专利名称：车辆违章鸣笛电子警察系统的制作方法
技术领域：
本发明属于交通管理领域，更具体说是涉及一种电子取证系统，并涉及一种该系统采用的电子取证办法。
背景技术：
随着科学技术水平的不断提高和交通管理技术的发展，在交通卡口和路口大量使用电子取证和电子卡口设备等电子设备自动监控道路交通情况是一种提高交通管理水平的重要手段。现有的电子取证系统大多针对视频取证而设计，主要采用了视频采集、图片自动捕获和自动存储等设备。例如，申请号为200610097851的专利申请，提出一种违章车辆数字视频信号和高清晰数码相片的获取方法，通过采用工业级数字摄像头在软件的控制下自动工作于视频或照相工作状态下，实现违章时自动转换拍摄得到高清晰晰度数码相片的目的。又如专利号为200520071856的实用新型公开了一种用于车载稽查超速行驶、违法停车的便携式移动电子取证，其取证手段采用摄像机和雷达。
目前，城市建设和道路交通快速发展，汽车鸣笛噪音已成为公害，影响到市民居住质量和城市形象，已经引起职能部门充分重视，很多城市都颁布了禁鸣法规。但是有关禁止汽车鸣笛的法规难以真正得到贯彻执行，其中一个很重要的原因是现有的电子取证系统无法对违章鸣笛取得确实可信的证据，而没有真凭实据就难以管理和执法。很显然，现有的电子取证系统无法满足车辆违章鸣笛取证的要求。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种能够对车辆违章鸣笛现象进行严密取证的电子取证系统，并提出了一种此种电子取证系统采用的电子警察系统，利用本发明提出的电子取证系统和电子警察系统，能够对违章鸣笛进行自动取证。
本发明提出的车辆违章鸣笛电子警察系统的取证方法包括下列步骤第一步在道路监控点安装摄像头和麦克阵，并将其分别通过音频采集模块和视频采集模块与信息传输模块相连；第二步实时采集麦克阵接收的声音信息和各个摄像头接收的图像信息并将其实施通过网络传送给上位机；第三步上位机实时对所采集到的声音信息进行笛声识别，若识别到笛声，则根据麦克阵与摄像头之间的相对位置关系和从麦克阵采集的声音信息进行声源定位；第四步上位机根据所计算的笛声声源位置，在所采集的图像信息上标注声源位置；
第五步将该鸣笛时间段内接收到并标注的图像信息序列和声音信息序列分别存储到存储器中。
本发明还提出了采用此系统的电子警察装置的技术方案一种电子取证装置，包括麦克阵、音频采集模块、摄像头、视频采集模块、信息传输模块、其中麦克阵由两个或两个以上的麦克风构成，通过音频采集模块与信息传输模块相连；至少一个摄像头，通过视频采集模块与信息传输模块相连；信息传输模块，实时将从麦克阵采集的声音信息和收到的图像信息序列和声音信息序列传送给上位机。
作为上述技术方案的补充，摄像头控制模块还可以通过信息传输模块受上位机的控制进行违章车辆的进一步细节追踪拍摄。
为了使笛声声源定位更为准确，电子取证装置还可以包括风向传感器和风速传感器，上位机在对笛声声源定位时，利用鸣笛时间段所采集的风速和风向信息对声源定位进行补偿。
本发明以上述的电子取证装置为基础，提出一套完整的车辆违章鸣笛电子警察系统，该系统包括麦克阵、音频采集模块、摄像头、视频采集模块、信息传输接口、上位机，其中麦克阵由两个或两个以上的麦克风构成，通过音频采集模块与信息传输模块相连；至少一个摄像头，通过视频采集模块与信息传输模块相连；麦克阵采集的声音信息序列和接收到图像信息序列实时传输给上位机。
从技术实现难以程度和设备成本方面考虑，笛声识别和声源定位还有图像标注功能由上位机完成由信息传输模块将实时的图像信息序列和声音信息序列传输到上位机，上位机在识别到笛声时根据麦克阵与摄像头之间的相对位置关系和从麦克阵采集的声音信息进行声源定位，将笛声声源位置标注在所采集的图像信息上，并存储标注后的图像信息。
为了使得声源定位更为准确，车辆违章鸣笛电子取证系统还可以包括风向传感器和风速传感器，微处理器模块或上位机在对笛声声源定位时，利用鸣笛时间段所采集的风速和风向信息对声源定位进行补偿。
本发明具有以下有益效果本发明彻底解决了违章鸣笛处罚取证难的问题，不但能够逻辑严密的采集到违章鸣笛的证据，而且提供了自动的违章鸣笛电子取证系统。很多交通事故都伴随着鸣笛声，所以本发明提供的违章鸣笛电子取证系统还有间接的事故记录功能。
图1本发明所采用的探测器的结构示意图。图中，1是支架，2是链接架，3、4、5是摄像机、6、7、8、9是麦克风，10是风速传感器11是风向传感器。
图2本发明的车辆违章鸣笛电子警察系统的结构框图。
图3本发明所采用的车辆违章鸣笛电子警察系统流程图。
图4-8为本发明实施例的电路原理图。
具体实施例方式
麦克阵包括以某种预定的布局的多个麦克风布置，这些麦克风用于捕捉来自各个方向并起源于空间中不同的点的声波，麦克阵通常用于语音处理系统。语音处理系统在还原声音时，出于滤去环境噪声等的需要，需要根据从麦克阵采集的各个声道的语音信息进行声源定位，寻找指向声源的方向在空间滤波中起了重要的作用，在某些情况下，指向声源的方向被用于说话人跟踪和记录的音频信号的后处理。通过麦克阵进行声源定位，现有技术已经有多种应用方式。例如发明专利02800828.6公开了一种用于电视会议系统的方法和装置，其采用包括两个麦克风的阵列和一个静止照相机来自动地找出说话者的位置并电操作视频图像以产生可动的平移-倾斜-缩放(“PTZ”)照相机的效果。采用计算机视觉算法来检测、定位和追踪处于广角的静止照相机的视场中的人物。采用只包括两个水平间隔开的麦克风的麦克风阵列作为声源定位装置，利用该麦克风阵列得到的估计声延迟来选择正在说话的人。本发明也利用麦克阵采集到的多声道音频信息进行声源定位。
本发明采用的探测器如图1所示，3个摄像头(3，4，5)和4个麦克风(6，7，8，9)共同安装在同一个支架1上，4个麦克风分别通过链接架2与支架1连接，其中麦克风6、麦克风7、麦克风8水平放置，距离支架1的中心点80cm，共同构成麦克阵，摄像头3、摄像头4、摄像头5也安装在支架1上，摄像头3、摄像头4、摄像头5、麦克风6、麦克风7、麦克风8在同一水平面上交错安装，每个相邻的摄像头和麦克风链接架2分别成60度夹角，麦克风9安装在支架1的中心点垂直上方80cm处。
在本实施例中，3个摄像头与麦克阵集成在同一个支架上，实际应用中，也可以分别独立安装。但无论怎样安装，系统在进行声源定位和图像标注时，都需要确切知道麦克阵中各个麦克风的相对位置信息和麦克阵与各个摄像头的相对位置信息。本发明还在支架顶端安装风速传感器10以及风向传感器11。风速和风向传感器并非本发明实施例必须的电子器件，利用它们采集风向和风速信号目的是为了更为精确地进行声源定位补偿。
图2为本发明的车辆违章鸣笛电子取证系统的结构框图。本发明的车辆违章鸣笛电子取证系统包括可以安装在道路监测点的电子取证装置和用于运算、确定声源位置并进行图像标注的计算机(或称为上位机)两部分，电子取证装置包括麦克阵、音频采集模块、一个或多个摄像头、视频采集模块、微处理器模块、存储器等。麦克阵通过音频采集模块与微处理器模块相连；一个或多个摄像头通过视频采集模块与微处理器模块相连。
微处理器模块根据从麦克阵采集的声音信息实时识别汽车笛声，并将各个鸣笛时间段内接收到的图像信息序列和声音信息序列分别存储到存储器中。这里的鸣笛时间段的定义是以识别到有违章笛声存在的时刻为时间基准，在该时刻之后的截取一段短暂时间，如一分钟，或者在该时刻之前和之后截取一段短暂时间，例如取前后各30秒钟。微处理器模块可以有多种实现形式，例如，利用单片机作为主控制器，利用DSP或语音识别芯片完成对车辆违章鸣笛笛声的识别。
微处理器模块的声音识别功能是这样实现的，首先把各种车辆的鸣笛声特征提取出来建立鸣笛声音识别模型数据库，并将其预先存入电子取证装置中用于笛声识别的微处理器，如DSP或语音识别芯片中。用于笛声识别的微处理器进行实时笛声识别时，把采集到的麦克阵中的至少一个麦克风拾取到的周围环境的声音与鸣笛声音识别模型数据库进行比对，从而判断出此时周围环境中是否有车辆鸣笛。如果没有则继续识别，如果有，则以当前时间为基准，将这一时间段的图像及声音信息(麦克阵的多声道数字声音信息)以及风速传感器和风向传感器记录的风速风向信息(如果使用风速和风向传感器的话)储存到存储器里，然后继续对周围环境中的声音信息进行实时识别。
电子取证装置安装在道路监控点处，电子取证装置与计算机之间的数据通信接口可以设计成多种形式，例如，如果在道路监控点附近设置作为上位机的工控机，电子取证装置与工控机两者之间可以通过RS233、USB等通信，由工控机接收电子取证装置传输来的在各个鸣笛时间段采集到的声音信息和图像信息，并进行笛声声源定位和图像标注，此时，工控机相对于电子取证装置的微处理器模块而言，称为上位机。工控机再通过有线网络或无线网络与交通管理部门的控制中心进行数据通信。如果道路监控点附近不设置上位机，作为上位机的计算机设置在交通管理部门的控制中心，电子取证装置还可以通过工业现场总线、以太网接口通信或者是采用无线通信方式与计算机通信，向计算机传输鸣笛时间段内接收到的图像信息序列和声音信息序列，可以实时处理也可以分时段传输处理。这种情况下由设置在在交通管理部门的控制中心的计算机实现声源定位和图像标注功能。
上位机对每一组鸣笛时间段的信息进行处理，处理的过程包括两个步骤，首先通过麦克阵的安装位置信息计算出鸣笛的笛声声源与麦克阵的三维空间相对位置关系，本发明实施例采用的定位算法原理如下四个相同的麦克风S1，S2，S3，s4放置在测量区域内，这些传感器位置坐标分别为S1(x1，y1，z1)，S2(x2，y2，z2)，S3(x3，y3，z3)，S4(x4，y4，z4)。当测量区域内任意点T(x，y，z)处有声源产生时，声波传到麦克风，分别产生四个声信号S1(t)，S2(t)，S3(t)，S4(t)。每个麦克风上的微处理器首先刻t1，t2，t3，t4，并送给上位机。声源到达四个麦克风的实际时间是tp+t1，tp+t2，tp+t3，tp+t4其中tp为声音事件开始到假定四个麦克风同时开始采样的时间，四个麦克风需有同一个采样时间基准。上位机同时采集来自测量区域旁的风速、风向传感器的信号，而得到当地的风速矢量Vw(vx，vy，vz)。通过适当的传感器上位机也可以得到当地声音传播速度C。
于是有如下方程组(1)成立(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2＝[(c+v1)·(tp+t1)]2(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2＝[(c+v2)·(tp+t2)]2(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2＝[(c+v3)·(tp+t3)]2(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2＝[(c+v4)·(tp+t4)]2(1)其中v1，v2，v3，v4分别是风速矢量Vw(vX，vy，vz)在矢量TS1，TS2，TS3，TS4上的投影。它们由关系式(2)算得。
v1=[vx·(x1+x)+vy·(y1-y)+vz·(z1-z)]]]>/(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]]>v2=[vx·(x2+x)+vy·(y2-y)+vz·(z2-z)]]]>/(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]]>v3=[vx·(x3+x)+vy·(y3-y)+vz·(z3-z)]]]>/(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]]>v4=[vx·(x4+x)+vy·(y4-y)+vz·(z4-z)]]]>/(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2···(2)]]>
对方程组(1)进行消去tp的处理，得到方程组(3)t12=(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2c·(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2+vx·(x1-x)+vy·(y1-y)+vz·(z1+z)]]>-(x2+x)2+(y2+y)2+(z2+z)2c·(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2+vx·(x2-x)+vy·(y2-y)+vz·(z2+z)]]>t13=(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2c·(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2+vx·(x1-x)+vy·(y1-y)+vz·(z1+z)]]>-(x3+x)2+(y3+y)2+(z3+z)2c·(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2+vx·(x3-x)+vy·(y3-y)+vz·(z3+z)]]>t14=(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2c·(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2+vx·(x1-x)+vy·(y1-y)+vz·(z1+z)]]>-(x4+x)2+(y4+y)2+(z4+z)2c·(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2+vx·(x4-x)+vy·(y4-y)+vz·(z4+z)···(3)]]>其中t21＝t2-t1，t31＝t3-t1，t41＝t4-t1，构成声源对应的时间差矢量ΔTm(t21，t31，t41)。
方程组(3)是关于变量x，y，z，的高次方程组，由观测得到的对应声源位置的时间差矢量ΔTm(t21，t31，t41)可以求得声源的位置T(x，y，y)。对于任意的四个麦克风位置坐标，风速Vw以及当地声速C而言，用数值解法求解。
以上方程由上位机通过数值法求解，得出声源位置坐标，将麦克阵的每个麦克风上所接受的声信号进行适当的数字信号处理而算得信号的特征峰值时刻代入方程都是由上位机自动操作完成的。当考虑到实施成本时可以不安装风速传感器和风向传感器，风速以0值带入计算。
得到笛声声源的位置坐标后，通过麦克阵和摄像头之间的相对位置关系使用三维虚拟技术把声源点的空间位置虚拟出来，利用摄像头位置信息和镜头角度信息做出虚拟摄像头视角，使用虚拟技术用虚拟的摄像头视角拍摄虚拟出来的声源位置点，得出该点在摄像头拍摄图像上的二维图像，得到该点在摄像头拍摄图像上的二维坐标，将该坐标标注于同时刻(计算声源位置所使用的声音信息的时刻)的摄像头实拍的图像上。图像上笛声声源位置标注的车辆就是当时鸣笛的车辆。这就是利用声学位置判断和光学位置判断的时间空间一致性。
本实施例的探测器采用由四个麦克风构成的麦克阵，在实际应用中，麦克风的个数不是固定的，最少可以设置成由两个麦克风构成的麦克阵，如上面所提到的发明专利02800828.6。在现有技术中，用于声源定位的麦克风的个数已经有6个、8个等，其空间布局方式也是多种多样的。一般而言，麦克阵里的麦克风之间距离不应太近，相距较远时，抗干扰能力较强，麦克风的个数设置的越多，所可能获取的声音信息也越多，声源定位也能够更为准确。
本实施例中，电子取证装置只是用来识别笛声，并把与各个鸣笛时间段所采集的声音信息和图像信息传输到上位机中，由上位机机完成声源定位和图像标注的功能。在实际应用中，如果电子取证装置的微处理器模块另外设计有专门执行声源定位和图像标注功能的DSP，如果再加上可控变焦摄像头和可控云台，电子取证装置当时就能控制摄像头对声源进行更准确的跟踪拍摄，以获得更多的鸣笛车辆的细部特征，更有利于交管部门的执法，那么存储器里存储的就是更准确声源位置信息而不仅仅是多声道数字音频信号了，当然同样可以通过各种数据传输手段传输到上位机进行图像标注处理。
交管部门可以根据每个摄像头图像上的标注对被标注的车辆依法进行处罚，从图像上寻找被标注车辆的牌照号等细部特征。
具体电路实现参见见图4-8。
本实施例采用双微处理器结构主控制器为C8051F040，利用语音识别芯片HL7300进行声音识别，存储芯片为FLASH，USB通讯芯片为C8051F340。
1)C8051F040的P4.7～4.0脚，P5.0～5.2脚控制语音识别芯片运行，P5.4～P5.7、P6.0～6.7读取语音识别数据存入单片机。P1.0～P1.7为FLASH存储器控制端口，P2.0～2.7为FLASH数据端口。P0.0～0.1为与C8051F340串口通讯接口，接收四路麦克风(MIC0、MIC1、MIC2、MIC3)采集信号通过接口(18～21)进行AD转换为数字信号进行处理和存储，单片机(52～54脚)接收视频采集卡的数据进行处理和存储。
2)语音识别电路以主芯片HL7003组成，HL7003组成的语音识别电路有两种主要的操作模式字记录模式和字识别模式。除了此两种模式之外，HL7003还可以在信号中检测按键和产生输出信号。全部操作都由HL7003内部程序处理，四路麦克风中的任何一路通过电路接入HL7003的27脚，由单片机C8051F040的P4.7～4.0端口，P5.0～5.2端口控制语音识别芯片运行，C8051F040并通过HL7003的识别结果对信号的存储进行控制。
3)FLASH为大容量存储设备，用于存储与识别到的笛声相关的声音数据文件。
4)C8051F340芯片用于USB通讯，通过USB接口与作为上位机的计算机通讯交换数据。
需要说明的是，本发明属于一种组合发明，是一种在技术应用上具有创新性的发明创造，其中所涉及的麦克阵、摄像头、风向和风速传感器、视频采集模块、图像采集模块、声音识别技术、声源定位技术、图像标注技术等，都属于已有技术并且已有多种形式和应用。这里只是以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述本发明，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。
权利要求
1.一种车辆违章鸣笛电子警察系统，包括麦克阵、音频采集模块、摄像头、视频采集模块、摄像头控制模块、通过信息传输接口与视频采集模块、音频采集模块、摄像头控制模块相连的上位机，通过音频采集模块与信息传输接口相连；至少一个摄像头，通过视频采集模块和摄像头控制模块与信息传输接口相连。
2.根据权利要求1所述的车辆违章鸣笛电子警察系统，其特征在于，麦克阵由两个或两个以上的麦克风构成。
3.根据权利要求1所述的车辆违章鸣笛电子警察系统，其特征在于，音频采集模块、视频采集模块实时将麦克阵和摄像头采集到的信息通过信息传输接口传输给上位机，上位机根据从麦克阵采集的声音信息实时识别汽车笛声。
4.根据权利要求2所述的车辆违章鸣笛电子警察系统，其特征在于，所述上位机根据麦克阵与摄像头之间的相对位置关系和从麦克阵采集的声音信息进行声源定位，并将笛声声源位置标注在所采集的图像信息上，并储存。
5.根据权利要求3所述的车辆违章鸣笛电子警察系统，其特征在于，上位机根据计算得出的声源位置通过信息传输接口连接摄像头控制模块，控制摄像头对声源位置进行更多细节拍摄。
全文摘要
本发明属于交通管理领域，涉及一种电子取证系统包括在道路监控点安装的摄像头和麦克阵，利用的信息传输模块实时将麦克阵接收的声音信息和各个摄像头接收的图像信息传递给的上位机，上位机是能实时对所采集到的声音信息进行笛声识别，若识别到笛声，由上位机根据从麦克阵采集的声音信息进行声源定位和图像信息标注的计算机系统。本发明彻底解决了违章鸣笛处罚取证难的问题，不但能够逻辑严密的采集到违章鸣笛的证据。
文档编号G01S11/14GK101030326SQ20071009788
公开日2007年9月5日 申请日期2007年4月23日 优先权日2007年4月23日
发明者凌子龙 申请人:凌子龙