一、高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的智能化
高速公路監(jiān)控系統(tǒng)為高速公路管理部門從收費站、監(jiān)控分中心、監(jiān)控中心直至監(jiān)控總中心提供多級管理體系。智能化監(jiān)控系統(tǒng)取代了監(jiān)控任務(wù)中人的大部分工作，是新一代的具有高度智能的監(jiān)控技術(shù)。為使高速公路監(jiān)控系統(tǒng)智能化，應(yīng)至少具有以下幾個智能功能系統(tǒng)：
1、車輛檢測(車流量、車速、車型等)系統(tǒng)
交通流量等的檢測是智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transport System，ITS）的重要組成部分，車輛檢測系統(tǒng)是交通流量等檢測的重要手段，是道路監(jiān)控系統(tǒng)非常重要的一部分。車輛檢測系統(tǒng)是高速公路、一般公路、城市道路對過往機動車輛的車型、行駛速度、車流量、道路占有率等進行檢測的專用設(shè)備。據(jù)此檢測數(shù)據(jù)，可以判斷道路阻塞等情況，并可通過檢測信號控制監(jiān)控系統(tǒng)中的可變情報板等外場信息發(fā)布系統(tǒng)發(fā)出警告等信息。
由于交通需求的不斷增加，有越來越多的車輛檢測器用于交通檢測?，F(xiàn)行的車輛檢測器很多：如磁感應(yīng)車輛檢測器、波頻車輛檢測器、視頻檢測器、無線車輛檢測器與激光車輛檢測器等。這些不同的車輛檢測設(shè)備，各有其優(yōu)劣，可以考慮分別安裝在高速公路不同路段、城市快速路、城市主干道和
2、車輛異常行為檢測系統(tǒng)
車輛異常行為檢測系統(tǒng)，用來檢測車輛行駛行為，當(dāng)行駛異常時即預(yù)/報警。通常，系統(tǒng)首先通過背景減除提取運動圖像，并進行跟蹤和目標(biāo)類型識別。如有一輛汽車駛?cè)肴诵械罆r，系統(tǒng)會自動在該車周圍打出兩個紅色問號，表示其行駛異常，并同時發(fā)出警報聲，以引起監(jiān)控人員的注意。當(dāng)車輛退出人行道后，紅色問號消失，警報解除。又如有一輛小汽車快速在停車場或高速公路收費廣場逆行，這時系統(tǒng)會在其周圍打出兩個紅色驚嘆號，并發(fā)出警報聲，表示其行駛行為已經(jīng)發(fā)生異常。再如，那種頻繁超越各車道正常行駛車輛的超速行駛的車輛，多為被劫或逃竄等車輛，也屬行駛行為異常車輛，這時系統(tǒng)要發(fā)出急促的警報聲等。這種車輛異常行為檢測系統(tǒng)，尤其在城市道路監(jiān)控中有非常大的作用。
顯然，這種報警功能的實現(xiàn)，可以在無人巡視的條件下，自動檢測車輛的違章行駛，從而可實現(xiàn)高效智能化的交通管理。
3、車牌自動識別系統(tǒng)
汽車身份自動識別系統(tǒng)由汽車牌照識別系統(tǒng)和汽車類型識別系統(tǒng)組成。而汽車類型識別系統(tǒng)用上述的車輛檢測器即可完成，這里只介紹車牌自動識別系統(tǒng)。
車牌自動識別系統(tǒng)能將輸入的汽車及車牌圖像通過處理識別，輸出為幾個字節(jié)大小的車牌字符串，它無論在存儲空間的占用上還是與管理數(shù)據(jù)庫相連方面，都有無可比擬的優(yōu)越性。這在大型停車場，交通部門的違章監(jiān)測（電子警察）、高速公路及橋梁的收費站管理等方面，有著廣泛的應(yīng)用前景。
在CCD攝像機對好汽車牌照的最佳位置處設(shè)置有汽車位置傳感器，因此，當(dāng)汽車駛?cè)胨O(shè)計的位置時，車輛檢測部分就可檢測到汽車位置傳感器發(fā)來的信號，并同時發(fā)送一個觸發(fā)信號給圖像采集部分；圖像采集部分將采集的汽車車牌圖像信號送入圖像處理與識別部分，以對圖像進行預(yù)處理、二值化、字符切分、特征提取、再經(jīng)字符識別程序，最后將識別結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫，供查詢部分使用。
4、收費數(shù)據(jù)視頻疊加顯示系統(tǒng)
當(dāng)前，高速公路收費系統(tǒng)一般采用封閉式聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)，且大多采用人工半自動的收費方式，即“人工判型，人工收費，計算機管理，閉路電視監(jiān)視，檢測器校核”的半自動方式。有的采用非接觸式IC卡作為收費介質(zhì)，即入口發(fā)行通行卡并寫入入口信息，出口按照車型和行駛里程收取通行費或在儲值卡內(nèi)扣款。
為杜絕少數(shù)不法收費員貪污路費，避免國家損失財政收入，高速公路收費系統(tǒng)必需要增加收費數(shù)視頻疊加顯示，以監(jiān)督統(tǒng)計收費站收費人員的收費數(shù)以及不同類型的車輛數(shù)，方便交通管理部門的管理。為此，我們研發(fā)了高速公路收費數(shù)據(jù)視頻疊加顯示器。
收費數(shù)據(jù)視頻疊加器的核心是字符疊加芯片，其周邊部分有：行、場同步信號分離部分；疊加字符的水平與垂直位置的調(diào)節(jié)部分；疊加字符寬窄調(diào)節(jié)部分：疊加字符的輸出與亮暗調(diào)節(jié)部分；存儲器部分；單片機部分等。
這樣，該收費數(shù)據(jù)通過單片機輸入到疊加芯片，被疊加到高速公路收費站監(jiān)控的視頻上。它除顯示在監(jiān)視器上外，還上傳到監(jiān)控中心的計算機上，同時也被記錄在DVR中，以方便交通部門的管理。
5、收費站不停車收費系統(tǒng)
目前，高速公路收費站不停車收費系統(tǒng)，有下面二種類型：
?、貳TC不停車收費系統(tǒng)
高速公路收費站不停車收費系統(tǒng)，是一種電子不停車收費系統(tǒng)（Electronic Toll Collection簡稱ETC），是國內(nèi)外正在開發(fā)并且推廣普及的一種用于高速公路、大橋和隧道的一種收費系統(tǒng)。它通過路側(cè)天線與車載電子標(biāo)簽之間的專用短距離通訊，在不需要司機停車和其他收費人員采取任何操作的情況下，能自動地完成收費的全過程。
ETC系統(tǒng)主要由ETC收費車道、收費站管理系統(tǒng)、ETC管理中心、專業(yè)銀行及傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。ETC系統(tǒng)是利用微波（或紅外或射頻）技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、圖像識別技術(shù)等高新技術(shù)的設(shè)備和軟件（包括管理） 所組成的先進系統(tǒng)，以實現(xiàn)車輛無需停車即可自動收取道路通行費用。目前，大多數(shù)ETC系統(tǒng)均采用微波技術(shù)。
當(dāng)汽車通過路邊車道設(shè)備控制系統(tǒng)的信號發(fā)射與接收裝置（路邊讀寫設(shè)備簡稱RSE，即圖中的閱讀器）時，經(jīng)天線，能識別車輛上設(shè)備（即圖中的射頻卡或標(biāo)簽，因放在汽車前玻璃上也稱為車載器，簡稱OBU）內(nèi)特有的編碼、車牌號、判別車型、計算通行費用，并自動從車輛用戶的專用賬戶中扣除通行費。對使用ETC車道的未安裝電子標(biāo)簽或標(biāo)簽無效的車輛，則視作違章車輛，并立即自動實施圖像抓拍和識別，以傳送交警部門事后處理。
?、贕PS不停車收費系統(tǒng)
高速公路GPS（Global Positioning System）不停車收費系統(tǒng)，是GPS技術(shù)、GIS（Geographic Information System）技術(shù)、移動通信技術(shù)等高度融合。它將裝有GPS接收機的移動車輛位置數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機的處理，經(jīng)GSM通信模塊以短信息的方式發(fā)送
系統(tǒng)可實現(xiàn)全天候24小時不停車收費與分時段收費；實現(xiàn)車輛全程跟蹤與定位以及道路信息查詢等功能。
與傳統(tǒng)人工收費方式不同，不停車收費系統(tǒng)的好處有：杜絕少數(shù)不法收費員貪污路費；無需收費廣場，節(jié)省收費站的占地面積；節(jié)省能源消耗，減少停車時的廢氣排放和對城市環(huán)境的污染；降低車輛部件損耗；減少收費人員，降低收費管理單位的管理成本；無需排隊停車，節(jié)省出行人的時間；避免因停車收費而造成收費口堵塞，形成新的瓶頸等。
6、利用3G的車輛定位跟蹤的智能監(jiān)控系統(tǒng)
大家知道，全球定位系統(tǒng)GPS從軍用轉(zhuǎn)為民用以后，GPS技術(shù)應(yīng)用于移動目標(biāo)的監(jiān)控有著其他監(jiān)控手段無法比擬的優(yōu)勢。利用3G（即GSM、GPS、GIS）車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)，是對各種車輛實施定位跟蹤、監(jiān)控、調(diào)度管理提出的較理想解決方案。該系統(tǒng)采用世界領(lǐng)先的GPS全球衛(wèi)星定位技術(shù)對移動目標(biāo)進行實時定位；利用GSM全球移動通訊技術(shù)即GSM數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)進行實時數(shù)據(jù)傳輸；利用GIS地理信息處理技術(shù)即以GIS電子地圖和空間信息系統(tǒng)為支撐平臺。同時，還采用大容量數(shù)據(jù)采集技術(shù)和大容量數(shù)據(jù)存儲等計算機網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以盡可能多地采集并記錄車輛行駛過程中大量的數(shù)據(jù)信息，自動生成圖形和數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計、比較、分析、列表，從而提高車輛營運管理工作的效率。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)對車、船等移動目標(biāo)的精確定位跟蹤、監(jiān)控報警、反劫防盜、指揮調(diào)度和信息查詢管理等。這種3G的系統(tǒng)具有定位精度高、穩(wěn)定性強、使用效果好等特點。
實際上，整個3G的車輛定位跟蹤智能監(jiān)控系統(tǒng)是由GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和地面移動通信系統(tǒng)兩大部分組成。其中，地面移動通信系統(tǒng)是由指揮監(jiān)控中心、車載移動單元和GSM通信網(wǎng)絡(luò)三個部分組成。車載移動單元設(shè)備可以為指揮監(jiān)控中心實時提供每一個移動目標(biāo)的最新定位數(shù)據(jù)、運行狀況和報警信息等，并自動記錄這些信息以便事后查詢分析，因而也是用戶終端。監(jiān)控中心接收車載移動單元傳送來的車輛GPS定位數(shù)據(jù)信息，并對車輛的報警和調(diào)度信息進行處理，并且通過GIS地圖匹配，就能在電子地圖上實時顯示車輛當(dāng)前精確位置，從而能方便地實現(xiàn)對車輛的定位跟蹤、監(jiān)控防盜、反劫報警、指揮調(diào)度等功能；同時也可通過GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)、語音、圖像的傳輸。即向指定的車載臺發(fā)送各種控制指令，實現(xiàn)對車輛的遠程控制和信息查詢等服務(wù)。
二、實現(xiàn)智能化監(jiān)控軟件算法的方法
上述高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的智能化功能，均需要智能軟件算法完成，限于篇幅，這里不能一一介紹。其中車輛檢測的定位與跟蹤算法大致可分為如下四類：基于區(qū)域的方法，基于主動輪廓的方法，基于特征的方法，基于模型的方法；但也可以簡單分為基于二維的方法和基于三維模型的方法?；诙S的方法，本身具有難以解決遮擋、無關(guān)結(jié)構(gòu)干擾、對光線敏感、適用場景有限等固有的缺陷問題；基于三維模型的方法，由于引入了目標(biāo)物體的三維先驗知識，比基于二維的方法更具準(zhǔn)確性，但相應(yīng)研究的難度也較大。
1、基于三維模型的目標(biāo)定位方法
通常，人類在觀察周圍世界的時候，總是利用豐富的經(jīng)驗知識，如車輛模型、場景模型、運動模型、弱透視模型、地平面約束、推理結(jié)構(gòu)和語法與句法模型等。但對智能交通來說，最重要的是車輛模型。如實現(xiàn)生成一個車輛的三維線框模型，在給定的姿態(tài)下，將其投影到圖像平面上，并與圖像數(shù)據(jù)匹配。通過優(yōu)化過程得到目標(biāo)物體的真實姿態(tài)，這類方法通常稱為基于三維模型的目標(biāo)定位方法。
基于三維模型的交通監(jiān)控系統(tǒng)的底層視覺部分主要由三個模塊組成：運動檢測、初始化跟蹤。攝像機所拍錄到的圖像序列首先送到運動檢測模塊，以確定圖像中可能包含車輛的區(qū)域。當(dāng)某個區(qū)域第一次出現(xiàn)時，完成跟蹤的初始化工作，包括判斷其中是否真的存在車輛，如果存在的話，則確定它的三維姿態(tài)并識別出它是哪種車型；車輛跟蹤模塊由定位模塊驅(qū)動，當(dāng)初始化工作已經(jīng)完成、車輛已被準(zhǔn)確識別和定位以后，跟蹤模塊將自動地根據(jù)車輛以前的三維姿態(tài)信息和運動學(xué)知識預(yù)測車輛在當(dāng)前幀的位置，定位模塊將以這個位置作為初始值，確定當(dāng)前幀中車輛的三維姿態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)，直到車輛離開視野，跟蹤模塊也就停止工作了。
高層部分的處理主要包括根據(jù)車輛的運動軌跡對其行為進行分析，并給出自然語言式的描述
中科院自動化所模式識別國家重點實驗室視頻監(jiān)控小組，在總結(jié)了英國雷丁大學(xué) VIEWS的車輛交通監(jiān)控原型系統(tǒng)的研究經(jīng)驗后，自行設(shè)計了
在這種交通監(jiān)控原型系統(tǒng)中，其具體的定位與跟蹤算法是：
?、倩谌S線框模型的車輛定位算法
其中車輛定位過程被假想成從初始姿態(tài)到正確姿態(tài)的一系列虛擬運動，并被進一步分解成為兩種獨立的運動：平移和旋轉(zhuǎn)。平移參數(shù)可以通過基于PLS距離（點到線段的距離）的姿態(tài)評價函數(shù)得到，而旋轉(zhuǎn)參數(shù)可以通過一族特別構(gòu)造的假想平面之間的幾何關(guān)系得到。在確定平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)時均可以得到閉式解。實驗結(jié)果表明，該算法可以快速、準(zhǔn)確、魯棒地根據(jù)一幅灰度圖像確定其中車輛在三維空間里的姿態(tài)。
②基于改進的擴展卡爾曼濾波器的車輛跟蹤算法
其中提出了一種新的車輛運動模型，考慮了車輛行駛過程中的一些物理性質(zhì)，比現(xiàn)有的運動模型更加符合車輛的真實運動。該算法還利用了一種改進的擴展卡爾曼濾波器，通過強制殘差序列滿足正交性條件來保證殘差序列擁有與白噪聲相同的性質(zhì)，從而滿足了卡爾曼濾波器中對于觀測噪聲是白噪聲的假定。實驗結(jié)果表明，當(dāng)車輛運動急劇、復(fù)雜時，現(xiàn)有的算法都不能很好地預(yù)測車輛的運動，而本算法可以相當(dāng)準(zhǔn)確地完成預(yù)測的任務(wù)。
2、用于事件識別的行為模式學(xué)習(xí)的自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法
用于事件識別的行為模式學(xué)習(xí)的自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，是通過對目標(biāo)運動軌跡和目標(biāo)特征的學(xué)習(xí)，建立行為分布模式，它不僅能實現(xiàn)異?，F(xiàn)象的檢測和檢測異常發(fā)生區(qū)域，還能進行目標(biāo)行為的預(yù)測。其特點是:
?、?使用了一種以整條軌跡作為輸入的網(wǎng)絡(luò)映射方法，克服了現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)映射方法不能完整地表示“線”特征的缺點；
② 使目標(biāo)特征更加合理地表示在樣本數(shù)據(jù)中 ;
?、?采用了行為模式學(xué)習(xí)的模糊自組織神經(jīng)學(xué)習(xí)算法,大大地提高了行為模式的學(xué)習(xí)速度 ;
?、?給出了利用行為模式判斷整條軌跡所代表的事件是否異常、檢測出局部的異常區(qū)域和目標(biāo)行為預(yù)測的數(shù)學(xué)方法。
行為理解可以簡單地認(rèn)為是時變數(shù)據(jù)的分類問題，即將測試序列與預(yù)先標(biāo)定的代表典型行為的參考序列進行匹配。由此可見，行為理解的關(guān)鍵問題是如何從學(xué)習(xí)樣本中獲取參考行為序列，并且學(xué)習(xí)和匹配的行為序列必需能夠處理在相似的運動模式類別中空間和時間尺度上輕微的特征變化。在行為模式學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，能實現(xiàn)對交通事故進行實時、精確的預(yù)測，從而可以降低事故的發(fā)生率，減少人們生命財產(chǎn)的損失。
在接收攝像機拍錄的圖像序列時，根據(jù)事先已經(jīng)確定的攝像機模型和車輛模型實現(xiàn)基于三維線框模型的車輛實時跟蹤，這時輸出的是車輛的軌跡。在積累了足夠多的車輛軌跡后，就可以開始行為模式學(xué)習(xí)，它從大量的車輛軌跡中，通過模糊自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法學(xué)習(xí)出車輛的行為模式分布。交通事故預(yù)測部分接收跟蹤部分的實時跟蹤結(jié)果，并且把它和行為模式分布作比較，由概率模型推斷出當(dāng)前事故發(fā)生的可能性。最后再由此可能性序列的分析，給出對于此事故的處理方式。
3、車輛檢測系統(tǒng)中的車輛分類與車速計算
此外，車輛檢測系統(tǒng)是道路監(jiān)控系統(tǒng)非常重要的一部分，它可以獲得當(dāng)前監(jiān)控路面交通流量、占有率、速度等數(shù)據(jù)，以此判斷道路阻塞情況，并利用外場信息發(fā)布系統(tǒng)發(fā)出警告等。實際上，車輛自動分類系統(tǒng)是通過圖像識別運算法則，來將車輛準(zhǔn)確地分類，自動車輛分類系統(tǒng)將車輛長度信息、車輛數(shù)量和間距信息、車輛高度距陣信息形成綜合的圖像，將該圖像與預(yù)先設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)對比，從而實現(xiàn)車輛的準(zhǔn)確分類。
在國家交通部即將推出的行業(yè)規(guī)范里，在車輛檢測器中，對流量、平均速度、車道占有率、平均車長、平均車間距等都有要求，其算法這里就從略了。其中，該標(biāo)準(zhǔn)對平均速度的定義為
?。?）式中，Vi指第i輛車通過的速度，n指單位時間內(nèi)通過的車輛數(shù)。車輛檢測系統(tǒng)ARM軟件采用分層設(shè)計思想，整個軟件由驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件兩部分構(gòu)成驅(qū)動程序部分封裝了Flash操作、RS-485操作、實時時鐘（RTC）操作、RS-232操作和I/O等操作。應(yīng)用軟件分成基本函數(shù)庫和主程序。
三、結(jié)束語
由上可知，高速公路監(jiān)控系統(tǒng)不僅需要網(wǎng)絡(luò)化，更重要的是智能化。上述的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的智能化功能，僅是一些最基本的智能化功能，并且
總之，智能視頻監(jiān)控的內(nèi)容很多，這項研究具有重要的理論價值和應(yīng)用價值，且目前已經(jīng)成為世界上的研究熱點，而需要解決的問題也很多。理論上，還需要在姿態(tài)評價函數(shù)形式與優(yōu)化方法、目標(biāo)識別定位跟蹤和預(yù)測的統(tǒng)一概率框架、語義推理結(jié)構(gòu)與模式學(xué)習(xí)、多媒體化描述等方面繼續(xù)展開深入的研究。在實踐上，要完善各項功能模塊，如設(shè)計更優(yōu)化的算法、實現(xiàn)多目標(biāo)的實時跟蹤、設(shè)計多機網(wǎng)絡(luò)化硬件框架、引入多攝像機系統(tǒng)、完善知識庫等。并針對一些特定的場合，如高速公路、城市道路、重要黨政軍事單位、車站與機場、高級社區(qū)等，盡快實現(xiàn)實用化的智能視頻監(jiān)控產(chǎn)品。
（轉(zhuǎn)載）
