高速公路能见度检测与广播报警系统探析

李玖霖

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 双亮度差算法

2005年，吕伟涛等[1]研究了双亮度差法的大气能见度检测方法。该法能准确地检测大气的能见度，扩大了观测系统的测量范围，提高了测量的准确度，在不同可见性环境、不同可视范围条件下合理利用规则，打破传统的检测方法。郭庚山[2]提出了一种改进的原始双亮度差方法的新算法，对天空区域进行重新划分，得到了更准确的实验数据。陈晓婷等[3]提出了天空信息重构的方法，对天空图像分割后进行重建，再计算可见度。

双亮度差算法的工作原理是利用不同距离两组目标与其背景所呈现出的亮度差进行比较，计算出所选图片中的气象能见度。双亮度差算法检测原理如图1所示。

图1 双亮度差算法检测原理

根据Koschmieder定律，两个黑体目标物之间存在以下关系：

式中：R1、R2——摄像机镜头距离两组目标物体的不同直线距离；Bt1、Bt2——黑体目标t1、t2视亮度；Bt10、Bt20——黑体目标t1、t2的固有亮度；Bg1、Bg2——黑体目标t1、t2对应无限远天空的视亮度；Bg10、Bg20——黑体目标t1、t2对应天空远处的原有亮度。

考虑到目标物呈现亮度与图像对应灰度值为线性关系，经验算可得到消光系数σ：

式中：GL1、GL2——光源目标L1、L2的灰度值；BL10、BL20——光源目标L1、L2的原有亮度比。

每组目标与背景视线方向同向时，两组目标与背景的视线方向也彼此接近。假设视线方向上气柱光学特性和照明条件均默认一致，采用实用黑体作为目标物时，可变换得到：

在实际计算时，受到材料和制造工艺的影响，目标物的固有亮度Bt10、Bt20、BL10、BL20难以量化，且天空的初始亮度难以准确测量。为解决原始公式中部分参数获取困难的问题，实际应用中经常采用式（7），即理想中的双亮度差算法计算能见度。

2 暗通道算法

能见度检测算法如图2所示。

图2 能见度检测算法

暗通道先验算法是将视频图像转换为暗通道图像，采用区域增长法将图像分为天空与其他区域，运用修正系数法对天空区域的透射率进行优化[4]。为了消除暗通道先验理论假设带来的误差，根据不同的能见度条件，设计了一种多模分割方法校正透射比。采用导波消去法消除块状效应，得到各像素点的透射率。采用可见度公式、朗伯比尔定律的透射率与消光系数的联系得出能见度的值。该方法仅需要一个摄像头，不需要专门设置参考目标和搭建硬件设施供其观测就能够快速计算出能见度。

在户外图像的大多数无雾区域里，存在较多局部像素，至少满足一个通道的颜色强度值通常较低，最小像素值趋近于0，这类像素称为暗像素。

进行数字图像与计算机视觉处理时，图像亮度计算公式为：

式中：I——图像亮度；A——大气光强；J——场景亮度；t——大气透射率。

式中：c——兰基色空间颜色通道；Jc( )y——y像素位置颜色通道的像素值；Ω( )x——x像素点的局部区域；Jdark——J的暗通道。

对于任意一个没有雾的天气，大气之中仍然存在少许粒子。因此，需要把一个固有参数引入检测到的图像。

通过实验确立ω0的值，视频图像大气透射率的预估值是(x)[5]。

3 广播通信技术

目前高速公路大部分采用基于IP的网络型广播。与传统结构的广播相比，基于TCP/IP协议传输语音编码可以更好地与视频监控、事件监测、交通管理等系统兼容，扩展更便利，且支持分布式架构，无须为系统专门设置专用光纤，利用现有标准TCP/IP网络进行传输，数据传输更有保障，接入更方便、要求更灵活、成本更节约。同时IP广播可以直接接入标准的网络架构，在关键的信息点上设置多个关键节点，保证其中一个或两个以上节点出现故障时，不会影响整个系统的正常运作。可以通过系统SDK开发包，直接与第三方系统对接，无须另加对接设备。采用纯数字信号传输，不易受外围干扰信号的干扰，失真率低，传输质量更有保障，音质更清晰。

IP网络广播使用语音编码（比如PCM）算法，模拟音频信号A/D进行转换，转为数字音频压缩文件（目前主流格式采用MP3/WAV格式）或将预制数字音频文件从存储的服务器中拿出，根据TCP/IP（部分厂家采用HTTP或SIP协议）通过网络传输，将音频文件转化为数据包的格式，发送到接收终端进行网络广播。最终通过网络广播终端D/A转换回模拟音频信号，通过功放驱动高音喇叭工作。IP网络广播终端建议选用具有音频编解码和网络通信功能的嵌入式终端，具有独立IP地址，按照TCP/IP进行通信。道路监控网络广播子系统由监测信息网络广播主机、语音合成主机、网络电话终端、网络录音主机、触控网络配置和网络播放终端、记录分布在收费广场和服务区广场的高音喇叭、网络功率放大器（功放）等组成。高速公路道路监控网络广播子系统如图3所示。

图3 高速公路道路监控网络广播子系统

路段监控中心的设备包括IP广播主机、IP预案触控台、IP广播工作台、语音合成主机（可以不设置）、网络录音主机（可以不设置）、IP话筒、网络音频播放终端以及一系列配套软件。道路摄像立柱配备1台IP网络功率放大器（300 W）和2台150 W户外防雨（防护等级不建议低于IP65）高音号角。位于服务区中心的高空摄像头立柱配备1台功率不低于100 W的IP网络功率放大器和2台50 W室外防雨（防护等级不建议低于IP65）音柱。监控大厅内需要设置一套网络音频终端便于发布语音信息。道路广播子系统中，外场IP网络功率放大器利用工业以太网交换机组成的环网接入局域网。在局域网内的网络广播设备监控分中心，通过10/100 m以太网传输通道提供的工业以太网环网络和通信系统，实现语音数据的共享和传播。

4 结语

基于视频联动的事前预警机制，将IP有线广播系统与视频能见度检测系统、视频监控系统建立联动实现事前预警机制。能见度降低时，通过视频联动的方式发送事件信息至有线广播平台，通过事件与监控画面联动，调取现场及相关的监控画面，经过人工确认事件后，自动播放与事件相关的预案类型或者人工播放指令，实现报警的作用。本文将视频检测与道路广播报警结合，通过一系列智能化处理服务，提升高速公路智能管理水平，加快高速公路信息化建设。实现对高速公路沿线段能见度低、气象灾害导致交通事故频发现象的快速应对，以降低交通事故的发生率，保证人们的生命安全，推进高速公路行业的可持续发展。