城市交通管理中AR可视化技术的应用研究

李 洋，韩 伟，沈 晖，陈汉禄

(1.北京警察学院，北京 102202；2.北京市公安局公安交通管理局，北京 100037；3.北京博研智通科技有限公司，北京 100190)

AR(增强现实)是虚拟现实的提升，通过实时计算实景影像的位置及角度，将真实世界信息通过运算和图像技术，并与虚拟世界信息进行有机叠加的新技术，它的目标是在屏幕上展示现实世界与虚拟世界的叠加、呈现与互动[1].

AR技术，在展现真实环境信息的同时将虚拟的信息叠加显示出来，实现真实环境和虚拟环境信息相互叠加[2].通过视觉化的增强现实场景，系统地把真实环境的场景与计算机图形多重合的无缝叠加在一起，实现更多的信息呈现.AR技术包括但不限于场景建模、视频跟踪、图像显控、数据融合、场景融合等数据处理技术[3].

目前，在交通领域中视频技术已在视频监控、交通流检测、违法抓拍及事故取证等细分领域应用，但现有系统独立存在，无法实现多系统联动、直观呈现全景化的监控拼接画面[4].本研究结合城市交通管理的业务需求，研究AR可视化技术在城市交通管理的应用场景，分析AR视频可视化在交通管控“情指勤督”中发挥的作用，解决目标区域内多视频间无法联动、视频图像无法拼接的问题，进而促进AR视频在交通管控和治安行业的普及应用，提升城市交通管理效能.

1 关键技术研究

1.1 智能化视频跟踪技术

智能化视频跟踪技术可确定虚拟目标在真实场景的对应关系，识别、定位真实场景环境的相关信息位置，对拍摄到的图形数据进行虚拟化分析处理，并叠加到相应真实场景中，进而处理虚拟信息与真实场景的关系逻辑，实现视频可视化的动态跟踪处理.针对拍摄到的图形信息可实现人工标注和基于自然特征自动识别的视频跟踪注册[5]，其中人工标注主要是通过把特定人工标志的物体标记在真实场景中，然后对拍摄到的图像中已知物体的识别进行分析处理和运算后，得到摄像机位置和角度，再经过坐标变换算法，将虚拟物体有机的叠加到真实场景的相对位置.ARToolkit和ARTag是人工标注最具代表性的2种方法[6].图1和图2分别展示了ARToolkit和ARTag的人工标注方案示意.

图1 ARToolkit人工标注示意

图2 ARTag人工标注示意

1.2 三维图像融合技术

AR三维图像融合技术，首先采集多个摄像机设备拍摄的可视区域内的真实场景或物体模型视频图像，并与相适应的虚拟场景图像进行融合，通过计算机运算形成全新的AR三维视频实景，三维视频融合技术主要包括视频采集、图像修正、图像配准、色彩还原、视频拼接、转换输出几个处理流程[7].

1)视频采集设备分布在真实场景下的多个安装位置，由1组或多组组成，2～10个高清摄像机为1组，实现对可视监控区域的360°全覆盖.

2)图像修正完成对视频的畸变矫正，主要解决视频图像周边和交界处的边缘变形.

3)视频图像经过计算机运算准确实现全景大视角图像的分块分区配准，确保视频图像的各个区块平面投影转换的误差最小.

4)色彩还原主要针对不同视频采集设备或各个采集环境下形成的视频色彩进行还原校准，并做归一化处理，消除视频之间的色差.

5)并行处理视频拼接需要在区块匹配和视频图像配准数据基础上，对视频图像分区分块进行映射，并完成边缘融合处理.

6)对视频拼接后形成全景图像进行整体输出，或分片分区进行视频转换后输出到系统屏幕上，输出范围和规则可由用户选择定义.

1.3 增强现实动态标注技术

增强现实动态标注技术主要完成针对不同品牌、不同类型的视频监控统一标准化后图像动态标注数字化标签，研究AR标签技术、数字化标签增强信息及动态标注技术，分析各种视频联动应用场景的标注信息参数，完成标签数据的实时显示，实现AR增强现实对虚拟信息的可视化管理及多层、多级标签之间的信息交互(图3).

图3 增强现实的动态标注示意图

AR标签内容具有多形式展现，可关联多种数据，如监控点、图片、文字、链接等信息，满足用户信息集中的需求.

2 AR可视化技术业务应用

通过AR可视化关键技术的研究和城市交通业务需求分析，并以交通视频监控管理平台为基础与AR可视化技术相融合，构建智能交通AR可视化综合业务平台，通过平台架构和业务功能设计，为交通管理部门提供智能化手段和可视化辅助决策工具，并通过实际业务场景实践应用，为交通管理者解决监控画面无法实现“画中画”(兼顾整体与局部)问题.

2.1 平台架构

利用AR可视化技术的智能化视频跟踪、三维图像融合和增强现实动态标注等技术，结合交通视频监控管理平台，构建AR可视化监控平台的整体架构，充分发挥AR可视化技术在城市交通管理中的作用.交通视频监控管理平台负责接入外场视频监控资源、电警抓拍资源、人脸抓拍资源、卡口抓拍资源等，实现交通前端物联设备的统一汇聚与接入，构建视频监控统一的结构化数据管理.AR可视化监控平台利用交通视频监控管理平台的前端AR球机(枪机)、高清全景视频等设备，通过高速光纤的视频专网通信链路保障AR视频应用的实时性，AR视频以虚拟标签方式整合场景内的数据信息，实现视域内图像增强现实的效果(图4).

图4 平台架构图

2.2 平台功能

2.2.1 全景视频联动联控

在平台GIS界面上展示所有AR视频点位，通过平台窗口的视频标签可调阅任意的AR视频，并通过高点、低点互动标签进行全域视频监控资源联动，使之形成全域视频监控一张图的格局(图5).

图5 GIS地图联动展示图

2.2.2 与GIS地图联动

平台采用高德的离线GIS地图和高精GIS地图，实现AR视频与GIS地图的联动.GIS地图可显示AR高点视频、AR低点视频设备安装的实际地理位置，如点击平台GIS地图上对应的AR高低点视频标签，即可呈现对应的AR视频监控场景(图6).

图6 AR视频场景巡逻图

2.2.3 AR场景自动巡逻

平台具有多个AR场景巡逻功能，可设置AR场景按照一定的时间间隔进行循环巡逻，通常默认时间间隔为20～30 s.点击对应开启按钮开启巡逻，再次点击关闭巡逻.

2.2.4 视频联动预案

平台根据实际交通场景需要，配置对应的视频巡逻预案，通过制订联动预案，可在预定的时间自动调用执行对应的预案，减少操作人员频繁的操作视频，提高视频巡逻效率(图7).

图7 AR视频预案分屏显示图

2.2.5 标签自动同步功能

平台通过AR视频设备，在全景相机上面添加的虚拟数字标签，可自动同步至云台相机画面中.利用坐标系转换技术，可实现全景相机中的坐标标签同步到球机后依旧保持精准的坐标位置.

2.2.6 AR场景高高联动

平台支持在AR高点视域场景监视画面中添加视域边界信息，并通过虚拟标签关联相邻区域的高点视频信息.指挥中心人员发布勤务安保和涉车布控预案时，当勤务车队或涉事车辆从一个AR视频视域向另一个AR视频视域行进时，2个相邻监控区域的AR视频将自动转换监视场景，形成监视场景无缝对接.

2.2.7 AR场景高低联动

平台以AR高点视频的宽视野、大场景及可视域范围广，视频全景窗口可实现区域内重点路段的全方位立体化巡视的特点，并以高点视频为核心通过虚拟标签动态标注信息统领视域内低点视频，在实景地图上呈现全域高点、低点AR视频联动的防控网络.

3 应用研究成果

通过对城市交通管理中AR可视化关键技术和AR可视化技术业务应用的深入研究表明，AR视频在交管和治安业务的应用，将解决传统视频监控需人工实时监视的现状问题，实现事件的自动感知、识别和报警[8].当监视场景内事件、事故发生时，利用AR视频检测技术的自动报警，使值班人员在第一时间获悉报警消息，及时进行快速响应及事件处置.

通过AR可视化技术的业务分析和实践应用，城市交通管理中AR可视化技术可在以下方面应用并发挥重要作用.

1)路口全息监测：全息感知路口的交通流行驶轨迹、实时交通流量及车辆构成，实现对路口的各流向车道通行路径进行全量统计，为交通信号优化提供精细化交通流数据支撑.

2)全局监视：AR技术的应用，解决了以往查看一条道路的状况时需要调动多个视频摄像机的独立画面才能确定，实现了可视域内交通宏观状态“一张图”的全局监视.

3)缉查布控：AR视频联动视频综合违法平台对各类重点人员及重点车辆进行布控预警，检测到涉事目标车辆后，根据涉案车辆的行驶轨迹、场所，自动产生AR视频布控指令，联动区域内视频摄像机自动接力追踪.

4)视频联动预案：根据视频监控视域内实际场景配置对应的视频巡逻预案，并在预定的时间自动执行对应预案，减少AR系统操作人员频繁的视频操作，提高视频巡逻效率.

5)人脸识别：利用AR视频的高精度检测技术自动对交通出行者进行人脸识别，并与公安治安人口数据库进行人物身份比对验证.

6)车辆识别：通过AR视频识别车辆的类型、颜色、车牌号码等特征，并与公安部六合一平台的“车、驾、管”数据库进行实时比对，适用于车辆逃逸及涉车案件追踪等场景.

7)抛洒物品检测：对AR视频监视区域内的城市道路和高速公路行驶货车及客车发生物品掉落、抛洒时，AR视频就会实时报警，应用场景包括公交场站、城际大巴车站、城市道路、高速道路等[9].

8)拥堵检测：对拥堵路口、路段进行实时交通流检测，当发现车辆滞留在路口内引起的路口拥堵或路口下游路段泄流能力不足，导致交通流回溢至路口内，视频将自动启动拥堵预警.

9)人体异常特征分析：在城市道路、公共场所及交通枢纽等场所的AR视频检测区域，通过对人体正常行为特征行为的采集，形成人体特征行为数据库，利用人体行为特征数据库辨别交通出行者的异常行为，对突然倒地、打架、斗殴和聚众闹事等有潜在危险的行为进行预警.

10)事件监测：在城市道路交叉口、路段及高速公路的交通事故发生现场，通过AR视频检测技术对事故现场的场景突变状况进行实时检测预警.

11)实景化警力调度：通过AR系统动态标签与警员手持终端、车载终端、警务通和执法记录仪等设备映射关联，实现警员、警车在AR系统窗口中具体位置的实时定位，为交通管理者指挥调度和警力调配提供可视化、实景化决策依据.

12)交通管控：以AR可视化技术为支撑，通过精准、实时、全面地掌控交通运行状态，逐步实现交通管控由“粗犷管理”向“动态掌控”转变，达到全面提升交通立体防控体系的掌控能力.

4 结束语

随着AR技术快速发展，在人工智能、物联网和人机交互技术的推动下，视频跟踪技术、三维图像融合技术、拼接设备性能均有不同程度的提高.交通管理信息化中AR技术创新和广泛应用，有效整合各种交通管理数据资源，使视频巡逻模式由人工设置向智能巡逻转变，实现了视频监控随勤务预案、交通拥堵、涉车逃逸等交通事件的智能跟踪和立体化综合管控，有效缓解警务人员频繁接处警的工作强度，快速将交通事件消灭在萌芽状态，提高交通拥堵与涉车事件的处置率.通过AR可视化技术在交通管理中的应用，可实现交管领域的数据与视频、业务与视频、管理与视频的结合；推动交通管理基础工作创新，构建高空全景瞭望、低位跟踪接力的交通场景监测“一张图”，解决目前交通监测宏观与微观之间过渡跳跃的问题，提升公安交警部门宏观交通管理和立体防控能力.