智能交通是上世纪末提出的新概念,现在正以极快的速度形成新的产业,展示了极大的市场。它涉及多种学科,其关键技术是如何获取高速行驶车辆的清晰图像,包括车型、颜色、车牌、行驶速度,特别是夜间如何获取这些图像和参数。
一、问题的提出
从原理上讲,一切运动物体特别是高速运动物体的成像,都必须用高速摄影或高速摄像,前者用胶片记录,后者用录像带、硬盘等光电磁介质记录。通过所记录的动态图像判读运动物体的运动参量,如速度、加速度(或减速度),旋转角速度,攻角等。火箭、导弹的飞行姿态和参数是这样测量,行驶车辆的速度、车型和车牌成像也同样需要这样测量,即首先将行驶车辆“冻结”成清晰的图像,然后再藉此判读车辆速度。我国交通电视监控方面的资深专家有一段精辟的论述[1.gif>:、识别车辆颜色,尤其是在夜间复杂照明环境中,各种路灯光源在车辆表面产生的不同反射,相似颜色在高速移动中的抓拍等等因素使得技术实现困难重重,到目前为止,尚未见到国际上出现商品化的产品.
可以用一句总结性的话来说,普通摄像要完全应对智能交通所面临的诸多技术需求是困难的。主要的技术限制是:一是解决不了精确同步问题(在高速摄像研究中大约要花1/3到1/2的时间和精力来解决同步问题);二是解决不了高速问题,也就是说车速高到一定程度,图像(主要是车牌图像)就拍不清晰,特别是夜间拍不清晰。对于100km/h以上的车速,白天光照条件好时,或许可以获得车辆图像,可天微亮,傍晚,夜间,普通摄像是难以获得清晰图像的,更不用说是彩色图像了。三是高速条件下的彩色复现,识别。四是视频智能触发作为智能交通领域将来的一个发展方向,用普通摄像技术实现起来困难重重,误触发率高.
总的说来,普通摄像技术应用于智能交通领域具有摄像频率低,“冻结”能力不够的技术困难,而且是无法用其它技术措施来补救的,因为被测对象是有一定速度的行驶车辆,速度越高,这种技术不足越明显。为了克服以上瓶颈技术,又为了用视频检测技术来解决交通信息采集问题(专家认为[1.gif>:现代应用的各类交通信息检测方式中,与环形线圈、压力、趋声波、微波、红外、激光等手段相比,能够取得最丰富内容信息的莫过于视频检测)。智能交通领域应引进高速摄像技术。当然目前国外的高速摄像系统由于价格昂贵(美国生产的1000帧/秒高速摄像系统售价10万美元),还不能为我国交通部门所接受。那么出路有没有呢?
二、高速摄影与高速摄像
高速摄影在信息论中是这样定义的对于一个人眼无法跟随的高速流逝过程,高速摄影提供了一种耦合的时空信息系列,其中空间信息用图像来表达,时间信息用拍摄频率来表达。上世纪八十年代中期以前,世界上以各种速度运动的目标, 如果人们想“看清”目标的图像,获得运动的参数,最有效的技术手段是用高速摄影机来加以记录。世界各国发展的各种各类高速摄影机解决了当时急需的测试所需,子弹、氢弹的爆炸,火箭、导弹等飞行丸的测量,各种军工目标以及工业,农业、生物医药工程,体育等各领域的目标测量,推动了生产力的发展。随着技术的进步,军工研究对测量实时性要求越来越高速摄影实时性差的缺点越来越显现出来。美国海军在做舰艇发射火箭的试验时,急于想立即看到飞行火箭的姿态,高速摄影难以满足这一要求,因为胶件要冲洗,要判读,至少要几个小时。这就是为什么第十三届高速摄影与光子学国际会议在东京召开的时候,各国科学家共同发展“高速摄像”作为学科发展的新方向之一的原因。
“高速摄像”与“高速摄影”,一字之差,但硬件和性能上有很多差异,首先是记录的介质不问。高速摄像,由于采用录像带、硬盘和其他光磁装置作为记录介质,提高了实时性,可做到即拍即回放。浙江大学高速摄像研究室在做枪弹发射试验时,在枪弹出枪口的同时,屏幕上即显示枪弹的飞行姿态(三个像),飞行速度、加速度也同时显示在画面的适当位置。高速摄像与高速摄影的异同点详见表一.
目前,能生产高速摄像机的大都是发达闽家,如美国,日本、英国、德国,法国。典型产品如美国柯达公司生产的SP-2000,拍摄频率每秒2000帧,每帧的曝光时间为拍摄频率的倒数,即最短为500μs。SP-2000的售价为30万美元,简易型为10万美元。其价格和性能决定了它难以在智能交通中被采用.
智能交通中采用高速摄像的必要性
1、图像冻结的需要
交通监控中的图像清晰度与下列因素有关:镜头成像清晰度,CCD象素,图像采集卡的性能,计算机性能与相关软件,以及曝光时间内目标和图像的移动距离,在高速车辆的监控中,后者将对图像清晰度起到决定性的作用。下—组数据可帮助理解动态目标图像清晰度的问题。在曝光时间内,目标在移动,图像也相应在移动。要使动态图像清晰。必须保证在曝光时间内图像移动距离尽量小,或控制在允许范围内。对于速度为100km/的车辆来讲,每秒钟差不多行驶28米,如果快门时间为1/1000秒,则在曝光时间内,车辆移动28mm,图像移动2.1m(设光学缩小,比例为13倍)。如果快门时间为1/2000秒,则图像移动了1mm左右,清晰度才有所保证。这时带来的问题是晴天条件下,一天中也有相当长时间曝光不足。更不要说阴天或雨天了.
当然,夜间更会成为问题,如果用连续光来照明,一年的电费会是一个惊人的数字,无论从能源节省和用户角度看,都是不可接受的.
如果车辆速度提高到200km/h,即使用1/2000秒的快门速度,图像移动距离即达到2mm,清晰度就难以保证了。从这些数据可以得出结沦为了得到高速车辆的清晰图像,必须采用高速摄像的技术,提高拍摄频率,拍摄一帧图像的时间,即快门时间越短越好,必须做到微秒量级.
2、高速同步的需要
高速摄像中,同步是一个极重要的工作。触发传感器检测到有车,什么时刻去拍,这就需要同步,需要精确的时间同步,否则,图像抓拍不到或者不清晰。以200km/h的车速为例,用不同的摄像频率的高速摄像机,其一帧时间内车辆移动的距离见表二.
CCD摄像机的同步时间少则—帧的时间,多则几帧的时间,对于普通摄像技术,一帧时间车辆已移动2.24m,2帧时间就移动4m多,待到要拍时,车辆已出了清晰区,因为任何镜头的景深都是有限的。夜间为了表达车辆的车型,颜色以及清晰的车牌图像和颜色,往往需要拍摄二帧以上的图像,除了需要高的摄像频渺小还需要高的同步精度,否则拍完—帧,拍另外几帧时,车辆已经出了视场.
3、智能视频触发的需要
智能视频触发被很多专家评为今后的发展方向,比起线圈触发,有许多独特的优点,如触发精度高,施工简单,工程量少,使用寿命长,不破坏路面,不会引起日后的路面开裂。但有个条件就是要用高速摄像来实现,如果用普通(25帧每秒),就会出现同步精度低,误触发率高,或正待要拍时,目标已跑出视场这样一些情况.
目前,国内不少厂家用普通摄像技术来实现智能视频触发,给用户的感觉是“误触发率高,不可靠”。其真正的内在原因像频率不够高,同步精度低造成的.
在国内外的许多文献中,凡论述动态目标的摄像,就会有“捕获”的字眼。与“捕获”直接相关的是“同步”,只有同步精度高了,才会有高的“捕获率”。这就是为什么要用高速摄像技术来实现“智能视频触发”的原因.
4、图像压缩。处理。存储和传输的需要
智能交通中,除了获取行驶车辆的动态图像外,还需要将图像进行压缩、处理、存储和实时传输,都需要以尽可能快的速度完成上述步骤,摄像频率高,“冻结”能力强,有利于整个抓拍过程时间的缩短,也有利于系统对车队的拍摄,对高速公路中同一车道上相距一定距离的数辆高速车辆的抓拍,否则,这都将成为一句空话.
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