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浅谈高清电子警察智能化系统设计
近年来，随着社会经济的快速发展，城市规模越来越大，机动车保有量也急速增加。与此同时，带给交通管理的问题也越来越多，鉴于此，电子警察得到了飞速很快，在全国各大中型城市得到大规模应用，对各地公安管理部门在治安和交通管理方面起到了积极作用。比如，对机动车违停、逆行、闯禁令、违规掉头、不系安全带等交通违法、违规行为进行实时抓拍。然而，传统标清电子警察因其像素有限，已不能满足日益复杂的道路情况需求，高清替代标清已成为必然趋势。基于此，盛视科技推出采用LINUX操作系统的高清智能化电子警察系统方案。
一、系统概述
本系统主要设备由前端信息采集部分、网络传输部分和中心管理部分组成，系统核心设备为嵌入式一体化高清摄像机，该摄像机由盛视科技自主研发，采用LINUX操作系统，集抓拍、录像、传输于一体，每个车道摄像机都能独立正常工作，结构简单、性能稳定，环境适应性强。从系统、整体的范畴考虑，将交通中的各要素综合考虑，做到人、路、车三者的有机结合，充分应用闯红灯记录系统使交通监控真正实现“智能化”，极大地提高交通管理的效率，确保交通安全。
二、系统结构及功能
该系统采用采取线圈检测方式（视频检测辅助），全天候稳定的对过往车辆进行检测，结合红绿灯状态进行卡口数据的记录和违章数据的取证，采用200万CCD高清一体化摄像机为采集主体，200万单台摄像机覆盖单向2车道；同步支持闪光灯进行夜间补光，每个路口采用1080P摄像机作为全景摄像监控（部分路段需要2个高清球作为全景监控）。设备稳定，结构简单，便于安装维护。
1、系统架构
整个电子警察系统主要由前端采集子系统、网络传输子系统和中心管理子系统三部分组成。（见图1）
图1 电警系统整体结构图
本系统的组成分以下几个部分：市中心机房系统、电子警察系统前端设备。系统各部分配置主要包括管理服务器、转发服务器、网络存储等设备，市中心机房系统是系统的管理核心。
（1）管理服务器：包括超速车、旅行时间计算，黄标车、违章车、假牌车、违规车辆查询处理、黑名单计算、布控信息登记、预警信息处理、预警信息发布等。
（2）转发服务器：承接所有前端系统设备的识别数据、车牌识别子系统图片、流量数据等业务数据的接入，并将各类数据分别上报给管理服务器；另一方面，转发服务器承接管理服务器关于报警、布控、黑名单更新、远程参数配置、视频、图片、车辆信息查等数据，并下发给前端电子警察系统设备。
（3）网络存储：存储所有车辆抓拍图片、识别比对结果等重要数据。抓拍图片与识别比对结果等重要数据均存储在车牌识别系统专用的网络存储；车牌识别子系统业务数据的存储服务、查询，存储所有的车辆数据和综合业务数据，并承担除超速、旅行时间、套牌车计算等之外的所有实时计算和综合业务的数据库请求。
2、系统功能
（1）前端采集系统功能。电子警察系统具备机动车、非机车目标捕获功能、记录功能、号牌识别功能、颜色识别功能、通信传输功能、系统设备管理功能、系统安全管理功能、系统运行状态监测功能、通信状态监测功能、远程维护管理功能等。
（2）车辆捕获功能。系统除了能够捕获违法闯红灯的车辆外，还能捕获在车道上正常行驶的车辆（卡口功能），能捕获记录车辆闯红灯过程中三个不同位置的信息以反映机动车闯红灯违法全过程。
（3）闯红灯记录功能。系统对闯红灯的违法车辆记录三张不同位置的高清全景图像以显示违法过程。第一幅图片中清晰辨别闯红灯时间、红灯信号、车辆类型、车牌号码、车身颜色、车身未越过停止线的情况；第二幅清晰辨别闯红灯时间、红灯信号、车辆类型、车身颜色、车牌号码和整个车辆已越过停止线的情况；第三幅能够清晰辨别闯红灯时间、车辆类型、车身颜色、车辆越过相邻方向的道路中心延长线并且在相应红灯相位继续行驶的情况。三张图片中车辆位置保持适宜的距离反映车辆闯红灯的过程。全景图像存贮的图像编码符合ISO/IEC 15444:2000的要求，压缩因子小于70。系统记录的车辆信息除车辆图像信息外，还记录车辆的通行文本信息，如时间、地点、红灯点亮时间、车速、限速、车牌号码、号牌颜色、车道、违章代码等。车辆通行信息写入关联数据库，并将相关信息叠加到图片上。
车辆图像捕获时不受雨、雪、雾等天气、环境光的影响。在环境无雾包括雨雪天气下，所抓拍记录的闯红灯违法车辆图像能分辨红灯状态、停车线位置、车辆类型、车辆颜色、车牌号码、号牌颜色等主要信息。
在环境照度比较低的情况下（例如夜晚），系统自动开启补光设备进行补光，以增强图片亮度，保证图片足够清晰。在强光照射下（例如晴天正午），系统会自动调整摄像机的成像模式，抑制强光影响，保证图片曝光正常，成像清晰。在逆光情况下，系统也会自动调节拍摄主体的亮度，其逆光补偿可保证车牌依然很清晰。这样，在各种环境和气候条件下，摄像机都可以拍摄到清晰的图片，非常有利于人工辨认和机器识别牌照信息。
（4）卡口功能。系统具有卡口功能，即在绿灯、黄灯状态时，对通过每个车道的所有车辆进行检测、抓拍、记录、保存和识别，以减少重复投资。
（5）速度测定功能。通过铺设的地感线圈间距以及车辆经过时间的前后来测量速度，采用高精度响应时间短的车辆检测器，测量速度精确，误差小，在车辆触发的同时，有效的速度值立即传输到图像采集单元，并叠加到图片的OSD数据信息中进行上传或本地存储。
（6）号牌自动识别功能。系统采用国内领先的图像识别算法，对所有通过车辆进行车牌号码识别、号牌颜色识别、车身颜色及车型等自动识别。识别方式可选择前端识别也可选择后端识别。
（7）车身颜色识别功能。系统可自动对车身深浅和颜色进行识别，可供用户根据车身颜色来查询通行车辆，为公安稽查和刑侦案件侦破提供了科技新手段。系统可自动区分出车辆为深色车辆还是浅色车辆；并识别出9种常见车身颜色，9种颜色包括：白、黑、红、黄、灰、蓝、绿、粉、棕。深浅分类准确率不小于80％；9种常见车身颜色识别准确率不小于70％。
（8）高清录像功能。高清全景摄像机能实现24小时高清视频录像功能，分辨率可达1600×1200。可以在白天或夜间有辅助光源的情况下实现监控和清晰录像；视频编码格式支持主流的H.264；录像中能清晰地反映车辆的颜色、车辆类型、运动轨迹；中心并提供录像查询、录像下载等功能。
（9）数据存储功能。系统采集的车辆图片、违章数据、高清录像等数据支持前端存储和中心集中存储。前端存储设备包括抓拍摄像机内置的SD卡和终端管理设备内置的大容量硬盘，系统在前端即可实现数据的备份存储功能。中心存储是将数据保存在位于后端中心的集中存储系统，如大容量磁盘阵列等，后端存储系统分为图片存储和高清录像存储两个部分，图片存储采用网络集中存储，高清球机的录像采用专用网络硬盘录像机进行存储。
（10）图片合成和防篡改功能。系统从前端摄像机的DSP上对图片加水印，也就是从数据的源头加密，防止在传输、存储、处理等过程中被人为修改，断绝了数据篡改的可能性。系统通过图片加水印的方法来实现图片防篡改功能。抓拍主机抓拍图片时会对原图加水印（水印在图片上不显示），图片通过网络传输到中心管理服务器，中心管理软件自动对每一张图片进行水印验证，在图片查询中列出正常图片、被篡改图片等信息。也可通过单独的验证工具软件，对前端单独拷贝出来的图片进行手动验证。
（11）断点续传功能。
系统支持多种方式的数据传输：可通过FTP或TCP/IP方式将违法数据、车辆通过信息（时间、地点、车牌号码等）、设备监测数据等上传到中心管理系统；也可在中心通过网络调用或下载操控前端设备存储的数据。
系统支持数据的断点续传：如因网络中断或其它故障，无法将数据由前端上传至中心，可暂时将数据存储在前端，待网络恢复后前端存储设备会自动上传网络中断期间的数据。
三、前端系统
1、前端布置
前端布置的示意图具体如图2所示。
图2 线圈检测方式前端布置示意图
线圈检测方式在主干道上，两车道设置1个200万一体化高清摄像机做为车辆抓拍作用；每个方向两车道安装1个闪光灯，闪光灯与摄像机的水平安装距离3米，摄像机、闪光灯安装在同一杆上，安装高度6米；每个路口设置1台200万像素的1080P的高清网络球机作为全景摄像点（部分路段需要2个高清球作为全景监控）；摄像机检测区域距离摄像机23米。
2、前端系统结构
前端系统结构具体如图3所示。
图3 200万摄像机前端系统结构图
3、前端设备配置
前端系统主要功能包括图像采集、车辆抓拍等，设备配置主要有一体化高清摄像机、地感线圈、信号检测器、闪光灯、交换机、智能终端管理设备、光传输设备等。
（1）一体化高清摄像机。
一体化高清摄像机主要用来抓拍车辆后景高清图片。摄像机抓拍到的车辆后景图片清晰度很高，通过配套的图像识别软件可以检测出车辆的牌照。摄像机内置视频检测车辆以及车辆违章功能。
（2）地感线圈和信号检测器。
地感线圈主要是配合电子警察系统工作，即当车辆经过时触发地感，地感线圈通过车辆检测器向检测系统发出触发信号，高清摄像机接收到信号后，便立即对该车辆启动抓拍识别流程；在红灯其间同时检测信号控制信息，与车辆检测器相结合，捕获记录车辆闯红灯过程中三个不同位置的信息以反映机动车闯红灯违法全过程。
（3）补光设备。
为适应夜间照度不足时的车辆捕捉抓拍，前端系统的所有车辆摄像机加装补光灯。补光灯可有效地对车辆牌照进行照明及补光，增加图像识别可用性。对于前端监控点，补光设备的类型和安装方式应根据现场环境的具体情况而定，在不影响驾驶员的驾驶的前提下，保证车牌的识别率及违法三要素停车线、车身、停车线违法抓拍图片的成功率。
（4）智能终端管理设备。
智能终端管理设备功能：智能终端管理设备具有根据摄像机违法抓拍图片进行合成，进行电子警察功能，并对抓拍图片与车辆信息进行前端存储，与后台服务器通讯功能。
（5）全景摄像机。
为了对路口的情况了如指掌，对每个路口设置一台高清1080P的200万像素的一体化球机（部分路段需要2个高清球作为全景监控），对路口全实时监视和录像。
四、线圈系统
1、工作原理
线圈系统的架构如图4所示。
图4 系统工作原理示意图
其工作原理具体如下：
（1）当信号检测器检测到红灯信号并有车辆离开线圈A时，系统触发抓拍第一张图片同时进行车辆号牌的识别，如为卡口型电警则将此图片作为卡口抓拍图片并记录。
（2）当信号检测器检测到红灯信号并有车辆离开线圈B时，系统触发抓拍第二张图片。
（3）当信号检测器检测到红灯信号并有车辆离开线圈C时，系统触发抓拍第三张图片。
（4）系统将此停车线前后的三张不同位置图片作为闯红灯车辆的违法依据上传至中心平台，且可根据需要做合成处理；
2、工作流程
系统的工作运行流程图如图5所示：
图5 系统工作运行流程图
线圈检测切换视频检测是通过先进的视频识别算法，实现对车辆进行跟踪、分析和识别，从而实现在线圈故障时，自动切换到视频触发，当线圈修复后，再自动恢复到线圈触发模式。线圈检测时摄像机会一直自动地在检测车检器输出的信号包，当线圈出现故障时，车检器就不会再发出信号，如果在一段时间内如3分钟（时间可定义）都没有收到车检器发出的这个信号时（类似于检测设备的心跳存在机制），摄像机就会做出自动切换到视频检测状态，切换时间非常短，以秒计。
五、网络传输系统
传输系统就是图像信号及控制信号的传输通路。本系统的传输线路前端路口设备至监控中心机房之间远程数据的传输。
1、本地传输系统
智能终端管理设备、一体化高清摄像机、全景球机经过前端交换机，光纤收发器的传输到各区中心机房，接入以太网。
2、远程传输系统
远程传输系统是指从前端接入监控中心的图像、数据与控制信号的传输，通过以太专网来实现。为保证前端资源传输，每个前端监控点到中心机房的接入带宽不低于10M，按照监控点的地理辖区来划分，8个监控点以下的派出所到中心机房的带宽不少于100M，8个监控点以上的派出所及所有县（市）局、分局、其他监控中心到中心机房的带宽不少于1000M。
六、存储设计
后端存储系统分为图片存储和高清录像存储两个部分，图片存储采用网络集中存储，高清球机的录像采用专用网络硬盘录像机进行存储。
（1）前端图片存储：每个前端电子警察路口均配置一台盛视智能终端服务器，内置1T硬盘。
（2）全景图像后端存储，所有的前端高清全景球机的录像全部采用盛视高清网络硬盘录像进行存储，每台1080P网络高清球机采用8M码流录像。录像保存时间30以上。
