（机械电子工程专业论文）交通信号机中车辆视频检测传感器的研制.pdf

- 专。 l ：7 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明y 飞7 3 7 8 7 4 、吣删删 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者虢够磨导 砌年多月移日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 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，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 回即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名确逡导导师签，占年多月矽 丫鬈 7 交通信号机中车辆视频检测传感器的研制 摘要 目前南宁市的交通信号控制机运行方案是固定的，使用的路口车辆状 态检测装置主要是感应线圈，可靠性差，故障率高，维护不便。对此，论 文提出了交通信号机中车辆视频检测传感器的研制方案。 本文是在实验室已开发的以d s p 为控制核心的交通信号机基础上，设 计了视频传感器检测系统。首先设计了同步信号分离电路从复合视频信号 中分离出同步信号，然后通过d s p 的g p i o 口检测同步信号，检测到同步信 皇 ￥ 、r 1 码 o 的上升沿即触发d s p 的a d 采样模块采集图像信号，最后在d s p 中对采 的数据进行处理。处理方法采用了基于背景减法和帧差法相结合的运动 目标检测方法，用于检测路口当前是否有车辆经过，最后将检测结果通过 d s p 的引脚以高低电平的方式向路口信号机输出，高电平和低电平代表了路 口当前是否有车辆经过两种状态。 论文的视频传感器检测系统的设计目的是用于实现交通路口车辆状态 的实时检测和反馈功能，使信号机可以根据反馈信息优化、调整路口红绿 灯运行方案，达到提高交通效率的目的。论文设计制作了部分硬件，编写 了相关软件资源，并进行了系统的集成和实验。 研制过程中，硬件方面：完成了复合视频信号的同步信号分离电路设 计和制作，完成了视频信号和同步信号分离电路与控制板的连接设计及集 成。软件方面：在下位机d s p 使用c c s 2 0 0 0 开发软件编写了同步信号的g p i o 口检测程序、图像信号的a d 采样程序以及视频图像运动目标检测程序， 对各程序模块进行了集成，并进行实验调试；在上位机开发了一个基于 g o o g l em a p s 的简易的信号机状态在线监控软件，实现了信号机地理位置 l 毫 v 、 叼 k 、7 勺 0 r e s e a r c ho fv eh i c l ev l d e od e t e c t i o ns e n s o ri n t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r a b s tr a c t a tp r e s e n t ，t h er u n n i n gp r o g r a m so f n a n n i n gc i t y st r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r a r ec o n s t a n t ，a n dt h em a i nd e t e c t o ro fv e h i c l es t a t u si si n d u c t i o nc o i l ，w h i c hh a s p o o rr e l i a b i l i t y , h i g hf a i l u r er a t ea n d i n c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e t h es y s t e mh a s n o tf e db a c ko rr e c o r d e dt h er o a dv e h i c l e ss t a t ei n f o r m a t i o ne f f e c t i v e l y f o rt h i s ， t h ep a p e ra d v a n c e dad e v e l o p m e n tp r o g r a mo fv e h i c l ev i d e od e t e c t i o ns e n s o rf o r t r a f f i cs i g n a l e r b a s e do nt h el a b o r a t o r y st r a f f i cs i g n a l e rw h i c ha sac o n t r o lc o r ew i l ；hd s p , t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dav i d e os e n s o rd e t e c t i o ns y s t e m s y n cs i g n a ls e p a r a t i o n c i r c u i tw a sd e s i g n e df o rs e p a r a t i n gt h es y n cs i g n a lf r o mc o m p o s i t ev i d e os i g n a l f i r s t ，t e s tt h es y n cs i g n a lb yt h ed s p g p i op i n sf o rt h en e x t ，u s et h er i s i n ge d g e o f s y n cs i g n a lt ot r i g g e rt h ed s p sa ds a m p l em o d u l et os a m p l ei m a g es i g n a l f i n a l l y , p r o c e s s i n gt h ec o l l e c t e dd a t ai nt h ed s et r e a t m e n tm e t h o du s e dt h e m o v i n gt a r g e td e t e c t i o nm e t h o dw h i c hb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fb a c k g r o u n d s u b t r a c t i o na n df r a m ed i f f e r e n c e t h et r e a t m e n tm e t h o dw a su s e dt od e t e c t w h e t h e rt h ev e h i c l ea r ec r o s s i n gt h ec u r r e n ti nc u r r e n t f i n a l l y , t h ed s pe x p o r t t h et e s tr e s u l t st ot h ei n t e r s e c t i o ns i g n a l e rb yh i g h l o wv o l t a g ea p p r o a c ht h r o u g h t h ep i n s ，a n dt h eh i g h l o wv o l t a g ee x p r e s s e dw h e t h e rt h e r ea r ev e h i c l e st h r o u g h t h ei n t e r s e c t i o nc u r r e n t l y t h ep u r p o s eo ft h ev i d e os e n s o rd e t e c t i o n s y s t e mi s t oa c h i e v et h e f u n c t i o no fd e t e c t i o na n df e e d b a c kt h es t a t eo fv e h i c l er e a l t i m e ，e n a b l et h e s i g n a l e rt oo p t i m i z a t i o na n da d ju s tt h ep r o g r a mo ft r a f f i cl i g h ta c c o r d i n gt o 1 1 1 f e e d b a c k ，a n da i m st oi m p r o v et r a n s p o r te f f i c i e n c y i np a p e r , s o m eo ft h e h a r d w a r ew a sd e s i g n e d ，r e l a t e ds o f t w a r er e s o u r c e sw a sp r e p a r e d ，a n dt h e s y s t e mi n t e g r a t i o na n dt e s tw a sc a r r i e do u t i nt h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n t ，i nt e r m so fh a r d w a r e ，t h i sp a p e rh a s c o m p l e t e dt h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no fs y n cs i g n a ls e p a r a t i o nc i r c u i t f o r c o m p o s i t ev i d e os i g n a l a n dt h ec o n n e c t i o nd e s i g na n di n t e g r a t i o nf o rc o m p o s i t ev i d e os i g n a l ，s y n cs i g n a ls e p a r a t i o nc i r c u i ta n dc o n t r o lp a n e lw a sc o m p l e t e dt o o i nt e r m so fs o f t w a r e ，p r o g r a m m e dt h eg o i op o r tt e s t i n gp r o g r a m o f s y n cs i g n a l ，a ds a m p l i n gp r o c e d u r e so f v i d e os i g n a la n dv i d e oi m a g em o v i n g t a r g e td e t e c t i o np r o g r a mb yu s i n gt h ec c s 2 0 0 0d e v e l o p m e n ts o f t w a r ea tt h e d s p , a n di n t e g r a t e da n dd e b u g g e de v e r yp r o g r a mm o d u l en e x t i nt h ep c ， d e v e l o p e das i m p l es o f t w a r et om o n i t o rt h es i g n a l s s t a t eo n l i n eb a s e do n g o o g l em a p s ，r e a l i z e dt h ef u n c t i o n so fd i s p l a ys i g n a l s l o c a t i o no nt h em a p ， m o n i t o ra n d q u e r yt h er u n n i n gp r o g r a m so n l i n e w em a d ev i d e oi m a g e sm o v i n go b j e c t sd e t e c t i o ne x p e r i m e n tb yt h ei n t e g r a t e ds y s t e ma tl a s t e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a ts y s t e mr e a l i z e st h es e p a r a t i o no f s y n c hs i g n a l ，v i d e oi m a g es i g n a ls a m p l i n ga n dt h em o v i n g t a r g e td e t e c t i o n e x p e r i m e n t sv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h es y s t e m 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 n ； m o v i n gt a r g e td e t e c t i o n ；d s p ； i m a g ep r o c e s s i n g ；g o o g l em a p s i v k ， ， 目录 p 第一章绪论l 1 1 选题的背景和意义l 1 2 国内外交通信号控制机的研究应用现状2 1 3 智能交通中的检测技术4 1 4 课题研究内容6 1 5 本章小结7 第二章基于背景减法和帧差法相结合的目标检测方法8 2 1 复合视频信号的基本概念8 2 1 1 电耦合器件( c c d ) 成像原理j 8 2 1 2 视频图像信号的产生9 2 2 图像处理技术的发展趋势1 0 2 3 基于视频的运动目标检测方法1 0 2 4 运动目标检测方法的选择：1 2 y 2 4 1 背景减法1 2 2 4 2 帧差法1 3 2 4 3 基于背景减法和帧差法相结合的运动目标检测方法1 4 2 5 视频图像的a d 采样方案设计：1 5 2 6 本章小结1 6 第三章车辆视频检测传感器的硬件设计与集成1 7 3 1 系统总体分析1 7 3 1 1 硬件总体结构1 7 3 2 交通监控摄像机1 8 3 2 1 c c d 摄像机的选择1 8 3 2 2c c d 摄像机的参数2 0 c3 3 视频图像信号和同步信号的采集方式2 0 、 3 3 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 微处理器2 0 3 3 2a d 采样模块2 l 3 3 3t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 通用i o ：2 3 v 3 4 同步信号分离2 4 3 4 1l m l 8 8 1 视频专用芯片：2 4 3 4 2同步信号分离电路设计2 5 3 5 传感器检测模块工作原理2 7 3 6 系统工作原理2 8 3 7 本章小结2 8 第四章视频检测传感器系统的软件设计2 9 4 1d s p 程序开发环境2 9 4 2d s p 总体程序设计2 9 4 3 通用i o 口程序设计2 9 4 4a d 采样与数据处理程序设计3 0 4 5 本章小结3 2 第五章基于g o o g l em a p 的信号机状态监控系统设计3 3 5 1 搭建g o o g l em a p sa p i 开发环境3 4 5 2g o o g l em a p s 功能实现3 6 5 2 1 加载g o o g l em a p sa p i 密钥和地图3 6 5 2 2 坐标查询和地图标识3 7 5 2 3 事件侦听和信息浮窗3 8 5 3 对象模型3 9 5 3 1 面向对象的j a v a s c r i p t ：3 9 5 3 2 客户端对象层次和浏览器对象模型3 9 5 3 3 事件驱动和事件处理4 0 5 3 4g o o g l em a p s 与数据库4 1 5 4 本章小结4 2 一第六章视频检测系统的调试：4 3 v l 3 5 0 o l 4 4 5 5 5 一 一结析 一 一 一总分 一 一 一与据结一果析数总 一 结分验验验验验实实 实实实 2 l 2 3 3 3 6 6 6 6 6 ， ， ， i v i i 交通信号机中车辆视频检测传感器的研制 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 随着现代城市交通运输的发展，交通阻塞、道路拥挤问题和交通事故频发越来越 困扰世界各大城市2 】【3 】【4 1 ，城市交通问题越来越突出，便捷的交通在人们生活中的地位 变得越来越重要。对此，除了不断改建、扩建必要的道路网以外，针对交通事故多发道 路，需要建设一系列的如信号机、道路警示标识、交通指挥中心等交通安全设施，以改 善道路的交通环境、提高交通顺畅性，达到缓解城市交通压力【5 l 【6 】的目的。目前，各种 交通控制设施不断投入使用，并已取得了一定的成果，实践表明，一款功能完善的交通 信号控制机系统可以最大限度地保证道路畅通、提高道路的使用效率，是解决城市交通 问题的有效措施之一【7 】i 引。 信号机被视为智能交通控制系统的核心技术1 9 l 【1 0 1 之一。南宁于1 9 9 7 年引进西班牙 i t a c a 智能交通系统，并建成了部分道路智能交通管理系统【l i 】1 1 2 1 。但是经多年使用，该 系统己表现出明显不足：其一，信号机系统对交通路口信息不能进行有效地检测，也不 能反馈和记录信息；其二，系统信息资源不能共享，不能将现有的其他信息资源与该系 统相整合；其三，与其他厂商生产的交通信号控制机不兼容( 该系统供应商提供的信号 机价格高) ；其四，信号机的连接采用有线连接，容易受到道路施工和线缆铺设进程影 响，造成使用不便。因此，必须要对升级改造或更新换代现有的交通信号控制机，提高 系统性能以提高南宁市的道路交通效率【1 4 】【1 5 】。 本文是在现有已开发的基于d s p 的交通信号控制机的基础上集成了新的功能，通过 对现有交通信号机的升级改造，使信号机获得反馈和记录道路信息的能力，便于交通部 门根据城区交通信息制定路口控制机运行方案，提高路口的通行效率。改造后的信号机 使用d s p 为控制核心，并采用了交通路口视频传感器检测装置，该装置安装方便，成本 较低，传感器可以实时将道路车辆状态信息反馈到路口信号控制机，控制机进行接收并 通过g p r s 发送到交通监控中心。同时使用j a v a s c r i p t 设计了一个简单的交通信号机监控 软件，具有g o o o g l em a p s 的交通地图实时显示和查询功能，使得在交通监控中心即可实 时查询南宁市各路口信号机的位置、运行状态等信息。设计的系统使得监控中心可以对 城区交通流量的区域和时间分布情况进行统计，从而做出更合理的路口控制机运行方 广西大学硕士学位论文 交通信号机中车辆视频检测传感器的研制 案，对缓解南宁市交通压力、减少交通事故和经济损失、提高南宁市交通效率具有重要 意义。 本课题来源广西科技开发项目( 桂科攻0 9 9 2 0 0 2 - 2 4 ) ，主要研究路口车辆状态的视 频检测系统及在交通信号控制机中的应用。 1 2 国内外交通信号控制机的研究应用现状 国外一些发达国家一直以来对交通控制机进行不断的研究，为此投入了大量的人 力、物力，目前已经取得了一系列成果。截止2 0 0 0 年，世界上已有4 8 0 多个大城市采用 了先进的现代智能交通信号控制系统，系统全部采用计算机联网控制，可以通过统计交 叉口的实时交通流量信息，并使用已经建立的交通模型和软件来计算确定交叉口红绿灯 方案【1 6 】【6 1 ，最终实现整个交通路网的方案优化。 1 日本i t s 的发展状况 日本的i t s 研究开始于2 0 世纪7 0 年代，8 0 年代中期至9 0 年代中期的1 0 年间，相继完成 了路车间通信系统、交通信息通信系统、宽区域旅行信息系统、超智能车辆系统、安全 车辆系统和新交通管理系统等方面的研究。1 9 9 5 年成立v l c s ( 道路交通信息通信系统) 中 心，1 9 9 6 年4 月正式启动v l c s ，日本的v i c s 是i t s 实用化的第一步，居于世界领先水平。 2 美国i t s 的发展状况 美国i t s 始于2 0 世纪6 0 年代末期的e r g s ( 电子路径导向系统) ，1 9 9 0 年美国运输部成 立智能化车辆道路系统( i v h s ) 组织，1 9 9 4 年i v h s 更名为i t s ，其实施战略是通过实现面 向2 1 世纪的“公路交通智能化”，从根本上解决和减轻事故、路面混杂、能源浪费等交 通中的各种问题。 3 欧洲i t s 的发展状况 1 9 8 8 年由欧洲1 0 多个国家投资5 0 多亿美元，联合执行一项旨在完善道路设施，提高 服务质量的d r i v e 计划，其含义是欧洲用于车辆安全的专用道路基础设施，现已经进入 第2 阶段的研究开发。 目前国外已经发展了几种较为成熟的城市智能交通控制系统模式，如澳大利亚 s c a t s 系统、加拿大r t o p 系统、美国r h o d e 系统、英国t r a n s y t 系统和s c o o t 系统等。 ( 1 ) t r a n s y t 叫r a f f i cn e t w o r ks t u d yt o o l s ( 简称t r a n s y t ) 交通网络研究方法。 它是离线优化软件系统，以停车次数、平均延误时间以及车流量排队长度最小等参数作 为为系统控制目标。 2 广西大掌硕士学位论文交通信号机中车辆视频检谀q 传感器的研制 ( 2 ) s c o o t 系统叫p l i tc y c l eo f f s e to p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ( 简称s c o o t ) 绿 信比、周期和相位差技术，是在t r a n s y t 系统的基础上采用自适应控制方式提出的动态 交通信号控制机。其不足之处是：需要大量交通流数据以及路网几何尺寸参数等来进行 建模，费时费力；而且红绿灯控制方案的绿信比的优化依赖于饱和度，且系统是以小步 长变化对方案进行调整，因此系统运行中有可能无法及时响应各个周期的交通需求。 ( 3 ) s c a t s s y d n e yc o r d i n a t e da d a p t i v et r a f f i cs y s t e m ( 简称s c a t s ) 悉尼协 调自适应交通理论。s c a t s 采用分层递阶控制结构，结构易于更改，控制方案容易变换， 体现了计算机网络技术的突出优点。其不足点是：系统因为使用交通模型，所以其本质 上是一个实时方案选择系统，这就无疑限制了配时参数的优化程度；另外，系统使用的 车辆检测器安装在停车线处，使得检测器难以检测车队的行进信息，优选相位差的可靠 性差；控制系统过于依赖计算机硬件，系统的移植性差。 国内对智能交通控制系统研究进行得晚些，国内学者对交通流特性、交通流量预测、 通行能力、交通流延误等进行了大量研究，取得了一定的成果。 目前国内所引进或研制的交通信号控制系统，基本上是国外2 0 世纪七、八十年代 的技术和研究成果，国内一些城市也引进了s c o o t 、t r a n s y t 和s c a t s 系统，取得了一 定的效果，但是这些系统的设计都是基于其本国的交通特点研发的，而我国实际情况决 定了需要对这些系统进行改进。 ， ( 1 ) 需要完善信号控制。现有的单点信号控制系统一般只能实现两相位控制，存在 一定的局限性。而实际中，如果根据交叉路口的情况，适当采用多相位控制、变相序控 制，可减少交叉路口的交通冲突，提高交通的安全性。 ( 2 ) 需要合理解决混合交通流问题。现有信号控制系统对自行车流大多是与机动车 同时开始，容易造成交通流冲突因此，需要设计一种信号系统能对各个相位包括对自 行车流单独进行控制。 ( 3 ) 实现区域网络协调控制。目前，虽然在我国的几个大城市，引进或研制了具有 区域控制功能的集中式计算机控制系统，但对于中小城市来说，建立这样庞大的系统一 方面代价高昂，另一方面实际利用效率不高。为了解决这一情况，在国内的中小城市应 大量推广小型区域网络协调控制信号系统。 ( 4 ) 国产化率低。目前国内采用的信号控制系统，国产化率整体较低，而进口费用 十分昂贵。因此，研制并设计出符合我国实际情况的交通信号控制系统，意义重大，效 益也将十分明显。 广西大学硕士学位论文 交通信号机中车辆视频检测传感器的研制 因此，我们需要研制一套适应我国国情、路情的具有高效城市交通路网信号控制算 法的智能交通信号控制系统。 当前国内也开发出了一些控制机系统，如西北工业大学空中交通管理研究所研发的 x a t m 系列智能交通信号控制系统、深圳英特利信息技术有限公司研发生产的a r g u s 交通 信号控制系统、杭州市美伦电声有限公司研发的m l t c 0 4 交通信号控制机、哈尔滨新中 新电子股份有限公司研发的2 0 0 0 1 智能交通信号控制机，以及青岛海信网络科技股份 有限公司研发的h s c 一1 0 0 型信号机等。 当前，机动车与非机动车在道路上混合行驶的混合交通状况在我国很多城市普遍存 在，导致城市交通中道路交叉口通行能力降低、车辆速度降低、交通秩序混乱、路网布 局不断恶化、行人交通安全无法保证等一系列不良后果。机动车与非机动车混行成为导 致交通拥堵的最直接原因，严重影响了车辆和道路功能的实现。总体来说，国内在实际 应用中城区路口信号灯普遍采用单点、多时段、定周期控制方式，不能根据流量变化自 动调整配时，存在遇红灯概率高、停车率高的问题，严重影响了车辆行驶速度和道路通 行效率。 因此，有必要开发一种红绿灯运行方案具有一定的自适应性的交通信号机控制系 统，而自适应性的一个重要的体现就是能够依据各路口的交通信息进行各路口运行方案 的调整。论文设计的视频传感器的目标就是通过采集路口的视频监控图像，实时检测路 口车辆状态信息，并将信息反馈给路口信号机，由路口信号机接收并发送给监控中心进 行记录，最后由监控中心根据各个路口的记录信息优化调整路口的运行方案，从而达到 提高路口交通效率的目的。 。 1 3 智能交通中的检测技术 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 ，简称i t s ) 集成了先进的通信技术、 信息技术、电子传感技术、计算机技术、控制技术等，并将它们运用于交通管理，具有 大范围、全方位、实时、准确、高效的特点。准确有效的道路交通信息能使道路交通监 控管理部门在此基础上做出正确的决策，从而保障道路系统的有效运行。目前，交通信 息数据的采集手段和工具不断发展【1 7 1 f 1 8 1 1 2 5 1 ，交通管理系统的信息化、数字化对基础数 据的采集系统提出了更高的要求。对于交通信息采集系统来说，其主要目的是获取道路 上的交通流运行信息【2 0 l ，其中包括车流量、车型、车速、占有率等。 目前交通领域中常用的车辆检测设备主要有以下几类。 4 广西大学硕士学位论文 变通信号机中车辆视频检测传感器的研制 1 环形线圈检测器 环形线圈检测器【2 1 1 工作原理：利用数字频率计数的原理，使振荡器与埋设在路面 下的环形线圈传感器匹配形成一定频率的周期信号，信号经整形处理为矩形波后即可 作为计数脉冲，只要在固定的时间窗口采样计数，便可间接得到探测振荡器的频率。若 车辆通过环形线圈上方时，车体金属底板会使感应线圈磁场发生变化，进而使探测振 荡器的频率也发生变化。若将无车辆通过时的频率记为厶，有车辆通过时的频率记为 f x ，则它们的差值= 六一厶对应的脉冲计数差值为。由于道路路面的变形、线圈的 老化和变形以及下雨引起的路面潮湿等因素使频率厶发生漂移，故每1 0 分钟需自动重 新确定一次丘，并取误差值为s ，分为8 个等级，当a 一占0 时，我们就可认为是有车 辆通过，否则认为是无车辆通过。 2 红外检测器 红外检测器【2 2 1 原理j 利用被检测物对红外线光束的遮挡或反射，通过同步回路选通 电路检钡| ；( 马标的有无。该检测方式的被测物体不局限于金属，所有能反射光线的物体均 可被检测。检测时，光电开关先将输入电流在发射器部分转换为光信号射出，接收器部 分再根据接收到的光线的有无或强弱对目标进行检测。 3 超声波检测器 超声波检测器【2 3 1 原理：使用安装在道路上方的超声波探头向下发射超声波，有车辆 通过时，安装在同一探头内的接收器所接收到的反射波的时间比没有车辆经过时短， 检测器以此时间差计算是否有车辆通过，并得出相关的数据。 。 4 微波检测器 微波检测器【2 4 1 原理：利用连续频率市制调制波( f m c w ) 同时实现对多车道交通的实 时检测。检测器首先发射一束微波，然后接收器接收物体( 目标) 反射波，微波的频率 为1 0 5 2 5 g h z 或2 4 2 0 h z ，带宽为4 5 m h z 。显然，发射和接收到的信号与目标的距离成 比例，检测器侦测这个差值并计算目标的距离。 5 视频检测器 视频检测1 2 5 】1 2 6 】【2 5 】是随着图像处理技术的发展而产生的。视频检测器主要通过安装 在道路上方的摄像机摄取道路图像，然后利用图像处理软件检测通过的车辆，进而得 出相关的交通量参数。 5 广西大学硕士学位论文交通信号机中车辆视频检测传感器的研制 上述车辆检测方式各有其适用的范围：环形线圈检测器是一种使用时间较长，使用 范围也较广的检测方式，它具有成本较低、检测精度较高、误检率较低、适应性较强、 可改变形状以适应不同检测需求的特点，但是它的安装和维修均须封闭车道部分路段， 并对路面进行破坏，且容易损坏；红外检测器和超声检测器的安装和维护较方便，但受 道路周围环境和气象的影响较大，检测精度较低，误检率较高：微波检测器受环境的影 响较小，但是它不能检测出静止的物体或者以较低的速度行驶的车辆，且设备成本较高。 论文设计的交通信号控制机系统采用了视频检测方式，该方式是目前发展较快的一 种检测方式，它的检测功能较强大，可以实现多车道同时检测，但是由于它是对道路上摄 取的图像进行处理，所以在天气状况不佳、能见度较低的情况下摄取到的道路图片不清 晰或者图片对比度很低时，对于车辆参数的检测精度较低。针对这种情况，目前也提出 多种解决方案，如对于夜间光照不佳的图片，可采用一种基于颜色和运动信息的夜间车 辆检测方法，该方法首先利用颜色信息在图像中检测出车辆尾灯，并对车辆尾灯进行连 续的跟踪，然后利用运动信息和先验知识对车辆尾灯进行匹配，最后统计出交通流量。 同时，我们也可以看到在交通领域视频技术的应用已经越来越广泛，利用视频处理 技术提取交通信息，并以此来提高交通效率具有广阔前景，因此，论文设计的信号机选 择了视频检测方式来检测路口的车辆状态信息。 1 4 课题研究内容 南宁市目前交通控制系统存在以下一些不足：应用的是单点、多时段、定周期控制 方式；所使用的感应线圈传感器可靠性差，故障率高，维护不便，不能有效检测路口车 辆状态信息；不能反馈和记录道路车辆状态信息，即不可能根据交通流量调整配时，存 在遇红灯概率高、停车率高的问题，严重影响了车辆行驶速度和道路通行效率。对此论 文提出了基于视频传感器的交通信号控制机方案，方案的特点是视频传感器能够实时检 测交通路口的车辆状态( 当前是否有车辆通过) ，并将检测结果反馈给路口信号机，由 信号机通过g p r s 发送到监控中心进行记录，监控中心就可以依据一定量的记录结果对 路口信号机的红绿灯运行方案进行优化调整，达到提高路口通行效率的目的。课题具体 工作有以下五点： 1 基于视频传感器的信号控制机系统方案整体结构设计； 2 视频同步信号分离电路设计和运动目标检测方法的分析选择； 3 视频图像信号采样方案和程序设计以及运动目标检测方法的程序设计： 6 广西大学硕士掌位论文 交通信号机中车辆视频检诩u 传感器的研镛u 4 基于g o o g l em a p s 设计一个浏览器界面，显示和查询路口信号机位置和状态信息； 5 信号机系统方案和程序的运动目标检测实验调试。 1 5 本章小结 介绍了选题的背景及意义，论述了国内外交通信号控制机系统研究应用现状及存在 的问题。比较分析了目前交通控制领域的检测技术和应用现状，提出了基于视频传感器 的交通信号控制机系统研制的主要任务。 各单元的基本结构如图2 一l ( a ) 所示，由金属、绝缘层、半导体构成，每个光敏单元对应 一个象素。v g 加正向偏压后在半导体内形成“电子势阱( 耗尽区) ”，势阱的深度由v g 的大小来控制。电子势阱可以用来存放电子，这些电子的注入方式既可用“光注入”( 光 敏单元采用光注入) ，也可以用“电注入 ( 转移电荷时采用电注入) 。 c c d 的工作原理如图2 1 ( b ) ( c ) 所示，光敏单元受到光线照射时，在光子的作用下， 半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱俘获。这种光生电子作为反映 光强的载体电荷包被收集，成为光电荷注入，这就是c c d 摄像器件的光电变换过程。 势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。 ( b ) ，o o o o o 。o o 。o - o _ _ - _ _ - _ _ _ _ 厂。1 信号书稽 l 。- 熏蕊蛰；蓬滴 ( c ) ( 驯 图2 - 1c c d 的m o s 单元及工作原理 f i g 2 - 1 t h em o sc e l lo fc c da n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l e 电子势阱的电荷包通过转移栅的作用并行地转移到读出移位寄存器( 电荷转移单 8 广西大学硕士学位论文 交通信号机中车辆视频检涠q 传感器的研靠 元) 中，读出移位寄存器在读出脉冲( 三相或四相脉冲) 的作用下顺序读出各光敏单元 的电荷包，从而获得各个像素的亮度值。 2 1 2 视频图像信号的产生 1 隔行扫描 要产生传输幅平面图像，首先由c c d 的光敏单元将连续的空间光学图像分解( 即 所谓的像素) ，然后将每个像素进行光电转换，将像素对应的电信号顺序传输出去，形 成视频信号。一般的传输顺序是从上到下，从左到右，这些由加在c c d 各电极上的时钟 脉冲控制完成的。电视系统中，要使传送的图像清晰，并具有活动、连续而无闪烁感， 则要求传送频率大于临界闪烁频率4 6 8 h z ，即每秒传送4 6 8 场以上图像。因此我国电 视制式规定，场扫描频率f 为5 0 h z ，每帧图像的扫描行数6 2 5 行。若采用逐行扫描，帧 频与场频相等。理论分析可以得出，电视图像信号【2 8 】1 2 9 1 的最高频率约为11 m h z 。如果采 用隔行扫描，可以将视频带宽压缩为逐行扫描的一半，大约5 5 m h z ，所以我国规定视频 信号带宽按照6 m h z 分析计算。 2 视频信号的组成 经过c c d 光电转换后，得到的图像信号是一个电压信号，电平的高低反映了景物的 亮度大小。复合视频信号包括了：同步脉冲、消隐脉冲、槽脉冲、均衡脉冲和图像信号 等。表2 1 列出了国家标准中视频信号的主要脉冲参数。 表2 一l 视频信号中的主要脉冲参数( 单位：, u s ) t a b2 一lt h em a i np u l s ep a r a z n e t e r si nt h ev i d e os i g n a l ( u n i t ：, a s ) 名 行行消隐脉行消隐前行消隐后 行同步 称周期h冲肩肩 参 6 4 m ( 1 2 o 3( 4 7 0 2 1 5 0 35 8 数值 s ) 6 4) 6 4 名场场消隐脉 槽脉冲均衡脉冲场同步 称周期t v冲 参 2 0 m 2 5 h + ( 1 2( 4 7 0 ( 2 3 5 0 2 5 h 2 0 m s 数值 s 0 3 )2 ) 3 21 ) 3 2 标准视频信号p a l 制式输出( 使用7 5 号电缆传输信号) 的是峰一峰值1 v 的模拟电 压信号，信号中图像部分电压一般在0 5 v 到0 7 v ，其他为同步信号，其中只有场同步 信号为负，约一3 0 0 m v 。 9 广西大学硕士学位论文 交通信号机中车辆视频检测传感器的研制 2 2 图像处理技术的发展趋势 随着信息技术的快速发展，现代图像处理技术在理论和应用上都取得了重大进展 【3 0 1 【3 l 】，并在测绘、矿山勘探、军事和公安等诸多领域发挥着重要作用。图像处理技术的 发展趋势主要表现在以下方面： 1 网络化 图像处理技术3 2 】【3 3 】和计算机技术密不可分，随着计算机技术的高速发展，图像处理 系统的更新换代也明显加快。在众多新技术中，图像处理网络化的影响无疑是巨大的。 知识的挖掘、图像的浏览、基于内容的查询、以网络为中心的系统结构等挑战性的新课 题不断涌现，网络化使图像处理技术提高到了一个新高度。 2 复杂化 图像处理的疑难问题很多且极其复杂，如文字识别技术、图像复原技术，特别是集 散焦、运动、高噪声、低清晰度于身的复合型模糊图像，其复原的难度使研究人员望 而却步。 3 高速化 作为计算机重要应用的图像处理技术，图像处理的速度受多方面条件的制约，其水 平也是针对特定环境、特定时期而言的。一般图像处理可分为硬件处理和软件处理，硬 件处理系统中含有软件处理或软件介入，纯软件处理属于事后处理，达不到视频实时处 理的速度。 2 3 基于视频的运动目标检测方法 近年来，智能视频监控技术【3 4 】的研究与应用备受关注。作为其基本处理部分，视频 监控图像的运动目标检测【3 5 】是一个非常活跃的研究方向，是计算机视觉领域的重要研 究内容，在智能监控、人机交互、自动导航、视频压缩、虚拟现实等方面有着广泛的应 用前景。 运动目标检测【3 7 】【3 8 】( m o v i n go b j e c td e t e c ti n g ) 是指在视频或图像序列中把感兴趣 的并且运动着的目标与背景或其他不感兴趣的运动目标进行区分。传统的图像分割 ( i m a g es e g m e n t a t i o n ) 与这部分工作相似，就是从静止图像中抽取感兴趣的目标，把图 像分为若干部分，每部分具有同质性( h o m o g e n i z t i o n ) 的过程。因此，图像分割是运动 目标检测的基础。针对视频监控运动目标研究，表2 - 2 介绍比较了目前主要的运动目标 1 0 广西大掌硕士学位论文交通信号机中车辆视频检测传感器的研制 检测方法。 表2 - 2 各种运动目标检测方法的比较 t a b2 2c o m p a r i s o no fv a r i o u sk i n d so fm o v i n gt a r g e td e t e c t i o nm e t h o d 类别适用背景适用目标经验需求度 鲁棒性计算复杂度准确度 面积不大、 背景减法静态较高较强 较低 较高 堕 速度稍快、 帧差法静态较高一般一般较低 堕 静态、 光流法单、多 较低 较弱 较高 较低 动态 主动轮廓线 动态 速度稍快、 较低一般较高一般 法多 统计法 动态单、多 较低较高 较低 般 高阶统计法 动态 单、多较低一般较高较低 小波法动态弱小一般较强一般一般 人工神经较 网络法 动态旋转、变形较高较高较低 弱 静态、 扩展的e m 法速度缓