（交通信息工程及控制专业论文）基于路面标记的行采集视频车辆检测器研究.pdf

中l j l 人学硕 ：学佗论文 基于路面标记的行采集视频检测器研究 专业：交通信息t 程及控制 硕士生：任超 指导教师：张辉 摘要 近年来，我围智能交通行业飞速发展，对车辆检测技术和设备的需求不断增加。但 是，目前使用的地感线圈式车辆检测技术和视频车辆检测技术郜存在定的缺陷，前者 安装使用不便，后者检测准确率低。针对这一问题，论文开展了新型视频车辆检测器的 技术研究，丌发和设计一利，安装使刖方便、检测精度高的车辆检测设备。 论文首先提h 了以路i f ：i 标线为参考特征，应j j 商帧率行视频采集技术及标线特征检 测技术进行车辆枪测的方法框架。 然后，以行问转移式面阵c c d 图像传感器为基础，用a v r 咀片机结合g a l 器件 设计了专门的驱动电路，并应用单片机程序控制实现了c c d 面阵采集驱动模式，及新 颖的c c d 译线图像商帧率视频采集驱动模式。使得普通c c d 既叮以进行通用视频采集， 又可以切换进行高速行采集，同时保证了安装调试方便义满足午辆榆测需要。 最后，论文设计了基于路面标记的检测力法，采用j i ，均值法和棚关度法，实现了单 线视频的车辆检测，结合相应的单线商帧率视频采集装胃町以大大提高视频检测的实时 性和准确性。较之传统的视频检测器，改进的视频检测器在仪输出线阵图像时，大大降 低了数据传输量，提高了图像采集速度。模拟实验证明，本文设计的视频检测器，具有 理想的检测效果。 关键词：行间转移c c d ；路面标记；车辆检测；相关度分析 i f l 人学顶十学化论文 r e s e a r c ho fl i n ei m a g ec a p t u r ev e h i c l ed e t e c t o r b a se do nr o a dm a r k i n g m a j o r ：t r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n ga n dc o n t r o l n a m e ：r e nc h a o s u p e r v i s o r ：z h a n gh u i a b s tr a c t r e c e n t l y , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti n t h ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r y , t h e d e m a n d so fv e h i c l ed e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ta r ek e e p i n gg r o w i n g t l o w e v e r ，t h e r e a r es t i l ls e v e r a lf l a w si nt h ec u r r e n tl o o p sa n di m a g ea u t o d e t e c t i o nt e c h n o l o g y t h ef o r m e r h a di n c o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o na n dt h el a t t e rh a dl o wa c c u r a c y i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ， t h i sp a p e rs t a r t st h er e s e a r c hf r o mt h en e wv i d e oa u t o - d e t e c t o rs oa st od e s i g na n di m p r o v e v e h i c l ed e t e c t i o ne q u i p m e n tw i t hc o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o na n dh i g hp r e c i s i o n a tf i r s tt h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yf r a m e w o r ki nw h i c hi tu s e st h eh i g h f r a m er a t e ，l i n ev i d e oc a p t u r et e c h n o l o g ya n dr o a dm a r k i n gf e a t u r ed e t e c t i o n t h e n ，b a s e do nt h ei n t e r l i n et r a n s f e rc c di m a g es e n s o r ，t h i sp a p e ra t t e m p t st ou s et h e a v rm i c r o c o n t r o l l e rc o m b i n e dw i t hg a ld e v i c et of o r mn e ws p e c i f i cd e t e c t i o ne q u i p m e n t m e a n w h i l e ，i ta p p l i e sp r o c e s st oa c h i e v ea na d v a n c e dd e v i c et h a tc o m b i n ec c dp a n e la r r a y a c q u i s i t i o nm o d e la n dh i g h f r a m ec c d l i n ei m a g ec a p t u r em o d e l t h i si sh e l p f u lt om a k e n o r m a lc c dt os w i t c hb e t w e e nc a p t u r i n gu n i v e r s a lv i d e oa n dh i g h s p e e di n t e r l i n ea c q u i s i t i o n a n dm a k et h ei n s t a l l a t i o nc o n v e n i e n ta n dm e e tt h en e e d so fv e h i c l ed e t e c t i o n f i n a l l y , t h ep a p e rd e s i g n sad e t e c t i o nm e t h o db a s e do ns u r f a c em a r k i n gw i t ht h ea v e r a g e a n dc o r r e l a t i o nm e t h o d st oa c h i e v et h es i n g l el i n ev i d e ov e h i c l ed e t e c t i o n i tc o m b i n e dw i t h t h ec o r r e s p o n d i n gs i n g l eh i g hf r a m er a t ev i d e oc a p t u r ed e v i c ew h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v et h e s p e e da n da c c u r a c yo ft h ev i d e od e t e c t i o n c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lv i d e od e t e c t o r , t h e i m p r o v e dd e v i c ec a nr e d u c et h ea m o u n to fd a t at r a n s m i s s i o na n dt i m ef o rt h ei m a g e a c q u i s i t i o nw h e no u t p u t t i n gl i n e a r r a yi m a g e s i n t h ee n d ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s d e m o n s t r a t et h a tt h ed e s i g no ft h ev i d e od e t e c t o ri nt h i sp a p e rc a nc o m eo u tw i t ha n a m e l i o r a t e dd e t e c t i o nr e s u l t k e yw o r d s ：i n t e r l i n ec c d ；r o a dm a r k i n g ；v e h i c l ed e t e c t i o n ；c o r r e l a t i o nm e t h o d 论文原创性声明内容 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立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， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：觎褪 日期：( 尸年月易同 学位论文使用授权声明 本人完全了解中i i i 大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 方法保存学位论文。 一、1 7 学位论文作者签名：仫起导师签名：膨抖 日期：血( o 年多月z ，日日期：幻肜年f 月砂日 中1 1 1 人学硕十学何论文 第一章绪论 1 1 引言 随着我斟经济的快速发展，各地区之1 1 j 的交流| 1 益频繁，机动4 i 辆的保有量迅速攀 升。与此同时，相应的交通基础设施、交通法规普及教育和智能化交通管理系统的建设 相对滞后，导致人车路的矛盾h 益突出，交通拥挤、交通事故增多、环境同益恶化，这 些已经成为制约我国城市发展的严重问题。要想解决这螳i 、u j 题，就要做好对现有道路的 管理以及时未来修建道路的舰划，其中车流量等交通信息的获得是交通管理和交通规划 的重要皋础。 在智能交通建设初期，车流母、车速这些交通信息的获得往往靠人工统计，不仅花 费很大的人力物力，而f l l 统计结果也不够精确。随着信息技术、传感器技术的飞速发展、 微处理器应用的h 益广泛，再结合传统的信号枪测技术，i 辆的自动检测和信息的自行 处理已经不再足一个难题。通过全面的、丰富的、实时的交通信息可以把握、预测交通 道路的基本状况，动态地进行交通诱导，并且为交通管理和交通规划部门的i f 确决策提 供科学依据。 凶此，车辆检测技术无论对城市的交通管理、交通规划、路网建设，还是对i t s 功 能的实现都非常重要，是道路科学管理和交通发展规划的最晕要的基础和自 提，是i t s 中至关重要一个环节。对交通信息采集技术及应用进行研究对于智能交通系统的实现是 非常必要的，对于加快我国智能交通的发展，缓解交通堵塞、减少交通事故等是具有非 常重要的现实意义的。 1 2 国内外研究现状 车辆检测器的分类有很多种，日自订具有代表阽的是按检测器的：i ：作方式及j 作时的 电磁波波长范围，将检测器划分为三大类：磁频车辆枪测器、波频车辆检测器和视频车 辆检测器瞳。 1 2 1 磁频车辆检测器 在磁频车辆检测器中，应用最为广泛的是环形感应线圈车辆检测器，它也是交通领 域中应用的最多的车辆检测器。 感应线圈车检器t 要基于电磁感应原理，整个车检器毛要由传感器( 环形线圈) 、 微控制器、输入输 h 等三部分组成_ 1 。其中感应线圈埋设在路面+ 卜，并且通有一定的电 * j 璐自杯【l 寸“果矩札额1 ：辆柠d 器岍究 流。“二辆经过环形线陶时，1 潮r 1 身盒属材质切割磁搏线，- j 】起线吲i n 感艟的变化。 榆删器通过检测改i u 感 就t 以榆洲乍辆的存d ，榆测这个】u 感变化醅搬来说仃两 种方式：种是利川川位锁存器用l 柏亿比较器，埘州何的变化进行检测：另一种方式1 _ l l j 足利川环形地坤线蚓构成蹄的耦合屯蹄对其振荡糊年进行检测。此类疗法检测精 确，没备稳定，技术成热，ll 在恶劣火7 l 条件f 仍具备山也的队能。此外廉价的成本 也是其在i i j = 界范| ：| g 内椰以广泛应h f f j 原冈之一。 医习 1一 口口 悟l1 一l 线蚓下检 ：j 不意吲 似是，环彤媾j 世线睢| 也存在衅难以解决的问题。l - t 女l l 安城和维护成奉高，需要中 断部分1 ：道的交通流，这曲：1 流量人的路段施工极易造成# “堵；安装时需耍训割路面， 会严重影】叫路i f 的寿命1 ；时线圈坤设神路f 。，被汽乍( j c 其址重型车) l i 、厉容易损 坏。此，越柬越多j e 他类诅f 阿1 ：榆器被应川到实际的通路j ：。 l22 皱频车辆检测器 ：目达柃测器刺激光榆删排足波频榆测_ ： - l - i 世州f 阿培多的两种。 省选榆洲器，也叫微波榆洲器( r t m s ) ，娃一种工作托微波波段对辆发射电磁波 以产生搏心的榆删嚣。j l i 达1 辆榆测器璀j ：多酱勒教心( d o p p c rl ! ir e c o 原理，通过雷 达发射定叫1 心频半f 一连续频牢调制微波( i i m c w ) 往榆删蹄札j ：，投映卅个一定人小 的微波带。缚”纠辆通过这个微波投映m 时，会反射一个微波俯呼，雷达根据接收反 射的微波信，卯接收频率和时m 的变化参数咀得f 1 1 1 辆的速度和长度6 。 二 迅赫s t a u o n o r g 一丝，) 、j 二、 一 l h一z ” 一l ： 厂l 屺st t k c o ? j j 。乙 、“工一 1 = j ? _ 嚣 o c 芎 - i - i) ： 上l rl 。l 础 ! t 一 t _ _ _ - 一 z t = 。l 2 j l 一 一 l _ 二1 。 图3 - 1 9 , 舱x 6 8 5 应用 一3 0 瞧 巾山人学硕l ：学化论文 图3 一1 9 为m a x 6 8 5 的典璎应用框架图，其中p o k 为输出j 卜常标志位，j f 常输出时为 高电平；s h d n 为卜电开关，接高电平时上电；s y n c 为同步位，可以接2 0 0 k h z - - 4 8 0 k h z 的外部时钟，或者接高咆平或者接地选择内部时钟。 s e q 为电i f 输l t l l l 颐l 弘选择位，接高电i 卜先输h 正电压后输 i j 负电压，接地先输出负 电压，因此本文电路s e q 接高电平。 m a x 6 8 5 输出的j t j 负电眶值是由电阻r 1 、r 2 、r 3 、r 4 决定的，具体参数选择参照公 式( 3 1 ) 。 d ，r 2 l z o w + 一1 2 4 尺1 = 丝l 一 1 2 4 pr4izo加13尺：竺1 1 2 4 其中k 小、k 舭为输出的止负电压值。 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 整个系统采用+ 5 v 供电，系统上电后，m a x 6 8 5 先输l l + 1 5 v ，后输出一9 v ，可采用微 控制器( 本文中的a v r 单片机) 延时一定时间后，给c c d 系统提供+ 5 v 电源，从而实现 + 1 5 v 、- 9 v 、+ 5 v 的供电顺序。 经过测试，电源系统工作稳定，外h 爿器件少，易于集成。 3 4 小结 实际电路搭建好之后，用示波器观察c c d 的输出，结果如图3 2 0 所示。两帧之间 的时间i 白j 隔大约为4 毫秒，实现的帧率约为2 5 0 帧秒。 蚺r 镕m 啉“ ，采集桃频下辆椅女4 # 研究 目3 - 2 0 相邻所帧2 间的波形图 圈3 - 2 l 单帧图像的信号波形幽 h 1 ! ! 彳喜l ! 分遮批的单o f 吲婶 幽3 2 3 完全避挡时的单帧幽像 牲帧输m 有两行的信号电荷前一彳信号的作用足清除剩余的积累l n 荷，后一行信 号才是1 1 标行像索。山例32 2 、图3 2 3 可以看扎搭建的线阱输 | i _ f ! 蹄能够1 1 ：常工作。 第四章检测算法设计 山于奉人能山有限，线阵检测f i | f 分信号采集f u 蹄尚木完成故奉文枉榆测钾法部分 采用存面阵l 刳像巾检测单线像豢的方法术模拟线阿c c d 榆测。 41 基本原理 以广州市天河i ) ( 稚介柑某天桥处采焦的视频为例( 直图41 所小) ，视频巾的道蹄 为单阳j 车道，有明“的黄色路l l 标记，图像t 幕色的为榆测线，检测翼线处的灰度罔 如罔所示当尤车辆经过检测线时，扶度圈成类似矩形波特性。 刚4 一l ：1 经过时的扶膻刳 当柏1 ：经过时( 如图42 ) ，j 二经过的攥线所d 何w 的钗度位将j “牛叫娃的变化，破 坏了无车时的扶度值征。 “f 路杯“的 t 粜壤w 颠乍辆椅4 # 究 蚓4 - 2 宵下经过日十的扶应嘲彳一b | _ f 跚哥v 、一n ， | 刳4 _ 埘1 经过时的扶度仳立化蚓 中i lj 人学硕十学佗论文 4 2 算法流程 算法流程如图4 - 4 所示，当尤车辆经过时，提取车道的灰度值作为彳了景数据；逐帧 将检测剑的图像与背景图像从度值进行比较，判断足否有算；辆剑达；当有车辆经过时， 背景像素变化，判断车辆足否离，f ：。 背检判 景 卜 测 八 断 更 来 离 新车开 图4 4 检测流科 为完成上述流程，本论文主要采用了平均值法和相关度分析法。 4 2 1 平均值法 平均值法的基本原理是将连续几帧图像的| 川一像素点的灰度值保存起来，然后将同 一像素点的灰度值求和后墩平均，得到的平均值被认为是该像素点的背景值。 实现检测流程叶1 的彳宁景更新，本文采用的是加杈平均的算法，也就是采取当前背景 和当前帧的加权平均来更新背景。由于当前检测帧巾也可能包含前景目标，所以在更新 前先要把检测到的像素分为前景和背景，然后仪用当前帧的背景像素修j f 当前背景的对 应像素。 在平均值法中，背景模型参数的更新，表示如下： 劈，+ l = ( 1 一p ) xb ，+ p f ( 4 一1 ) 其中，曰i 为第i 帧背景，只为当前帧的背景，p 为更新率。 由于光线的明暗变化引起的路标