高清视频电子警察方案
一、应用背景及系统现状
在电子警察的发展历程中，地感线圈检测模式一直占据着市场最大份额，虽然它有着捕获率高、抓拍位置精准等优势，但是切割地感线圈造成破坏路面、后期维护麻烦等先天不足的问题也一直困扰着交通管理部门，并且地感线圈检测模式无法很好地延展到压线、不按导向车道行驶等其它交通违法行为的检测领域。而视频检测模式的电子警察能解决前面提及的诸多问题，因此在很多年前就进入了交通管理部门的关注范围，但是前些年因其技术不成熟而导致的闯红灯捕获率和取证有效率低，达不到交通管理部门的业务要求，所以一直未在市场占有率上有所突破。
随着高清视频图像逐渐应用到电子警察领域，曾经在技术上一直存在瓶颈的问题迎刃而解。高清视频图像能为视频检测算法提供丰富的车辆细节特征，为提高闯红灯车辆捕获率和取证有效率打下坚实基础。
目前电子警察行业涌现出一批提供视频检测高清电子警察系统的产品供应商和解决方案供应商，是电子警察行业的发展方向，逐步成为新建电子警察系统的首选，逐步抢占电子警察市场份额。
电子警察一直处在多种技术形态并存、融合的环境中，比如：数码相机模式与摄像机模式、标清图像与高清图像、单纯抓拍与抓录一体、地感线圈检测与视频检测等等。目前全国各地交通管理部门建设的电子警察系统可谓是百花齐放，但无论何种技术路线、何种产品形态，整体看下来都面临以下几个典型问题：
1、系统稳定性不好
相较于一般道路监控系统，电子警察系统属于“最小系统范畴”，前端子系统中组件多就意味着故障点多，组件耦合性强导致任意组件故障都会造成前端子系统无法正常工作。因此，要确保系统稳定就必须确保组件产品的稳定性和系统集成的稳定性，而国内相当一部分厂家是“拼凑”方案，没有真正的研发能力，所有组件都是外购再自行组合，此时就面临系统成本的压力较大，故在产品选型上又趋于廉价产品，最终形成“不稳定产品”+“不稳定集成”的局面，这是导致系统运行不稳定的症结所在。
2、系统效果不好
系统效果不好往往直观地体现在“图片不清晰”、“取证有效率不高”。其实电子警察系统的研发、实施与反馈修正是个精细活，它需要对大量的现场样本进行分析，要对图像成像质量、车辆捕获方式与抓拍位置、设备安装位置与角度、图片处理方法等等进行持续优化与
改进。如果没有庞大的团队和强大的研发实力，在改善系统效果方面往往会显得捉襟见肘。
3、系统延展性不好
回溯过去几年的项目建设情况，可以总结导致项目缺乏总体规划的原因出很多时候是很多厂家的系统延展性不好，比如：从只抓拍图片向既抓拍图片又需要录像过渡时，需要重新建设；从只抓拍闯红灯向既抓拍闯红灯又抓拍压线、不按导向车道行驶过渡时，也需要重新建设。如果系统本身没有延展性，那么项目规划时就显得很单薄，无法保证可持续发展。
在面对上面提及的问题时，我们分析了电子警察的发展趋势、总结了多年项目建设经验，最后开发出了一套完整的高清视频电子警察系统来解决当前交通管理部门碰到的难题。
二、系统总体设计要求及设计思路
系统设计时要求采用国内领先的多媒体技术、视频检测技术、网络通信技术及数据库技术等，保证系统在未来3-5年内能够持续满足交警业务发展及平滑升级的要求。
各子系统硬件及软件平台需采用标准协议，提供公安部所属检测机构出具的检测报告。根据交通管理的业务要求无条件开放接口；所有数据可上传到上级主管部门，满足非现场处罚、公安系统协同工作及资源共享的需要。
我们总体设计思路为,致力于将电子警察从“单一执法系统”向“交通秩序管理系统”转变。我们将道路监控、治安卡口、交通参数采集等功能注入电子警察系统，为它赋予更丰富的内涵。在交通违法行为抓拍功能之外，系统还能为道路监控提供实时视频图像和高清视频录像；自动获取车辆号牌、车型、行驶方向等参数与黑名单数据库联网比对报警，自动监测黑名单车辆的行径路线；自动获取路口、路段车流量、饱和度、占有率等交通参数，向信号灯自动控制系统提供实时交通数据，参与灯控路口的绿信比调整、绿波带参数调整，向交通智能诱导系统提供实时交通数据，参与区域交通诱导；向手机或警务通等智能终端推送文字信息或图文信息，实现路面警力的调度与指挥。
1) 系统采用500万CCD电警抓拍单元作为图像采集设备，可以同时覆盖3个车道；同一台摄像机可以完成高清视频分析、高清视频流输出的功能；
2) 采用高清视频检测作为车辆捕获手段；
3) 系统具备高清录像功能, 即：可以在前端通过终端服务器进行24小时500万高清录像，视频编码格式支持MPEG4或者H.264，每秒帧率大于5帧；
4) 终端服务器采用工业计算机；
5) 闯红灯拍3张特写照片，单张图片分辨率为2448×2048；在终端服务器内将3张500
万像素的闯红灯高清照片及车牌特写合成1张四画面高清照片作为违章处罚的依据；
6) 系统具备卡口功能，即：正常过车拍1张照片, 图片分辨率为2448×2048；
7) 采用工业高寿命补光灯；
8) 外场系统具备车牌识别功能，即：前端识别；
1.技术路线
从设计思想出发，在迈向最终系统的过程中，我们采用以下核心技术路线：
1）、高清成像
高清摄像机采用“图像传感器+ISP+DSP”技术方案，通过对ISP和DSP的精细化控制来确保高清图像的成像质量，使得高清摄像机在不同环境、不同光照条件下均可达到满足业务应用的成像效果。
2）、视频检测
利用视频检测中的目标检测算法实时监测视频图像中的目标，在车头到达停止线以前完
成车辆检测工作，同时锁定画面中经过每条车道的车辆。
3）、车牌识别
相对于单帧画面车牌识别技术，本系统采用“多帧识别技术”，对每一帧画面都进行车牌识别，一方面可提升车牌识别准确率，另一方面有助于对每辆车进行持续跟踪。
4）、车辆跟踪
在检测到车辆目标以后，利用车辆跟踪算法锁定目标，并对其进行持续跟踪，最终获得车辆在路口的行驶轨迹，为闯红灯、压线、不按导向车道行驶等交通违法行为的取证提供技术基础。
5）、交通违法辨识
将车辆跟踪刻画的行驶轨迹与车道属性、信号灯状态（红、黄、绿）相结合，实现分车道、多相位的交通违法辨识。
6）、交通参数检测
在车辆检测、车辆跟踪的基础上，结合车道属性统计出分车道、分断面、分时段的车流数据，计算出占有率、饱和度等。
7）、卡口监测
卡口监测指利用多帧识别技术提取通行车辆的号牌特征，利用车牌颜色识别与车辆轮廓分析提取车型特征，用以与黑名单库进行比对、报警。
2.系统结构
系统结构拓扑图
3.逻辑功能分布图
图高清电子警察系统逻辑功能分布图
高清视频电子警察系统由前端子系统、网络传输子系统以及后端管理子系统三大部分组成，实现对路口机动车闯红灯、压线、不按导向车道等交通违法行为的自动抓拍、记录、传输和处理，同时系统还兼具卡口功能，能够实时记录通行车辆信息。
1)路口单元
负责完成前端数据的采集、分析、处理、存储与上传，主要由电警抓拍单元、补光单元、信号灯检测单元、视频分析记录单元等相关组件构成。路口交通违法信息与卡口信息全部采用IP方式传输。分为图像采集单元和前端处理单元两大部分。
(a)图像采集单元
图片抓拍：利用一体化高清网络摄像机连续抓拍三张闯红灯高清图片组成一份违法记录，抓拍间隔精确到0.1秒，每张图片（分辨率2448×2048）均包含清晰可辨的车辆信息、车牌信息、车辆行驶行为和红绿灯信号状态。
LED补光灯：选用大功率LED作为光源，灯光亮度符合国家环保标准，对人眼无刺激。与电警抓拍单元配合使用，用于夜间补充照明，保证夜间拍摄效果。具有良好的防水、防尘功能，能适应长时间野外工作的要求，在各种天气条件下能正常工作。
视频捕获：利用一体化高清网络摄像机拍摄闯红灯过程的动态视频，视频清晰度满足人工对车辆颜色、类型的认定，能完整呈现机动车闯红灯整个过程的运动轨迹，用于判断违法类型。
数据缓存：借助网络将抓拍的图片和捕获的视频发送给前端处理单元。可安装高速SD 卡，在网络通信故障时缓存高清图片。
(b)前端处理单元
信号灯检测：利用信号灯检测器实时检测红灯信号，将红灯维持状态、红灯切换至绿灯脉冲信号、绿灯切换至红灯脉冲信号，发送给终端服务器。单台交通信号灯检测器支持16路信号检测路数，将模拟输入的220V电平信号转换为数字信号，保证采样信号周期的完整度和匹配度。支持多相位红灯信号接入与处理。
数据预处理：终端服务器接收来自一体化高清网络摄像机抓拍的4张照片。终端服务器按照国家标准将4张照片合成一张照片，并将时间、地点、方向、车道等信息叠加至图片上。
数据存储：终端服务器可以将摄像机的高清视频流进行存储，视频帧率大于5帧。在需要查看高清视频的时候，可以通过后台客户端软件搜索、播放视频资料。
2)传输网络
负责完成数据、图片、视频的传输与交换。建设视频专网，其中路口局域网主要由外场工业交换机、点到点裸光纤、光纤收发器组成；中心网络主要由接入层交换机以及核心交换机组成。
3)后台处理单元
负责实现对辖区内相关数据的汇聚、处理、存储、应用、管理与共享，由中心管理平台和存储系统组成。中心管理平台由平台软件模块搭载的服务器组成，包括：管理服务器、应用服务器、Web服务器、图片服务器、录像管理服务器和数据库服务器等。
后台处理单元主要完成以下功能：
数据通信、数据处理和数据存储：从前端终端服务器获取图片和数据，将图片数据保存在服务器中。
车牌识别、数据接口和打印罚单：对每一张违法图片进行车牌识别，识别结果由人工复核，确定为违法行为后，信息送至非现场处罚系统并打印生成罚单。
Web查询、信息发布：利用应用服务器为公安内部工作人员或驾驶人员提供Web查询服务，并支持将违法车辆记录信息发布到网站上。包括按车型、号牌、车速、日期、时间等参数进行检索。
三、系统功能
1.车辆捕获功能
系统能对所有经过车辆进行捕获。在监控区域内，采用视频检测方式检测过往车辆，按照正常车速规范行驶的车辆图像捕获准确率达95%以上。
2.抓拍设备
高清摄像机采用500万像素CCD、高清晰、低照度、稳定性好、寿命长的的工业级摄像机，同时具备视频检测器的功能，通过视频分析可实现对闯红灯车辆的自动分析与检测，每台设备可检测抓拍3条车道。
3.闯红灯抓拍功能
电警抓拍单元实现对单方向各车道闯红灯车辆的监测、图像抓拍等功能。每一违法记录拍摄连续4张包含车辆号牌、车辆外形、车辆颜色和道路全景的图片，抓拍的图片能清楚辨认车辆号牌、交通信号灯状态和车辆通过停车线时不同位置的状态，其中第一张图片为车辆进入第一个线圈时(未越过停止线)的照片，第二张图片为车辆进入第二个线圈时(压在停止线上)的照片，第三张图片为车辆离开第二个线圈时(已越过停止线)的照片，第4张为车牌特写。根据要求可以将4张500万像素的闯红灯高清照片合成1张三画面高清照片作为违章处罚的依据。
4.高清卡口功能
对每一辆通过路口的车辆，系统拍摄并记录一张车辆图片，图片包含信号灯、停车线和整个车辆的外观，并且在图片上自动叠加车辆的通行时间、地点、方向和车道、车速等行驶信息，将图片以通用的“JPEG”格式存储到磁盘相应目录下。系统将每一辆车辆通过的时间、地点、行驶方向、车道等信息，生成一条通过车辆的通行记录，并将车辆图片和通行信息自动上传到中心平台。
在环境无雾包括雨、雪天情况下对监控区域内的行驶（含沿车道线行驶的车辆）的车辆图片可以包含车辆尾部所有特征，看清车辆类型、颜色和所载货物。
5.闯禁令、违反禁止标线等违法行为抓拍功能
系统在路口电子警察设备可检测的范围条件允许的情况内，系统采用视频检测方式对路口的所有车道进行检测抓拍,能通过对视频的智能分析判断车辆违法行为，如：可对机动车在非机动车道内行驶进行记录
对不按导向车道行驶的机动车进行记录
违法逆行行为抓拍记录
违法压线行为抓拍记录
跟踪判断并且对违法车辆进行抓拍，系统抓拍三张违法图片，类同闯红灯抓拍要求，以记录违法的整个过程。提供1张500万像素高清照片作为违章处罚的依据。
速度范围0-180公里／小时，在正常天气条件下，即无雨、雾、烟而导致人工无法分辨号牌号码的情形，捕获率大于85%（单车道），记录有效率大于80%。
6.高清录像功能
系统抓拍单元提供高清晰全景录像, 录像视频清晰流畅,帧率大于5帧/秒,录像清晰度满足人工对车辆类型、颜色、车牌号码的认定；完整、清晰记录违法车辆的违法三要素（违法车辆及牌照、红灯和停车线等）和违法车辆违法过程的运动轨迹，用于判断违法车辆的违法类型。
在前端路口的路边机柜内放置一台高清网络录像服务器,负责在连接中心的网络出现故障时存储摄像机高清视频录像,并保证具备至少72小时的500万高清视频录像备查,当超出最大存储容量时,自动对录像进行循环覆盖,并可以提供远程回放和远程实时浏览服务。
在中心的机柜内放置一套高清网络录像存储阵列,负责存储所有路口前端摄像机的500万高清视频录像,并保证具备至少7天的500万高清视频录像备查,当超出最大存储容量时,自动对录像进行循环覆盖。
7.信号灯相位同步
摄像机能够与路口红绿灯信号进行同步，确保抓拍到的图片中红绿灯颜色显示准确，必须避免红灯泛黄或无颜色，进而避免引起处罚争议。
8.自动补光功能
系统前端设备能根据光线的变化或时间的控制自动改变摄像设备的工作参数，自动打开或关闭补光设备，确保记录图片的清晰。
补光灯采用频闪技术，与高清摄像机采集频率完全匹配，在达到最大补光效果的同时降低灯光对周围环境的影响，不会对驾驶人造成直接强光刺激。
选用产品进行过防炫目处理，不会对驾驶人员安全驾驶造成影响。
9.号牌自动识别功能
系统可自动对车辆牌照进行识别，包括车牌号码、车牌颜色的识别。
1)车牌号码自动识别
在实时记录通行车辆图像的同时，还具备对符合“GA36-92”（92式牌照） 、“GA36-2007”（新号牌标准）、“GA36.1-2001”（02式新牌照）标准的民用车牌、警用车牌、军用车牌、武警车牌的车牌自动识别能力，包括2002式号牌。所能识别的字符包括:
2)车牌颜色自动识别系统能识别黑、白、蓝、黄、绿五种车牌颜色。
3)系统识别的车牌类型部分示例：
在环境无雾、车牌挂放规范、无污损且不含五小车辆情况下，系统车牌识别率应大于95%，车牌识别时间小于0.5秒。
1、蓝色民用车牌
2、黄色民用车牌
3、黑色民用车牌
5、02式车牌4、黄色民用尾牌11、港澳车牌
12、教练车牌
13、使馆车牌
14、民航车牌6、警用车牌7、单层军用车牌
8、双层军用车牌9、单层武警车牌10、双层武警车牌
10.交通流检测功能
用户能够按路口单位、路口名称、车辆类型、车道号、报表类型（日报表、月报表、年报表）进行流量统计和车速统计，具体包括：每道流量、流速（每小时每车道车辆数）、平均速度、车型（可分为五类车型）。数据以文本格式在前端滚动保存至少1个月，中心上端可对采集的信息进行查询、下载。并且生成报表可以导出和打印。统计结果可以作为日常道路交通诱导和交通优化管理的依据，方便用户定期对交通状况的处理和总结。
11.数据存储功能
采集的车辆图片、违法数据、高清录像等数据支持前端存储和中心集中存储。在前端路口的路边机柜内放置一台终端服务器，负责监测行驶车辆违章状况的图片采集、缓存、实时处理和数据传输，系统可在前端存储车辆过车信息，当超出最大存储容量时，自动对车辆过车信息进行循环覆盖。在发生网络等故障时,前端路口终端服务器具备存储不少于一个月的高清图片及180小时的500万高清录像资料的能力。
12.联网及现场数据下载
要求系统支持联网数据传输和现场数据下载，系统可实时或定时通过路口主机向指挥中心快速、安全地传输数据。要求系统同时支持移动PC拷贝数据或人工取盘功能。
13.断点续传功能
系统支持有线或无线的传输方式，可将车辆违法信息实现自动上传。系统实时监测记录网络传输子系统的工作状况，正常状态下各前端子系统通过TCP/IP网络协议将车辆通行数据信息自动上传至中心平台的应用接入服务器。当网络出现异常时系统自动启用前端数据缓存功能，将车辆通行数据缓存在前端的终端服务器中，并在网络传输恢复后自动补全中心平台的数据信息,并且支持可以直接从故障点续传数据。同时,系统支持移动PC拷贝数据或人工取盘采集数据的功能。
14.图片合成与防篡改功能
系统支持将三张违法数据进行合成一张图片的功能，系统从前端摄像机的DSP上对每张图片加水印防篡改处理，防止在传输、存储、处理等过程中被人为修改，断绝了数据篡改的可能性。并在每张图片上完成抓拍时间、红灯时间、违法地点、方向和车道等信息叠加。
15.时钟校准功能
系统具有时钟校对能力和死机自动复位功能，对前端摄像机及设备的校时。采用摄像机与其上级的服务器统一校时。管理平台要保持时钟一致。基准时钟源采用安装GPS模块，接收GPS的时钟信息来校准时钟。并提供安装设备的经纬度信息。负责对平台及前端路口设备进行时钟校准。校准周期可调。每日至少校准同步一次，24小时计时误差不超过1秒, 符合《GA/T832-2009道路交通安全违法行为图像取证技术规范》中4.7条计时误差要求。
16.系统管理维护功能
系统具备故障自动检测、权限管理功能、日志记录、主动校时、远程维护及参数的设置等功能。
17.车辆类型判别功能
系统采用车牌颜色的方法对车辆类型进行判别。对于民用车来说，蓝颜色车牌表示的是小型车辆，而黄颜色车牌表示的是大型车辆。
18.车辆稽查布控功能
系统具备车辆交通安全违法行为监测报警和布控车辆自动比对报警功能，比对方式包括精确比对和模糊比对。
四、系统详细设计
1.路口前端子系统设计
1.1路口前端子系统结构
图高清电子警察单个方向组成拓扑结构
前端子系统包括视频分析记录仪、电警抓拍单元、车牌补光灯（大角度频闪LED灯）、环境补光灯（小角度频闪LED灯）、信号灯检测器和杆件及相关组件。
视频分析记录仪：采用视频分析的技术手段来实现车辆检测、车牌识别、车辆跟踪和违章判断，同时还支持前端数据存储和数据上传。
电警抓拍单元：采用500万像素高清摄像机，在LED补光灯的配合下，实现图像采集
和成像控制。同时将高清码流发送给视频分析记录仪。
车牌补光灯：选用LED灯作为光源，主要用以车牌补光，灯光亮度符合国家环保标准，对人眼无刺激。具有良好的防水、防尘功能，能长时间适应室外工作环境。
环境补光灯：选用LED灯作为光源，主要用以环境补光，有效提高夜间图像显示效果和标识标线的显示效果，灯光亮度符合国家环保标准，对人眼无刺激。具有良好的防水、防尘功能，能长时间适应室外工作环境。
信号灯检测器：实时检测红灯信号，将红灯维持状态、红灯切换至绿灯脉冲信号、绿灯切换至红灯脉冲信号，发送给视频分析记录仪。单台信号灯检测器最大可以支持16路红灯信号接入。多相位红灯信号接口，可根据不同车道设置红灯信号和组合红灯信号。
1.2路口前端子系统工程布局
电子警察系统用于交叉路口或路段对闯红灯行为进行记录，因此，通常情况下是十字路口或丁字路口，少有情况为直行路段。如下图所示：
十字路口
图表1十字路口布局图（图中线圈为虚拟线圈）
安装说明：
电警抓拍单元、LED补光灯安装与立杆挑臂上，每个车道需要一台补光灯。
终端服务器、交换机安装于落地机柜，落地机柜选址靠近信号灯控制箱。
立杆安装位置通常在停车线后18-20米，立杆高度一般在7米左右，从车辆尾部方向对车辆进行拍照。
1.3工程实施细则
单向三车道L杆安装示意图
1、电警抓拍单元、LED补光灯安装于立杆挑臂上。车牌补光灯安装在距离摄像机1米处，环境补光灯安装在距离摄像机4米处。
2、信号灯检测器、视频分析记录仪、交换机安装于落地机柜，落地机柜选址靠近信号灯控制箱。
3、立杆安装位置通常在停车线后19米左右，立杆高度一般在7米左右。
设备线缆选型：
线缆名称线缆型号
网线STP/Y 4*2*0.5
信号灯信号传输线RVSP2*0.5
线缆名称线缆型号
电源线RVV3*1
补光灯控制线RVVP2*1
1.4镜头焦距选择依据
焦距测算公式:
同样的CCD 宽度、同样的物距下，焦距越小，物宽越大。电警抓拍图片范围要求为3个车道，所以这里的物宽即为施工现场车道宽度的3倍。如车道一般为3.75米标准宽度，则物宽为11.25米。
其中500W电警CCD宽度为8.8mm。
以500W电警安装高度7米、停车线到立杆的距离19米、物宽11.25米（3个车道宽度，车道宽度为3.75米标准车道）为例子。
物距计算三角形
所以w=8.8mm，L=（7*7+19*19）根的2次方=20.26米，W=11.25米
按照等比三角形原理，f=wL/W，所以f=15.6mm
因此在19米远安装方式下我们推荐使用12mm的定焦镜头，如果车道宽度不是3.75米，则可以按照此公式推算出大致焦距范围，然后选择镜头。
1.5立杆安装位置与停止线距离计算依据
立杆安装位置与停止线距离需要考虑的因素：
1、主要视场覆盖要求：包括车道宽度的覆盖、停止线后面有效距离的覆盖（停止线后面要求有7米的路面视场）和信号灯的覆盖（要求看见信号灯）；
2、车牌识别要求：保证视场覆盖时，车牌是否满足车牌识别的要求（90个像素96%识别率）；
3、补光要求：补光灯的光斑覆盖能否足够覆盖整个视场；
4、车辆遮挡行为：由于视频电警抓拍的车辆尾部，这就可能存在后一辆车头遮挡前一
辆车尾车牌的现象。见下图：
A为车辆尾牌的下边界（一般车辆距离地面为70CM，部分小型车50CM，大型车辆80CM），B是车辆前部的高度，一般为80CM，C为车辆最高点一般为140CM，D为摄像机安装处，一般高度为630CM，BC距离一般车辆为2米，摄像机到A点的水平距离为安装距离减去4.5米（遮挡一般发生在红灯时前一辆车停在停止线内）。因此当∠DAZ≥∠CAZ 且∠DAZ≥∠BAZ时就不存在遮挡。
1.6设备安装效果图
立杆安装效果图