陳運(yùn)翔+++鮑福泰

摘 要：民航機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)是民航運(yùn)輸安全的有力保障，針對(duì)近年國(guó)內(nèi)外視頻場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了歸納總結(jié)，介紹了現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，以及未來視頻場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展方向，并對(duì)場(chǎng)面視頻技術(shù)前景進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：民航運(yùn)輸；機(jī)場(chǎng)監(jiān)視；視頻技術(shù)

1 概述

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)是飛行安全的有力保證，傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視主要以場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)（SMR）為主，國(guó)內(nèi)的大型機(jī)場(chǎng)，如北京首都機(jī)場(chǎng)、上海浦東機(jī)場(chǎng)一般裝有完備的場(chǎng)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(chǎng)負(fù)擔(dān)不起這種高成本的場(chǎng)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(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)的有效工具。

視頻場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)是近年來興起的一種低成本的機(jī)場(chǎng)監(jiān)視技術(shù)。它主要通過為機(jī)場(chǎng)裝備高清攝像頭，為機(jī)場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(guó)外研究進(jìn)展

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家通航開放較早，中小機(jī)場(chǎng)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(guó)NASA與德國(guó)DLR合作的RapTor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(guó)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[1-2]。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(duì)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(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視的一種遠(yuǎn)程視景系統(tǒng)。由于中小型機(jī)場(chǎng)普遍缺乏先進(jìn)場(chǎng)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(chǎng)面監(jiān)視工具。

DLR的Schmidt·M小組在2006-2007年在布倫瑞克機(jī)場(chǎng)針對(duì)RTO系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)[3-4]。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?cè)O(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[5]。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(chǎng)面監(jiān)視視景改進(jìn)為輔助決策系統(tǒng)。

2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)視頻場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)發(fā)展相對(duì)較晚。2011年，羅曉與盧宇[6]結(jié)合DLR的一些經(jīng)驗(yàn)，提出采用多視頻融合的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)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(chǎng)，用動(dòng)態(tài)模糊聚類算法分析運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，并用多視頻融合增強(qiáng)檢測(cè)精度，最后對(duì)仿真序列和機(jī)場(chǎng)視頻序列進(jìn)行了比較，他們用了三臺(tái)攝像機(jī)對(duì)成都雙流機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)面飛機(jī)運(yùn)行進(jìn)行了動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別，但是光流法的視頻場(chǎng)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(cè)到光流，這在布滿了燈光系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)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(cè)不到，而視頻場(chǎng)面監(jiān)視需要高精度的目標(biāo)檢測(cè)。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?jī)?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(duì)多視頻融合的機(jī)場(chǎng)監(jiān)視方法進(jìn)行了研究[7]，提出了一種基于視頻MLAT的場(chǎng)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(duì)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(duì)視頻場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)進(jìn)行了研究[8]，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(duì)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(chǎng)地圖與視頻圖像上分別選取4個(gè)及以上點(diǎn)、線對(duì)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(guó)內(nèi)外基于視頻技術(shù)的場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)不難發(fā)現(xiàn)，我國(guó)在這一領(lǐng)域起步較晚，場(chǎng)面視頻監(jiān)視技術(shù)主要借鑒了國(guó)外的一些經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的視頻技術(shù)的場(chǎng)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(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)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(guó)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(chǎng)低能見度的情況也進(jìn)行了討論，國(guó)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(duì)應(yīng)位置像素點(diǎn)亮度值相減，如果差的絕對(duì)值大于給定的閾值，則相應(yīng)的像素值取“1”。否則取“0”[9]。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(cè)過程中的噪聲[10]。該方法較為簡(jiǎn)單，但閾值的相關(guān)設(shè)定較為復(fù)雜，對(duì)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(cè)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[9]。它一般能夠提供較完整的特征數(shù)據(jù)，但對(duì)于場(chǎng)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(duì)機(jī)場(chǎng)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。endprint

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[9]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(duì)于精度要求較高的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)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(cè)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(duì)灰度的變化不敏感；第二，通過對(duì)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(duì)應(yīng)的特征從而確定移動(dòng)目標(biāo)[10]。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(cè)

4.1 ADS-B與視頻場(chǎng)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(guó)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(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)提供了突破。視頻場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)雖然能為中小機(jī)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)面監(jiān)視的效果也是視頻場(chǎng)面監(jiān)視技術(shù)未來發(fā)展的方向。

4.2 通航機(jī)場(chǎng)的發(fā)展機(jī)遇

中國(guó)低成本的通用航空正處于發(fā)展的起步階段，從市場(chǎng)方面看，我國(guó)擁有巨大的低成本航空市場(chǎng)潛力。2012年中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)務(wù)院批準(zhǔn)對(duì)通用機(jī)場(chǎng)核準(zhǔn)權(quán)限下放，這代表了通航機(jī)場(chǎng)將迎來快速發(fā)展的機(jī)遇，而基于視頻技術(shù)的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視系統(tǒng)作為一種安全廉價(jià)的機(jī)場(chǎng)運(yùn)行輔助設(shè)施，必將得到廣泛的推廣。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于視頻技術(shù)的民航機(jī)場(chǎng)場(chǎng)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(chǎng)空中交通管制的需要，而視頻技術(shù)的場(chǎng)面監(jiān)視方法就可以成為替代昂貴的場(chǎng)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(guó)內(nèi)的一些民航科研單位也在抓緊對(duì)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(duì)機(jī)場(chǎng)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(chǎng)場(chǎng)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(chǎng)的需要，應(yīng)此需要我們給予更多的關(guān)注與支持。

致謝

文章結(jié)束之際，感謝中國(guó)民航大學(xué)老師的辛勤栽培及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)中國(guó)民航大學(xué)專項(xiàng)資助項(xiàng)目（3122013Z006），中國(guó)民航大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

參考文獻(xiàn)

[1]SESAR Definition phase Deliverable 2， 2006， Air Transport Framework： The Performance Target. Document No. DLM-0607-001-02-00 12-2006

[2]Matas， M. 2005， Future Airport Concept， in： Proc. 4th Eurocontrol Innovative Workshop， Dec. 6-8135150

[3]Schmidt， M. M·Rudolph， B·Werther， N·Fürstenau， 2006 Remote Airport Tower Operation with Augmented Vision Video Panorama HMI， Proc. 2nd Int Conf. Res. in Air Transportation ICRAT， Belgrade pp. 221-230

[4]Schmidt， M. M·Rudolph， B·Werther，C·M hlenbrink， N·Fürste

nau， 2007， Development of an Augmented Vision Video Panorama Human Machine Interface for Remote Airport Tower Operation， In： M.J. Smith， G. Salvendy （Eds.） Human Interface II， Lect. Notes Computer Science vol.4558， Springer-Verlag Berlin Heidelberg， pp. 1119-1128

[5]M. Schmidt， M. Rudolph， A. Papenfu？茁， M. Friedrich， C. M hl

enbrink， S. Kaltenh user， and N. Fürstenau . REMOTE AIRPORT TRAFFIC CONTROL CENTER WITH AUGMENTED VISION VIDEO PANORAMA [C]. 28th Digital Avionics Systems Conference.2009.

[6]羅曉，盧宇，吳宏剛.采用多視頻融合的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視方法[J].電訊技術(shù)，2011，7：128-132.

[7]盧宇，吳宏剛，徐自勵(lì).一種基于視頻MLAT的場(chǎng)面目標(biāo)監(jiān)視新方法[J].電訊技術(shù)，2013，7：854-858.

[8]唐勇，胡明華，吳洪剛，等.一種在機(jī)場(chǎng)視頻中實(shí)現(xiàn)飛機(jī)自動(dòng)掛標(biāo)牌的新方法[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，6：681-686.

[9]李瑩，顧宏斌.運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法的比較[A].中國(guó)通信學(xué)會(huì).2008通信理論與技術(shù)新發(fā)展——第十三屆全國(guó)青年通信學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下）[C].中國(guó)通信會(huì)：，2008：4.

[10]陳淼，劉寅.低分辨率圖像的移動(dòng)物體識(shí)別技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012，11：100-101+104.endprint