基于立体监测方式的黑烟车抓拍系统的制作方法

本发明涉及环境监测仪器技术领域，特别是涉及一种基于立体监测方式的黑烟车抓拍系统。

背景技术：

近年来，黑烟车的污染一直是机动车环保的重点和难点，大量的黑烟对人体的呼吸系统和免疫系统造成了严重的危害，机动车尾气污染的诱变和致癌效应研究一直是国内外相关研究的热点之一。然而机动车黑烟排放现象比较多见，特别是柴油车在在起步、加速、上坡、超载等阶段比较容易发生，严重影响城市形象。黑烟的排放主要来自柴油车，这些“黑烟”是化石燃料燃烧产物，其表面会吸附多环芳烃、重金属等污染物，2012年国际卫生组织已证实并公布柴油车排放的颗粒物是强致癌物。一辆重型柴油车排放的污染物相当于500辆小型轿车的排放量，因此对高污染黑烟车的查处是重点，对于监管机动车污染具有非常重要的意义。

目前黑烟车的监管方式如下：

(1)路检模式：通过交通管理部门拦车，然后由环保部门对车辆排气进行检查。由于机动车保有量的急剧增长以及交通的繁忙，拦车路检不但效率低下，而且存在诸多困难。

(2)社会人员举报：通过发动社会人员进行黑烟车举报，人工在路边监视，发现黑烟车后用手机或照相机拍摄保存再上传到环保部门进行后续处理。这种方法利用社会大众力量来参与环保，虽具有积极的意义，但由于车辆在行驶时，较难获取图片视频和车牌等相关信息，而且能捕捉到的黑烟车数量偏少，因此实行起来效率太低，具有一定的局限性和偶然性。

(3)视频监控方式：该方式是通过在道路上方架设摄像机将道路实时视频采集后通过网络传输到管理平台，再通过人工对每一路视频进行播放查看，发现黑烟车视频后对该段视频进行剪辑处理再得出黑烟车的车牌号。采用该方法需要大量的人力资源，费时费力，效率低，效果差。

(4)机器辅助识别的视频监控方式：该方式在传统视频监控的基础上，采用数字图像处理技术，对视频中的黑烟车采用机器识别的方式，在一定程序上提高了监测的效率。该方式主要通过检测视频数据中车辆尾部的特征进行黑烟车判别，容易受到环境、天气、光照的影响，从而产生大量的漏报；另一方面由于算法的限制，只能识别排气管位于尾部的车辆视频。结果上，由于摄像机没有基准校正，其结果林格曼黑度值也容易产生偏差。最后，由于算法限制只能白天工作，对于夜间产生排黑烟的车辆会产生漏报。

因此亟需提供一种新型的黑烟车监管装置来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于立体监测方式的黑烟车抓拍系统，能够实现黑烟车的抓拍，减少了高污染机动车的废气排放。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于立体监测方式的黑烟车抓拍系统，包括烟度立体监测系统、智能视频抓拍系统、工控机、服务器平台，烟度立体监测系统、智能视频抓拍系统通过工控机与服务器平台相连；

烟度立体监测系统用于立体扫描机动车的排气烟羽，将扫描到的图像信息发送至工控机；

智能视频抓拍系统用于抓拍黑烟车视频，将采集到的视频信息发送至工控机；

工控机对图像信息进行图像处理后计算出烟度值并输出烟羽浓度分布图，烟度值超标时发送抓拍命令至智能视频抓拍系统；并对视频信息进行车牌识别。

在本发明一个较佳实施例中，烟度立体监测系统包括控制模块、地面反射装置、与控制模块输出端相连的激光发射装置、信号接收装置、校准装置。

进一步的，激光发射装置包括激光光源、若干组光学镜片。激光发射装置通过若干组光学镜片，将激光光源发出的一束激光以立体光幕的形式发射在地面反射装置上。

进一步的，激光发射装置产生的立体光幕在竖直平面内的角度是45°，在垂直平面内的角度是3°，其投影面的形状为矩形。该立体光幕提高了该系统测量的精度和灵敏度，当有车辆经过光幕时，车辆尾气排放的烟雾会对激光产生衰减，衰减的多少与车辆排放的烟雾浓度成正比关系。

进一步的，地面反射装置为采用特殊材料组成的与立体光幕投影面大小相同的反光带。

进一步的，控制装置包括与激光发生装置相连的第一继电器、与信号接收装置相连的第二继电器、电机、与电机相连的第三继电器、校准控制单元、电源及IO口控制模块、参数检测模块，校准控制单元的输出端与校准装置、电机相连。第一继电器用于控制激光发生装置的开启和关闭；第二继电器用于控制信号接收装置的开启与关闭；电机作为校准控制单元的动力机构，由第三继电器控制其转动；校准控制单元通过电机实现控制衰减片的切换位置；电源及IO口控制模块用于控制电源转换及IO口；参数检测模块用于对烟度监测系统的温度、湿度等参数的检测。

进一步的，工控机包括与信号接收装置输出端相连的烟度分析和处理单元，烟度分析和处理单元对图像信息进行图像处理后计算出烟度值并输出烟羽浓度分布图，得到烟羽的分布模型。

在本发明一个较佳实施例中，智能视频抓拍系统包括与工控机输出端相连的拍摄装置。拍摄装置可采用700万像素高帧率彩色逐行扫描CCD高清智能摄像机，最大分辨率可达3392*2008，帧率高达25帧，具有防尘、防水滴功能，且带有加热模块，可适应严寒天气，具有清晰度高、照度低、帧率高、色彩还原度好等特点。

进一步的，工控机还包括与拍摄装置输出端相连的车牌识别单元，车牌识别单元将抓拍的黑烟车动态视频进行车牌号码、车牌颜色自动识别。

本发明的有益效果是：

(1)本发明具有视频抓拍取证功能，可准确给出汽车排气的烟度值与不透光度值，实现城区重点区域黑烟车的抓拍，通过对黑烟车进行整改减少了城区高污染机动车的废气排放，提高城区空气质量；

(2)本发明完全自动运行，不需要人工参与，24小时实时在线监测，大大提高了抓拍的效率；

(3)本发明抓拍工作不受机动车排气管位置影响，不受光照、车辆阴影位置影响，不受白天黑夜限制，可以在夜间正常工作，大大减少了抓拍的漏检率，实现对黑烟车的有效监管；

(4)本发明可输出机动车排气烟羽扫描图像，进行准确的定量检测，可用详细数据证明其黑烟的真实有效性，避免出现人工或者算法图像识别的误判。

附图说明

图1是本发明基于立体监测方式的黑烟车抓拍系统一较佳实施例的结构框图；

图2是所述控制模块的结构框图；

图3是所述烟度立体检测系统的立体结构示意图；

图4是本发明基于立体监测方式的黑烟车抓拍系统烟羽检测分析示意图；

附图中各部件的标记如下：1、激光发射装置，2、信号接收装置，3、校准装置，4、地面反射装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种基于立体监测方式的黑烟车抓拍系统，包括烟度立体监测系统、智能视频抓拍系统、工控机、服务器平台，烟度立体监测系统、智能视频抓拍系统通过工控机与服务器平台相连；

烟度立体监测系统用于立体扫描机动车的排气烟羽，将扫描到的图像信息发送至工控机。烟度立体监测系统主要监测烟尘和不透光烟度两个参数，系统能够自动切换测量的量程，烟尘的测量范围在0-100mg/m³和100-5000mg/m³内调节，测量精度达到±10mg/m³；不透光烟度的测量范围在(0～100)％，测量精度达到±0.5％。该系统在环境温度为(-25～60)℃内均可使用，采用的供电电压为AC220V±20％，频率(50±1)HZ，总用电量≤0.5KVA。该系统的平均无故障连续工作时间在30000小时以上，满足7*24小时工业环境全天候连续工作要求。

烟度立体监测系统在实际应用中为一监测主机，安装在道路上方的合适位置对经过机动车的排气烟羽进行实时扫描。其包括控制模块、地面反射装置4、与控制模块输出端相连的激光发射装置1、信号接收装置2、校准装置3。

下面分别具体描述所述烟度立体监测系统中各模块的结构：

激光发射装置1包括激光光源、若干组光学镜片，优选的，激光光源采用532nm的绿激光，激光光源距离地面反射装置的垂直距离是5m。激光发射装置通过若干组光学镜片，将激光光源发出的一束激光以立体光幕的形式发射在地面反射装置上，此光幕形成的反射光带具有一定的宽度，如图3所示，该立体光幕在竖直平面内的角度(α)是45°，在垂直平面内的角度(γ)是3°，当激光光源距离地面反射装置的垂直距离(h)是5m时，其投影面的水平长度(L)是5.2m，垂直方向宽度(W)为25cm，投影面的大小随激光光源的安装高度而变化。该立体光幕提高了该系统测量的精度和灵敏度，当有车辆经过光幕时，车辆尾气排放的烟雾会对激光产生衰减，衰减的多少与车辆排放的烟雾浓度成正比关系。

地面反射装置4为采用特殊材料组成的与立体光幕投影面大小相同的反光带，该特殊材料可采用反光漆。

信号接收装置2为一阵列探测器，探测器以固定的频率进行高速扫描，根据实际情况可以采用照相机实现，通过调整曝光量来调整拍摄的时间间隔，将拍摄到的图像信息通过网络传给工控机，经过工控机处理，得到当前车的位置和烟度值。

校准装置3为一组用于标定烟羽浓度值的具有不同透光率的衰减片，烟度值和透过的光强值有一定的对应关系，通过这组衰减片的切换来拟合光强、烟度值曲线，从而来计算当前的烟度值。

请参阅图2，控制装置包括与激光发生装置1相连的第一继电器、与信号接收装置2相连的第二继电器、电机、与电机相连的第三继电器、校准控制单元、电源及IO口控制模块、参数检测模块，校准控制单元的输出端与校准装置、电机相连。第一继电器用于控制激光发生装置的开启和关闭；第二继电器用于控制信号接收装置2的开启与关闭；电机作为校准控制单元的动力机构，由第三继电器控制其转动；校准控制单元通过电机实现控制衰减片的切换位置；电源及IO口控制模块用于控制电源转换及IO口；参数检测模块用于对监测主机的温度、湿度等参数进行检测。控制装置通过网络与工控机进行通讯。

工控机包括与信号接收装置2输出端相连的烟度分析和处理单元，连接方式包括但不限于RS485、100/1000M的以太网。烟度分析和处理单元对图像信息进行图像处理后计算出烟度值并输出烟羽浓度分布图，得到烟羽的分布模型。图像处理的过程为首先对原始图像进行滤波,消除或减少噪声；然后对滤波后的图像进行检测和轮廓提取分析，分析出车的轮廓和烟羽的轮廓，通过区分两者轮廓实现对尾气位置的定位。最后，在确定了烟羽的位置后，对烟羽的运动特征、颜色特征、位置特征等进行处理，计算出烟度值，得到烟羽的分布模型。同时，该烟度分布图可与车体轮廓扫描结果相结合，从而有效给出排气位置，避免受机动车后排气管位置的影响。当有车辆经过立体光幕时，车辆尾气排放的烟雾会对激光产生衰减，衰减的多少与车辆排放的烟雾浓度成正比关系。如图4所示，横坐标t是时间，纵坐标y是烟羽的分布，由于所述烟度立体监测系统采取的是竖直方向抓拍，每个时刻t竖直方向上取2048个点，这些点包含有光强信息，光强的范围采用8bit的数字表示，即范围为0—255，根据前面标定的烟度值和光强的函数关系曲线计算出固定时刻t的每个点的烟度值，再对这2048个点的烟度值取平均，则是当前时刻下的平均烟度值，从而进一步得到所有时刻的烟度值，得出烟羽的分布模型。最后分析得到烟度污染的级别并归类，判断出该机动车是否为黑烟车。

智能视频抓拍系统用于抓拍黑烟车视频，将采集到的视频信息发送至工控机。其包括与工控机输出端相连的拍摄装置。优选的，拍摄装置可采用700万像素高帧率彩色逐行扫描CCD高清智能摄像机，最大分辨率可达3392*2008，帧率高达25帧，具有防尘、防水滴功能，且带有加热模块，可适应严寒天气，具有清晰度高、照度低、帧率高、色彩还原度好等特点。

工控机还包括与拍摄装置输出端相连的车牌识别单元，车牌识别单元将抓拍的黑烟车动态视频进行车牌号码、车牌颜色自动识别。

当烟度分析和处理单元分析出的烟度检测结果超标时，由工控机发出超标信号至智能视频抓拍系统，启动高清摄像机抓拍3—5秒左右的黑烟车视频，采集到的视频信息通过网络传输至工控机进行分析和处理，车牌识别单元将车辆的动态视频进行车牌号码、车牌颜色自动识别，其处理过程为首先对接收到的图像进行预处理，包括对比度调整、灰度处理、噪声处理、边缘提取等，在经过图像预处理之后的灰度图像上进行行列扫描从而准确定位车牌照在图像中的位置。定位出车牌区域后，通过字符分割、灰度化等处理，精确定位字符区域，最后，对字符进行特征提取和识别得到每个字符信息，从而还原出黑烟车完整的车牌信息。

处理后的车牌信息与录像(或者照片)上传到服务器平台供备案和查证。服务器平台的综合平台软件对信息进行处理，提供黑烟车数据的批量自动编号功能，并能够按月导出，还可提供按车牌号码、时间查询等查询方式的功能；对于已审核的黑烟车信息，服务器平台会自动生成处罚信息，如时间、地点、车辆图片、处罚编号等，并支持处罚单和缴款单的预览和打印；提供黑烟车数据在线播放功能；提供黑烟车视频信息的批量打包下载功能。黑烟车处罚管理人员根据工作人员录入的黑烟车信息及视频，确定是否对该车进行相应处罚。这样智能视频抓拍系统实现全天候无人监控等功能，从而对黑烟车进行有效的管理。

本发明具有视频抓拍取证功能，可准确给出汽车排气的烟度值与不透光度值，实现城区重点区域黑烟车的抓拍，通过对黑烟车进行整改减少了城区高污染机动车的废气排放，提高城区空气质量；完全自动运行，不需要人工参与，24小时实时在线监测，大大提高了抓拍的效率；抓拍工作不受机动车排气管位置影响，不受光照、车辆阴影位置影响，不受白天黑夜限制，可以在夜间正常工作，大大减少了抓拍的漏检率，实现对黑烟车的有效监管；并可输出机动车排气烟羽扫描图像，进行准确的定量检测，可用详细数据证明其黑烟的真实有效性，避免出现人工或者算法图像识别的误判。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。