸，數據傳輸更有保障，接入更方便、要求更靈活、成本更節約。同時IP廣播可以直接接入標準的網絡架構，在關鍵的信息點上設置多個關鍵節點，保證其中一個或兩個以上節點出現故障時，不會影響整個系統的正常運作。可以通過系統SDK開發包，直接與第三方系統對接，無須另加對接設備。采用純數字信號傳輸，不易受外圍干擾信號的干擾，失真率低，傳輸質量更有保障，音質更清晰。

IP網絡廣播使用語音編碼（比如PCM）算法，模擬音頻信號A/D進行轉換，轉為數字音頻壓縮文件（目前主流格式采用MP3/WAV格式）或將預制數字音頻文件從存儲的服務器中拿出，根據TCP/IP（部分廠家采用HTTP或SIP協議）通過網絡傳輸，將音頻文件轉化為數據包的格式，發送到接收終端進行網絡廣播。最終通過網絡廣播終端D/A轉換回模擬音頻信號，通過功放驅動高音喇叭工作。IP網絡廣播終端建議選用具有音頻編解碼和網絡通信功能的嵌入式終端，具有獨立IP地址，按照TCP/IP進行通信。道路監控網絡廣播子系統由監測信息網絡廣播主機、語音合成主機、網絡電話終端、網絡錄音主機、觸控網絡配置和網絡播放終端、記錄分布在收費廣場和服務區廣場的高音喇叭、網絡功率放大器（功放）等組成。高速公路道路監控網絡廣播子系統如圖3所示。

圖3 高速公路道路監控網絡廣播子系統

路段監控中心的設備包括IP廣播主機、IP預案觸控臺、IP廣播工作臺、語音合成主機（可以不設置）、網絡錄音主機（可以不設置）、IP話筒、網絡音頻播放終端以及一系列配套軟件。道路攝像立柱配備1臺IP網絡功率放大器（300 W）和2臺150 W戶外防雨（防護等級不建議低于IP65）高音號角。位于服務區中心的高空攝像頭立柱配備1臺功率不低于100 W的IP網絡功率放大器和2臺50 W室外防雨（防護等級不建議低于IP65）音柱。監控大廳內需要設置一套網絡音頻終端便于發布語音信息。道路廣播子系統中，外場IP網絡功率放大器利用工業以太網交換機組成的環網接入局域網。在局域網內的網絡廣播設備監控分中心，通過10/100 m以太網傳輸通道提供的工業以太網環網絡和通信系統，實現語音數據的共享和傳播。

4 結語

基于視頻聯動的事前預警機制，將IP有線廣播系統與視頻能見度檢測系統、視頻監控系統建立聯動實現事前預警機制。能見度降低時，通過視頻聯動的方式發送事件信息至有線廣播平臺，通過事件與監控畫面聯動，調取現場及相關的監控畫面，經過人工確認事件后，自動播放與事件相關的預案類型或者人工播放指令，實現報警的作用。本文將視頻檢測與道路廣播報警結合，通過一系列智能化處理服務，提升高速公路智能管理水平，加快高速公路信息化建設。實現對高速公路沿線段能見度低、氣象災害導致交通事故頻發現象的快速應對，以降低交通事故的發生率，保證人們的生命安全，推進高速公路行業的可持續發展。