利用智能视频分析技术实现高速公路行人入侵报警

■刘文杰

（福建省高速公路集团有限公司龙岩管理分公司，龙岩 364000）

1 背景

自1988年10月31日中国第一条高速公路沪嘉高速建成通车后，截至2017年底，我国的高速公路通车总里程居世界第一。高速公路的快速发展，大大缩短了省际之间、重要城市之间的时空距离，加快了区域间人员、商品、技术、信息的交流，对促进国民经济发展和社会进步起到了重要的作用。

高速公路作为封闭式道路，《中华人民共和国道路交通安全法》第六十七条明确规定，“行人、非机动车、拖拉机、轮式专用机械车、铰接式客车、全挂拖斗车以及其他设计最高时速低于70公里的机动车，不得进入高速公路”。收费广场作为进出高速公路的出入口，车辆通行收费站的速度较快（特别是ETC车辆），若摩托车和行人违规进入，由于其体积小，处在其他车辆的盲区里时将很难被发现。当车辆（特别是大型车辆）快速通过收费站广场时，若行人或摩托车无视安全随意穿行，很容易酿成交通事故。

现实生活中，总有部分人贪图方便，或者驾驶摩托车、电动自行车上高速（摩托车由于体积小，从超宽车道进入时，收费员很难及时进行拦截），或者随意进入收费广场上下车，再加上随着入口自助取卡和收费站集中监控成为主流趋势，收费站入口工作人员将大幅减少，收费站广场（特别是入口发卡广场）基本处于“盲管”状态，产生了很大的安全隐患。

传统的高速公路CCTV监控系统主要集中在服务区、收费站、隧道、大桥等。通过架设大量各种各样的摄像机、云台来监控各个场合，避免意外事件的发生。但是现有的CCTV监控系统也面临着巨大的挑战。大量的视频源通过光纤传输至集中监控并显示在监控大屏幕上，通过人工查看的方式，进行监控。在大量的视频流当中，人工监管显得繁重而低效，监控更大的作用，依然只能作为事后的取证和检索。因此，如何能在事情发生的第一时间，通过视频监控发现异常事故行为，通知值班人员，避免事件发生，就显得尤为突出。

为解决以上问题，可以考虑利用技术手段自动识别行人（含摩托车、电动自行车），对行人与机动车（含轿车、货车、工程车、以下同）进行区分，通过24小时实时监控，一旦发现行人，立即触发报警系统以通知收费站工作人员及时前往劝阻，即可减少安全隐患，又可对工作人员尽职劝阻的行为进行取证存档。

2 系统介绍

智能视频分析技术：英文称IVA（Intelligent Video Analytics），指计算机图像视觉分析技术，通过将所需监管场景中背景和目标进行分离，进而分析并追踪在视频监管场景内出现的目标。智能视频分析技术广泛用于公共安全相关系统，如建筑智能化，交通智能化等相关系统。智能视频分析技术主要是在传统视频分析技术的基础上整合了计算机系统，使得安防工程中的视频监控有传统的记录功能变成分析功能[1]。这项技术改变了以往人工值守的被动监控模式，转化为主动的事前预警、事中管理和方便的事后搜索分析模式，体现着未来视频监控系统全面走向数字化、智能化、多元化的必然发展趋势。

图1 系统整体布局

如图1所示，视频分析报警系统由多路网络摄像机、视频处理终端、报警驱动器组成，其中网络摄像机、视频处理终端、报警驱动器设备通过以太网（光线或网线）进行连接，网络摄像机内置的移动侦测模块移动物体进行侦测，摄像机拍摄的视频信号和侦测结果自动传输到视频处理终端，由视频处理终端对移动物体进行甄别并判断是否要发送报警信号给报警驱动器。

2.1 网络摄像机

采用1/1.8英寸600万像素CMOS日夜型智能高清摄像机，支持H.264/MJPEG视频压缩算法，支持多级视频质量配置、编码复杂度设置，支持区域裁剪（作用是可实现小带宽看清大细节）。分辨率方面最高可输出Full HD 3072x2048（600W像素），并且在此分辨率下可输出25fps实时图像。编码方面支持低码率、低延迟、ROI感兴趣区域增强编码、SVC自适应编码技术等可适应各种复杂环境的使用。存储上也支持主流存储设备SD/SDHC/SDXC等作为本地存储，并且支持抓拍图片断网续传的功能。摄像机内置的识别功能包括车牌识别、车身颜色识别、车型识别、机动车与非机动车识别、行人分类和捕获等。因在户外使用，因此所采用的摄像机还具备IP66级防尘、防水滴、网络防雷、防浪涌等功能。

本套系统采用H.264作为视频采集的编码技术。因H.264是一种高性能的视频编码技术。H.264采用统一的VLC符号编码[2]，以及基于4块的整数变换、分层编码设计，这些措施使得H.264算法具有很高的编码效率、网络适应性，能够更好地适应IP和无线网络的应用。

我在回答有关教养问题的提问时，经常提到“让孩子有路可走”。许多妈妈向我表示：她们理解并接受这个亲子教育的“双赢策略”理念，但是在实行的时候，就发现问题不简单。妈妈们在摸不到门径时就问我：“究竟路在何方？”

优先采用ROI技术对采集的图像进行预处理，ROI编码技术是ISO组织在2000年提出的新一代静态图像压缩编码标准JPEG2000中一套新的技术规范，也是当今图像编码领域的研究热点。此项技术可以对图像中的感兴趣区域（ROI）进行低压缩比的无损压缩或近无损压缩，在背景区域进行高压缩比的有损压缩。这样在码流不变的情况下，即可保证不丢失重要信息又能有效地压缩数据量，很好地解决了压缩比和图像质量之间的矛盾。

2.2 视频处理终端

作为视频分析的最终处理单元，视频处理终端应像电脑的主机箱一样具备扩展性广、适应性强等特点，因此处理终端具备多接口支持，其中网络部分包括10/100M自适应网络通讯、4G/3G/2G无线网络通讯、Wifi无线网络通讯等。接口方面包括485/232/CAN/USB等接口。主控采用的是海思的Hi3520D芯片，该芯片是一款基于ARM11处理器内核以及视频硬件加速引擎的高性能通信媒体处理器，双DDR架构能够提供更大的数据处理带宽和能力，满足对人车特征甄别区分等复杂数据处理的需求。

2.3 相关技术

人车甄别是整套系统的核心，分为拍摄图像预处理、背景建模及更新、目标检测、行人特征提取、车辆特征提取、特征训练及分类等，其中：

(1)拍摄图像预处理：视频监控图像多为彩色图像，在图像处理中的计算量远大于灰度图，因此需要对图像进行灰度化处理。此外图像序列在采集过程中包含了很多噪声，需要进行滤波处理，然后将图像中感兴趣的地方进行图像增强。

(2)背景建模及更新：采用基于高斯混合背景建模的分块背景更新算法。首先通过高斯混合背景建模提取的图像序列的初始背景，然后对后续读入的图像帧进行分块并标记感兴趣区域，计算小方块内的四周区域像素值的均值和方差，选择性地对背景实施更新，可以简单、快速、有效地处理光照变化等因素引起的背景缓慢变化及背景局部突变的问题。

(3)目标检测：将实时更新的背景模型与读入的图像帧利用背景差分法提取运动目标，再进行形态学处理，通过动态双阈值法对目标进行分割为特征提取做铺垫。

(5)车辆特征提取：采用Haar小波[3]对视频图像域进行分析，利用Haar小波对车辆图像进行三级分解，得到不同分辨率下水平、垂直和对角方向的细节信息，再通过矩形特征进行特征值的计算用于车辆检测。

(6)特征训练及分类：采用融合SVM（Support Vector Machine是一种利用统计理论将结构风险控制最小化的机器学习方法，它能将有限的样本数量的分类错误率控制在一定精度以内，然后寻求特征分类的最佳分割面）[4]与 AdaBoost（Adaptive Boosting）[5]的特征分类算法。 针对AdaBoost迭代算法在后期分类中的不稳定做了改进，通过对每一级训练的总体误判率和分类器个数的控制，对分类算法进行选择。结合SVM在小样本分类中的优势，提高了原有算法的准确性和稳定性[6]。

2.4 工作原理

正常情况下，网络摄像机和视频处理终端处于静默运行状态，网络摄像机拍摄到的移动车辆，经过视频处理终端甄别后不发出报警。一旦网络摄像机拍摄到的移动物体符合某种特征（形状、体积大小等），则视频处理终端会判定为行人（或摩托车、电动自行车），此时视频处理终端把报警信号发给报警驱动器，一方面触发安装于边道收费岗亭上方的声光报警器，另一方面触发监控大厅的独立的报警器，同时自动将几路网络摄像机拍摄到的视频信号切换到监控室电视墙的主屏幕上，监控室的监控员听到报警声后查看现场视频，并立即通过对讲机通知收费广场值班人员前去处理。

由于收费站值班人员并不具备执法权力，因此对行人（或非机动车辆）进行劝阻时，行人有可能不予理睬，此时若发生交通事故，行人应承担绝大部分责任，为此收费站应对劝阻过程进行录像取证。因此当视频处理终端发现行人（或非机动车辆）非法进入收费广场时，除了发送触发报警信号，还应将终端触发报警前5～10秒（可配置）和触发报警后一段时间（可配置）内网络摄像机拍摄到的视频内容做本地存储，此后后台工作站可以随时根据时间、地点查看存储的视频录像。

若收费站希望值班工作人员的劝阻细节全程录音、录像，则还可为前往劝阻的工作人员配备执法记录仪，执法记录仪所拍摄的音、视频信号内容也可作为取证内容作存档。

3 应用方案

如图2所示，网络摄像机安装于收费站顶棚上，一个网络摄像机覆盖2条收费车道，因为拍摄角度和车辆行进方向平行，可有效减少拍摄盲区，避免车辆遮挡行人所导致的漏报。

图2 现场图例

视频处理终端安装于出口车道的收费岗亭内，视频处理终端输出的视频信号可通过收费站的视频光线上传到监控室。视频处理终端从收费广场机柜接入收费站的热线电话系统，当发现行人违规进入时，通过收费站的热线电话系统对监控室进行报警，以提醒监控员安排车道工作人员前去查看。

以7车道收费站 （3入4出，其中入、出口各一条ETC车道）如图3为例做布局说明。

图3 布局图例

图中，所有摄像机均面向出高速方向（即行人有可能进入的方向），每2条车道用一个网络摄像机，网络摄像机安装于收费站顶棚下方，每个高清网络摄像机的电缆线沿着雨棚信号灯的电缆线线管引入到收费岗亭。

每个高清网络摄像机配备一个视频处理终端，所有视频终端都可输出报警信号以触发声光报警灯，每个车道的视频处理终端通过以太网交换机连接到最内侧的视频处理终端，最内侧的视频处理终端通过两芯电缆线连接声光报警器。

声光报警灯安装于最内侧收费岗亭（ETC岗亭）的上方以方便提醒车道值班人员。

4 结束语

随着物联网、云计算、智慧城市等概念不断推进，视频监控行业的发展前景正得到业界的广泛认同和市场本身的印证，将带有智能视频分析技术的高清摄像机和视频处理终端充分运用于收费站的收费广场中，相当于给视频监控系统装上了有思考能力的大脑，具备自主分析道路情况，实现自动报警、自动记录行人闯高速等功能，在降低人员成本，减轻工作人员压力的同时，提高了高速公路的安全性。