智能交通是上世紀(jì)末提出的新概念,現(xiàn)在正以極快的速度形成新的產(chǎn)業(yè),展示了極大的市場(chǎng)。它涉及多種學(xué)科,其關(guān)鍵技術(shù)是如何獲取高速行駛車輛的清晰圖像,包括車型、顏色、車牌、行駛速度,特別是夜間如何獲取這些圖像和參數(shù)。
一、問題的提出
從原理上講,一切運(yùn)動(dòng)物體特別是高速運(yùn)動(dòng)物體的成像,都必須用高速攝影或高速攝像,前者用膠片記錄,后者用錄像帶、硬盤等光電磁介質(zhì)記錄。通過所記錄的動(dòng)態(tài)圖像判讀運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)參量,如速度、加速度(或減速度),旋轉(zhuǎn)角速度,攻角等。火箭、導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)和參數(shù)是這樣測(cè)量,行駛車輛的速度、車型和車牌成像也同樣需要這樣測(cè)量,即首先將行駛車輛“凍結(jié)”成清晰的圖像,然后再藉此判讀車輛速度。我國(guó)交通電視監(jiān)控方面的資深專家有一段精辟的論述[1.gif>:、識(shí)別車輛顏色,尤其是在夜間復(fù)雜照明環(huán)境中,各種路燈光源在車輛表面產(chǎn)生的不同反射,相似顏色在高速移動(dòng)中的抓拍等等因素使得技術(shù)實(shí)現(xiàn)困難重重,到目前為止,尚未見到國(guó)際上出現(xiàn)商品化的產(chǎn)品.
可以用一句總結(jié)性的話來說,普通攝像要完全應(yīng)對(duì)智能交通所面臨的諸多技術(shù)需求是困難的。主要的技術(shù)限制是:一是解決不了精確同步問題(在高速攝像研究中大約要花1/3到1/2的時(shí)間和精力來解決同步問題);二是解決不了高速問題,也就是說車速高到一定程度,圖像(主要是車牌圖像)就拍不清晰,特別是夜間拍不清晰。對(duì)于100km/h以上的車速,白天光照條件好時(shí),或許可以獲得車輛圖像,可天微亮,傍晚,夜間,普通攝像是難以獲得清晰圖像的,更不用說是彩色圖像了。三是高速條件下的彩色復(fù)現(xiàn),識(shí)別。四是視頻智能觸發(fā)作為智能交通領(lǐng)域?qū)淼囊粋€(gè)發(fā)展方向,用普通攝像技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來困難重重,誤觸發(fā)率高.
總的說來,普通攝像技術(shù)應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域具有攝像頻率低,“凍結(jié)”能力不夠的技術(shù)困難,而且是無法用其它技術(shù)措施來補(bǔ)救的,因?yàn)楸粶y(cè)對(duì)象是有一定速度的行駛車輛,速度越高,這種技術(shù)不足越明顯。為了克服以上瓶頸技術(shù),又為了用視頻檢測(cè)技術(shù)來解決交通信息采集問題(專家認(rèn)為[1.gif>:現(xiàn)代應(yīng)用的各類交通信息檢測(cè)方式中,與環(huán)形線圈、壓力、趨聲波、微波、紅外、激光等手段相比,能夠取得最豐富內(nèi)容信息的莫過于視頻檢測(cè))。智能交通領(lǐng)域應(yīng)引進(jìn)高速攝像技術(shù)。當(dāng)然目前國(guó)外的高速攝像系統(tǒng)由于價(jià)格昂貴(美國(guó)生產(chǎn)的1000幀/秒高速攝像系統(tǒng)售價(jià)10萬美元),還不能為我國(guó)交通部門所接受。那么出路有沒有呢?
二、高速攝影與高速攝像
高速攝影在信息論中是這樣定義的對(duì)于一個(gè)人眼無法跟隨的高速流逝過程,高速攝影提供了一種耦合的時(shí)空信息系列,其中空間信息用圖像來表達(dá),時(shí)間信息用拍攝頻率來表達(dá)。上世紀(jì)八十年代中期以前,世界上以各種速度運(yùn)動(dòng)的目標(biāo), 如果人們想“看清”目標(biāo)的圖像,獲得運(yùn)動(dòng)的參數(shù),最有效的技術(shù)手段是用高速攝影機(jī)來加以記錄。世界各國(guó)發(fā)展的各種各類高速攝影機(jī)解決了當(dāng)時(shí)急需的測(cè)試所需,子彈、氫彈的爆炸,火箭、導(dǎo)彈等飛行丸的測(cè)量,各種軍工目標(biāo)以及工業(yè),農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)藥工程,體育等各領(lǐng)域的目標(biāo)測(cè)量,推動(dòng)了生產(chǎn)力的發(fā)展。隨著技術(shù)的進(jìn)步,軍工研究對(duì)測(cè)量實(shí)時(shí)性要求越來越高速攝影實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)越來越顯現(xiàn)出來。美國(guó)海軍在做艦艇發(fā)射火箭的試驗(yàn)時(shí),急于想立即看到飛行火箭的姿態(tài),高速攝影難以滿足這一要求,因?yàn)槟z件要沖洗,要判讀,至少要幾個(gè)小時(shí)。這就是為什么第十三屆高速攝影與光子學(xué)國(guó)際會(huì)議在東京召開的時(shí)候,各國(guó)科學(xué)家共同發(fā)展“高速攝像”作為學(xué)科發(fā)展的新方向之一的原因。
“高速攝像”與“高速攝影”,一字之差,但硬件和性能上有很多差異,首先是記錄的介質(zhì)不問。高速攝像,由于采用錄像帶、硬盤和其他光磁裝置作為記錄介質(zhì),提高了實(shí)時(shí)性,可做到即拍即回放。浙江大學(xué)高速攝像研究室在做槍彈發(fā)射試驗(yàn)時(shí),在槍彈出槍口的同時(shí),屏幕上即顯示槍彈的飛行姿態(tài)(三個(gè)像),飛行速度、加速度也同時(shí)顯示在畫面的適當(dāng)位置。高速攝像與高速攝影的異同點(diǎn)詳見表一.
目前,能生產(chǎn)高速攝像機(jī)的大都是發(fā)達(dá)閩家,如美國(guó),日本、英國(guó)、德國(guó),法國(guó)。典型產(chǎn)品如美國(guó)柯達(dá)公司生產(chǎn)的SP-2000,拍攝頻率每秒2000幀,每幀的曝光時(shí)間為拍攝頻率的倒數(shù),即最短為500μs。SP-2000的售價(jià)為30萬美元,簡(jiǎn)易型為10萬美元。其價(jià)格和性能決定了它難以在智能交通中被采用.
智能交通中采用高速攝像的必要性
1、圖像凍結(jié)的需要
監(jiān)控高速球技術(shù)及原理?
交通監(jiān)控中的圖像清晰度與下列因素有關(guān):鏡頭成像清晰度,CCD象素,圖像采集卡的性能,計(jì)算機(jī)性能與相關(guān)軟件,以及曝光時(shí)間內(nèi)目標(biāo)和圖像的移動(dòng)距離,在高速車輛的監(jiān)控中,后者將對(duì)圖像清晰度起到?jīng)Q定性的作用。下—組數(shù)據(jù)可幫助理解動(dòng)態(tài)目標(biāo)圖像清晰度的問題。在曝光時(shí)間內(nèi),目標(biāo)在移動(dòng),圖像也相應(yīng)在移動(dòng)。要使動(dòng)態(tài)圖像清晰。必須保證在曝光時(shí)間內(nèi)圖像移動(dòng)距離盡量小,或控制在允許范圍內(nèi)。對(duì)于速度為100km/的車輛來講,每秒鐘差不多行駛28米,如果快門時(shí)間為1/1000秒,則在曝光時(shí)間內(nèi),車輛移動(dòng)28mm,圖像移動(dòng)2.1m(設(shè)光學(xué)縮小,比例為13倍)。如果快門時(shí)間為1/2000秒,則圖像移動(dòng)了1mm左右,清晰度才有所保證。這時(shí)帶來的問題是晴天條件下,一天中也有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間曝光不足。更不要說陰天或雨天了.
當(dāng)然,夜間更會(huì)成為問題,如果用連續(xù)光來照明,一年的電費(fèi)會(huì)是一個(gè)驚人的數(shù)字,無論從能源節(jié)省和用戶角度看,都是不可接受的.
如果車輛速度提高到200km/h,即使用1/2000秒的快門速度,圖像移動(dòng)距離即達(dá)到2mm,清晰度就難以保證了。從這些數(shù)據(jù)可以得出結(jié)淪為了得到高速車輛的清晰圖像,必須采用高速攝像的技術(shù),提高拍攝頻率,拍攝一幀圖像的時(shí)間,即快門時(shí)間越短越好,必須做到微秒量級(jí).
2、高速同步的需要
高速攝像中,同步是一個(gè)極重要的工作。觸發(fā)傳感器檢測(cè)到有車,什么時(shí)刻去拍,這就需要同步,需要精確的時(shí)間同步,否則,圖像抓拍不到或者不清晰。以200km/h的車速為例,用不同的攝像頻率的高速攝像機(jī),其一幀時(shí)間內(nèi)車輛移動(dòng)的距離見表二.
CCD攝像機(jī)的同步時(shí)間少則—幀的時(shí)間,多則幾幀的時(shí)間,對(duì)于普通攝像技術(shù),一幀時(shí)間車輛已移動(dòng)2.24m,2幀時(shí)間就移動(dòng)4m多,待到要拍時(shí),車輛已出了清晰區(qū),因?yàn)槿魏午R頭的景深都是有限的。夜間為了表達(dá)車輛的車型,顏色以及清晰的車牌圖像和顏色,往往需要拍攝二幀以上的圖像,除了需要高的攝像頻渺小還需要高的同步精度,否則拍完—幀,拍另外幾幀時(shí),車輛已經(jīng)出了視場(chǎng).
3、智能視頻觸發(fā)的需要
智能視頻觸發(fā)被很多專家評(píng)為今后的發(fā)展方向,比起線圈觸發(fā),有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),如觸發(fā)精度高,施工簡(jiǎn)單,工程量少,使用壽命長(zhǎng),不破壞路面,不會(huì)引起日后的路面開裂。但有個(gè)條件就是要用高速攝像來實(shí)現(xiàn),如果用普通(25幀每秒),就會(huì)出現(xiàn)同步精度低,誤觸發(fā)率高,或正待要拍時(shí),目標(biāo)已跑出視場(chǎng)這樣一些情況.
目前,國(guó)內(nèi)不少?gòu)S家用普通攝像技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能視頻觸發(fā),給用戶的感覺是“誤觸發(fā)率高,不可靠”。其真正的內(nèi)在原因像頻率不夠高,同步精度低造成的.
在國(guó)內(nèi)外的許多文獻(xiàn)中,凡論述動(dòng)態(tài)目標(biāo)的攝像,就會(huì)有“捕獲”的字眼。與“捕獲”直接相關(guān)的是“同步”,只有同步精度高了,才會(huì)有高的“捕獲率”。這就是為什么要用高速攝像技術(shù)來實(shí)現(xiàn)“智能視頻觸發(fā)”的原因.
4、圖像壓縮。處理。存儲(chǔ)和傳輸?shù)男枰?/p>
智能交通中,除了獲取行駛車輛的動(dòng)態(tài)圖像外,還需要將圖像進(jìn)行壓縮、處理、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)傳輸,都需要以盡可能快的速度完成上述步驟,攝像頻率高,“凍結(jié)”能力強(qiáng),有利于整個(gè)抓拍過程時(shí)間的縮短,也有利于系統(tǒng)對(duì)車隊(duì)的拍攝,對(duì)高速公路中同一車道上相距一定距離的數(shù)輛高速車輛的抓拍,否則,這都將成為一句空話.
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