（交通信息工程及控制专业论文）交通检测与超速抓拍一体化系统设计.pdf

摘要 本文对基于视频图像的交通检测系统设计进行了研究。交通检测系统是智能 交通系统的重要组成部分，它可以获取动态交通信息并对交通状况进行实时监 控，有助于优化交通信号控制方案，为交通诱导提供支持。交通图像检测技术克 服了传统交通检测方式的不足，可对复杂交通状况下的交通参数进行提取，对于 实施道路交通的有效控制和管理，缓解交通拥挤等问题具有重要的意义。 论文首先讨论了各种传统交通检测方式的不足，指出基于视频图像的交通检 测系统是交通检测系统的发展方向，并对国内外几种比较成功的交通视频检测器 进行了介绍。针对通用计算机系统作为视频图像处理平台实时性和可靠性差的状 况，比较了目前主流的嵌入式图像检测系统设计方案，从在硬件平台上保证图像 处理的实时性入手，提出了一种基于d s p 和f p g a 的交通图像检测系统设计方 案。根据系统的功能，将系统划分为视频输入处理器模块设计、f p g a 系统设计、 处理器系统设计和电源模块设计四部分，对硬件系统的设计方案进行了深入细致 的阐述，并对在印制板设计布局布线工作中需要掌握的原则和应注意的问题进行 了总结。在软件设计上，按照功能模块调试的顺序，详细的介绍了系统的初始化 配置和图像采集控制逻辑设计程序对利用虚拟线圈检测法，以背景差法检测运 动车辆，采用双c c d 法获取车辆速度进行了讨论，并对其他交通参数的获取方 法作了简单讨论。然后，简要阐述了系统的调试工作，并对调试工作中遇到的问 题和解决的办法以及本系统在实际交通检测中的应用进行了讨论。最后，总结了 本文的主要工作，对系统的功能完善和发展方向做了展望。 关键词：智能交通系统；交通图像检测；车速检测l 数字信号处理器 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ev i s i o n - b a s e dt r a f f i cd e t e c t i o ns y s t e m , w h i c hp l a y sa l l i m p o r t a n tp a r ti nt h ei 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 b ye x t r a c t i n gr e a l - t i m et r a f f i c p a r a m e t e r sa n dm a k i n gt r a f 珏cs u r v e i l l a n c e ，t h ev i s i o n - b a s e dt r a f f i cd e t e c t i o ns y s t e m c a no p t i m i z et h et r a f f i cc o n t r o le f f e c t i v e l y w i t ht h eh e l po ft h et r a f f i ci m a g e p r o c e s s i n g ，w ec a n o b t a i nv a r i n u sp a r a m e t e r su n d e r c o m p l e xt l a m cc o n d i t i o n s ，w h i c h c a n tb er e a l i z e dw i t ht r a d i t i o n a ld e t e c t i o nm e t h o d s a p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g y w i l lh a v eg r e a ti n f l u c eo nt r a f f i cm a n a g e m e n ta n da l l e v i a t i o no f t r a f f i cc o n g e s t i o n f i r s t ，t h ed i s a d v a n t a g e so f t r a d i t i o n a ld e t e t o r sa r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y t h e n , i t i sp o i n t e do u tt h a tt h ev i s i o n - b a s e dt r a f 石cd e t e c t i o ns y s t e mw i l lb et h em o s te f f i c i a n c y d e t e c t i o ns y s t e ma n ds e v e r a lv i s i o n - b a s e dt r a f f i cd e t e c t o r sa r ei n t r o d u c e d a i m e da t t h eb a dp e r f o r m a n c e so nr e l i a b i l i t ya n dr a p i d i t yo ft h ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m s b a s e do nc o m m o nc o m p u t e r s ，a ne m b e d d e dv e h i c l ed e t e c t i o ns y s t e mb a s e d0 1 1d s p a n df p g ai sp r e s e n t e da n da l lt h ed e t a i l sa b o u tt h eh a r d w a r ed e s i g na r ed i s c u s s e d l a t e ra c c o r d i n gt ot h e i rf u n c t i o n s ，i n c l u d i n gv i d e oi n p u tp r o c e s s o rm o d u l e ，f p g a m o d u l e ，d s pm o d u l ea n dp o w e rm o d u l e t h ep r i n c i p l e sw es h o u l da d h b m z et oi nt h e p c b d e s i g np r o c e s si ss u m m e du pa l s o t h e n , t h em o d u l ec o n f i g u r a t i o nw o r k so f d s p a n dl o g i cd e s i g nw o r k sf o ri m a g es t o r i n gi nf p g aa r ei l l u s t r a t e d b ye x t r a c t h l g b a c k g r o u n di m a g ew i t hs u r e n d r aa l g o r i t h ma n dt h r e s h o l d i n gt h ei m a g ew i t ho t s u a l g o r i t h m , w eo b t a i nt h ev e h i c l es p e e dw i mt w oc c dc a m e r au s i n gb a c k g r o u n d s u b t r a c t i o n f u r t h e rm o r e ，t h eo b t a i n i n go fs o m eo t h e rt r a f f i cp a r a m e t e r si sd i s c u s s e d s o m ep r o b l e m sd u r i n gt h ed 西u gw o r ka n dt h es e t t l e m e n tt ot h e ma r ea l s oe x p l a i n e d a n da ne x a m p l ei si l l u s t r a t e dt os h o wh o wt og e tt h es p e e do fv e h i c l e s a tl a s t t h e m a i nw o r ko f t h ep a p e ri ss u m m a r i z e da n ds u g g e s t i o n sa r eg i v e nf o rf u t u r es t u d y k e y w o r d 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 ；t r a f f i ci m a g ed e t e c t i o n ；v e h i c l e s p e e dd e t e c t i o n ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在 期间论文l 作的知识产权单位属于西北工业人学。学校有权保留 关部门或机构送交论文的复印什和电子版。本人允许论文被奇间 校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，同对本人 后结合学位论文研究课题再撰弓的文章，。律注明作者甲位为两北 保密论文待解密后适，l _ | 本声明。 学位论文作者签名：嫩 纠年弓月f c - h 校攻读学位 并向国家有 希i 借阅。学 ，可以采f h 保证毕业 嗽名蟛纱钟 指导教师签簟二：! ! 三二。 加衫年；月i j 咱 西北工业大学 学位论文原创 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德 论文危本人在导师的指导f 进行研究工作 中已经注明引j t - j 的内容和致谢的地方外，本 已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含 途使用过的成果。对本文的研究做山重要贡 明确方式标明。 本人学伉论文与资料若有不实，愿意承 性声明 本人郑承声明：所旱交的学位 所取得的成果。尽我所知，除文 沦文不包含任何其他个人或集体 本人或他人已申请学位或其它用 献的个人和集体，均已在文中以 担一切相关的法律责任。 宾一 格日 缝埘氰0 签 每 菁7 作 迁上 嫩学 西北丁业大学硕十论文第一章绪论 i 自e ! ! 目e ! 目目e ! e e ! ，皇目! ! ! e | 目e ! ! ! ! 目皇目e ! e g ! | ! ! e ! 量薯 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 交通检测系统是智能交通管理系统的重要组成部分。基于图像的交通监控 检测技术克服了传统车辆检测方式的不足，可对复杂交通情况下的多种交通参 数进行提取，对于道路交通的有效控制和管理，缓解交通拥挤问题，提高交通 安全和城市道路的利用率，减少时间浪费和环境污染具有非常重要的意义本 文主要对基于视频图像的交通检测系统设计进行了研究。 随着人类社会的发展和城市化进程的加速，机动车数量及道路交通量急剧 增加，汽车化社会带来的诸如交通阻塞、事故增多、能源浪费和环境污染等社 会问题日趋严重。据统计，美国城市以及州际间的高速公路有2 3 严重堵塞f 美国3 9 个城市因交通堵塞而造成的经济约4 1 0 亿美元。日本仅东京市严重堵塞 地点达2 1 9 处；东京高速公路拥挤路段的拥挤时间长达1 7 小时，拥挤长度达9 8 公里。每年仅东京因交通拥挤造成的时间损失约折为1 2 3 0 0 亿日元。 中国是一个发展中国家，改革开放以来，伴随着经济的发展，城市化、汽 车化f 1 】进程加快。据建设部和公安部2 0 0 5 年统计，我国城市化水平超过4 1 8 ， 机动车拥有量为1 0 7 亿辆，并按1 5 左右的年平均增长率发展。我国城市和汽 车化水平远不及发达国家，但大城市交通拥挤以及能源、环境问题已经相当严 重。如北京1 9 9 6 年全市共发生交通堵塞1 6 9 8 起，市区交通高峰期每小时机动 车流量超过1 万辆的路口已达到2 7 个，主要道路的交通负荷高达9 5 以上。目 前，北京市9 0 的道路都处于饱和状态【2 】，机动车车速下降到1 2 k m h ，个别时 间路段平均机动车速低于自行车。汽车尾气排放c 0 2 量已超过总量的5 0 。除 北京外，上海、天津、重庆、广州、武汉、沈阳、西安等大城市都存在上述问 题。 为缓解日益严重的交通堵塞，智能交通系统( 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 ) 作为2 l 世纪的新型交通运输系统，于2 0 世纪9 0 年代迅速崛起，在日本、美国等 西方发达国家取得了巨大的发展。我国在i t s 方面的研究起步较晚，但随着经 济的发展，交通形势日益严峻，对r r s 的研究越来越关注。1 9 9 9 年，国家“九五” 科技攻关项目决定在不同层次开展智能运输系统体系框架的研究并最终于2 0 0 1 年9 月通过了国家鉴定和验收p l 。 交通管理系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) 是智能交通系 西北丁。业大学硕七论文第一荤绪论 统( i t s ) 的重要组成部分，是以现代信息技术为核心，利用先进的通讯、计算机、 自动控制、视频监控技术，按照系统原理进行系统集成的系统工程。它把交通 工程规划、交通信号控制、交通检测、交通电视监控、事故的救援及信息系统 有机的结合起来，通过计算机网络系统，实现对交通的实时控制与指挥管理。 交通信息采集被认为是智能交通系统的关键子系统，是i t s 发展的基础， 是交通管理智能化的前提，无论是交通控制还是交通违章管理系统，都涉及动 态交通信息的采集，动态交通信息采集也就成为交通管理智能化的首要任务。 从信息处理的角度看，系统涉及到数据采集、数据处理、信息发布和信息利用， 上述这些环节就构成了信息链，而各种交通信息采集是实现系统智能化的前提。 智能交通系统( i t s ) 进程较快的国家或地区都把交通信息采集技术作为重中之重 加以开发研究。2 0 0 1 年1 2 月2 2 日到2 7 日，科技部高新技术发展及产业化司组 织了国家科技攻关计划重大项目“智能交通系统关键技术开发和示范工程”项目 1 0 个课题开标、评标会，其中和交通监控系统相关的交通信息采集设备开发、 交通信息采集技术及融合技术、交通信息分析和管理技术等占了5 个。 交通信息采集常用的检测技术有环形线圈、微波雷达、红外、超声波、视 频等几种。 环形线圈检测方式是利用车辆通过磁场时引发感应线圈电感量变化检测车 辆。这种检测方式性能稳定可靠，不受天气能见度和光线等条件的影响，应用 较广，但是其本身也存在一些致命缺陷。感应线圈不能检测静止车辆，埋设方 式对设备可靠性和使用寿命的影响很大，易被重型车辆辗坏，在路面开裂、变 形、维修时易损坏。安装需要重新铺设路面，安装不便，灵活性差，易受震动 和腐蚀，不利于维护，一般寿命为2 - 5 年。因此使用感应线圈的直接费用将持 续增加。 雷达测速系统采用多普勒雷达体制。当发射源与接收者之间有相对径向运 动时，接收到的信号频率将发生变化，以此判断运动车辆。该系统在正对运动 物体的运动方向，测量偏差角度小于1 0 度时，测量精度很高，但不能检测静止 车辆。缺点是一个雷达测速系统一次只能对一个车道的一辆车测速，两辆车过 近时无法判别。当雷达测速系统用于测速时，由于车外型不定，径向速度分量 与实际速度分量成不定角度，因此很难得到精确的速度。 红外、超声波检测器使用寿命短，易受环境影响，对于车流量较大的城市 交通检测，很难测得准确的交通数据。 基于视频图像的车辆检测技术可以有效的避免上述问题。可以对多个车道 的多个目标进行识别和跟踪，测速精度高，极少误判，尤其适用于交通流量较 2 西北t 业大学硕士论文第一苹绪论 大的城市交通场合，可对复杂交通情况下的多种交通参数( 如车流量、车速、 排队长度等) 进行提取。现在多数大城市中违章记录系统已经由线圈和雷达等 工作方式过渡到视频处理方式，并取得了十分理想的效果。流量、速度监控系 统也逐渐采用了视频检测方式。在汉城机场高速路，香港海底隧道等近年建设 的工程项目中，采用视频方式的系统逐渐增多，视频图像检测己成为i t s 的关 键核心技术之一视频车辆测速系统顺应高科技发展趋势，完全克服了激光测 速和雷达测速中存在的对测速角度要求高的问题：完全克服了线圈测速误差大、 破坏路面、维护费用高等缺陷，适合于安装在道路上方，俯视路面进行监测， 精确计算每辆机动车的速度。视频多目标跟踪机动车测速系统的出现，更说明 了视频技术的飞速发展，必将会在道路监控领域中起到越来越大的作用。在交 通监控系统中采用视频处理已成为现代智能交通技术的发展方向和趋势【4 】。 1 2 国内外研究现状 由于起步较早，国外的视频交通检测系统已经产品化，并且有不少成功应 用的案例。比较著名的视频交通检测产品有p e e k 公司的v i d e ot r a c k9 0 0 视频 车辆检测器，a u t o s c o p e 公司的a u t o s c o p e 2 0 0 4 以及一系列其它型号视频车辆检 测器【5 】、美国i s s 公司的s o l o n c 视频车辆检测器、西门予公司的a r t e m i s 系 统、比利时的t r a f i c o n 系统以及美国i t e r i s 公司最近推出的v a n t a g e 视频车辆 检测器【6 1 。这些产品基本代表了该领域当今世界的最高水平，占据了欧美大部 分市场，并积极向我国市场推广。 1 2 1 国内外交通视频检测产品 ( 1 ) a u t o s c o p e 视频车辆检测器 a u t o s c o p e 公司的视频车辆检测器应用较广。影响较大。目前已经发展到第 五代，功能指标有了大幅度提高。a u t o s c o p e 视频车辆检测器最多可接收五路视 频信号，其中一路为视频监控，其余四路用作交通视频检测，可自适应p a l 或 n t s c 制式，每路最多可监控6 个车道的交通流状态。检测器分为视频预处理 模块、视频格式化模块、存储器模块、c p u 模块和接口模块五部分。c p u 采用 4 8 6 s x ，运行d o s 操作系统，存储器为f l a s h ，通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 对参数 进行设置。a u t o s c o p e 系统的工作温度为一4 0 到+ 6 0 ，最大湿度可达1 0 0 。 主要尺寸为1 0 0 r a m 1 2 0 m m 5 4 0 m m ，重量约为2 7 k g 。该系统在全球有超过 2 5 0 0 0 个系统的成功应用，车辆检测准确率可达9 6 以上。 3 两北工业大学硕十论文第一章绪论 a u t o s c o p e 车辆检测器的优势在于采用通用计算机系统，基于d o s 操作系 统，因此拥有丰富的软硬件资源支持，功能改进升级都比较容易实现。虽然 a u t o s c o p e 采用了大量可编程逻辑器件分担主处理器的负担，但是由于c p u 不 但要处理图像还要负担外设通信，因此限制了算法和功能的扩展，而且没有成 本优势。 ( 2 ) v a n t a g e 视频检测器 推出较晚的v a n t a g e 可谓是后起之秀。目前在全球已有3 0 0 0 0 多个系统的运 营业绩，成为全球业绩最多，最受用户欢迎的车辆检测器之一，发展迅速。 v a n t a g e 支持r s l 7 0 ( n t s c ) 和c c i r ( p a l ) 视频输入和输出，配有p s 2 鼠标 接口、r s 2 3 2 接口和r j 4 5 接口。工作环境温度为3 7 到+ 7 4 ，最大湿度可达 9 5 。供电电源为1 2 v d c 或2 4 v d c 。在视频处理模块中，v a n t a g e 视频采集系 统采用了数字信号处理技术，这使其能够面临各种天气情况及光照条件的挑战， 不论是白天还是黑夜、下雨还是晴天，它都能提供精确、可靠的交通数据。 v a n t a g e 视频处理器本身具有全部的编程功能，并不需要单独的p c 电脑。在每 路来自v a n t a g e 的视频图像上都可以显示一个编程菜单，利用鼠标及视频菜单 便可在摄像机视频图像上划分检测区域。 v a n t a g e 视频检测器是利用安装在十字路口照明灯杆上的摄像机采集视频 图像，然后由视频处理模块进行分析处理，获取交通信息。v a n t a g e 视频检测器 由视频采集固件v a n t a g ee d g e2 和v a n t a g ee x p r e s s ，再配合v a n t a g e 摄像机、 a c c e s s 通讯模块、电源模块以及机架组成。能够完成交通流量、平均车辆行驶 速度、平均车头时距、平均车辆时间间距、车道占用率、逆行、停车等非正常 交通事件检测报警和烟雾、薄雾及雨雪等低能见度报警等功能。 v a n t a g e 视频检测器检测车辆行驶速度范围：o 1 8 0 k m h 。在良好天气和不 良天气( 大雨、大雪、大雾) 下的交通数据采集的精度如下表所示： 表1 - 1 + 参数交通流量平均车速平均车头时距平均时间间距车道占用率 良好天气芝9 6 兰9 5 9 5 ：= 9 5 ! 1 9 5 不良天气兰9 5 兰9 0 9 0 ! 1 9 0 芝9 0 ( 3 ) v t d 2 0 0 0 系列视频检测器 国内在视频交通检测方面也已经做了很多研究工作，如哈工大交通和清华 同方，但产品化的系统很少。 1 9 9 9 年1 1 月，受广州市公安局委托，哈尔滨工业大学开始开展视频交通检 测方面的研究。经过一年的努力，研制工作基本完成，视频交通检测器具备了 4 西北 _ 业大学硕十论文第一章绪论 最基本的检测功能。经过改进，v t d 2 0 0 0 交通信息采集系统已经升级为 v t d 2 0 0 0 e 系列视频检测产品，并通过深圳市哈工大交通电子技术有限公司推 向市场。v t d 2 0 0 0 系列在产品化道路上较为成功 7 1 ，它是国内第一家通过公安 部检验的视频检测类产品，是国家九五重点科技攻关项目，也是国家在十五的 重点产业化方向。2 0 0 3 年被列入国家级火炬计划项目。2 0 0 4 年被列入国家科技 成果重点推广计划项目。 v t d 2 0 0 0 e 最多可以处理6 路视频信号，只支持p a l 视频输入，工作电源为 2 2 0 v 5 0 h z ，工作环境温度为- 2 0 到+ 7 5 ，工作湿度最大可达9 5 。在路口架 设摄像机，将视频信号引入v t d 2 0 0 0 e 。配备一台笔记本电脑安装v t d 2 0 0 0 管 理软件，对每个摄像机进行信息检测配置后，设备就可以开始工作。系统可以 自动存储至少2 0 天的检测数据，可以将设备的输出数据用p s t n 、塔d n 等方 式回传，也可以定期用笔记本电脑读取检测数据。可获得车流量、平均速度、 占有率、车型分类等动态交通信息，对异常交通流如拥堵、事故等也能进行实 时监测。目前该产品主要应用于交通信息采集、事件监测、违章检测等领域， 在高速公路、城市道路中得到了广泛应用。 它主要功能参数如下： 车流量：在规定的采样时间间隔内，检测精度 9 5 t 车速统计平均值：在0 1 2 0 k n f f h 范围内，检测精度 9 0 ； 车头时距：在规定的采样时间间隔内，检测精度 9 5 ； 此外，北京漫波交通科技和上海高德威智能交通公司等致力于智能交通领 域的国内公司也推广了不少国外和自主研发的产品。 1 2 2 交通视频检测技术发展趋势 总的来说，交通视频检测系统可以分为两大类：通用计算机检测系统和嵌 入式检测系统。目前，大多数采用的仍然是通用计算机系统，因为这种系统基 于操作系统平台和各种通用板卡，开发难度小，但通用计算机系统往往难以小 型化。另外，由于基于操作系统平台，资源开销大，难以保证图像处理的实时 性，而且功耗大，很难适应恶劣的户外环境，长期运行的可靠性不高。嵌入式 视频系统是专用的计算机系统，基于高性能嵌入式图像处理器，运算速度快， 功耗小，体积小，实时性高，非常适合户外环境运行，必将取代通用计算机视 频检测系统，成为r r s 系统中最重要的交通信息采集方式。 一方面，由于起步较晚，国内关于交通视频检测器方面的工作大多模仿国 5 西北t 业丈学硕士论文第一章绪论 外产品。基本上都是利用现成的工控机和视频采集卡，自己开发图像处理和管 理软件组合而成。从某种程度上讲，这些交通视频检测系统都是实验系统，不 是完整意义上的交通视频检测器产品。v t d 2 0 0 0 虽然在视频采集处理中采用了 c p l d 和t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列d s p ，但t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 工作频率只有1 0 0 m h z ， 作为协处理器使用，处理能力也只有1 0 0 m i p s ，外部r a m ( 6 4 k x l 6 b i t s ) 难以 满足日益复杂的图像处理算法对处理器存储空间的要求，c p l d 也只是做地址 译码等逻辑操作，算法和功能扩展的空间较小。 另一方面，由于图像处理算法对处理器的要求较高，早期的处理器难以满 足许多复杂算法在实时性方面的要求。随着处理器工艺及芯片设计技术的不断 发展，世界上顶级的处理器供应商们已经能够为工程师提供满足大多数工程需 要的高性能数字处理器。诞生于t 1 公司的1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 是1 1 公司 性能最强的一个d s p 系列。2 0 0 0 年3 月，1 1 公司推出的c 6 4 x x 内核主频1 1 g h z ， 处理速度接近9 0 0 0 m i p s 。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 适用于数据量大，算法复杂 的应用场合。两级c a c h e 缓存结构、加强型d m a 数据通道、丰富而灵活的外 部接口e m i f 赋予了t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列快速的数据通行和处理能力。综上， t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列具备了成为优秀的嵌入式图像处理器的必要条件。另外，基 于s r a m 工艺的现场可编程逻辑器件在复杂的数字系统设计中被大量采用，应 用已经不仅仅局限于实现一些简单的逻辑操作，许多编程逻辑器件甚至已经集 成了片上处理器软核( 如a l t e r a 的n i o si i ) ，由此具备了一定的处理能力，可 以单独完成一定量的处理任务，可以把大多数数字系统任务集成到可编程逻辑器 件内部，既减小了体积，减小了功耗，又增加了系统可靠性。另外，由于可编 程逻辑器件的数字系统设计基于m 软核，系统的可继承性和功能修改升级的便 利性大大提高。 综上所述，设计一种基于高性能数字信号处理器和大规模可编程逻辑器件 的嵌入式交通视频检测系统，已经成为技术发展的要求，将在很大程度上提高 交通视频检测系统的性能。 1 3 论文主要工作及结构安排 本文的主要研究内容是基于视频图像的交通检测系统设计。根据交通图像 检测系统的功能和需求，针对目前大多数系统设计方案的不足，从在硬件平台 上保证图像处理的实时性入手，提出了一种基于d s p 和f p g a 的嵌入式系统设 计方案，并完成了原理图、p c b 设计和电路调试工作。在软件算法研究方面， 对基于背景差法的车辆检测算法进行了研究。应用选择性背景差法提取背景， 6 西北t 业大学硕十论文第一章绪论 以最大类问方差法求取阈值，利用虚拟线圈检测法检测运动车辆，并进行了算 法仿真。最后，对本系统在车速提取及其他交通参数获取中的应用进行了分析 讨论。 论文内容安排如下： 第一章从研究交通图像检测系统的重要意义出发，讨论了各种传统交通检 测方式的不足，指出了交通检测系统的发展方向，并对国内外几种比较成功的 交通视频检测器进行了介绍。 第二章根据交通图像检测系统的任务，首先介绍交通流参数的交通工程学 概念，然后就本文涉及的图像检测方式，对模拟和数字图像信号的格式以及描 述进行了详细介绍，最后对车辆检测所用到的图像分割技术和图像滤波技术方 法进行了简单介绍。 第三章首先介绍了交通图像检测系统的结构以及它在交通管理系统中的功 能，然后对目前两种主流的嵌入式图像处理系统设计方案进行了介绍和比较， 针对基于d s p 和f p g a 的设计方案进行芯片选型以及硬件原理图和p c b 设计， 指出了设计中应该注意的问题。 第四章首先介绍了c 6 0 0 0 系列d s p 的基本程序结构，然后分模块对系统各 功能模块的初始化配置进行了详细讨论，接下来根据系统的功能要求对f p g a 进行了乒乓控制图像采集逻辑设计，最后根据背景差法介绍了车辆的检测方法 和车速的提取方法 第五章首先介绍了调试中用到的两种主要的集成开发环境，然后根据功能 模块划分，对系统的调试工作进行了详细介绍，并对调试过程中碰到的两个问 题进行了分析并讨论了解决问题的方法。最后介绍了本系统在车速提取中的应 用，分析了主要误差原因，讨论了本系统在其他几个交通参数的提取中的应用 第六章对本文的主要工作进行了总结，指出了本文所做工作的意义。并根 据在实际工作中的体会，总结了所做工作的不足，指出了在今后的研究工作中 要继续深入的环节，最后，对后续工作做了展望。 7 西北 _ 业大学硕十论文第二章交通图像榆测基础 第= 章交通图像检测基础 交通图像检测系统的目的是通过交通图像提取各种交通参数，它是建立在 图像基础上的检测方式，图像是最重要的研究对象。研究内容涉及交通流参数 的交通工程学概念、模拟图像和数字图像方面的基本概念及图像处理技术的基 础知识，本章将作相关介绍。 2 1 交通流参数概念 交通流量、车速和交通密度是描述交通流特征的三个最基本参数引，下面 将对这三个参数的基本概念作简单阐述。 ( 1 ) 交通流量 交通流量是指单位时间内通过道路某一横断面( 一般为往返两方向，如特 指时可为某一方向或某一车道) 的车辆和行人数，又称为交通量。前者称为车 流量，后者称为人流量，但由于车辆往往是研究的主要对象，所以经常把车流 量和交通流量等同起来。由于交通量是随时间变化的，对于不同的计量时间， 有不同的表达方式，通常取某一时间段内的平均值作为该时间段内的代表交通 量。即 平均交通量= 去q f ( 2 一1 ) 1 = 1 ( 2 ) 车速 车速就是车辆单位时间内运行的距离。即 ，：兰堕千米小时 ( 2 2 ) t 其中，s 为车辆在t 时间内运行的距离。 根据使用目的的不同，车速的概念也不相同，有点速度、行驶车速和行程 车速等。点速度是指车辆通过某一地点时的瞬时速度，实际测量中通常用很短 的距离和行驶时间求得点速度；行驶车速是指车辆通过某一段路程的长度与行 驶时间的比值；行程车速是指车辆行驶过的某段路程的长度与所耗费的总时间 ( 包括中途停车损失时间) 之比。 ( 3 ) 交通密度 交通密度是指某单位长度车道上某一瞬间所存在的车辆数，用于表示在某 段道路上车辆的密集程度。通常用k 来表示： 8 西北工业大学硕士论文第二苹交通图像榆测萆础 r k = 导辆斤米 ( 2 - 3 ) l 式中n 为路段内车辆数，l 为路段长度。 在实际应用中，往往采用容易测量的道路空间占有率和车辆时间占有率来 表征交通密度。空间占有率是指单位长度车道上，车辆投影面积所占车道总面 积的百分比。时间占有率是指在道路的观测断面上，车辆累计通过时间长度与 测量总时间的比值。 2 2 图像信号基础 2 2 1 模拟视频信号 模拟视频信号是由c c d 摄像机输出的图像电信号，它基于光电转换的工作 原理，把光学图像转换成电信号的输出结果，是通过扫描来实现的。图像信号 是时间和空间的函数，为了能够通过顺序电信号复现二维光学图像，模拟视频 信号必须符合一定的“格式”它不仅需要包括图像信息本身，还要包括各种同 步信号和消隐信号等f 9 】。把这些顺序电信号变为光学图像的过程也是通过扫描 来实现的，扫描又有逐行扫描和隔行扫描之分。图2 - 1 0 ) 和图2 - l ( b ) 为隔行扫描 第一场和第二场的示意图，由左上角至右下角的实线为扫描的行正程，水平虚 线为扫描的行逆程。这种方式将一帧图像分成两场来扫描，第一场扫描l 、3 、5 等奇数行，称为奇场。第二场扫描2 、4 、6 等偶数行称为偶场。为保证奇场 镶嵌在偶场中间，每一场必须包含半场扫描，这就要求每一帧的行数必须为奇 数。我国规定每帧扫描行数为6 2 5 行，每场为3 1 2 5 行。图2 - k c ) 为逐行扫描的 示意图，这种扫描方式下，电子束从图像左上角向右下角逐行进行扫描。 ) = 、! 二 3 j j 一 ( a ) 隔行扫描第一场( b ) 隔行扫描第二场( c ) 逐行扫描 图2 - 1 隔逐行扫描示意图 隔行扫描主要用于电视图像的扫描，是根据人眼的视觉惰性和分辨能力提 出来的。为保证人眼不致产生亮度闪烁感觉和有足够的清晰度，场扫描频率必 须在4 8 h z 以上( 我国规定为5 0 h z ) ，扫描行数必须在5 0 0 行以上( 我国规定为 6 2 5 行) 。 9 西北t 业大学硕十论文第二章交通图像榆测基础 视频系统中，为了能够正确的重现图像，接收端与发送端电子束的扫描严 格的同步。所谓同步是指接收端与发送端的扫描点应有一一对应的关系，即收、 发端对应像素在同一时刻被扫描。实际上，只要收、发端扫描频率相同、起始 相位相同，就认为已同步。当收、发端扫描频率不同或起始相位不同时，图像 将被破坏甚至无法重现。因此在图像信号中必须加入同步信号，即同步脉冲。 在发送端，每扫描完一行加入一个同步脉冲，每扫描完一场，加入一个场同步 脉冲。它们与图像信号一起被发送出去。在接收端，只有接收到同步脉冲才开 始逆程。这样就保证了收、发端扫描频率相同、起始相位相同，即实现了同步。 如图2 - 1 所示的扫描轨迹，产生图像信号时，扫描的逆程光栅不应该显示 ( 消隐) 。为了消隐逆程光栅，还需要在视频信号中加入行、场消隐脉冲，使逆 程期间电子束截止。理论上，行、场消隐脉冲宽度应该等于扫描的逆程时间， 但在接收端为了保证消除逆程光栅痕迹，实际上让消隐脉冲宽度大于扫描的逆 程时间。 x 1 1 8 p n 羹脯警【钇雄t ) 图2 - 2 黑白视频信号 实际视频信号中，同步脉冲、消隐脉冲与图像信号的组合采用电平叠加的 方法。如图2 2 所示，它们以消隐电平( 即黑电平) 为基准图像信号叠加在消 隐电平的一侧，行、场同步脉冲叠加在另一侧，处于比消隐电平“还要黑”的 范围。同时为了使场同步脉冲期间不丢失行同步信息，在场同步宽度内每隔半 行开一个凹槽，称为开槽脉冲。为了在隔行扫描的视频信号中减弱奇偶场场同 步积分输出电平的差异，加入均衡脉冲。这样，叠加后的信号同时具备了行、 场同步、消隐及开槽脉冲和均衡脉冲，称为全电视信号。 当科学家们开始研究彩色电视时，黑白电视已经大量使用了，所以彩色电 视的设计最好与黑白电视兼容，也就是说彩色电视信号能为黑白电视所接收， 并播放出黑白图像来。因此，彩色电视信号最好以亮度和两个色差信号的形式 传输。在彩色视频信号中色差信号插在亮度信号的频谱间隙中传输( 4 4 3 m h z 处，带宽1 3 z ) ，也就是说在接收机中将接收到信号中4 4 3 m h z 处带宽 1 0 西北t 业大学硕十论文第二苹交通图像检测基础 1 3 - - ! z 的信号取出来就是色度信号，将4 4 3 加 i z 处带宽1 3 枷【 z 的信号滤掉剩 下的就是亮度信号。现行的彩色电视制式1 1 0 】有n t s c ( 正交平衡调幅制) 制式、 p a l ( 逐行倒相正交平衡调幅制) 制式和s e c a m ( 顺序传送彩色与存储制) 制 式三种。n t s c 制式主要用于北美、日本、韩国、和中国台湾等地区，p a l , 制 式主要用于德国、英国等西欧国家以及中国、朝鲜等，s e c a m 制式主要用于法 国、俄罗斯及一些东欧国家。这三种制式都是兼容制式，即黑白电视能接收彩 色电视信号，彩色电视也能接收黑白电视信号。 2 2 2 图像数字化描述 数字图像是由二维点阵组成的，其中的点称为图像的像素，是图像的最基 本单元，可以用不同的字长来表示其颜色。使用l b i t 时，通常用0 表示黑色， 用1 表示白色，这样的图像就是黑白图像( 通常称为二值图) ：使用8 b i t s 时， 可以表示2 5 6 种不同颜色。可以看出要表示更多的颜色必须要使用更多的存储 空间，在计算机中使用增强色1 6 b i t s ( 6 5 5 3 6 色) 时就可以满足人眼对颜色的最大 分辨程度。一幅m x n 个像素的数字图像可以用矩阵 g = 9 1 19 1 2 9 2 l9 2 2 g 柚g 辫2 岛 。9 2 - ： g 。 表示，其中j ( i l ，2 ，n i j _ 1 ，2 ，神表示像素颜色，矩阵中的元素位置对应于图 像中像素位置。 为了有效的对图像进行描述和分析，需要以各种方式对数字图像进行描述 并进行空域和频域变换【l “。灰度直方图是应用较多的一种图像特征描述方式， 一幅图像的直方图表示该图像中各种不同灰度级像素出现的相对频率，是一个 一维的离散函数( 设图像的灰度总级数为l ) ： * p 俘t ，= 等，k = 0 , 1 ，一上- 1 ( 2 - 4 ) v 式中良为图像酢j ) 的第k 级灰度值，毗是f 【i j ) 中具有灰度值为的像素的 个数，n 是图像像素总数。因为p ( 氨) 给出了对取出现概率的一个估计，所以直 方图提供了原图的某种灰度值的分布情况，也可以说给出了一幅图所有灰度值 的一种整体描述。空域变换是指在空域内直接对数字图像进行处理，既可以对 图像各个像素点进行灰度变换，也可以对图像进行小区域的空域滤波等，以充 1 1 西北t 业大学硕十论文第二章交通图像榆测摹础 分考虑像素对相邻像素点的影响。频域变换主要是通过傅立叶变换、离散余弦 变换、沃尔什变换或者小波变换等数学变换将图像从空域变换到频域，处理后 再将图像从频域反变换到空域，广泛应用于滤波、压缩编码等方面。但是由于 各种变换算法把图像从空间域向频域进行变换和反变换时均有相当大的运算 量，所以虽然目前也有许多快速算法，但运算速度仍然受到频域变换和反变换 的影响而难以提高。 2 2 3 色彩空间转换 根据三基色原理，红色、绿色、蓝色是白光分解后得到的主要色光，又是 混合色光的主要成分。这三种色光以不同的比例混合几乎可以得到自然界中的 一切色光，而且这三种色光具有独立性，其中一种原色不能由另外的原色光混 合而成。彩色复现时并不要求恢复原图像的所有光谱成分，可用三种颜色的基 色光( 即红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) ) 及三者一定比例的混合获得与原景物相同的色 彩感觉。 色彩空间指各种色彩的集合。色彩的种类越多，色彩空间越大。人们建立 了许多色彩模型，以三维空间坐标来表示某一颜色。颜色空间中的颜色用代表 三个参数的三维坐标来指定，即每个颜色都有一个相应的空间位置。为了适应 不同的应用场合，通常采用不同的坐标系来描述色彩空间。因此，某些情况下 就需要色彩空间之间的转换。在电视机显示系统和计算机显示系统中采用的色 彩空间有r g b 、h i s 、h s l 、h s v 、h 、y i q 、y c b c r 等，其中y u v 和r g b 是经常采用的色彩空间。根据彩色空间的线性变换理论，r g b 彩色空间的彩色 图像可以变换到彩色空耐1 2 】。 根据亮度公式 y = 0 2 9 9 r + o 5 8 7 g + o 1 1 4 b ( 2 5 ) 有 ( r y ) = - 0 5 9 0 3 0 ( g y ) 一0 1 i 0 3 0 ( b y ) ( 2 - 6 ) ( b y ) = - - 0 3 0 0 i i ( r y ) 一0 5 9 0 1 l ( g y ) ( 2 - 7 ) ( g y ) = - 0 3 0 0 5 9 ( r y ) 一0 1 i 0 5 9 ( b y ) ( 2 - 8 ) 由于( g - y ) 信号数值较小，作为传输信号对改善信噪比不利，因此模拟彩色 电视信号传输时采用( r - y ) 、- y ) 两组色差信号。所谓色差信号是指基色信号 与亮度信号之差组成的信号。它们与三基色信号之间的关系如上式所示。为了 使视频信号对图像载波调幅时避免过调制，同时为了改善兼容效果，必须限制 色度信号的峰值幅度。在复合信号摆动范围在o 3 3 和+ 1 3 3 之间时 u = 0 4 9 3 ( b y )( 2 9 ) 嚣s i n 哟3 3 0 0 j 1 阴 c y b l = - ：2 5 9 9 0 0 一- 荔0 4 7 1 8 8 7 一詈0 1 1 1 8 4 1 3 1 f r g + f 1 2 。8 1c212)lc j 0 1 6 8 73 3 1 30 5 0 0 j b jl 1 2 8 j ii = l o 一o i li + ii ( 2 l - 一o 2 3 数字图像处理基础 2 3 1 图像分割技术 图像分割【1 3 1 ( i m a g es e g m e n t a t i o n ) 是把图像分割成若干个特定的、具有独特 性质的区域并提取感兴趣区域的技术和过程，是数字图像处理领域一类非常重 要的图像分析技术。目前提出的分割算法已经多达上千种，大体可分为边缘检 测、阈值分割和区域生长三大类。 ( 1