（信号与信息处理专业论文）基于视频的城市交通事件检测系统的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 在2 l 世纪的今天，现代化的交通不再只是宽阔的马路，而应当配以智能化的交通控 制管理系统。为了对道路交通进行有效的监控，针对交通状况的动态变化，迅速做出交通 诱导控制的决策，就必须对表示道路状况的各项道路交通事件参数进行实时检测。交通事 件检测是智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，i t s ) 的重要组成部分，视频检测是交通 事件检测的重要手段。相对于传统的检测方法，它综合利用图像处理、计算机视觉、模式 识别等技术，有安装和维护方便、价格相对低廉、检测参数多、检测区域广等显著优点。 许多发达国家在交通视频检测方面进行了大量研究，我国在该领域的研究正在逐步展开， 并展现出非常诱人的应用前景。 本论文以摄像机获取的交通场景视频作为研究对象，利用图像处理和虚拟线组技术 完成城市交通事件检测。论文的内容包括下述几部分：文章首先简要地介绍了智能交通系 统的背景，引出基于视频的交通事件检测的意义。接着重点分析了视频检测系统的组成及 原理，并给出了交通事件检测的各类参数的计算公式。然后根据国内外目前的研究成果， 详细给出了一个改进的自适应背景更新方法。最后提出了基于视频虚拟线组的交通事件参 数检测方法。 关键词：智能交通系统，交通事件检测，虚拟线组，动态背景更新， 交通事件参数 南京邮电大学硕七研究生学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t n o w a d a y s ，t r a f f i ci sn o to n l yt h ew i d er o a d ，b u ts h o u l db ee q u i p p e dw i t ht h ei n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o nc o n t r o lm a n a g e m e n ts y s t e m i no r d e rt om o n i t o rt h et r a f f i ca n dm a k et h ec o n t r o l d e c i s i o n sr a p i d l ya c c o r d i n gt ot h ed y n a m i c a lt r a f f i cc h a n g e ，t h er e a l - t i m et r a f f i ci n c i d e n t s p a r a m e t e r sd e t e c t i o ni sv e r yi m p o r t a n t s ot h et r a f f i ci n c i d e n t sd e t e c t i o ni st h ek e ye l e m e n to f i t s v i d e od e t e c t i o nu s ei m a g ep r o c e s s i n g ，c o m p u t e rv i s i o na n dp a t t e r nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y s y n t h e t i c a l l y i th a sm a n ya d v a n t a g e so v e rt h et r a d i t i o n a lm e t h o d sd u et oi t se a s yi n s t a l l a t i o n ， o p e r a t i o n ，m a i n t e n a n c e ，l o wc o s tr e l a t i v e l y ，a n dt h e i ra b i l i t yt om a n yd e t e c t i o np a r a m e t e r sa n d w i d em o n i t o ra r e a t h ed e v e l o p e dc o u n t r i e sp a yl o t so fm o n e yo nt h er e s e a r c h e so ft r a f f i c i n c i d e n t sd e t e c t i o n c u r r e n t l yt h er e s e a r c ho nv i d e o - b a s e dt r a f f i ci n c i d e n t sd e t e c t i o nm a k e s g r e a tp r o g r e s si no u rc o u n t r ya n di th a sa t t r a c t i v em a r k e tp r o s p e c ta n ds o c i a lb e n e f i t s t h et h e s i si m p l e m e n t st h ec i t yt r a f f i ci n c i d e n t sd e t e c t i o nu s i n gi m a g ep r o c e s s i n ga n d v i r t u a lv i d e ol i n eg r o u pt e c h n o l o g yb a s e do nt h ev i d e os e q u e n c e s ，w h i c ha r ea c q u i r e db ya c a m e r ai ns p e c i f i ct r a f f i cs c e n e s i ti n c l u d e ss e v e r a lp a r t s f i r s t l y ，t h ei n t r o d u c t i o nt ot h e b a c k g r o u n do fi t si sf o l l o w e db yt h em e a n i n go fr e s e a r c h e si nt r a f f i ci n c i d e n t sd e t e c t i o nb a s e d o nv i d e o s e c o n d l y ，t h et h e o r yo fd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nv i d e oi sa n a l y z e da n dt h e c a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h et r a f f i ci n c i d e n t sp a r a m e t e r si se d u c e d t h i r d l y ，a l li m p r o v e dm e t h o d o ft h ea d a p t i v ed y n a m i c a lb a c k g r o u n du p d a t i n gh a sb e e ng i v e ni nd e t a i l s ，a c c o r d i n gt oc u r r e n t l y d o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c h e s f i n a l l y ，t h et r a f f i ci n c i d e n t sp a r a m e t e r sd e t e c t i o nm e t h o d w i t hv i r t u a lv i d e ol i n eg r o u pi sp r o p o s e d k e yw 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 s ( i t s ) t r a f f i ci n c i d e n t sd e t e c t i o n v i r t u a ld e t e c t i o nl i n eg r o u p d y n a m i c a lb a c k g r o u n du p d a t e 乃召f f i ci n c i d e n t sp a r a m e t e r s 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：昊拳 日期：弦7 弘t 3 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：墨整导师签名：么釜! 多笠日期：坳：垒堡 1p 南京邮电大学硕i j 研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及智能交通系统的定义 随着社会经济的不断发展和人们生活水平的普遍提高，以及整个社会对交通运输需求 的日益增加，交通运输对经济发展的制约作用不同程度地普遍存在于各个国家和地区。经 济的发展导致机动车的急剧增长，交通流量同益加大，交通拥堵现象日趋严重，交通事故 发生频度上升，必然造成了严重的经济损失和人员伤亡。美国每年花在解决交通拥挤和处 理车祸上的开支超过1 0 0 0 亿美元，由此导致的经济损失高达2 3 7 0 亿美元：日本每年因交通 拥挤的经济损失高达1 2 岁e 3 千亿日元。据文献统计，1 9 7 1 1 9 9 6 年的2 5 年内，我国交通事故 数量每5 年上升一个台阶，仅1 9 9 6 年就伤1 7 万多人，死者超过7 万。2 0 0 5 年受伤人数己达4 7 万，死亡数将近1 0 万，高达9 8 ，7 3 8 人。每年我国百万人以上的大城市因交通拥挤带来的经 济损失达1 6 0 0 亿元，相当于国内生产总值的3 2 。 如何解决交通拥挤和堵塞现象几乎成了各国政府最为棘手的难题之一。美、日、澳及 欧洲等先进工业国家，已经投入大量经费，在车祸的产生原因、交通的自动监控、事故的 检测和识别等多个方面开展了系统深入的研究，对整顿交通秩序，缓解道路拥挤，减少事 故伤亡等均起到了积极作用。而通过增加技术含量的方法提高现有道路的利用率、道路交 通的安全程度以及道路使用的舒适程度成为目前研究热点，智能交通系统( i t s ，i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 应运而生，并且已成为公认的有效地解决交通运输领域问题，特别是 交通拥挤、交通阻塞、交通事故和交通污染问题的最佳途径。 所谓智能交通系统就是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、传感 器技术以及计算机处理技术等有效地综合运用于整个交通运输体系，从而建立起的一种在 大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的交通综合管理系统。先进的i t s 将有效 地利用现有交通设施，减少交通负荷和环境污染、保证交通安全、提高运输效率、促进社 会经济发展、提高人民生活质量，并能够推动社会信息化及新产业的形成。 1 2 智能交通系统的发展历史和现状 智能交通系统的早期思想形成于2 0 世纪6 0 年代，随着信息、通讯、自动化和计算机技术的 雨京邮l 也大学顾l ：研究生学位论文第一章绪论 发展，逐渐出现了城市路口交通控制和高速公路监控系统，不过当时其重要性并不明显，也 没有受到足够的重视。进入2 0 世纪8 0 年代，特别是近几年，i t s 才以惊人的速度发展起来了， 世界上许多发达国家竞相开展了研究，形成了以美国的“智能车辆一公路系统”、欧洲的“尤 里卡 联合研究计划和日本的“先进的动态交通信息系统 等为代表的三大体系。 对这些领域的研究工作我们国家也很重视，并将智能交通系统( i t s ) 作为“十五 规 划中的重点发展产业。我国从2 0 世纪8 0 年代初开始重视运用高科技来发展交通运输系统， 从城市交通管理入手，在广泛开展城市交通调查、规划、治理的同时，开始对城市交通控制 技术进行研究。2 0 世纪9 0 年代初一些高校和交通研究机构开始了城市交通诱导系统技术的 尝试研究。这些研究主要借鉴了美、英、澳大利亚等国的先进控制技术理论和思想，并在 北京、上海等城市进行了试点，取得了一定的成果。 目前，在交通运输管理中应用通信、电子技术的现象已经十分普遍。全国大部分城市 都建立了信号控制系统和交通指挥中心，对本地的交通状况进行管理和控制，为监视和快 速处理城市交通拥堵和突发事件发挥了重要作用。高速公路沿线也建立了通信和监控系 统、电子收费系统和i c 卡收费系统，部分高速公路甚至实现了不停车自动收费。这些都是 我国在i t s 系统研究方面取得进步的表现。 1 3 智能交通系统的组成 尽管世界各国i t s 的组成不同，但是i t s 首先是一个交通系统。它所包含的内容均与交 通有关，所涉及到的都是称为交通四要素的人、车、路和环境。其研究对象为交通四要素 的空间和时间关系，即在同一时间车、路、人的状况以及车和人在路上的分布，在某一路 段上不同时间车和人的状况及分布，车、人、路与环境，如天气状况等的关系，静止交通 的空间停车场状况等。而事物运动的状态与方式也即事物内部结构和外部联系的状态和方 式称为广义信息，由此出发，i t s 可视为以交通信息为研究对象、智能化的新型交通系统， 其中交通信息是指有关交通四要素的空间与时间关系，因此i t s 可认为由下述几大部分组 成：信息管理中心、路边子系统、车载系统、需求管理系统、交通管理控制系统。其构成 关系见图1 1 。 2 南京邮电火学硕j ：研究生学位论文 第一章绪论 图1 - 1i t s 的系统组成 信息管理中心 信息管理中心是i t s 的核心，为i t s 实现交通信息的共享提供基础。 路边子系统 路边子系统的任务是实时检测路况和行车情况，包括路面参数和车离路面标志线 的距离等，路边系统也包括车辆检测器、交通路口的信号灯和电子收费装置。 车载系统 车载系统包含：动态实时导航系统，含路网数据库、路径选取算法、视频音频输 出导航信息提示等。 需求管理系统 需求管理系统在i t s 中占有很重要的地位，其作用是对有需求的用户进行分析， 以便管理控制系统制定高效的服务策略，实时地提供给用户，包括正在行驶的和预定 车辆旅行的用户。 交通管理控制系统 交通管理控制系统是i t s 的决策中心，利用应用软件分析整个交通系统的有关信 息，并得出控制和管理系统运行的策略，使i t s 能够实现其目标：提高用户的安全性、 减少堵塞、节省能源、改善环保。 区域管理中心 区域管理中心是信息管理中心的子系统，不同的区域管理中心之间也进行双向的 信息传输以实现跨区域的管理与信息共享。 3 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 i t s 各系统之间均有双向的信息传输，而区域管理中心是信息管理中心的子系统，不 同的区域管理中心之间也进行双向的信息传输以实现跨区域的管理与信息共享。 1 4 研究基于视频的交通事件检测的必要性 1 4 1 交通事件检测在智能交通系统中的重要性 在智能交通系统中，路边子系统和交通管理控制系统分别起着信息采集和决策控制的 重要作用。 路边子系统主要包括交通事件检测系统，标志和信号灯等，其中交通事件检测系统完 成对道路交通信息采集的功能，采集得到的信号通过通讯线路传到交通管理控制系统，交 通管理控制系统是智能i t s 的核心，它通过对由交通事件检测系统采集得到的道路交通信 息的分析得出对道路交通的控制方案和策略之后，再把控制命令下达到各个执行部分，主 要也就是路口的标志和信号灯，从而达到对道路交通管理的目的。 不难看出，交通事件检测的实时性、准确性对于智能交通系统的运转起着至关重要的 作用。交通事件检测系统能够使交通管理者加强对道路的可视化管理，对道路上的车辆进 行检测跟踪，判断是否发生了异常事件，在数据记录的同时，及时将信息传送到交通数据 管理中心，起到实时监控、及时报警等作用。交通事件检测系统与其他智能交通子系统协 同工作，通过检测道路实时发生的交通事件过程，对因人、因车、因环境造成的交通拥堵、 交通违章、交通隐患等进行实时报警、记录和发布。最终达到交通事件自动检测、平衡路 网流量、方便交通出行的目的。 综上所述，交通事件检测在整个智能交通系统中发挥着极其重要的作用。 1 4 2 交通事件检测的各种方法 传统的交通事件检测方法主要有磁频式检测和波频式检测两大类。 磁频式检测器 磁频检测器是基于电磁感应原理的检测器。这类检测器包括环形线圈检测器、地磁检 测器、磁成像检测器和摩擦电检测器。这类检测器由埋在路基下的环形线圈和检测该线圈 电磁感应变化的相关电子设备组成有车辆经过时，该线圈上的电磁感应就会发生变化。尽 管这种方法检测比较简单，受天气影响小，但也存在不少问题。首先，工程施工困难，安 装感应线圈要破坏路面，而且安装时必然要影响交通畅通：其次，由于此类检测器埋在路 4 堕塞堕皇奎兰堡! ：笙窒竺堂垡笙苎笙二童笪笙 基下，当车辆通过线圈时必然会产生压力，路面维修往往也会对线圈造成破坏。英、美等 国已安装的大批环形线圈式车辆检测器损坏率均在2 0 - 3 0 以上。环形线圈式车辆检测器一 旦损坏后不宜维修，一旦损坏维护起来很不方便：第三，地埋式的线圈能够获取的交通参数 有限，且检测精度低，不能识别车辆种类与有关信息，无法满足现代交通管理的需求。 波频式检测器 这类检测器主要有雷达波检测器、红外线检测器、超声波检测器等。 雷达波检测器主要根据的是多普勒效应。一般安装在路边空中，不断发出雷达波，当 有车辆经过时，反射波的频率发生频移。但是这种方法只能检测运动车辆当由于红灯或堵 车引起车速缓慢或车辆静止时，多普勒效应失灵。 红外线检测器和超声波检测器同雷达波检测器一样，由设在空中的检测器向地面发出 红外线或超声波，当车辆通过时，反射波的频率发生变化，由此检测出车辆信息。 这三种声波检测方法均不能提供全面的交通信息，一般可作为智能交通监控系统一种 辅助手段采集车辆信息。 1 4 3 基于视频的交通事件检测的优点 进入2 0 世纪9 0 年代以后，随着计算机处理能力的提高和图像处理设备的发展，视频和 图像处理技术被广泛应用到交通检测系统中。传统的交通检测器正在逐渐被视频检测系统 所替代。 视频检测方法是利用摄像机拍摄道路图像，采用图像处理技术自动检测车辆，这是计 算机视觉技术在智能交通中的一个典型应用，能够检测许多参数如：车辆计数、存在、速 度、占有率、车类型、车流向、车辆行驶轨迹、车间距、交通流密度等，其中有些参数是 其他设备无法检测的，可用于事故检测、路口交通监控系统、停车场调度监控系统、辅助 驾驶系统以及自动导航系统等，而且它可以和交通监视系统共享视频数据，从而节省整个 交通管理系统的成本。具有如下一些优点： 无需破坏路面，在任何路况、任何气候条件下，系统可正常工作： 检测器安装简便，摄像机安装在路边灯杆的臂柱上，无需在车道路面上施工，监 视器的更换不影响交通，检测器位置易调整且维护方便； 可检测的交通事件参数多： 视频信号能通过同轴电缆、光纤、双绞线、无线射频或微波等多种方式进行传输。 所以它已引起世界各国智能交通系统研究的高度重视，有着良好的应用前景。视频交 南京邮电大学硕：i ：研究生学位论文 第一章绪论 通事件检测系统在现代交通监控系统中占有很重要的地位，是未来智能交通系统发展的基 础。 1 5 论文的主要内容 1 5 1 研究重点 在本文中，我们将主要讨论视频检测在交通事件检测方面的应用，着重介绍利用虚拟 线组检测交通事件参数的方法。 1 5 2 主要工作及组织结构 本文的主要工作可以分为以下两点：一是研究运用自适应图像处理技术，提取背景信 息；二是研究虚拟线技术在交通事件检测中的应用，使用虚拟线替代传统的电磁感应线圈， 在图像中需要处理的位置添加虚拟线，根据检测器的原理进行交通参数的检测。 本文的组织结构如下： 第一章本文的绪论部分主要阐述了课题的研究意义，并介绍了本论文的组织结构。 第二章分析了基于视频的交通事件检测的原理及系统结构。 第三章给出了交通事件检测的各类参数及其计算方法和公式。 第四章对自适应背景更新获取运动图像的方法进行了研究。 第五章提出了基于视频虚拟线组的交通事件参数检测的方法，并将虚拟检测线组的 检测结果运用于计算公式中，得到相应的交通事件检测参数。 第六章回顾了本文的工作和研究成果，并探讨了论文进一步的研究方向。 6 南京邮电大学硕 ：研究生学位论文第二章视频检测系统及工作原理 第二章视频检测系统及工作原理 在第一章中已经指出，交通事件检测是智能交通系统的重要组成部分之一，是交通流 信息的采集设备。交通事件检测系统处理对象为摄像机采集到的实时视频，通过视频采集 卡从实时视频中采集到图像序列，对图像进行分析处理，实时地检测交通量、车辆速度、 车流密度和车辆占有率等各种交通参数。同时及时将采集的交通信息和事件信息传输到数 据管理中心，并对实时视频进行记录，以备下载查看。 交通检测器及其检测技术水平的高低直接影响到公路交通控制系统的整体运行和管 理水平，交通控制系统的工作效率决定于检测器对车辆的检测能力。在此，我们首先对检 测技术作一回顾。 2 1 交通事件检测技术回顾 2 1 1 交通检测器的分类 按检测器的工作方式及工作时的电磁波波长范围，将检测器划分为3 大类：磁频检测 器、波频检测器和视频检测器。 2 1 2 磁频检测器 磁频车辆检测器是基于电磁感应原理的检测器。这类检测器包括环形线圈检测器、地 磁检测器、磁成像检测器和摩擦电检测器。 1 环形线圈检测器：环形线圈检测器是目前国内外使用最广泛的车辆检测器，它由3 部分组成：埋设在路面下的环形线圈传感器、信号检测处理单元及馈线。该检测器的工作 原理是检测单元、环形线圈与馈线线路组成一个振荡电路，如图2 1 所示。此电路中的电感 主要决定于环形线圈，环形线圈是此电路的电感元件；电容则决定于检测单元中的电容器。 当电流通过环形线圈时，在其周围形成一个电磁场，当车辆行至线圈上方时，在金属车体 中感应出涡流电流，涡流电流又产生与环路相藕合但方向相反的电磁场，即互感，使环形 线圈电感量随之降低，因而引起电路谐振频率的上升。检测到此频率随时间变化的信号， 利用软件实现频率比较，从而判断是否有车辆通过，输出检测结果。 7 南京邮电大学硕：仁研究生学位论文第二章视频检测系统及工作原理 1 - - ,i 环形线圈+ 一振荡器卜一频率计数器l 一频率比较器l 一输 h o 。o o 。o 。一l - _ _ - _ _ - - - _ - j l-_-_i_jl - _ _ _ i - _ _ _ _ - - _ - j o _ _ _ _ - _ 一 图2 i 环形线圈检测器原理 环形线圈的尺寸根据需要而定，常用的是2 m x 2 m 的线圈，约三匝( 圈) ，每车道埋设 一个，计数精度可达到2 ，排队长度测量可精确到+ 4 6 ，测出流量和占有率之后， 借助于预定的平均有效长度即可估计出密度与平均速度。有些情况下，为了较准确地直接 测量速度，采用每车道连续埋设两个环形线圈的方案，间距约l m 。双线圈测量方式的精确 度较好，速度测量值可精确到+ 4 6 。但检测器投资及施工费用较高，计算量也较大。 环形线圈检测器可测参数较多，其感应灵敏度可调，使用的适应性较大，安装不太复杂， 所以在国内外得到广泛的应用。缺点是线圈跟随路面变形( 沉降、裂缝、挪移等) ，因此 其使用效果及寿命受路面质量的影响甚大，路面质量较差时一般寿命仅2 年。另外，环境 的变化和环形线圈的正常老化对检测器的工作性有较大的影响，可使检测器材谐振回路失 谐而不能判断车辆存在产生的频率变化。因此，人工调谐的环形线圈检测器要定期进行手 工调整，以便保持仪器的精度。自调谐检测器可自动进行调整，精度较高，现在已被普遍 采用。 2 地磁检测器：地磁检测器是把一个具有高导磁率铁芯和线圈装在一个保护套内，里 面填满了非导电的防水材料，形成一根磁棒。在路上垂直于交通流的方向丌一个o 2 0 6 m 的孔，把磁棒埋在路面下，当车辆驶过这个线圈时，通过线圈的磁通量发生变化，在线圈 中产生一个电动势，这个电动势经过放大器放大后去推动继电器，发出一个车辆通过的信 息。这种检测器只能检测以相当车速通过的车辆，不适用于需要检测车辆存在的地方。这 种检测器具有安装容易，不易损坏，价格便宜等优点。缺点是对慢速车辆不能检测，有时 会出现误检，且材料容易老化灵敏度会逐年衰减。 3 磁成像检测器：磁成像检测器是以近期研究成功的磁成像技术为基础的。它测量 由于车辆的出现而引起的电磁场扰动或变化，通过与已记录的不同结构车辆的磁纹 ( m a g n e t i cf o o t p r i n t ) 相比较，不仅能将卡车和小车分离开来，而且可以测出车辆的构造、 车型及车速。 4 摩擦电检测器：该检测器的探头部分是封装在一块人造橡胶中的屏蔽电缆内，橡 胶块永久地固定在路面的切槽中。其工作原理是车辆通过时，电缆上的压力使电缆芯和屏 蔽之间产生低电压，该电压可用适当的放大电路来检测并输出信号。此检测器n 向应快、恢 南京邮电大学硕：l 研究生学位论文第二章视频检测系统及工作原理 复时间短，因此可用来精确地测量车轴数。当它与环形线圈检测器一起使用时，还可以测 量车型、车速和车距等交通参数。 2 1 3 波频检测器 波频车辆检测器是以微波、超声波和红外线等对车辆发射电磁波而产生感应的检测。 1 超声波检测器：超声波检测器是一种在高速公路上应用较多的检测器。它是利用 反射回波原理制成的。超声波检测器由探头和控制机构成，其探头具有发射和接受双重功 能，被设置于道路的正上方或斜上方。超声波检测器的工作原理是：由超声波发生器( 探 头) 发射一束超声波，再接收从车辆或地面的反射波，根据反射波返回时间的差别，来判 断有无车辆通过。由于探头与地面的距离是一定的，所以探头发出超声波并接收反射波的 时间也是固定的。当有车辆通过时，由于车辆本身的高度，使探头接收到反射波的时间缩 短，就表明有车辆通过或存在。如图2 2 所示，若超声波探头距地面高度为h ，车辆高度为 h ，波速为v ，发自探头的超声波脉冲的反射波从路面和车辆返回的时间分别为t 和，则 ，：2 m ( 2 1 ) ，y r ，：2 ( h 一厅) ( 2 2 )一，、一， y 可见时间t 与车辆高度h 相对应。根据这个特点，超声波检测器既可以检测车辆的存在 和通过，也可以检测车高，检测出车的数量和车的时间占有率。超声波检测器的横向检测 范围大约为3 9 m ，可以覆盖1 3 条车道，能检测出高度在0 7 5 1 6 m 的车辆。超声波检测 器探头可安装在行车道中间上方5 m 处，也可以安装在路侧，安装高度在2 5 m 以上。由于超 声波检测器采用悬挂式安装，这与路面埋设式检测器( 如环形线圈) 相比有许多优点。首 先是不需破坏路面，也不受路面变形的影响，其次是使用寿命长、可移动、架设方便。不 足之处是其检测范围呈锥形，受车型、车高变化的影响，检测精度较差，特别是车流严重 拥挤的情况下；另外检测精度易受环境的影响，尤其是大风、暴雨等的影响：探头下方通 过的人或物也会产生反射波，造成误检。从架设、维护方便和使用寿命等方面来说，路面 埋设式检测器都不如超声波检测器，所以超声波检测器成为目前使用量仅次于环形线圈的 一种检测器。 9 南京邮电人学硕一l ：研究生学位论文 第二章视频柃测系统及丁作原理 图2 2 超声波车辆检测原理 2 微波雷达检测器：微波检测器按照多普勒效应原理工作。它由发射天线和发射接 收器组成。架在门架上或路边立柱上的发射天线向路面检测区域发射微波波束，当车辆通 过时，反射波束以不同的频率返回天线。检测器的发射接收器测出这种变化，从而测定车 辆的通过或存在。微波检测器的工作频率通常是2 4 g h z 或1 0 g h z 。新型的远端交通微波检 测器最多可同时检n 8 个检测区域的车辆存在，同时可检测交通量、车速和占有率等信息。 3 红外检测器：红外检测器是具有良好应用前景的悬挂式或路侧式交通检测器该检 测器一般采用反射式检测技术反射式检测器探头由一个红外发光管和一个红外接收管组 成，其工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲，经红外探头向道路上辐射，当有车辆通 过时，红外线脉冲从车体反射回来，被探头的接收管接收，经红外解调器解调，再通过选通、 放大、整流和滤波后触发驱动器输出一个检测信号( 如图2 3 ) 。这种检测器具有快速准确、 轮廓清晰的检测能力。其缺点是工作现场的灰尘、水雾会影响系统的正常工作。 2 1 4 视频检测器 图2 - 3 红外检测器检测原理 端 基于视频图像处理的交通检测技术是近年来逐步发展起来的一种新型的车辆检测方 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二苹视频检测系统及工作原理 法，它具有无线、可一次检测多参数和检测较大范围等特点，使用灵活，预计将有很好的 应用前景。 近年来美国、欧洲与日本等国家已经有不少基于视频处理技术采集交通参数的检测 器，产品例女l e c o n o l i t e 公司推出的a u t o s c o p e 系列，t r a f i c o n 公司的v i p 系列，以及s u m i t o m o 公司的i d e t 等都是比较成熟的产品，国内目前也有一些公司和研究机构正在开发同类型的 产品，然而在中国国内还没有广泛的采用。 典型的基于视频的交通检测系统美国的a u t o s c o p e 系列的部分产品及t r a f i c o n 公司的 v i p 系列都是属于图2 4 中所示的外形。在路旁较高处放置视频摄像头，获得的视频信号经 数字化后由图像处理单元进行处理。图像处理单元一般做成板卡形式，可以外接显示器， 显示摄像头获得的图像，还可以通过键盘设定检测的参数、检测区域等等，此外还可以输 出视频检测获得的控制信号用于实时的交通信号控制，输出计算出的交通参数。传输压缩 后的视频数据等。更进一步的，还可以把摄像头和图像处理单元合并成嵌入式系统，固定 在路旁，独立地进行基于视觉的车辆检测，如美 a u t o s c o p es o l o 型车辆检测器和日本 s u m i t o m o 公司的图像处理型车辆检测器。 图2 - 4 视频交通检测系统外形 2 2 视频检测系统的组成与原理 实时图像处理程序采用虚拟检测线的方法计算交通信息参数。实时数字图像序列依次 通过图2 5 中的自适应背景提取、阈值估计和存在检测处理，得到一个高置信度的存在信号， 表示当前存在检测线上的车辆存在状态是“有车”或“无车，然后根据车辆存在检测的 结果计算车速、车辆计数和车头时距等用户需要的交通信息参数。虚拟线检测法是当前交 1 1 南京邮电入学硕1 ：研究生学位论文第二荦视频! 检测系统及工作原理 通信息视频检测领域中通用的方法，是指在视频图像中放置虚拟线进行车辆检测与识别的 技术。其主要思想是当车辆经过时，预先设定的虚拟线上的灰度就会发生变化，而没有车 辆经过时虚拟线上的灰度或颜色为背景而保持不变。其特点是算法相对简单，计算量小， 具有良好的实时性。下面先就视频检测的各个部分做一介绍。 图2 5 视频检测系统组成框图 1 ) 自适应背景提取 常规的提取背景的方法有以下4 种：统计直方图法、统计中值法、多帧图像平均法、 连续帧差法。而本论文在此提出了一种改进的动态背景更新的方法：先用图像平均法来初 始化背景，采用k a r m a n n 提出的基于卡尔曼滤波的更新公式来改进图像平均模型，实时更 新背景。然后在动态背景更新法的基础上提出运用当日订输入帧与上一帧的平均灰度值差来 1 2 南京邮电大学硕：l 二研究生学位论文 第二章视频检测系统及工作原理 进行背景调整，减小相邻帧之间亮度发生突变的影响，并且运用边缘差检测法降低阴影的 影响的方法。 2 ) 存在检测 在车辆存在检测的算法中，有以下的几个常用方法： 通常有以下的几个常用方法：相邻图像差分法、背景差分方法、光流法等。 相邻图像差分法 在连续的图像序列中两个或三个相邻帧间采用基于像素的时间差分，并且通过阈值化 来提取出图像中的运动区域。时间差分运动检测方法对于动态环境具有较强的自适应性， 但一般不能完全提取出所有相关的特征像素点，在运动实体内部容易产生空洞现象。 背景差分方法 背景差分方法是目前运动分割中最常用的一种方法，它是利用当前图像与背景图像的 差分来检测出运动区域的一种技术。其优点是位置精确、速度快，其计算开销较小，对噪 声的抗干扰能力较强，检测精度较高，是一种比较适合于交通视频中运动目标检测的方法： 不足之处是受环境光线变化的影响，在非受控环境下需要加入背景图像更新机制，它一般 能够提供最完全的特征数据，但对于动态场景的变化，如光照和外来无关事件的干扰等特 别敏感。 光流法 光流( o p t i c a lf l o w ) 是指图像中灰度模式运动的速度，光流是景物中可见点的三维 速度矢量在成像平面上的投影，它表示了景物表面点在图像中位置的瞬时变化：同时光流 场携带了有关运动和结构的丰富信息。基于光流场的方法的运动目标检测采用了运动目标 随时间变化的光流特性，如通过计算位移向量光流场来初始化基于轮廓的跟踪算法，从而 有效地提取和跟踪运动目标。光流场是分析图像序列中运动目标的重要方法，特别是当运 动物体重叠时，利用其光流场的分布，可以进行检测。然而，大多数的光流计算方法相 当复杂，而且抗噪性能差，如果没有特别的硬件装置则不能被应用于全帧视频流的实时处 理。 在此，我们选择了简单实用的背景差分法作为进行车辆检测的方法。这种方法最重要 的一步就是背景的自适应提取，我们将在第四章详细地讨论这个问题。 3 ) 交通事件检测 本论文中采用虚拟线检测算法作为交通事件检测的算法。目前常用的交通事件检测方 法包括线式检测法和面式检测法。 所谓线式检测法，即在图像上的一条线段( 称为虚拟检测线) ，当有车经过该虚拟检 1 3 塑塞塑塑奎兰堡! ：竺壅竺兰堡丝茎一 翌三至望墅竺型至竺垄三堡堡墨 测线时，图像上检测线位置的象素点的灰度值一般会产生明显变化，根据这个变化是否超 过设定的阈值进行检测。线式检测法数据运算量小，运算速度快，实时性好，但容易受到 噪声信号的影响，其自适应性和光线变化影响的鲁棒性较差，检测精度不稳定。面式检测 法是在图像上设定一个区域作为虚拟检测区，当虚拟检测区内灰度值的变化大于设定的检 测阈值时认为有车经过该检测区。这种算法鲁棒性较好，但运算量大，算法复杂，实时性 吉刍 z l0 针对上述检测法的缺点，本论文中提出了虚拟检测线组式视频交通事件检测算法。该 改进的算法运用三条虚拟检测线共同来检测车辆运动状态，运算量小，实时性接近面式检 测法；和单条虚拟检测线的线式检测法相比，可有效减少车窗反光等环境瞬变因素产生的 噪声所造成的误检。继而，在背景差分法和虚拟线状态检测的基础上经过符号参数分析， 进一步得到车辆计数、速度检测、排队长度检测和排队状况检测等交通事件参数。 系统除了需要实现上述这些主要功能外，下面的这些功能部件也是必不可少的。 1 ) 摄像机自动控制功能 为使摄入的图像可以实际应用，必须保证图像具有一定的清晰度。首先应选择合适 的c c d 摄像机和图像采集卡，其分辨率应达到实用要求。其次要保证一定照明度，故用辅 助照明是必要的，而且必须保证c c d 摄像机的电子快门能与辅助照明实现同步操作。 为了在各种自然条件下获得较为清晰的图像，需要对摄像机的参数进行调节。该系统 使用的摄像机具有基本的自动参数调节功能，但是摄像机本身的自动参数设置，是基于整 个画面的亮度值来调节的。图像中大部分的区域是路面和周围环境背景。对于后续处理而 言，最重要的内容是图像中运动车辆所在的区域。特别在光线过亮或者过暗的情况下，采 用摄像机本身的自动参数调节，会产生背景亮度合理，但是运动车辆部分过暗或者过亮， 导致车牌区域不可辨识等问题。故而需要根据图像中我们关心的区域( 即车辆区域) 的图像 信息来对摄像机进行参数控制和调节，而不是直接采用全图的信息作为调节摄像机的根 据。这里的摄像机自动控制是用软件实现的对摄像机基本参数的智能控制。在采集到的 图像序列中检测出运动车辆的区域，根据目标车辆区域的图像信息( 如灰度、纹理特征) ， 来对摄像机的参数设置进行反馈控制。以此来保证后续图像序列中车辆区域的图像质量。 2 ) 视频记录模块功能 视频记录模块的功能是利用视频压缩卡实现实时视频图像的压缩、存储，并把压缩的 视频数据保存到本地硬盘，利用网络和客户端的程序查询记录在硬盘上保存的任意时间段 的视频数据，并可下载查看。 该模块能够连续客观的保存现场数据。对于保存的现场数据，同时实现两个功能，一 1 4 塑室塑堕查竺堡：! ：鲨! ! 竺兰堡丝兰垩三里塑塑垒型墨竺垄三堡堕里 是视频数据压缩存储，一是视频数据查询和播放部分。其中视频数据压缩存储是通过视频 压缩卡把实时视频数据转换成m p e g 4 的压缩格式，可以做到快速、连续、安全的保存数据， 它的高压缩比使传输视频数据变得快捷、稳定；压缩后的数据保存在本地硬盘内的特殊文 件系统中。并且提供一个操作简单、使用方便的客户端程序可以非常方便的实现视频数据 下载，查看相应时间段的视频数据。 3 ) 数据存储处理功能 检测车辆存在是视频检测系统最基本的功能之一其它各交通参数的检测也是在此基 本功能的基础上进行的。对于视频检测，被检测的交通现场在时刻，的每一点( 又，ez ) 可以 用函数s 仪睨，) 表示，它描述了被检测现场在t 时刻的能量与强度，或者说是现场的真实 反映。摄像机在，时刻拍摄到的现场的图像用函数，g ，弘，) 表示。如果摄像机每秒钟拍摄k 幅图像，当摄像机每幅图像的分辨率为m xr t 时，一幅图像的象素是m x 刀，为了能比较真 实的反映现场的实际，每一象素用一个字节而不是一个二进制位表示。一秒钟将有m xn x k 个字节，一天2 4 个小时，需要存储的图像字节数将是m xf i xk x 2 4 x 6 0 x 6 0 ，显然存储量太大， 如果要全部存储这些数据将需要过多的存储空间，而且数据处理的量也必然很大，影响处 理的实时性，同时使得成本提高。事实上，在这些数据中其中一部分数据是根本无用的数 据，故而也不必要存储和处理。因而我们只能选定一幅图像的一个较小的局部区域作为存 储和处理的图像数据，这一局部图像必须是能够反映检测参数的特征的，因为车辆的检测 和处理是以这一区域的图像为依据的。通过这样做，将大大降低数据的存储量，提高数据 的处理效率。 4 ) 网络通信功能 由于该系统是实时运行，网络通信模块需要保证数据传输的及时性和可靠性。网络通 信模块在系统开始运行时自动连接数据中心服务器，将现场采集到的各项交通数据及时传 送到数据中心。在网络连接由于某些异常情况断开时，利用缓存机制，将数据暂时保留， 等待网络再次连接成功后将保存数据发送到数据中心。在网络通信方式的选择上，该 系统可以根据工程具体要求和条件，采用不同的通信方式，例如串口通信( r s 2 3 2 ) 、局域 网连接( t c p i p ) 或者无线通信( g p r s ) 等等。 5 ) 事件抓拍功能 在系统中，事件抓拍功能是在系统管理和视频分析模块处理中，发现道路上有交通事 故发生时，给出触发信号，则系统自动将在缓存中的图像序列通过通讯模块由网络输出。 这个序列图像包括事件发生前后2 5 帧的图像，它们基本上可以反映出事故发生的情况。因 l5 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文 第二章视频检测系统及工作原理 此，这个功能能够帮助交通管理人员回顾事件发生经过，从而做出合理的判断和相应的及 时处理。 2 3 本章小结 本章首先回顾了交通事件检测技术，并在此基础上着重对本文所研究的基于视频的交 通事件检测技术作了相应的描述。最后，介绍了视频检测系统的各部分功能部件，同时对 通过视频检测进行交通事件检测的原理做了概要的说明。 下面，将结合研究内容，详细对基于视频的交通事件检测系统进行分析和说明。 1 6 南京邮电大学硕t - 研究生学位论文 第三章交通事件枪测参数 第三章交通事件检测参数 3 1 交通事件检测参数引入的意义 在第一章中我们已经探讨了交通事件检测系统是智能交通系统的重要组成部分之一， 该系统通过数据采集和设备监视等方式在道路上实时地检测各种交通事件信息。而如何将 这些采集的信息转换为易于通信传输，又便于交通管理控制系统判断处理的一系列参数是 非常有必要的。 3 2 交通事件检测参数及其计算公式 智能交通系统中用于交通事件检测的交通参数主要包括：有车辆存在与否，车辆数， 车辆速度，排队长度，占有率等一些参数。就每个具体的参数来说，都有其特定的计算公 式，下面分别予以讨论。 3 2 1 车辆存在的检测参数 对于一幅图像中被选定的部分，如何知道是否有车辆存在? 首先，计算机要计算这一 区域在无车辆存在时的背景特征值，并根据实际值与这些值的比较来判断车辆是否存在。 其最简单的方法是先估计背景的灰度统计值，从统计值中确定一个阂值。在图像处理时， 图像每一象素的实时灰度值与此阈值比较，如果大于此阈值，意味着有车辆存在，对于要 检测某一地点的车辆是否存在，只需比较在显示终端上设定的检测线上的数值，用参数匕 表示在检测点a 时刻t 是否有车辆存在( 通过) ，即： 只：1 耋量! 兰! 譬( 3 - 1 ) l0 表示无车存在 。 3 2 2