（通信与信息系统专业论文）基于数码加视频的违章系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着经济和社会的发展，城市交通变得越来越拥堵，公路机动车流量急剧 增加，使交通管理面临着新的挑战。为了缓解交通压力，人们提出了智能交通 系统( i t s ) 的概念。 电子警察系统作为智能交通系统的一部分，在现代交通管理体系中起着重 要的作用。该系统不仅可以提供智能化的交通违章管理功能，同时能够降低执 法人员现场执法的难度，减少交通违规现象的发生，为构建和谐的交通环境做 出了重要贡献。 本文在分析了当前数码电子警察系统和视频电子警察系统存在的弊端后， 提出了一种将二者的优点结合的数码视频电子警察系统。 数码视频电子警察系统主要由前端抓拍系统、中间传输系统、后台管理系 统组成。前端抓拍系统是电子警察系统的核心部分，本文采用基于环形线圈的 检测原理实现车辆检测。在软件设计上，将系统分成几个独立模块。信号检测 模块实现红灯信号和线圈信号的检测；抓拍模块控制数码相机和摄像机拍照； 图像处理模块处理数码相机和摄像机拍摄的违章图片；网络传输模块将违章照 片和视频传输至后台管理中心。 软件运行在嵌入式w i n d o w sx p 操作系统下，采用m i c r o s o f tv c + + 6 0 开发。 软件开发过程中采用了并口扫描方法获取检测信号；u s b 通讯协议用于控 制数码相机抓拍违章照片；利用视频采集卡相关s d k 可以控制摄像机采集视频 图像；数字图像处理技术用于违章图片的合成和时间、路口等信息的叠加；多 线程技术处理数码相机和摄像机同步工作的问题；网络传输软件采用基于t c p 的套接字编写。在实际使用过程中，软件运行稳定，性能可靠。 实践证明，本系统能够长时间有效的运作，具有较高的实用价值。此外， 本文也指出了该系统的不足之处，提出了一些具有价值的研究方向。 关键词：环形线圈，信号检测，图像处理，网络传输 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 刚饧t h ee c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t 。u r b a nt r a n s p o r th a sb e c o m em o r e a n dm o r ec o n g e s t i o n , r o a dv e h i c l et r a f f i ci n c r e a s e dd r a m a t i c a l l y , s ot h a tt r a f f i c m a n a g e m e n ti sf a c e dw i t hn e wc h a l l e n g e s i no r d e rt oa l l e v i a t et r a f f i cp r e s s u r e ， p e p o l eh a v e b e e np r o p o s e di n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) c o n c e p t a sp a r to fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，e l e c t r o n i cp o l i c es y s t e mp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nm o d e mt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m t h es y s t e mc a nn o to n l y p r o v i d ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n to f t r a f f i cv i o l a t i o n , w h i l el a we n f o r c e m e n to f f i c e r so n s i t et or e d u c et h ed i f f i c u l t yo fe n f o r c e m e n t ，t or e d u c et h ei n c i d e n c eo ft r a f f i c v i o l a t i o n s ，t r a f f i ce n v i r o n m e n tf o r t h eh a r m o n i o u sa n dm a d ei m p o r t a n tc o n t r i b u t i o n s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec u r r e n tc y b e rp o l i c es y s t e m sa n dv i d e oe l e c t r o n i c p o l i c es y s t e m s r a w b a c k s ，t h e np r o p o s e sad i g i t a lv i d e oe l e c t r o n i cp o l i c es y s t e m sw i t h t h ea d v a n t a g e so fb o t hc y b e rp o l i c es y s t e m sa n dv i d e op o l i c es y s t e m s d i g i t a lv i d e oe l e c t r o n i cp o l i c es y s t e mc o n s i s t so ff r o n t - e n dc a p t u r es y s t e m ， i n t e r m e d i a t et r a n s m i s s i o ns y s t e ma n db a c k g r o u n dm a n a g e m e n ts y s t e m f r o n t - e n d c a p t u r es y s t e mi sa c o r ep a r to ft h ee l e c t r o n i cp o l i c es y s t e m ，i nt h i sp a p e rw eu s et h e d e t e c t i o np r i n c i p l eb a s e do nc i r c u l a rc o i lt oc o m p l e t et h ev e h i c l ed e t e c t i o n w e d i v i d e dt h es y s t e mi n t os e v e r a li n d e p e n d e n tm o d u l e si nt h es o f t w a r ed e s i g n s i g n a l d e t e c t i o nm o d u l ed e t e c t st h er e dl i g h ts i g n a la n dt h ec o i ls i g n a l ；c a p t u r em o d u l e c o n t r o lt h ed i g i t a lc a n l e r a sa n dc a m c o r d e r s ；i m a g ep r o c e s s i n gm o d u l ep r o c e s s e st h e i l l e g a li m a g e sc a p t u r e db yt h ed i g i t a la n dv e d i oc a m e r a s ；n e t w o r kt r a n s m i s s i o n m o d u l et r a n s m i t st h ev i o l a t ep h o t o sa n dv i d e o st ot h ea d m i nc e n t e r s o f t w a r er u n so nt h ee m b e d d e dw i n d o w sx po p e r a t i n gs y s t e ma n dd e v e l o p e d w i t hm i c r o s o f tv c + + 6 0 w eu s e dt h ep a r a l l e lp o r ts c a nw a yt od e t e c tt h es i g n a li n t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t ；u s bc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw a su s e dt oc o n t r o lt h e d i g i t a lc a n l e r at oc a p t u r ei l l e g a lp h o t o s ；w ec o n t r o lt h ec a m e r at oc a p t u r ev i d e oi m a g e w i t l lt h ev e d i oc a p u t r ec a r d ss d k ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yf o rt h e s y n t h e s i sa n dt i m ei m a g ev i o l a t i o n ，j u n c t i o n sa n do t h e ri n f o r m a t i o ns u p e r i m p o s e d ； m u l t i - t h r e a d i n gp r o c e s s i n gd i g i t a lc a l n e r a sa n dc a m c o r d e r ss y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m s ； 武汉理工大学硕士学位论文 n e t w o r kt r a n s m i s s i o ns o f t w a r ew r i t t e nb a s e do nt c ps o c k e t i na c t u a lu s e ，t h e s o f t w a r ei ss t a b l ea n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a tt h es y s t e mc a ne f f e c t i v e l yo p e r a t eal o n gt i m e ，h a sh i g h p r a c t i c a lv a l u e i na d d i t i o n ，t h ep a p e ra l s op o i n t so u tt h es h o r t c o m i n g so ft h es y s t e m a n dp u tf o r w a r ds o m ev a l u a b l er e s e a r c h k e y w o r d ：l o o p - c o i l ，s i g n a ld e t e c t ，i m a g ep r o c e s s ，n e t w o r kt r a n s m i t 1 1 i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：盈到茎 日期：递! 茎 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：研雄 导师签名：互易 日期：科。了 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 智能交通 第1 章绪论 1 1 1 智能交通系统简介 随着社会和经济的发展，城市的交通拥堵问题日益凸显【，公路机动车流量 急剧增加，使交通管理面临着新的挑战。为了缓解交通压力，人们提出了智能 交通系统( s ) 的概念。 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，简称i t s ) 【2 】【3 】阴是未来交 通系统的发展方向，是将先进的信息技术、数据通讯技术、电子传感器技术、 数据传输技术、计算机控制技术【5 】等有效地结合在一起，运用于整个地面交通管 理系统而建立的一种高效、实时、准确的综合交通运输管理系统。 i t s 6 】【7 】是为了解决交通发展中出现的问题而提出的，是随着现代高科技的 发展以及交通需求，并以监控为主体的交通工程的基础上发展起来的。i t s 的基 本思想就是运用先进的高新技术手段，大幅度的提高交通运输网络的通行能力 和服务质量【引，减少环境污染，保证可持续发展战略观的实现。 i t s 至今还没有较为统一的定义，它强调智能化的道路、车辆、与人的协调 统一，利用信息技术、通信技术以及人工智能等高新技术，以求营建安全、舒 适、高速、重视环境保护的交通系统，建立与人类生存环境相协助的、良好的 交通运输体系例。 当前i t s 的服务领域有：先进的车辆控制系统、营运车辆调度管理系统、 先进的交通管理系统、先进的出行者信息系统、先进的公共交通系统、电子收 费系统、应急管理系统等【l 们。其中交通控制和线路诱导是现今城市交通的两大 重要管理手段，即为先进的交通管理系统a t m s ( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n t s y s t e m ) 和先进的出行者信息系统a t i s ( a d v a n c e d t r a v e l l e ri n f o r m a t i o i ls y s t e m ) 。 先进的交通管理系统a t m s t l l 】用于监测控制和管理公路交通，在道路、车 辆和驾驶员之间提供通信联系。依靠先进的交通监测技术和计算处理技术，获 得有关交通状况的信息，并进行处理，及时的向道路使用者发出诱导信号，从 而达到有效管理交通的目的。 武汉理工大学硕士学位论文 先进的出行者信息系统a t i s 1 2 】采取先进的信息技术、数据通讯技术、电子 传感技术、控制技术及计算机技术将采集到的各种道路交通及服务信息经交通 管理中心处理后传输到交通系统的各个用户( 驾驶员、步行者) 使得出行者实时选 择出行方式和出行路线。 智能交通系统是一个综合性较高的系统，它包含的子系统大致可分为以下 几个方面，如图1 1 所示。 图1 1 智能交通的基本分支系统 1 ) 车辆控制系统：指辅助驾驶员驾驶汽车或替代驾驶员自动驾驶汽车的系 统。 2 ) 交通监控系统：该系统类似于机场的航空控制器，它在道路、车辆和驾 驶员之间建立快速的通讯联系。 3 ) 运营车辆高度管理系统：该系统通过汽车的车载电脑、调度管理中心计 算机与全球定位系统卫星联网，实现驾驶员与调度管理中心之间的双向通讯， 来提供商业车辆、公共汽车和出租汽车的运营效率。 4 ) 旅行信息系统：是专为外出旅行人员及时提供各种交通信息的系统。 1 1 2 国内外研究现状 从国际上来看，i t s 起步于6 0 7 0 年代的交通管理计算机化。随着电子信息 技术、计算机技术以及通信技术的快速发展，i t s 受到越来越多国家的重视，交 通管理和交通工程也逐步发展成i t s 乃j 。 作为世界上经济和技术最发达的国家，美国曾经在智能交通系统的研究上 一度落后于欧洲和日本，但是凭借其先进的技术优势，目前已经后来居上，在 智能交通领域处于领先地位。它非常重视i t s 将形成的巨大市场，在智能交通 系统发展的规划中，美国对i t s 的服务领域进行了广泛的研究。美国国会也在 2 武汉理工大学硕士学位论文 九十年代通过了“综合地面运输效率法案”( i s t e a ) t 1 4 】【1 5 】，旨在利用合理的交通分 配和高新技术提高整个路网的效率，由美国交通部负责全国的i t s 发展工作。 日本i t s 研究的一个显著特点就是政府有关各部门共同参与，密切合作，以保 证在技术发展过程中没有遗漏。目前，日本在i t s 项目上面已经形成了官方、 民间以及学术机构等多个组织之间的协调机制，这种机制对日本i t s l l 6 】的发展起 到了很大的推动作用。 同期，欧洲有十几个国家投资5 0 多亿美元，联合执行一项旨在完善道路设 施和提高服务水平的d r i v e 计划，其含义是欧洲用于车辆安全的专用道路基础 设施。欧洲的i t s 研究开发主要是由欧盟与民间并行进行的。同时，由于欧洲 的国家大部分很小，因此，i t s 的开发与应用是与欧盟的交通运输一体化建设进 程紧密联系在一起的。1 9 6 9 年欧共体委员会就提出要在成员国之间开展交通控 制电子技术的演示。自1 9 8 6 年以来，西欧国家主要是在“欧洲高效安全交通系统 t 翅j ( p r o m e t h e u s ) ”和“保障车辆安全的欧洲道路基础设施计划【1 1 刀( d r i v e ) ” 两大计划指导下开展交通运输信息化领域的研究、开发与应用。 我国早在7 0 年代末就已经开始在交通运输和管理中应用电子信息技术的工 作，当时称为交通工程，根据国际上对i t s 发展的研究，可以认为，交通工程 的研究与应用是i t s 初级阶段的工作u 列。 通过中国交通领域科技界和工程界多年来不断的努力，在中国高等级公路 建设的带动下，中国在i t s 的开发和应用方面也取得了相当的进步，为今后i t s 的深入开发和应用打下了良好的基础【1 9 1 。 中国道路在未来2 0 年内仍然处于建设期，这一期间正是智能交通系统在全 世界进入全面实施的阶段，因此，中国也需要根据国内公路交通的实际需求探 讨在中国公路交通网中应用智能交通系统来提高交通效率、保障安全和保护环 境的可能性1 2 0 1 。在这种情况下国家科技部于1 9 9 9 年1 1 月批准成立国家智能交 通系统工程技术研究中心( n a t i o n a li n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m se n g i n e e r i n ga n d t e c h n o l o g yc e n t e r ，i t s c ) ，在交通部的组织下，该中心承担了重点科研项目“智 能交通系统发展战略研究”。该中心的主要目标是以国民经济、行业和市场的需 求为导向，针对智能交通系统存在的重大技术问题，对有市场价值的重要应用 科技成果，进行共性技术、关键技术的后续工程化、产业化以及系统集成的研 究开发。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 研究背景、目的和内容 1 2 1 研究背景和目的 电子警察系统是智能交通系统中交通监控系统的一个分支。它是“机动车辆 违章自动监测系统”的俗称。电子警察系统是智能交通系统与视频监控系统的完 美结合，一直以来都是社会各界着重关注的焦点，现在中国的电子警察系统从 研发到应用都迎来了更大的机遇与挑战。相关企业只要遵循公路车辆智能监 测记录系统通用技术条件、闯红灯自动记录系统通用技术条件标准，电 子警察系统就能实现资料共享，从而实现全国范围内的异地违法信息、资料等 内容的传递，真正的发挥“规范中国路口行车秩序、保证道路畅通和预防乃至杜 绝交通事故”的作用1 2 。 我国道路交通管理系统中的“电子警察”是一个时代的产物，它是随着科技的 发展而产生的。作为现代道路交通安全管理的效手段，电子警察系统可以迅速 的监控、抓拍、处理交通违章行为，迅速的获取违章证据，提供行之有效的监 测手段，对改善城市交通拥堵现象发挥了重要作用，它已成为道路交通管理队 伍中必不可少的重要一员，以充分发挥它的准确、公正的执法作用1 2 2 1 1 2 3 1 。 国内从事“电子警察”系统业务的公司比较多，各家的产品在结构组成、 产品功能、通信数据格式等方面都不太一样，产品质量也参差不齐，这对系 统的使用带来了隐患，尤其是随着公安交通管理信息系统建设的不断深入， 对电子警察系统提出了更高更严格的要求【2 4 】。 本文研究的目的是设计一种基于线圈检测的数码视频违章系统( 即电子警察 系统) ，该系统必须具备稳定的性能，可以实现高效的非现场执法，使得交警等 执法机构有充足的证据对驾驶员的违章行为进行有效的警告与惩罚。 1 2 2 研究内容及解决问题 ( 1 ) 研究内容 本文研究数码视频电子警察系统的硬件和软件的设计。首先从整体上阐述 硬件系统的架构及组成原理，其次重点研究了前端抓拍子系统的设计与实现， 最后研究了系统的软件设计与实现。 ( 2 ) 解决问题 在研究过程中遇到及解决的问题主要有： 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 信号流的检测方法。在本系统中，需要不停的获取线圈信号和红绿灯信 号，如何实现这两部分信号的检测以及对信号进行相应的处理是实现系统功能 的关键，在最终的系统中，本文采用基于并口定时扫描的方法来获取所需的检 测信号，并取得了良好的实践效果。 2 ) 数码相机和摄像机协同拍摄的问题。由于本电子警察系统采用数码相机 和摄像机组合拍摄的模式，因此，在有多辆车在多车道同时违章的情况下，协 调好数码相机和摄像机的同步工作问题显得尤为重要。本文采用多线程、先进 先出( f i f o ) 方法较好的协调了二者之间同步工作的问题。 1 3 论文的主要组织结构 本文采用整体到部分的组织结构，首先介绍系统整体设计方案，其次说明 数码视频电子警察系统的核心部分前端抓拍子系统的设计，最后阐明了系统的 软件设计与实现。文章具体结构如下： 第一章，绪论。介绍了智能交通的概念以及国内外研究现状，提出了本文 研究的目的、内容及要解决的关键问题。 第二章，系统整体设计。首先介绍了系统设计需求及设计方案的选择，其 次说明了系统的整体设计框架，从硬件和软件两方面分别说明了系统的基本构 成、结构框图，提出了设计的基本思想和需要使用到的软件开发方法。 第三章，前端抓拍系统。本章讲解了前端抓拍子系统的实现，讲述了抓拍 系统的工作过程及车辆检测原理。 第四章，系统软件设计。本章阐述系统软件的设计与实现，采用模块化设 计思想，对各个软件模块的设计作了详细说明，并给出了一些关键问题的解决 方法。主要讲述了前端抓拍系统的软件设计和网络传输软件的设计。 第五章，总结与展望。总结了本文所设计的数码视频电子警察系统，提出 了一些不足的地方，对未来电子警察行业的发展做了一定的展望。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 需求分析 第2 章系统整体设计 随着规范化、人性化等执法理念的深入，电子警察系统应该推行“一告知、 二警告、三取证”模式来运作，其中“一告知”是指公开告知电子警察系统的安装 位置及其功能；“二警告”是指对违法者进行监测并给予警告；“三取证”是指对不 听劝告的违法者进行违法取证并进行执法。本文设计的违章检测系统对机动车 行驶中的闯红灯行为进行自动记录，其中违章照片需要记录清晰的车牌、停车 线、信号灯等信息，违章视频则记录完整的违章过程录像。系统有如下几个要 求： ( 1 ) 系统应具备良好的可扩充性、兼容性和可移植性，考虑到系统的可发 展因素，系统设计方案应充分利用现有的信息化建设成果和路口资源，并预留 扩展接口。 ( 2 ) 系统功能应全面、完善、安全、稳定而可靠。确保系统指挥中心管理 部分、通信网络部分和路口控制部分等一系列的设备和信息传输链路2 4 小时连 续不断的工作和使用，并且不受到天气变化的影响( 如台风、暴雨和打雷等恶 劣天气情况) 。 ( 3 ) 违章照片的需求 1 ) 第一张全景图片应能清晰辨别闯红灯的时间、车辆类型、车身颜色、 红灯信号和机动车车头( 整个车身的前三分之一) 压在停止线上或越过停止线 ( 含有停车线) ； 2 ) 第二张和第三张全景图片信息应能清晰辨别闯红灯时间、车辆类型、车 身颜色、红灯信号和整个车身已经越过停止线的机动车情况； 3 ) 车牌特写图片信息应能清晰辨别车牌号码和车牌颜色。 ( 4 ) 电子警察捕获率和有效率 电子警察的捕获率( 即在闯红灯自动记录系统监测范围内，系统检测和记 录的可以确定其闯红灯行为的机动车数与人工确认实际闯红灯机动车数的百分 比) 应不小于9 0 。机动车电子警察记录的有效率( 闯红灯自动记录系统中人 工可以清晰辨别号牌号码、车辆类型、红灯信号、停止线的机动车记录为有效 6 武汉理工大学硕士学位论文 记录) 应不小于8 0 【2 5 1 。 2 2 解决方案 基于上述的需求分析，本文选择如下的数码视频电子警察系统解决方案。 2 2 1 车辆检测器 车辆检测器是前端抓拍系统的核心之一，用来获取机动车通行的信号。目 前车辆检测的方式主要有环形线圈检测、视频检测、红外检测、雷达检测以及 激光检测等方式口6 】网。下面分别简单的介绍一下各检测方式： a 、环形线圈检测 这是一种比较经典、传统的检测方式，闯红灯电子警察系统基本上都是采 用这种检测方式。 b 、视频检测 视频检测方法是通过摄像机对路面的视频图像的分析，依据闯红灯违章行 为的特征，控制拍照系统进行违章车辆抓拍。此种检测方法关键在于视频图像 的分析算法，实践证明利用该技术的成熟产品的检测效果是相当不错的【2 8 】。 c 、微波雷达 微波雷达是通过对闯红灯违章车辆行驶造成的微波多普勒效应而实现检测 的，但由于交通路口的多车道、多车辆的复杂性，实际检测起来，实现比较困 难。因此，实际应用中，用微波雷达的很少见【2 9 1 。 d 、超声检测 超声检测主要是利用超声波测距原理。但超声波传感头在路口这种灰尘极 大的恶劣环境中的起使用寿命非常短，因此并不实用。 e 、激光检测 利用激光对车辆进行检测，其检测精度相当高，但激光检测中存在激光束 对人眼的伤害问题。因此，激光检测在理论上是比较好的，但其使用范围受到 限制。 基于上节的需求分析，本文选择环形线圈检测的方法来检测车辆的通行信号。 环形线圈检测器的主要特点是工作稳定、检测精度高，但线圈不可移动， 如果路口改造则需要重新埋设线圈，但其仍然是最主流的检测手段。视频检测 是近年逐步成熟的检测方式，主要特点是安装方便，可以任意设置监测区域， 7 武汉理工大学硕士学位论文 便于调整。主要用于高速公路及城市快速路的交通流量采集。其它几种检测手 段很少用于电子警察违章检测 3 0 j 。根据用户对电子警察捕获率不低于9 0 和有 效率不低于8 0 的要求，本文将采用线圈检测方式。主要原因是监测区域需要 设置在停车线前，这个区域有大量的行人和非机动车经过，而视频检测的根本 原理是检测区域的图像变化，虽然通过一定的算法进行补偿，可以正常检测车 辆通行，但同时会由于行人和非机动车的干扰产生大量的误触发信号。本系统 使用的车辆检测器是武汉天昊电子系统有限公司自主研发的四通道高速车辆检 测器。该产品主要用于高速公路交通数据采集和城市交通控制自适应系统的车 辆采集。系统采用工业级设计，能够适应恶劣的工作环境，极高的检测精度和 快速的反应时间将大大提高违章记录的有效性。 2 2 2 抓拍方式 数码、视频组合电子警察系统是针对数码电子警察系统和视频电子警察系 统在市场应用过程中发现的缺陷而提出的新型电子警察系统。该系统采用对数 码相机控制技术和视频控制技术的融合，达到其他两类电子警察系统所不能达 到的效果。 该系统可以提供四张违章照片，包括一张数码照片和三张视频照片。数码 照片和普通数码相机电子警察提供的照片相同，能够包含所有的违章信息一停 车线、红绿灯、车牌号码等；三张视频照片和普通视频电子警察提供的全景照 片相同，可以反映车辆的违章过程。与数码电子警察相比，此系统的优势是可 以提供车辆违章过程的信息，减少处罚争议。与视频电子警察相比，此系统能 够提供更清晰的违章照片，同时提供违章过程的录像。视频电子警察为了获得 清晰的车牌照片，需要在每条被监控的车道安装一台摄像机。普通摄像机一般 只能提供分辨率为7 6 8 x 5 7 6 的图片，车牌特写图片一般只包含车尾部分，如果 车辆跨线行驶，很难拍到完整的车牌。全景摄像机所拍摄的违章过程图片由于 分辨率的限制而无法看清红绿灯的状态，如果使用的信号灯采用的是箭头指示 方式，则根本无法分辨【3 1 1 。这个缺陷给各地的执法部门带来了很多的争议。 本系统的创造性在于把数码相机和摄像机有机的结合起来，数码相机的高 分率照片可以清晰分辨红绿灯状态，可以清晰分辨箭头灯，跨线行驶车辆也可 以准确抓拍。视频照片则可以完整再现车辆的整个违章过程。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 开发环境 系统软件运行在嵌入式w i n d o w sx p 环境下，用m i c r o s o f tv c 抖6 0 开发。 嵌入式x p ( ) e ) 是微软公司推出的经过裁剪的w i n d o w sx p 专业版操作 系统。微软将x p 操作系统分解成1 2 0 0 0 个组件，本文只是选择与系统硬件相关 的部件。本文所裁剪的部件只有2 0 0 多个。由于裁剪后占用系统资源很少，所 以系统运行速度更快。 嵌入式x p 有以下特点： 1 ) 经过裁剪的专业版x p 。所有在x p 上运行的软件可以不加修改地在x p e 上运行。这对于开发系统软件来说是巨大的优势。由于在l i n u x 操作系统下开发 系统程序比较困难，l i n u x 下的开发包也很少( 奥林巴斯相机就不提供l i n u x 开 发包) ，所以开发l i n u x 下的电子系统非常费时，采用x p e 系统就能够较快的实 现系统功能，提高经济效益。 2 ) 实时工作。经过裁剪后的x p 系统，只有2 0 0 3 0 0 m 左右( 最小系统甚 至只有4 0 m ) ，系统很精干，所以效率极高。经过微软优化处理，实时性有极大 的提高。 3 ) e w f 技术能有效防止病毒和用户误操作。e w f 技术有点像硬盘保护卡 功能，一旦开启e w f 功能，用户在此系统上的所有操作都是无效的，只要系统 重新启动后，可自动恢复到e w f 刚执行时的状态。因此病毒和用户误操作对于 x p e 是无效的。 4 ) 支持多c p u 。由于x p e 和专业版x p 天生的血缘关系，所以x p e 同样 支持最新的许多新技术：p c i e 、串口硬盘、双核c p u 等。 2 2 4 开发技术 考虑到系统要实现多个子功能，本文采用多线程技术来处理同步问题。在 红灯信号和线圈信号的检测上，用到了并口通信技术。在违章照片的处理上， 用到了数字图像处理技术。此外还有d o m 电子盘技术以及外部看门狗技术。 多线程的优点有很多，可以同步完成多项任务，提高资源的使用效率从而 提高系统的效率，把占据c p u 时间长的任务放到后台去运行，加快程序运行的 响应速度，节约内存的使用等等。 并口通信技术可以获取红灯信号和线圈检测信号，为系统抓拍提供前提条 件。 9 武汉理工大学硕士学位论文 数字图像处理是处理违章图片不可或缺的技术，包括违章照片的合成以及 文字信息的叠加等。 普通p c 机的硬盘采用的是机械结构，数据储存在高速旋转的磁片上，如果 设备突然停电，磁头不能回到正常的位置，可能导致数据丢失，甚至是磁盘损 坏。由于d o m 是工业级电子芯片，数据存储在电子芯片上，因此采用d o m 电 子盘作为存储器就不会因为突然断电而丢失重要数据。根据台湾i n n o d i s k 厂 家测试，连续断电3 0 0 0 次，d o m 上的数据没有丢失。采用普通硬盘作为存储 器无法达到这样优越的性能。而且d o m 能在2 0 至7 0 下很好地工作。因此 d o m 电子盘技术能使系统的数据不丢失，软件系统运行更稳定可靠。 本系统使用的数码相机是民用产品，稳定性是其最大的弱项。为确保系统 能够长期稳定的运行，特别是在各类恶劣的环境下稳定运行，我们增加了外部 看门狗，让系统软件定期给看门狗信息，一旦5 分钟内看门狗接收不到系统软 件发来的信息，外部看门狗自动切断嵌入式工控机和数码相机的电源，让其自 动重启，强制使他们回到正常工作状态。而正是由于我们采用了x p e + d o m 的 组合技术，系统的稳定性有了显著的提高。 2 2 5 通讯方式 通讯方式主要指违章照片和视频的传输问题。数码相机和摄像机抓拍的照 片可以通过多种方式传输至后台管理系统。一般可以分为两种传输方式：网络 传输和u s b 传输。 网络传输是主要的传输方式。系统可根据程序的具体设定情况，定期将违 章照片和视频通过f t p 服务自动上传至后台管理中心，也可以根据后台管理中 心的请求即时传输违章图片和视频。网络传输具有简捷、快速的特点。 如果网络出现了故障，不能进行自动传输，而又急需获取违章照片和视频 时，可以选择备用传输模式一，s b 传输。执法人员可携带移动硬盘或者u 盘 到前端抓拍系统所在的路口，将移动设备插入工控主机的u s b 接口，主程序会 自动识别到移动设备，计算其存储空间，并将相应的违章照片和视频传输到移 动设备，传输完毕后，工控机的指示灯会给出相应的提示。 网络传输和u s b 两种传输方式保证了后台管理中心可以及时的获取所需违 章照片和视频信息。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 整体设计 本节主要介绍数码视频电子警察系统的整体框架，包括系统的硬件构成以 及基本的软件框架。 2 3 1 系统框架 数码视频电子警察系统是一个包含了前后台的电子警察系统，由多个子系 统构成，就其整体而言包含：前端路口抓拍系统；后台管理系统；中间层的传 输系鲥3 2 1 ，其系统结构如图2 - 1 所示。 图2 1 系统结构图 其中前端抓拍子系统是整个系统的核心部分，是实现系统功能的关键，也 是本文重点研究的对象。 中间层的传输系统主要是网络传输系统，起到连接后台管理中心和前端抓 拍系统的桥梁作用，包括以f t p 方式进行图片和视频的上传，各种参数的设置 等。 后端管理系统是交警指挥中心处理违章图片和视频录像的系统，起着控制 和决策的作用。 这三个子系统共同构成了一个完整的电子警察系统。 图2 2 为系统的整体拓扑结构图。其中数码视频电子警察主机相当于前端系 统的心脏，运行嵌入式操作系统，还集成有红灯检测板、线圈检测板、外部看 门狗等外围电路。 在系统的每一个路口的每一个方向中，都安装了一个数码视频电子警察系 统。每个方向上的数码相机和摄像机可以对三个车道的车辆进行拍摄。每个方 武汉理工大学硬士学位论文 向的工控主机通过以太网交换机并行连接至厉台管理中心。因此后台控制中心 可以得到所有路口的机动车违章信息。 图2 - 2 系统整体拓扑图 图2 - 2 中每个路口以及每个方向上的电子警察系统都采用并行连接的方式， 通过以太网交换机，再通过光纤传输，连接到后台管理中心，每个方向上的电 子警察都是独立工作，互不影响，如果某个电子警察系统主机出现故障，其他 路口各方向上的电子警察系统都能够继续正常工作。这为系统敲障的检查和后 期的维护都提供了便利。 图2 - 3 是几个主要硬件的组成结构图。其中前端抓拍系统的工控机负责整个 前端子系统的连续不间断运行，执行各种抓拍任务。由于该系统需要在各种恶 劣的天气环境下工作( 雷雨大风、严寒酷暑等) ，因此本文选择性能稳定可靠的嵌 入式工控主机。该主机能工作在较大的温度范围，可以连续2 4 小时运行，具有 防尘舫震等特点。 武汉理工大学硕士学位论文 幽2 - 3 系统硬件结构图 1 ) 前端抓拍系统 前端抓拍系统通过检测红灯和线圈的信号来控制数码相机和摄像机拍摄违 章照片和视频，它是整个数码视频电子警察系统设计较为关键的部分。 2 ) 中心传输系统 中心传输系统负责将前端子系统采集的图像和视频发送到j 罱台管理中心， 起到数据通路的作用。 3 ) 后台管理系统 后台管理系统是相关执法部门处理违章照片和视频的系统。主要是由数据 库系统构成用来查阅各种违章照片及其事发时间、地点等信息。 2 3 2 系统硬件 本数码视频电子警察系统的前端抓拍系统采用模块化设计每个硬件模块 可以独立运行，互不干扰，如果某一个模块出了故障，也不至于使整个系统瘫 痪。同时，模块化的设计也对未来设各的维护和检修提供了便利，能更方便的 检测出故障模块，修理起来也比较简便，大大降低了维护成本。 表2 - i 列出了本数码视频电子警察系统在实际使用过程中用到的元器件。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1 系统硬件清单 序号部件名称品牌型号说明 1 红灯板 t h r l 0 1 四路红灯检测、闪光灯同步 2车辆检测器t h j c 0 1 四路线圈输入 3嵌入式工控板艾讯l x 8 0 0a m dx 3 4 视频采集卡 q p 3 2 0视频信号采集 5 数码相机 e - 4 l o10 0 0 万象素数码相机 放置数码相机，摄像机。全天候室 6 防护罩 4 7 1 8 外设计，自动温控 7 闪光灯组件银燕 b y 4 0 0 s d s a n y o 8 摄相机( 全景)还需要配置腾龙镜头 6 6 8 8 p 9 前端控制机箱定制三防机箱 1 0电源防雷器深圳震宇 电源一次防雷 l1 视频防雷器深圳震宇视频防雷 下面简要介绍一下相关模块的主要功能： 1 ) 红灯检测模块 本模块由红灯板、红绿灯信号线等组成。该模块采集路口的红绿灯信号， 传输到工控主机，实现工控主机的绿灯信号与路口实际的红绿灯信号的同步， 使工控主机的外部指示灯正确的显示当前路口的红绿灯信息。 2 ) 线圈检测模块 由车辆检测器( 线圈检测板) 和埋在地下的环形地感线圈等组成，主要作用是 检测机动车的通行信号，发送给工控主机，形成抓拍触发信号。该线圈检测板 可以连接四路线圈检测信号，即可以检测四个车道的车辆通行信息。 3 ) 补光模块 补光模块主要由闪光灯组件组成，用于在系统光照条件不足的情况下，给 数码相机和摄像机补足充足的光线，使得系统在晚上或者阴天等光照条件不足 的情况下也能正常工作，拍出清晰的违章照片和视频。 4 ) 视频采集模块 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 视频采集模块通过视频采集卡将摄像机拍摄的视频和图像采集到工控主 机，保存拍摄到的视频图片。 整个系统的硬件设计考虑了工作环境、工作温度、系统稳定性和持久性等 多方面的因素，所有的硬件材料都是经过长期的综合测试和实验运行所得出的 结果。最终运行的系统具有良好的防雷防高温防恶劣天气的特点，长期运行不 死机，工作效率比较高，性能稳定。 2 3 3 系统软件 本系统软件需要实现以下功能：现场红灯和线圈信号的采集；控制相机拍 照、摄像机摄像、保存参数、传输照片和删除照片；通过以太网远程下载照片， 也可以用u 盘本地下载照片。应用程序的总体结构如图2 - 4 所示。 图2 4 程序结构图 系统软件的设计主要是几个模块程序的编写。如控制相机的u s b 通讯模块 的编写、网络传输模块的编写、信号采集模块的编写。其中u s b 通讯模块是关 键，需要严格遵守数码相机的通讯协议；网络传输采用客户机服务器方式，本 机作为客户机，工控中心设置为服务器；信号检测模块主要是读取并口信息。 2 4 本章小结 本章从介绍数码电子警察系统的需求开始，引入了最终的选择方案，从宏 观上给出了系统的整体框架图及硬件结构图。并简单介绍了系统的软件结构。 系统软件的设计与开发是本文研究的重点，将在第四章详细介绍。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章前端抓拍系统 数码视频电子警察系统的核心是前端抓拍子系统。本章介绍车辆检测原理 以及抓拍系统工作流程。 3 1 前端抓拍系统工作原理 前端抓拍系统主要由信号检测、拍照、图像合成以及f 1 p ( 或u s b ) 传输几个 部分组成。其中信号的检测和拍照过程是系统的核心部分。基本流程如图3 1 所示。 图3 1 抓拍系统流程图 信号检测部分用于获取红绿灯信号和线圈的信号，如果输出信号满足抓拍 条件，工控机启动摄像机和数码相机拍照，如果收到后台管理中心的照片传输 请求，则可以通过f t p 服务将照片和视频上传到后台管理中心。 3 2 车辆检测原理 车辆检测器是前端抓拍系统的核心部件，如何通过一个好的方法检测到车 辆的通行，是保证系统稳定性及高效率的前提条件。 车辆检测方法有线圈、视频、激光、雷达等检测方式。其中，使用的最多 的是线圈检测和视频检测方法【3 3 】。本系统使用环形线圈检测方法。 环形线圈检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器。一般由三个部分 组成：环形线圈传感器( 地感线圈) ，馈线，信号检测处理器【3 4 】。如图3 2 所示。 图3 2 环形线圈车检器结构图 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 机动车经过环形线圈时会产生涡流效应，车体切割线圈磁通线会使线圈电 感发生变化，电感的变化可以引起电路频率的变化，检测频率的变化即可知道 有无车辆通过线圈。 车辆检测器同样可以用来检测车辆通行的速度，可以据此判断机动车是否 超速行驶。环形线圈的车速检测一般有双线圈检测【3 5 】和单线圈检测方法【3 6 1 。这 里只简要介绍一下双线圈车速的检测方法。 在路面相隔一定距离埋设两个地感线圈。根据经验，两个线圈之间的间距 为2 米左右。两个线圈位于停车线两边。如图3 3 所示。 机动车 图3 - 3 双线圈车速检测示意图 记录下车头进入进线圈的时刻t l ，车头进入出线圈的时刻t 2 ，则在t 1 到t 2 时刻间，机动车通过的位移为线圈的宽度和两线圈之间的距离的和。设线圈的 宽度为l l ，双线圈之间的距离为l 2 ，据此可以求的机动车的速度v 为： 1 ，：兰! 圭z( 1 ) t 2 一t l 本测速功