視頻技術(shù)下的機(jī)場場面監(jiān)視系統(tǒng)簡述論文
視頻技術(shù)下的機(jī)場場面監(jiān)視系統(tǒng)簡述論文
視頻技術(shù)即動(dòng)態(tài)圖像傳輸,在電信領(lǐng)域被稱為視頻業(yè)務(wù)或視訊業(yè)務(wù),在計(jì)算機(jī)界常常稱為多媒體通信、流媒體(下載像流水)通信等。視頻通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)和完成視頻業(yè)務(wù)的主要技術(shù)。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的:視頻技術(shù)下的機(jī)場場面監(jiān)視系統(tǒng)簡述相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考,歡迎閱讀!
視頻技術(shù)下的機(jī)場場面監(jiān)視系統(tǒng)簡述全文如下:
1 概述
機(jī)場場面監(jiān)視系統(tǒng)是飛行安全的有力保證,傳統(tǒng)的機(jī)場場面監(jiān)視主要以場面監(jiān)視雷達(dá)(SMR)為主,國內(nèi)的大型機(jī)場,如北京首都機(jī)場、上海浦東機(jī)場一般裝有完備的場面監(jiān)視雷達(dá)。但是隨著未來通航政策的開放,中小機(jī)場負(fù)擔(dān)不起這種高成本的場面監(jiān)視雷達(dá),因此,作為在交通信息控制中廣泛使用的視頻監(jiān)視技術(shù)成為取代昂貴場面監(jiān)視雷達(dá)的有效工具。
視頻場面監(jiān)視技術(shù)是近年來興起的一種低成本的機(jī)場監(jiān)視技術(shù)。它主要通過為機(jī)場裝備高清攝像頭,為機(jī)場運(yùn)行人員提供飛機(jī)的軌跡與方運(yùn)行信息,使其準(zhǔn)確進(jìn)行決策。由于無需在航空器或地面運(yùn)載工具上加載接收器,視頻技術(shù)比雷達(dá)技術(shù)更加的靈活,在機(jī)場附近,可以通過大量布置攝像頭實(shí)現(xiàn)原有SMR 的覆蓋。同時(shí),對一些SMR 受限的區(qū)域,視頻技術(shù)也能夠進(jìn)行覆蓋并輔助運(yùn)行人員進(jìn)行決策。
2 國外研究進(jìn)展
歐美發(fā)達(dá)國家通航開放較早,中小機(jī)場規(guī)模大,視頻技術(shù)得到了很大的發(fā)展,典型的項(xiàng)目有美國NASA 與德國DLR 合作的Rap-Tor 項(xiàng)目,瑞典SAAB 公司的遠(yuǎn)程塔臺(tái)項(xiàng)目。
在2006 -2007 年, 歐洲與美國的ATM 研究計(jì)劃SESAR、NEXTGEN 相繼明確了遠(yuǎn)程塔臺(tái)(RTC)概念與解決方案。傳統(tǒng)的塔臺(tái)空中交通管制是管制員在全角度視景下對飛機(jī)進(jìn)行引導(dǎo)控制,而遠(yuǎn)程塔臺(tái)控制中心(RAiCe)是在沒有直觀視景情況下中小型機(jī)場場面監(jiān)視的一種遠(yuǎn)程視景系統(tǒng)。由于中小型機(jī)場普遍缺乏先進(jìn)場面引導(dǎo)和控制系統(tǒng)(ASMGCS),采用高精度的視頻技術(shù)成為取代ASMGCS的一種輔助場面監(jiān)視工具。
DLR 的Schmidt·M 小組在2006-2007 年在布倫瑞克機(jī)場針對RTO 系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。他們根據(jù)模擬管制員決策過程明確了RTO 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與任務(wù)分析并進(jìn)行了模型分析。他們設(shè)計(jì)了RTO的系統(tǒng)框架,開發(fā)了180 度的視頻全景系統(tǒng)并作為RTO 系統(tǒng)中人機(jī)交互的核心。
M·Schmidt 的研究小組在此基礎(chǔ)之上,根據(jù)180 度塔臺(tái)視景系統(tǒng)的一些不足,在2009 年進(jìn)一步研究了低能見度的情況,引入了紅外線傳感器。另一方面,他們考慮加強(qiáng)利用圖像處理的功能,通過改進(jìn)算法獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡將這套180 度的視頻場面監(jiān)視視景改進(jìn)為輔助決策系統(tǒng)。
國內(nèi)研究進(jìn)展
國內(nèi)視頻場面監(jiān)視技術(shù)發(fā)展相對較晚。2011 年,羅曉與盧宇結(jié)合DLR 的一些經(jīng)驗(yàn),提出采用多視頻融合的機(jī)場場面監(jiān)視方法,該方法的核心是利用圖像識(shí)別技術(shù)中的光流法計(jì)算運(yùn)動(dòng)場,用動(dòng)態(tài)模糊聚類算法分析運(yùn)動(dòng)場,并用多視頻融合增強(qiáng)檢測精度,最后對仿真序列和機(jī)場視頻序列進(jìn)行了比較,他們用了三臺(tái)攝像機(jī)對成都雙流機(jī)場的場面飛機(jī)運(yùn)行進(jìn)行了動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測與識(shí)別,但是光流法的視頻場面監(jiān)視方法也存在缺陷,有時(shí)即使沒有目標(biāo),在外部照明發(fā)生變化時(shí),也可以觀測到光流,這在布滿了燈光系統(tǒng)的機(jī)場上容易出現(xiàn)誤判。另外,光流法在缺乏足夠的灰度等級(jí)變化的區(qū)域,實(shí)際運(yùn)動(dòng)往往觀測不到,而視頻場面監(jiān)視需要高精度的目標(biāo)檢測。最后,光流法以迭代的方法進(jìn)行計(jì)算,這種計(jì)算需要消耗大量內(nèi)容,因此需要特殊硬件的支持。
2013 年盧宇,吳宏剛,徐自勵(lì)繼續(xù)對多視頻融合的機(jī)場監(jiān)視方法進(jìn)行了研究,提出了一種基于視頻MLAT 的場面目標(biāo)監(jiān)視新方法,該方法從定位原理及算法上分析了視頻多點(diǎn)定位誤差的拓?fù)浞植迹⑼ㄟ^對誤差分布信息來配置跟蹤濾波參數(shù),從而達(dá)到提高定位于跟蹤精度的目的,解決了視頻監(jiān)視技術(shù)中的飛機(jī)定位的問題,在一定程度上準(zhǔn)確確定了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的坐標(biāo),但是該方法在定位連貫性上仍有所欠缺。
南京航空航天大學(xué)的研究小組也在2013 年針對視頻場面監(jiān)視技術(shù)進(jìn)行了研究,他們根據(jù)民航二所的視頻監(jiān)視系統(tǒng),提出了一種視頻監(jiān)視中實(shí)現(xiàn)飛機(jī)自動(dòng)掛標(biāo)牌的新方法。首先對視頻進(jìn)行圖像跟蹤獲得飛機(jī)圖像坐標(biāo),再通過在機(jī)場地圖與視頻圖像上分別選取4個(gè)及以上點(diǎn)、線對應(yīng)計(jì)算出兩個(gè)投影平面之間的單應(yīng)矩陣把圖像坐標(biāo)映射成地圖坐標(biāo),最后把圖像跟蹤數(shù)據(jù)與ADS-B 監(jiān)視數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)視頻中飛機(jī)自動(dòng)掛標(biāo)牌。這種掛標(biāo)牌的方法準(zhǔn)確且誤差小,但是大范圍的推廣還有待實(shí)驗(yàn)。
比較國內(nèi)外基于視頻技術(shù)的場面監(jiān)視系統(tǒng)不難發(fā)現(xiàn),我國在這一領(lǐng)域起步較晚,場面視頻監(jiān)視技術(shù)主要借鑒了國外的一些經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)前,國內(nèi)的視頻技術(shù)的場面監(jiān)視系統(tǒng)急需解決的問題是飛機(jī)起飛與著陸的監(jiān)視。DLR 利用GPS 描繪的著陸軌跡與視頻場面監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行了對比,得出了視頻監(jiān)視下的下滑道軌跡與真實(shí)軌跡之間的偏差。國內(nèi)的視頻技術(shù)尚未在這方面進(jìn)行嚴(yán)格的討論,同時(shí),DLR 在機(jī)場低能見度的情況也進(jìn)行了討論,國內(nèi)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)可以在這之上進(jìn)行借鑒。
3 幾種常用視頻識(shí)別方法比較分析
3.1 時(shí)間差分法
時(shí)間差分法是通過將圖像序列中連續(xù)幀中所有的對應(yīng)位置像素點(diǎn)亮度值相減,如果差的絕對值大于給定的閾值,則相應(yīng)的像素值取“1”。否則取“0”。在像素點(diǎn)亮度變化過程中得到幀差圖像,從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別的功能。在相鄰幀的差分過程中,運(yùn)用高斯模糊處理可以僅得到運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡而非其輪廓,因此在模糊處理后可大大降低圖像中的雜色,從而減少了最終檢測過程中的噪聲。該方法較為簡單,但閾值的相關(guān)設(shè)定較為復(fù)雜,對某些亮度變化相似的像素點(diǎn)不能有效識(shí)別,因此易造成圖像識(shí)別不連續(xù),在實(shí)時(shí)監(jiān)控識(shí)別中不推薦使用。
3.2 背景差分法
背景差分法是目前運(yùn)動(dòng)分割中另一種常用的方法,它是利用當(dāng)前圖像與背景圖像的差分來檢測運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的一種技術(shù)。即以相鄰幀圖像作圖像比較,使兩幅圖具有相似的背景圖像,從而使移動(dòng)目標(biāo)“顯現(xiàn)”出來。它一般能夠提供較完整的特征數(shù)據(jù),但對于場景的變化,如光照、天氣變化以及突發(fā)事件等的干擾比較敏感。該方法適合對機(jī)場內(nèi)固定攝像頭采集視頻的目標(biāo)識(shí)別。若背景圖像有變化,則無法準(zhǔn)確跟蹤識(shí)別運(yùn)動(dòng)的航空器。
3.3 光流法
在動(dòng)態(tài)圖像所構(gòu)成的景物范圍中,各物體與各部分的運(yùn)動(dòng)是不同的,其所形成的眾多瞬時(shí)位置速度向量,即成為了光流。光流法即從運(yùn)動(dòng)速度上區(qū)分不同目標(biāo)與背景。此方法不需要將所取圖像進(jìn)行灰度化和二值化處理,但易受噪聲的影響,且計(jì)算方法復(fù)雜量大,實(shí)時(shí)性比較差,識(shí)別結(jié)果的精度無法保證,所以對于精度要求較高的機(jī)場場面監(jiān)控來說,光流法并不推薦。
3.4 特征匹配法
確定移動(dòng)目標(biāo)的特征,利用特征點(diǎn)建立模板并在全圖內(nèi)作塔式遍歷,通過相關(guān)系數(shù)值來確定特征的相似程度,從而確定目標(biāo)。相關(guān)特征匹配法檢測移動(dòng)目標(biāo)一般分為兩步:第一,要先選擇合適的特征,這些特征應(yīng)該對灰度的變化不敏感;第二,通過對相同特征區(qū)域進(jìn)行特征相關(guān)系數(shù)計(jì)算來確定對應(yīng)的特征從而確定移動(dòng)目標(biāo)。此法需要較多的數(shù)學(xué)計(jì)算,實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。
4 前景預(yù)測
4.1 ADS-B 與視頻場面監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合
ADS-B 作為未來新航行系統(tǒng)的一部分,已經(jīng)在中國民航范圍進(jìn)行了推廣。未來的空中交通系統(tǒng)要求運(yùn)載方配有機(jī)載的ADS-B 設(shè)備,這為發(fā)展視頻技術(shù)的場面監(jiān)視系統(tǒng)提供了突破。視頻場面監(jiān)視系統(tǒng)雖然能為中小機(jī)場提供低成本的監(jiān)視解決方案,但受制于視頻技術(shù)獲得的信息有限,無法為機(jī)場決策人員提供全方位的輔助監(jiān)控平臺(tái)。而ADS-B 由于包括了飛機(jī)的一系列信息,可以彌補(bǔ)視頻監(jiān)視系統(tǒng)在信息提取上的不足。此外,在快要著陸過程中,考慮給視頻場面監(jiān)視系統(tǒng)掛上應(yīng)答機(jī)代碼與機(jī)載速度高度信息達(dá)到雷達(dá)場面監(jiān)視的效果也是視頻場面監(jiān)視技術(shù)未來發(fā)展的方向。
4.2 通航機(jī)場的發(fā)展機(jī)遇
中國低成本的通用航空正處于發(fā)展的起步階段,從市場方面看,我國擁有巨大的低成本航空市場潛力。2012 年中國民航旅客運(yùn)輸量3.2 億人次、人均年乘機(jī)次數(shù)0.24 次、人均GDP 約6000 美元(美國在人均GDP 為6000 美元時(shí),人均年乘機(jī)次數(shù)接近1 次)。預(yù)計(jì)到2030 年,我國民航旅客運(yùn)輸量將達(dá)到15 億人次,大力發(fā)展低成本航空是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。
2014 年10 月,國務(wù)院批準(zhǔn)對通用機(jī)場核準(zhǔn)權(quán)限下放,這代表了通航機(jī)場將迎來快速發(fā)展的機(jī)遇,而基于視頻技術(shù)的機(jī)場場面監(jiān)視系統(tǒng)作為一種安全廉價(jià)的機(jī)場運(yùn)行輔助設(shè)施,必將得到廣泛的推廣。
5 結(jié)束語
基于視頻技術(shù)的民航機(jī)場場面監(jiān)視方法是實(shí)現(xiàn)未來空管自動(dòng)化的一項(xiàng)重要的發(fā)展方向,由于傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視所需要的成本大,不適用通航機(jī)場空中交通管制的需要,而視頻技術(shù)的場面監(jiān)視方法就可以成為替代昂貴的場面監(jiān)視雷達(dá)的有效工具。在歐洲,這種技術(shù)作為遠(yuǎn)程塔臺(tái)的核心手段引起了廣泛的研究興趣,國內(nèi)的一些民航科研單位也在抓緊對這種技術(shù)的探索研究。這種技術(shù)主要是利用了圖像處理技術(shù)對機(jī)場實(shí)時(shí)的視頻流進(jìn)行處理并結(jié)合空管人員的實(shí)際需要來實(shí)現(xiàn)機(jī)場場面監(jiān)視等一系列功能。目前,這種技術(shù)還不成熟,尚不足以滿足未來眾多通航機(jī)場的需要,應(yīng)此需要我們給予更多的關(guān)注與支持。