硕士论文-电子警察闯红灯违章抓拍系统的设计与实现.pdf

同济大学软件学院 硕士学位论文 电子警察闯红灯违章抓拍系统的设计与实现 姓名：于育民 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：尹长青;夏波涌 20091101 摘要 摘要 随着我国经济的飞速发展，汽车拥有量也在急剧增长，公路交通也日益受到人们的重 视。如何有效地进行交通管理，越来越成为世界各国政府和有关部门所关注的焦点。面对 日益拥堵的城市交通以及因各类违章行为所导致的交通事故的频发，人们迫切需要更先进、 更有效的交通管理和控制。 以通信技术、计算机图像处理技术为核心的智能交通系统己经成为当今道路交通管理 发展的主流方向，取得了显著的社会和经济效益。然而，由于基于视频的违章抓拍系统的 性能极大地受环境的影响，如何提高抓拍的准确率和车牌自动识别的准确率，是人们一直 关注和研究的热点问题。 在违章车辆视频检测方面，运用视频帧差算法，并结合差分图像中前景像素点数量等 信息，实现对路口车辆闯红灯行为的检测，取得了较好的效果。在车牌定位方面，文中首 先分析了车牌识别的发展和现状、车牌识别的意义和难点所在，着重介绍了本文所采用的 车牌定位算法的实现过程。 本文针对电子警察系统在应用中存在的问题，在车辆检测及车牌定位与识别方面提出 了自己的解决方案，力求适用于实际需求，并且在实际应用中做了大量工作。具体包括以 下内容：( 1 ) 针对复杂路况环境，图像采集选择虚拟线圈技术，进行违章判定；( 2 ) 针对 路况较好的环境，图像采集选择虚拟区域技术，以提高抓拍的灵敏度；( 3 ) 模式匹配中动 态建立背景，在每一次红灯期间，动态实时建立匹配模板，提高抓拍准确率；( 4 ) 系统在 实时采样后，先对采样区域进行狄度变换，以提高系统的响应能力；( 5 ) 对于不同的路况 环境，设计相应的抓拍方案；( 6 ) 车牌定位算法采用综合性能较好的灰度图像车牌定位方 法，并且描述了实现过程；( 7 ) 车辆牌照识别采用反向传播的神经网络算法，给出核心的 算法的d e l p h i 语言描述。最后，根据以上的研究内容，设计和实现电子警察闯红灯违章抓 拍系统。 本文研究和开发的电子警察闯红灯违章抓拍系统，已在河南省南阳市交警大队试运行。 通过长时问的交通路口实验及使用，本文所设计的闯红灯违章抓拍系统取得了较好的效果， 得到了交警部门的认可，具有较高的实用价值。 关键词：电子警察 违章抓拍视频检测虚拟线圈车牌识别 a b s t r a c t _ - 一 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m ya n dt h ee n o r m o u sg r o w t ho ft h ec a l “ s o w n e r s h i p ，r o a dt r a f f i ch a sd r a w ni n c r e a s i n ga t t e n t i o nf r o mm o d e mp e o p l e i th a sb e e nm o r ea n d m o r ef o c u s e do nh o w e f f e c t i v e l yt om a n a g et h et r a f f i cb yt h er e l e v a n td e p a r t m e n t sa n dt h e g o v e r n m e n t so f t h ec o u n t r i e sa c r o s st h ew o r l d t of a c et h eg r o w i n gu r b 锄t r a f f i cia m sa n d t h e f r e q u e n tt r a f f i ca c c i d e n t sc a u s e db yv a r i o u st y p e so fp e c c a n tb e h a v i o u r , i ti sn e c e s s a r yf o ru st o h a v em o r ea d v a n c e da n dm o r ee f f i c i e n tt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi n c l u d i n gi n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya l o n g w i t hc o m p u t e r i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h em a i n s t r e a mo fr o a dt r a f f i c m a n a g e m e n t i th a sa l s oa c h i e v e dr e m a r k a b l es o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s h o w e v e r v i d e o - b a s e d e l e c t r o n i cp o l i c es y s t e mt op r o c e s st h es n a t c ha n dm a n a g e m e n to ft r a f f i cp e c c a n c yi n c i d e n th a s g r e a t l ya f f e c t e db yt h ee n v i r o n m e n t m o r ea n dm o r ep e o p l eh a v eb e e nc o n c e m i n ga n dr e s e a r c h i 玎g h o wt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f s n a t c h i n ga n da u t o m a t i cl i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o n f i r s t ，v i d e of r a m ed i f f e r e n c ea l g o r i t h m ，c o m b i n i n gw i t ht h en u m b e r so fd i f f e r e n c ei m a g e p i x e l si nf o r e g r o u n d ，i su s e dt oc o m p l e t ev i d e od e t e c t i o no nt h ev e h i c l e s t h em e t h o di sa l s o a p p l i e dt oa c c o m p l i s hd e t e c t i n gt h er e dl i g h tr u n n i n gb e h a v i o ro ft h ev e h i c l ea n dt h er e s u l ti sv e r y g o o d s e c o n d ，t ol o c a t et h el i c e n s ep l a t e ，t h ep a p e ra n a l y z e st h el p r sd e v e l o p m e n t ，s i g n i f i c a n c e a n dd i f f i c u l t i e st h e ym e ti nt h ep a s t f i n a l l y , i ti sd e s c r i b e di nd e t a i lh o wt od e s i g na n d i m p l e m e n t t h el i c e n s ep l a t el o c a t i o na n d r e c o g n i t i o na l g o r i t h m i nt h i sp a p e r , a i m e da tp r o b l e m se x i s t i n gi nt h e a p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i cp o l i c es y s t e m s ，i nt h e v e h i c l ed e t e c t i n ga n dl i c e n s ep l a t el o c a t i o na n d r e c o g n i t i o n ，t h ep r o p o s e ds o l u t i o n ，w h i c hm u s tm e e t t h ea c t u a ld e m a n d ，i sp r o v i d e d w ea l s od oag r e a td e a lo fw o r ki n t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ， s p e c i f i c a l l yi n c l u d i n gt h ef o l l o w i n g ：( 1 ) f o rc o m p l e xt r a f f i ce n v i r o n m e n t ，t h ev i r t u a ll o o pm e t h o di s a p p l i e dt oi m a g ea c q u i s i t i o ni no r d e rt od e t e r m i n et h er e g u l a t i o n s ；( 2 ) f o ri d e a lt r a f f i ce n v i r o n m e n t ， t h ev i r t u a lr e g i o nm e t h o di sa p p l i e dt oi m a g ea c q u i s i t i o ns oa st oi m p r o v et h e s e n s i t i v i t yo fi m a g e c a p t u r e ；( 3 ) t h eb a c k g r o u n di np a t t e r nm a t c h i n gi se s t a b l i s h e dd y n a m i c a l l y ；d u r i n ge a c hr e dl i g h t p e r i o d ，t h ee s t a b l i s h m e n to fd y n a m i ca n dr e a l t i m om a t c h i n gt e m p l a t ec a ni m p r o v et h ea c c u r a c v r a t eo fc a p t u r e ；( 4 ) a l t e rr e a l - t i m es a m p l i n g t h er e g i o no fs a m p l i n gi s p r o c e s s e db yg r a y - s c a l e t r a n s f o r m a t i o nt oi m p r o v es y s t e mr e s p o n s i v e n e s s ；( 5 ) a c c o r d i n gt od if f e r e n tt r a f f i ce n v i r o n m e n t s ， t h ec o r r e s p o n d i n gs n a t c h i n gm e t h o di sd e s i g n e d ；( 6 ) g r a y - s c a l ei m a g eo ft h el i c e n s ep l a t el o c a t i o n m e t h o di su s e db e c a u s eo fi t sb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dt h er e a l i z a t i o no fi t sp r o c e s si sp r o p o s e d ；( 7 ) t h e b a c k p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h mi su t i l i z e di nt h el i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o na n dt h e a b s t r a c t k e ya l g o r i t h mi sd e s c r i b e db yt h ed e l p h il a n g u a g e f i n a l l y , b a s e do nt h ea b o v es t u d i e s ，t h es y s t e m i sd e s i g n e da n dr e a l i z e d i nt h i sp a p e r , t h ee l e c t r o n i cp o l i c ep e c c a n c yi n c i d e n ts n a t c h i n gs y s t e mt or u nt h er e dl i g h t ， w h i c hh a sb e e nd e s i g n e da n dr e a l i z e db yu s ，h a sa l r e a d yt r i a lr u ni nn a n y a n g ，h e n a np r o v i n c e a f t e rl o n gt i m et e s t i n ga n d r u n n i n g ，i tc a na p p a r e n t l yi m p r o v ea c c u r a c yf o rs n a t c h i n ga n do c r a n d d i s p l a y ag o o dp e r f o r m a n c e u n t i ln o w , t h e s y s t e mw i t hp r a c t i c a lv a l u eh a sr u ns t a b l ya n dw e l l k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cp o l i c es y s t e m ；p e c c a n c yi n c i d e n ts n a t c h i n g ；v i d e o - b a s e dd e t e c t i o n ； v i r t u a ll o o p ；l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：于盍融 砝穆7 年j 二月j 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济大学学位论文原创- l 生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：亍菊瓦 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 电子警察系统是智能交通系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 的重要组成部分， 所谓智能交通系统是指在现有的交通状况下，充分利用现代高科技进行合理的交通需求分配 和管理，通过卫星导航系统、汽车自动引路系统、交通信息通信系统、视频监控和计算机管 理等多种技术手段n 1 心3 ，将整个道路网络的通行能力迅速提高以实现安全、快速、便捷 的一种交通综合治理方案。目的是能够使人们或货物更有效、更经济的流动，这也是它被称 作智能( i n t e l l i g e n t ) 的原因。 电子警察系统是近几年发展起来的集视觉技术、图像处理技术、自动控制技术、计算机 通讯技术以及数据库管理技术为一体的综合技术应用拍6 7 1 。利用它可以全天侯自动监控道 路交叉口的闯红灯违章行为，并能对违章车辆进行监测记录、拍摄照片，协助交通管理部门 对违章驾驶员进行处罚教育，促使其自觉遵守交通法规，增强道路交通安全意识，减少违章 和事故的发生，确保道路畅通。 1 1 1 课题研究背景 电子警察系统是智能的交通监控系统，它采用硬件和软件的方法检测汽车的各种违章信 号，并将检测到的违章信号作为控制摄像机抓拍的触发信号，由此完成对违章车辆全景和局 部车牌的拍摄、保存、上传、归档等工作，。 近年来，采用先进的电子技术、图像处理技术和网络传输系统执行道路交通管理任务的 电子警察系统己开始逐步在我国经济发达的大、中城市的道路交通管理中运行。 本研究课题“电子警察闯红灯违章抓拍系统“ 是受南阳市交警大队委托，为实现“数字 南阳“ 而进行的研究开发项目，其目的是充分利用现有的资源，提高系统的自适应环境性、 运行的稳定性和抓拍的准确性。通过使用电子警察系统( 特别是在实现网络化管理以后) ，可 以减轻南阳市交通管理部门的工作负担，同时又能解决当前警力不足的问题，从而实现城市 交通管理的智能化。 1 1 2 课题研究的目的和意义 随着我国城乡经济建设的迅猛发展，城市交通设施也得到了很大的改善，但迅速增长的 机动车辆与发展相对滞后的城市道路之间不配套的矛盾同益突出。在这个过程中，人们越来 越多的发现，人为的违章事件，包括闯红灯、逆行、越线、超速等，成为交通事故的主要隐 第l 苹引青 患。交通事故的发生率和每年因交通事故而死亡的人数也在急骤的增长，其中一个重要的原 因就是机动车辆驾驶员在交警视线之外违规、违法驾驶。很多国家统计表明，绝大部分交通 事故的发生主要是由于开车司机违章闯红灯所致，所以，检测这些违章车辆，并且记录其违 章现场十分必要。 电子警察系统通过采用现代化的管理体制，向科技要警力，用科学技术监督疏导交通以 减少违章，保证交通安全己成为城市交通急需解决的问题之一。 目前，“电子警察闯红灯违章抓拍系统”应用比较普及，实现了对城市道路的全面监控， 为交警执法提供了清晰的图像证据，从而减少了因交通事故造成的人员伤亡和财产损失， 间接的创造了巨大的经济价值。但在实际应用中，大多数“固定电子警察闯红灯违章抓拍 系统却极大地受天气、光线、路况和周围环境的影响，一方面产生有效数据的漏拍，另 一方面由于复杂环境所带来的大量误拍哺7 1 。 本文所研究和开发的“电子警察闯红灯违章抓拍系统“ 可以在复杂环境下，稳定可靠 地工作，具有很强的环境适应性，在南阳市交警部门投入使用以来，取得了很好的社会和 经济效益，本系统不仅适合南阳道路交通管理部门，而且适用各大中城市交通管理部门使 用，具有很强的通用性。 1 2it s 与电子警察系统研究综述 1 2 1 国内外研究现状 智能交通系统的概念于1 9 9 0 年由美国智能交通学会( i t sa m e r i c a ，当时称为n h sa m e r i c a ) 提出，并在世界各国大力推广。经过1 0 多年来的推广、试行和发展，智能交通系统目前己在 世界上经济发达国家和经济较为发达国家的一些都市及高速公路系统中实施。迄今为止，在 美国、欧洲、亚洲都已经有成功应用的范例哺1 。 在交通科技突飞猛进地发展情况下，智能交通系统力图最佳的利用现有宏观设施( 道路、 桥梁、隧道等) ，有效地缓解交通堵塞，减少交通事故，给出行者以舒适安全的交通环境。实 践证明，智能交通系统是解决目前经济发展所带来交通问题的理想方案。 作为智能交通系统重要应用的电子警察系统，也在许多国家和城市得到了推广，实现了 重要的应用和发展。 二十世纪七十年代，欧洲在借助电子警察系统来协助交通执法方面领先于美国。如今， 在美国1 6 个州1 0 4 个管辖区内的1 0 0 0 多个交叉路口配备了电子警察系统，而1 0 年前只配备了几 个交叉路口，将来，还会有5 0 万套电子警察系统得到推广应用。日本在1 9 9 6 年的经济年度中， 投入5 0 0 亿同元用于智能交通实用设施的丌发和宏观机构的改进，其中7 4 亿日元用于智能交通 的研究与开发，日本智能交通技术发展非常迅速，电子警察系统也己进入实用阶段旧引。 就国内现状而言，国内各主要大中城市，特别是东南沿海一带，已建成了遍布市区的电 2 第1 章引言 子警察监控网络，在交通管理中发挥了重要的作用。在广州、大连等城市，电子警察系统的 应用使这些城市的智能化交通建设进入了一个新的阶段。河南省南阳市也正在筹划将电子警 察系统应用于更广范围的所辖县市。然而，与美国、日本等发达国家相比，中国在智能交通 领域还存在着很大的差距加3 。 1 2 2 基于地感线圈的电子警察系统 早期的电子警察系统主要是通过在道路路基段下方埋设感应线圈来获取车辆的违章信 息，这种设备经过多年的使用和改进，其优点就是精度较高，设备也比较稳定，国内外可供 选择的厂家也较多。在使用过程中，人们也发现采用感应线圈检测尽管具有较高的准确性， 但也存在着以下几点不足n n 引： 1 由于很多地区公路路基存在软基问题，从而对检测的精度带来很大影响，甚至造成感 应线圈的损坏； 2 感应线圈经常会由于路面的维修而遭受破坏； 3 在安装施工过程中，工作量较大，实施起来不方便，并且还会影响正常交通运行。 1 2 3 基于视频检测的电子警察系统 由于基于感应线圈的电子警察系统存在以上的缺点和不足，人们就开始研究新的非感应 线圈检测的电子警察系统。 随着技术的发展，其他形式的违章信号检测方法有了一定的发展并趋于成熟，其中，视 频检测方法是基于视频图像分析和计算机视觉技术而发展起来的，在道路监控的同常管理中， 已经能满足对车辆违章信号的检测，在当前的智能交通行业中占据着重要的地位。 视频检测该方法通过对连续视频图像的分析，跟踪违法车辆行为过程，依据闯红灯违法 行为的过程，通过分析控制拍照进行违法车辆抓拍。视频交通系统是将计算机视觉技术用于 交通管理系统中，它的研究和发展是当前智能交通研究的热点之一。而电子警察系统作为智 能交通系统( i t s ) 的一部分，发展基于视频检测的电子警察系统也是其发展的必然方向n 引。 在现代智能交通管理控制系统中，视频技术以其成熟可靠的技术、方便、直观的应用在 整个系统的智能化、网络化方面具有不可取代的重要作用，用视频检测交通违法行为的系统 实用性、通用性是最佳的，其性能价格比也较好，因此，当前国内外应用此种检测方法的系 统占主流。视频技术应用于电子警察系统，作为整个系统的网络f j 端监控点，以其全天候、 全天时、实时监控等特点在加强道路交通管理、弥补警力不足等方面发挥着重要作用3 引。 因此，研究基于视频检测的电子警察系统具有重要的实践意义和实用价值。 目前国内电子警察系统己逐步趋于采用视频检测，而作为早期车辆检测手段的感应线圈 由于存在以上的不足，也渐渐被新的技术和方案所取代3 1 。 结合国外的发展经验，视频检测将是将来的发展方向，但以视频检测为基础的电子警察 第1 章引言 系统仍然存在以下难点列6 1 ： 1 车辆阴影、行人、自行车等对违章车辆检测的干扰； 2 监控范围内光场的变化，特别是晚上光线不足及由车头灯在其附近所形成的光晕； 3 摄像头在重型车辆驶过或是有大风时，产生的图像轻微抖动； 4 视频检测要解决在红灯时车辆右转不判为违章的问题； 5 当前图象算法的运算速度难以达到实时化要求。 虽然基于视频检测的电子警察系统还存在一定的困难，但我们应该努力克服困难，逐步 解决这些难点问题，使我国的基于视频检测的电子警察系统跟上国外发达国家的发展水平。 本文力图从实用和经验的角度解决这些问题。 1 3 本文主要研究工作 本文主要研究工作是根据本文所提出的在复杂环境背景下的多种抓拍策略和方法实现了 自适应复杂环境和智能车牌识别的电子警察闯红灯违章实时抓拍系统，解决了当前电子警察 闯红灯抓拍系统中存在的一些问题，在一定程度上，提高了准确率，降低了误拍率。本文所 做的具体工作如下： 1 图像采集的虚拟线圈策略，对复杂路况采用虚拟线圈触发，完成违章的判定； 2 图像采集的区域的策略，对于路况较好的环境，采用区域策略以提高抓拍的灵敏度； 3 模式匹配中动态模板建立，通过在每一次红灯期间，动态实时建立匹配模板，提高抓 拍准确率； 4 采样实时数据经过灰度变换，参与后续运算和处理，以提高系统的响应能力： 5 实时抓拍策略，对于不同的采样策略，设计相应的抓拍方案； 6 车牌定位算法采用综合性能较好的灰度图像车牌定位方法，并且描述了实现过程； 7 车辆牌照识别采用反向传播的神经网络算法，给出核心的算法的d e l p h i 语言描述。 8 根据以上的研究内容，设计和实现电子警察闯红灯违章抓拍系统。 1 4 本文组织结构 本文主要由7 个部分组成： 第1 章引言：介绍课题研究背景、研究的目的和意义，同时介绍了国内外在智能交通领 域特别是电子警察技术上的研究现状、发展趋势等。 第2 章需求分析与体系结构设计：包括系统总体结构介绍与工作原理，系统需求分析， 系统结构设计与子系统模块划分以及基于c s 的结构范型设计。 第3 章图像采集子系统：介绍图像采集的硬件体系结构以及图像采集与现场监控的基本 过程。 4 第1 章引言 第4 章图像处理与违章抓拍：这是本文的重点，介绍了违章抓拍原理，灰度变换过程及 其实现，复杂路况环境下虚拟线圈触发模式的工作原理与实现过程，理想路况环境下虚拟区 域触发模式的工作原理与实现过程，最后介绍本系统所采用的动态模式匹配方法以及动态背 景的建立算法。 第5 章车牌定位与自动识别：介绍了基于灰度图像的车牌定位算法，并且给出了详细的 算法描述，接着介绍了基于b p 神经网络的车牌识别算法，而且给出了核心算法的d e l p h i 语言 实现。 第6 章违章信息自动传输子系统：首先描述了违章信息自动传输的基本过程，然后给出 该子系统的设计与实现。 第7 章结论与展望：在结论中对电子警察的工作情况进行了总结和今后需要完善的地方 进行展望。 1 5 本章小结 本章首先介绍了本课题的背景、研究的目的和意义，接下来概要的介绍了电子警察系统 的国内外现状以及闯红灯实时抓拍系统的发展，在本章最后介绍了本篇论文所做的研究工作。 第2 章需求分析与体系结构设计 第2 章需求分析与体系结构设计 在这一章围绕本课题的任务，进行了电子警察闯红灯违章抓拍系统的整体的分析和设计， 作为电子警察实时抓拍系统在智能交通方面的实际应用，本文的设计方案具有参考价值。本 章首先介绍基于视频的电子警察系统的结构和工作原理，接着进行系统的需求分析，在此基 础上，分析了系统的功能模块及基于c s 的电子警察系统的设计。 2 1 系统结构概述 2 1 1 系统结构分析 电子警察闯红灯违章抓拍系统由2 个子系统组成，即前端的闯红灯违章车辆检测拍照子系 统和后端的控制管理中心子系统，如图2 - 1 所示。 厂、 u o o 图2 - 1 基于视频的电子警察系统逻辑结构图 每个路口配置一台或两台( 根据具体检测方向要求的不同而不同) 工业控制计算机负责 该路口违章车辆的检测、图像捕获及图像存储，控制中心计算机通过光缆与路口工控机通信， 通过交换机或者集线器将它们连成一个1 0 1 0 0 m 以太局域网，由控制中心计算机和指挥调度 6 第2 章需求分析与体系结构设计 室服务器负责违章车辆图像的后续处理：如识别、归档整理以及打印输出等工作。公安局指 挥中心服务器和指挥调度室服务器负责违章车辆图像的查询及数据备份工作引9 。 使用视频检测的方法进行闯红灯行为的检测，其视频检测设备也可以同时负责路口车流 量、车速等交通状况信息的检测统计工作，为路口交通信号控制子系统提供控制依据n 们阳0 l 。 2 1 2 系统工作原理 整个系统为基于视频的智能操作系统，前端检测及拍照子系统由包括抓拍控制计算机、 图像采集卡，红绿灯检测端口、网络接口卡、两部c c d 高速摄像机( 一个用于全景监控和拍摄， 另一个用于特写车牌的抓拍) 等组成，如图2 - 2 所示。 图2 2 电子警察闯红灯违章检测拍照子系统结构图 前端抓拍控制计算机在红绿灯显示为红灯期间，当有机动车辆通过预先设定的检测区域 时，使用视频检测的方法就可以确认该车辆实施了闯红灯违章行为心川2 朝。 如果发现有闯红灯违章车辆，通过软件及时发出车辆违章信号通知全景高速摄像机拍摄 闯红灯违章的开始过程，经过一定的时间间隔，启动全景和特写摄像机分别拍摄闯红灯违章 过程和抓拍相应的闯红灯违章车辆车牌，通过软件系统在内存中实时地将三张图片合并，同 时将违章时间、地点、违章现场数据保存在照片中，以压缩的方式( j p e g ) 存入当地工控机 的硬盘上。 前端计算机系统所存储的违章照片可定时( 一般选取交通空闲时，如半夜3 点钟) 通过局 域网络传送至远端的监控中心服务器，由监控中心的计算机来完成对照片的处理及管理。为 了便于实时监控路口交通状况以及掌握软件当前的运行状念，通过远程连接软件建立与某一 路口机的连接，这样就可以非常方便地在监控中心的计算机上完成对前端计算机的各种操作， 同时也可以监控路口交通的当前状态。 7 第2 章需求分析与体系结构设计 通过布置一个全景相机，多个特写相机及多路图像采集卡可对多车道路口的直行车道和 左转车道的闯红灯行为的车辆实施即时抓拍，再配以全天候防护罩、支架、雨刷、电除霜等 装置可保证全天候2 4 小时不问断工作，夜间工作时可配以辅助照明等设施。 2 2 系统需求分析 本系统的主要功能是在复杂路况下实现闯红灯违法车辆的实时抓拍，通过设置不同的抓 拍策略，以期在复杂的环境下取得较好的抓拍率。系统采用视频检测方式，可根据路面状况 设置检测配置文件。算法模块根据配置文件设置采用适当的检测算法，并可将抓拍图片实时 上传到服务器端。 为了提高城市交通管理现代化、科学化水平，充分发挥道路网络总体效能，本着讲求实 效、节约资金的精神，研发可靠性高、性能优越、操作简单的机动车辆闯红灯违章监测及拍 照系统，并留有扩展余地，使得其先进性和实用性至少达到国内同类系统的先进水平。 1 为实现此目标，下面对电子警察智能实时抓拍系统的的性能需求进行描述： ( 1 ) 系统建设充分考虑采用先进而成熟的技术( 如视频技术、数据库技术、数据融合技 术、网络技术、多媒体技术等) 、先进的体系结构、先进的软硬件选择：既保证实用成 熟，又能够适应未来的业务发展和技术的更新要求。 ( 2 ) 系统应具备良好的可扩充性、可移植性和兼容性。考虑到了系统的发展因素，系统 设计方案应充分利用现有的信息化建设成果和路口资源，并预留扩展接口。 ( 3 ) 平台采用开放性设计，可配置并对外提供多种数据传输接口，以满足更多用户共享 信息及与其他系统协同工作的要求。 ( 4 ) 能够对车辆闯红灯、逆行等违章行为进行录像、抓拍，形成的证据资料应包括违章 时间、违章地点、违章类型、车辆类型、车牌号码、车牌颜色等内容。 ( 5 ) 系统拍摄所形成的图片文件( j p e g ) 、视频文件( m p e g _ 2 ) 必须为标准格式，能 够与各地公安局交通警察支队原有闯红灯违章管理系统连接。 ( 6 ) 系统功能要全面、完善、安全、稳定并且可靠，确保系统监控中心管理部分、通信 网络部分和路口控制部分等一系列的设备和信息传输链路2 4 d x 时不间断工作，不受天气 变化的影响( 如台风、暴雨和雷电等) 。 2 结合实际需要，描述电子警察智能实时抓拍系统的具体功能需求如下： ( 1 ) 拍摄范围不少于2 车道； ( 2 ) 设备能全天候2 4 , 时不间断拍摄； ( 3 ) 能在雨、风、雾等恶劣天气情况下正常工作； ( 4 ) 拍摄数据为一条记录，内含三幅图片( 2 张全景、l 张含有车牌的特写) 和自动生成 的违章地点、时间等相关信息； 8 第2 章需求分析与体系结构设计 ( 5 ) 可将各前端监测点( 客户端) 通过网络连接至监测中心( 服务器端) ，方便管理和 数据收集； - ( 6 ) 能实现所采集图像的压缩保存功能，以节省磁盘空间，加快传输速度。 3 电子警察智能实时抓拍系统的硬件设备选型如下： c c i ) 高速摄像机： 选用同本日安电子公司( n p e ) 的1 3 “ 强光抑制型道路监控摄像机，型号：c c - 2 3 4 。 采用最新技术将强光完全或部分抑制，具有“日蚀“ 功能，电子快门多档可调，可对快速物 体实现实时抓拍，能清楚分辨红绿橙交通灯( p e a k 打开模式) ，通过r s 4 8 5 ( r j 4 5 ) 实现远程控 制。 其技术特点与指标如下： 影像系统：1 3 ”s o n yc c d 影像图素：7 5 2 ( h ) x5 8 2 ( v ) ( p a l ) 扫描系统：6 2 5 线，5 0 场秒( p a l ) 分辨率：5 2 0 线( 数字强化) 逆光补偿：智能型4 8 区逆光补偿 增益：由萤幕菜单选择控制，控制范围：o 1 8 d b 同步系统：v b s 外同步，l i n el o c k 电源同步，相位调整 帧累积倍数：2 - 1 2 8 倍分段式微调帧累积 标准模式最低照度：0 2 l u x 帧累积模式最低照度：o 0 0 1 5 l u 】【 电子快门( 自动) ：1 5 0 1 1 2 0 ，0 0 0 秒连续( p a l ) 信噪比：5 2 d b ( 最小) 6 0 d b ( 最大) ( 自动增益关闭) 自动光圈：直流驱动视频驱动 视频输出：复合式分离式影像信号输出，1 0 v p - pa t 7 5 0 h m 工作温度湿度：一2 0 0 c 到+ 5 0 0 c 8 5 r h 以下 电源：d c l 2 v a c 2 4 v 共用 该款摄像机具有强光抑制、自动对焦，景深范围宽，能完全满足当前项目的需要。 图像采集卡： 选用北京嘉恒中自图像技术有限公司的o k m c 3 0 多路监控彩色采集卡，该卡是基于 p c i 总线，能采集彩色又能采集黑白图像的采集卡，适用于图像处理、工业监控和多媒体的 压缩、处理等研究开发和工程应用领域。该产品提供了丰富的二次开发接口函数，从而可 以大大地缩短开发周期。根据其性能特点和技术指标，能完全胜任项目中的图像采集任务。 其技术特点与指标如下： 一槽四卡，4 路同时实时采集，或1 6 路切换采集 9 第2 章需求分析与体系结构设计 可同时采集4 路音频信号 可接p a l 、n t s c 等多种标准制式信号 八入四出报警信号 亮度、对比度、色度、饱和度分别软件可调 每路最大分辨7 6 8x5 7 6 具有图形位屏蔽功能，可开窗采集 硬件完成输入图像比例缩放 具有硬件上下镜像反转功能 支持r g b 3 2 、r g b 2 4 、r g b l 6 、r g b l 5 、r g b 8 、y u v 4 2 2 、黑白图像、g r a y 8 等图 像格式 视频a d 为8 b i t s 可多卡同时使用 2 3 系统结构设计与子系统划分 根据以上需求分析，可以确定电子警察闯红灯违章实时抓拍系统的体系结构以及相应的 功能模块划分。 本系统主要由前端模块( 现场检测拍照主机) 和监控中心模块组成。前端模块的主要功 能是：当某一路口为红灯时，前端模块将视频采集切换到相应的全景摄像机，并通过该全景 摄像机获取路口视频图像，并将每帧图像的信息传送给抓拍算法模块；抓拍算法模块根据连 续帧的图像信息判断是否有车辆闯红灯，若有车辆闯红灯，则抓拍车辆压线中、压线后二副 全景图片以及相应车道的局部车牌图片；系统为抓拍的图片分配内存缓冲区进行暂时存储， 并通过图片的实时合成形成一张照片，并对照片进行图片压缩( 压缩算法采用标准j p e g 压缩 算法) ；压缩后的图片信息将与其它信息( 如地点、车道、时间等信息) 一起组成车辆违章 记录，保存于前端机的硬盘中；在交通相对空闲时，通过通信模块将当天的违章记录发送到 监控中心模块。由于南北和东西两个交通方向不可能同时出现绿灯，因此可以让一台前端监 测拍照计算机控制两个不同方向的交通路口，这样一个十字路口，只需要两台前端监控机， 当红灯出现在不同方向时，只需要切换监控机到相应通道的图像采集卡上，就可以完成相应 方向的检测抓拍任务。假如一台计算机控制西行和北行，那么就应该安装在西北拐角处，而 另一台计算机则应控制东行和南行，相应地安装在东南拐角处，便于安装和维护，如图2 一： 所示。 1 0 第2 章需求分析与体系结构设计 纂k 南北向红绿卜 灯控制信号i l 南北向1 车道 特写摄像机 南北向2 车道 特写摄像机 特写摄像机l 前端监控 拍照主机 数据 东西向全 景摄像机 东西向红绿 灯控制信号 东西向l 车道 特写摄像机 东西向2 车道 特写摄像机 图2 3 电子警察闯红灯违章检测拍照子系统监控结构图 监控模块的主要功能是：接收并存储从前端模块发送的检测记录，并为管理人员进行系 统管理、信息浏览提供一个互动平台；实现前端检测模块的实时监控。由于抓拍信息随系统 运行时间会大量积累，为了方便对大量数据进行管理，可将检测数据提交给后台数据库管理 系统，由相应的违章信息管理系统进行统一管理和维护。 连接前端模块与监控中心模块的通信网络可为公网或者专用网络，而通信介质可以为无 线或有线的通信方式，可根据现场实际情况进行选择。为了保证捕获设备信息的实时性和稳 定性，检测主机通信模块采用在交通空闲时与监控中心通信模块进行数据的传递。 本项目所在的南阳市城市交通管理系统拥有良好的专用以太网络，为了充分利用现有设 备，也为了统一管理，可利用交警专用以太网络进行前端模块与监控中心模块之间的通信。 2 4 基于c s 的结构范型设计 1 客户机服务器模型 客户机月艮务器模式要求每个应用程序由两个部分组成：一个部分负责启动通信，另一个 部分负责对它进行应答。它们通常运行在不同的主机上，分别被称为客户机和服务器。服务 器是指能在网络上提供服务的任何程序；客户机是指用户为了得到某种服务所需要运行的应 用程序心引。一个服务器接收网络上客户机的请求，完成服务后将结果返回给客户机，它们之 间的关系如图2 - 4 所示。 第2 章需求分析与体系结构设计 图2 4 客户机服务器模式工作原理图 2 电子警察系统中的客户机服务器组织 根据系统的功能需求，在本系统中，以w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 做为运行平台的前端模块 作为客户机工作，而以w i n d o w ss e r v e r2 0 0 3 作为操作系统的监控中心则作为服务器工作，前 端客户机上的实时数据每天上传一次给服务器，服务器每天归档整理一次。 当前端模块抓拍到闯红灯违章图片后，会先暂存到本地的硬盘中，同时服务器进程始终 处于工作状态，等待作为客户端的前端模块的连接。当前端检测拍照模块有连接请求并建立 连接后，监控中心会根据前端模块发送过来的请求进行相应的操作，如上传抓拍图片。而在 前端模块，当照片传输完毕后，与服务器的连接会自动中断。每天固定时间前端客户机会自 动请求与服务器的连接，以完成当天照片的上传。 综上所述，为了最终实现电子警察闯红灯违章抓拍系统，本课题采用当今最流行也最具 有软件生产效率的新一代面向对象开发工具d e l p l l i2 0 0 9 ，属于w i n d o w s 环境下的最后一 个版本，后续的d e l p h i2 0 0 9 的版本更多地体现了n e t 应用。 2 5 本章小结 本章首先介绍了整个电子警察系统的系统结构和工作原理，然后从需求分析开始，对电 子警察系统要实现的功能进行了详细的介绍，对系统的功能模块进行了划分，主要分为前端 模块和监控中心两个部分。而f ； 端模块和监控中心之间的通信模型则通过专用以太网来实现， 通信模式则采用客户机服务器模式，前端模块部分作为通信的客户机，而监控中心则作为服 务器。 1 2 第3 章图像采集子系统 第3 章图像采集子系统 图像采集过程是基于视频电子警察闯红灯违章实时抓拍系统的基础和依据，不论是视 频监控还是违章拍照，都离不开图像的捕捉与采集。本章用专门篇幅介绍图像采集子系统 的相关内容，包括图像采集子系统的体系结构、硬件组成以及图像采集的基本过程。 3 1 图像采集硬件结构 1 图像采集的硬件接线图： 对于十字路口来讲，任何一个时刻，只能有一个方向为绿灯，则另一个方面必然为红 灯。也就是说，在任何一个时刻，只能有一个方向为红灯，这样两个方向可以共用一台监 控计