（车辆工程专业论文）基于机器视觉的高速公路交通参量和事件检测方法的研究.pdf

摘要 随着我国机动车保有量和高速公路通车里程的增加，如何加强高速公路智能化管理与控制水 平来预防交通事故的发生和减小交通事故的损失已成为高速公路管理部门亟待解决的关键问题 之一，而实现高速公路智能化管理与控制的关键在于道路基本交通信息的采集。本文对基于机器 视觉的高速公路交通参量和交通事件的自动检测方法进行了系统的分析和研究。课题的研究内容 主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研究了采用图像平滑和图像锐化等图像增强手段来消除由于成像设备和拍摄环境等多 种因素形成的图像噪声的方法。研究了运动车辆图像特征提取算法，该方法在图像差分( 当前帧 和背景帧差分和相邻两帧差分) 的基础上，通过计算“图像差的统计值的均值”实现了运动车辆 的特征提取。试验结果表明，该算法能够较好地将运动车辆从背景图像中检测出来。 ( 2 ) 在分析运动车辆图像特征提取值的基础上，研究了车流量、车速、车头时距和车头间 距等基本交通参量的检测方法。在车流量统计中，提出了“运动关联除影法”以消除车辆阴影的 影响。在速度检测中，采用对同一车道上两个检测线圈内的车辆图像特征提取值进行匹配，以确 保是同一辆车先后经过检测线圈，并用“背景移植”的方法提高了匹配的精度。 ( 3 ) 在分析运动车辆图像特征提取值和检测参数的基础上，采用图像差分方法实现了车辆 停车和道路拥挤等交通事件的检测。研究了基于单个检测线罔的车辆超速检测方法。分析了车辆 在高速公路上应当保持的安全距离，并将实际检测的车头间距与计算得到的最小安全间距进行比 较来判断前后车的间距是否合适。 ( 4 ) 设计了高速公路交通参量和交通事件检测的硬件系统；以面向对象和模块化为指导思 想，采用v i s u a lc + + 软件开发平台，结合s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库管理系统和a d o 数据接口技术， 开发了高速公路交通参量和交通事件自动检测软件系统。试验表明该系统初步实现了视频检测 范围内的交通参量和交通事件的自动检测，并对检测的结果进行了分析。 关键词：机器视觉，高速公路，交通参量，交通事件 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 fv e h i c l ea m o u n ta n dt h es h a r pi n c r e m e n to fe x p r e s s w a yl e n g t h ，h o w t oe n h a n c ei n t e l l i g e n tc o n t r o la n dm a n a g e m e n to fe x p r e s s w a y ，w h i c hc a np r e v e n tt r a f f i ci n c i d e n t sf r o m h a p p e n i n ga n dd e c r e a s el o s s e so ft r a f f i ci n c i d e n t se f f e c t i v l e l y ，h a sa l r e a d yb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e m t h a te x p r e s s w a ym a n a g e m e n td e p a r t m e n t sn e e dt or e s o l v e t h ek e yt or e a l i z ei n t e l l i g e n tc o n t r o la n d m a n a g e m e n ti sb a s e do ne x p r e s s w a yi n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，s u c ha st r a f f i cp a r a m e t e r sa n dt r a f f i c i n c i d e n t s t h er e s e a r c hf i e l do ft h i sp a p e ri st os t u d ya n da n a l y z ea u t o m a t i cd e t e c t i o no ft i a f f i c p a r a m e t e r sa n dt r a f f i ci n c i d e n t sb yu s i n gc o m p u t e rv i s i o na n ds e t t i n gd e t e c t i o nl o o p so nv i d e oi m a g e t h em a i nr e s e a r c hw o r ki s f o l l o w s ： ( 1 ) n o i s eo fi m a g ec a u s e db yd e v i c ea n de n v i r o n m e n ti se l i m i n a t e db yu s i n gi m a g ee n h a n c e m e n t m e t h o d m o v i n gv e h i c l ef e a t u r ee x t r a c t i o na l g o r i t h mi ss t u d i e d ，w h i c hi sb a s e do nd i f f e r e n c em e t h o d b e t w e e nc u r r e n tf r a m ea n db a c k g r o u n df l ”d n l eo rb e t w e e nt w oc o n s e c u t i v ei m a g ef r a n l e s t h i sa l g o r i t h m c a l lr e a l i z ef e a t u r e se x t r a c t i o n o fm o v i n gv e h i c l e sb yc a l c u l a t i n gm o s v o p dw e a no fs t a t i s t i c a l v a l u e so fp i x e ld i f f e r e n c e ) w i t h i nl o o pa r e a s ，a n de x p e r i m e n ts h o w st h i sm e t h o di sf e a s i b l ea n dc a n e f f e c t i v e l ye x t r a c tm o v i n gv e h i c l e si n f o r m a t i o nf r o mt h eb a c k g r o u n d ( 2 ) t h ed e t e c t i o no ft r a f f i cp a r a m e t e r s ，s u c ha st r a f f i cf l o w ，v e h i c l et r a v e ls p e e d ，h e a d w a ya n d s p a c i n g , a r es t u d i e db ya n a l y z i n gm o s v o p d v e h i c l es h a d o wi se l i m i n a t e db yu s i n gt h em e t h o do f v s d t ( v e h i c l ea n ds h a d o wm o v i n gt o g e t h e r ) i nt r a f f i cf l o wd e t e c t i o na n dv e h i c l em a t c h i n gi s a d o p t e dt od e t e r m i n ew h e t h e rt h es a m ev e h i c l ei sp a s s i n gt h et w od e t e c t i o nl o o p si no n el a n ei nt r a v e l s p e e dd e t e c t i o n i fm o s v o p di sc a l c u l a t e db yu s i n gd i f f e r e n c em e t h o db e t w e e nc u r r e n tf r a m ea n d b a c k g r o u n df r a m e ，b t ( b a c k g r o u n dt r a n s p l a n t ) c a nb ea d o p t e d t oi m p r o v em a t c h i n gp r e c i s i o n ( 3 ) t h ed e t e c t i o no ft r a f f i ci n c i d e n t s ，s u c ha sv e h i c l ep a r k i n ga n dt r a f f i cc o n g e s t i o n ，a l es t u d i e db y c h o o s i n gp r o p e ri m a g ed i f f e r e n c em e t h o da n da n a l y z i n gm o s v o p d t h em e t h o do fv e h i c l e o v c r s p e e d i n g ，w h i c hi sb a s e do ns i n g l ed e t e c t i o nl o o p ，i ss t u d i e d s a f es p a c i n gb e t w e e nt w oc o n s e c u t i v e v e h i c l e si ss t u d i e da n ds p a c i n gb e t w e e nt w oc o n s e c u t i v ev e h i c l e si sc o m p a r e dw i t hs a f es p a c e i n gt o d e t e r m i n ew h e t h e rt h es p a c i n gi sa p p r o p r i a t e ( 4 ) h a r d w a r es y s t e mi sd e s i g n e dt om e e tt h ed e m a n do fd e t e c t i o ns y s t e m ；s o f t w a r es y s t e mi s a c c o m p l i s h e db yu s i n gv i s u a lc + + a sd e v e l o p i n gp l a t f o r m s q ls e r v e r2 0 0 0a sd a m b a s em a n a g e m e n t d a t a b a s es o f t w a r ea n da d oa sd a t a b a s ei n t e r f a c et e c h n o l o g y e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ed e t e c t i o n s y s t e mc a nr e a l i z ea u t o m a t i cd e t e c t i o no ft r a f f i cp a r a m e t e r sa n dt r a f f i ci n c i d e n t sw i t h i nv i d e os c e o ea n d d e t e c t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：c o m p u t e rv i s i o n ，e x p r e s s w a y ，t r a f f i cp a r a m e t e r s ，t r a f f i ci n c i d e n t s 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得中国农业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： 为予、一 时间：0 胂6 年易月，j - 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 扣。矗 时间：n 6 年石月咖 时间：知b 年月d 一日 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 高速公路的建设和发展刺激了世界经济持续、高速、稳定的增长，但随着机动车保有量的激 增，路一车矛盾日益突出，并由此产生了交通拥堵、交通事故频发、交通污染、能源短缺等一系 列问题，给社会造成巨大的经济损失。据美国得克萨斯州运输研究所最近发表的一项研究报告显 示【1 】，美国因交通堵塞，平均每年造成的经济损失高达6 3 1 亿美元，间接经济损失更是接近1 ，0 0 0 亿美元。其中，交通堵塞使美国人一年浪费的时间达3 7 亿小时，人均每年因交通高峰期浪费的时 间，自1 9 8 2 年以来已从1 6 小时增加n 4 7 d 时：平均每年因道路拥堵导致各种交通工具白白燃烧1 0 0 亿升燃油。针对日益严重的交通需求和有限的财政资源，通过修建更多的高速公路已经无法从根 本上缓解交通压力，因此如何利用高速公路现有的监控设备实现道路的智能监控，对于提高道路 的通行能力、降低或防止交通事故的发生、节约能源都具有一定的现实意义。 高速公路智能监控系统是一个复杂的信息采集、信息处理和信息发布系统，是保证高速公路 行车安全和道路畅通的重要手段。该系统通过对各种交通信息的采集、分析和处理，能全面制定 交通控制与诱导方案、预防常发性拥挤的发生、能迅速发现交通事件、对交通事件进行有效的排 除和救援等。由图1 1 可以看出，实现高速公路智能化管理与控制的关键在于道路基本交通信息的 采集，全面、准确的交通信息是实现智能化监控的基本保障，是提高交通安全性和效率的前提。 道路交通信息的采集作为先进的交通信息系统( a d v a n c e dt r a f f i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 和先进的交 通管理系统( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ) 的一个重要构成要素，担负着提供准确可靠 的信息以使整个系统顺利运行的责任。所以对交通信息采集方法的研究十分重要。 闭路电视系统 确认交通事件 监视交通状态 提供视频图像 视频检测系统 交通参量： 车流量 车速度 车辆长度 车头时距等 交通事件： 违章停车 超速 道路拥挤 车距过小等 l o l l 2 智能监控中心 统计交通数据 确定交通状态 检测交通事件 确认交通事件 生成救援方案 道路交通控制 发布交通信息 ! 士： 收费系统 9 信息发布系统 交通控制信息 交通状态信息 交通环境信息 其它信息采集 8 i 气象信息采集 _ 1 紧急电话信息 事故救援系统 6 5 鬣 图1 1 高速公路智能监控系统图 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 其中，1 交通参数和检测到的交通事件报警以及需要确认事件时的视频i 蛩像信息； 2 - 视频检测设置方案； 3 一进出收费站的车辆信息，包括车牌照、进出高速公路的时间和车辆类型信息等； 卜监控系统对收费系统控制参数的设置； 5 服务区的使用情况和车辆进入、离开服务区的时间，车型等； 6 事故救援进度和事故现场状态： 7 事故救援方案： 8 一各种检测器提供的信息和紧急电话、巡逻车报告等； 9 一发布道路交通状态信息、交通控制信息和环境信息( 如道路拥挤、发生交通事故、 封道施工、匝道控制、大雾笼罩路面等) ； 1 0 - - 按照不同需要控制云台转动的指令： 1 1 提供现场视频图像。 目前，在高速公路的三大机电设备系统中，监控系统设备的投资占机电设各的投资比例不断 增加，主要的监控设备由车道和收费亭摄像机、广场、隧道和路桥摄像机、硬盘录像机、视频切 换矩阵和终端显示设备等构成。目前的监控模式是以人工监控为主，由工作人员通过观察监控画 面来判断是否有交通事件发生，或者事件发生后，通过调用监控录像进行稽查，这种模式存在着 高投入与低产出的矛盾。本课题应用视频检测技术，针对高速公路开发出一套交通参量和交通事 件检测系统，该系统能够自动实现流量、车速、车头时距、车头间距等交通参量的检测，并能完 成视频范围内异常交通事件的检测与报警，以便及时通知高速公路管理部门，快速处理，将事故 损失降到最低。 1 2 国内外高速公路发展概述 道路( r o a d ) 是自古至今人类为从事各项活动而在陆地上开辟或建设的通道。我国行政法规 中华人民共和国道路交通安全管理条例对道路的定义是：“公路、城市街道和胡同( 里巷) 以及公共广场、公共停车场等供车辆、行人通行的地方”。从定义可以看出，道路包括了陆地上 所有可以通行机动车、非机动车、骑乘者和步行人的各种道路和场所。道路的出现，在历史长河 中应当与人类文明的出现相一致，并大致经历了如下四个发展阶段：供行人和牛马及其它兽类行 走、驮运货物的阶段，此期间的道路为小路( t r a i l ) ；供畜力车辆和行人通行的大道( c a r tw a y ) 阶段；专门供汽车行驶的公路( h i g h w a y ) 阶段：以高速度分层行驶的高速公路( e x p r e s sw a y ) 阶段口i 。 高速公路是相对于普通道路的用语，是指专供汽车高速行驶的公路。不同国家对高速公路的 定义有所不同。1 9 6 2 年1 1 月，在日内瓦召开的联合国欧洲经济委员会运输部会议，对高速公路作 出了这样的定义：“所谓高速公路 3 1 ，是利用分离的行车道往返行驶交通的道路。行车道用中央 分隔带分开，与其它任何铁路、公路不允许有平面交叉，禁止从路侧的任何地方直接进入公路， 禁止汽车以外的任何交通工具出入”。我国对高速公路的定义为“能适应年平均昼夜小客车交通 量为2 5 0 0 0 辆以上，专供汽车分道高速行驶并全部控制出入的公路”。 2 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 1 2 1 世界高速公路的发展 高速公路起源于2 0 世纪3 0 年代，德国纳粹为发动战争而修筑的快速路，德军为配合闪电战。 累计修建了3 9 0 0 公里多车道立体交叉的高速公路。二战之后，以美国为首的发达国家，在2 0 世纪 5 0 年代到7 0 年代先后兴起了修建高速公路的高潮。1 9 5 6 年，美国联邦政府颁布了联邦政府资助 公路法案，用g d p 的2 支持公路建设，到上世纪7 0 年代就完成州际高速公路路网建设，8 0 年 代开始重点转向对己建成公路路网的完善与改造，不再有大规模的建设任务。从1 9 8 1 年开始，美 国联邦政府对州际高速公路的资助转向4 r 项目( r e s t o r a t i o n ，r e s u r f a c i n g ，r e c o n s t r u c t i o n ， r e l o c a t i o n ) ，即重修、重新铺面、重建和重置。1 9 8 2 年，国会通过陆上运输资助法规定在州 际高速公路的资助金额中，用于4 r 项目的不少于4 0 【2 】。加拿大、日本、德国、法国、意大利、 墨西哥、英国、西班牙、荷兰等发达国家在上世纪9 0 年代也已经基本完成高速公路路网建设，近 年来这些国家高速公路里程基本上没有增加，主要致力于提高路网的管理和使用水平。据统计， 目前全世界有6 0 多个国家有高速公路，最长的高速公路为跨越美国东西北的从纽约到洛杉矶的州 际公路，全长4 ，5 5 6 公里。2 0 0 3 年世界高速公路总里程突破2 2 万公里，美国以8 8 ，2 3 2 公里位居世界 第一，中国高速公路通车里程达到2 9 ，7 4 5 公里，位居世界第二位，如图1 - 2 所示。 美国中国澳大利亚加拿大德国法国西班牙意大利日本 墨西哥英国 摘自段里仁教授2 0 0 3 年i e e e 上海国际智能交通大会主题演讲 图1 - 22 0 0 3 年我国高速公路通车里程与世界各国的比较 1 2 2 我国高速公路的发展 改革开放以来，我国经济的快速增长使高速公路的发展处于黄金时期。1 9 8 8 年，我国第一条 高速公路一沪嘉高速( 全长1 8 公里) 建成通车，到2 0 0 4 年年底，高速公路总长度达3 4 ，2 8 8 公里， 年平均增长率为4 0 7 ，如图1 3 所示。高速公路的发展，极大地刺激了沿线地区经济的发展，产 业经济颇具规模，g d p 快速增长，人民生活水平显著提高。这也极大地激发了各级政府和当地人 民建设高速公路的热情，短短十几年就形成了地区性高速公路路网，局部地区实现了区域联网收 费。例如氏江三角洲地区路网，将南京、上海、杭州、宁波、苏州、无锡、常州、镇江等重要经 3 曲0 咖咖瑚喜|枷湖|言 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 1 9 8 81 9 8 9 1 9 9 01 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 32 0 0 4 图l - 31 9 8 8 - - 2 0 0 4 年我国高速公路逐年变化图 济文化中心和港口连接起来，尤其是沪宁高速1 4 ，2 0 0 5 年完成了双向8 车道的拓宽工程，2 0 0 6 年1 月1 日全线通车，构建起长三角的黄金通道，经济作用非常明显，政治地位十分重要；珠江三角 洲路网，将广州、深圳、珠海、汕头、湛江、东莞等主要城市和港口连成一片，并且于2 0 0 5 年实 现了广东全省的高速公路联网收费改造工作；环渤海路网，高速公路已经将大连、营口、秦皇岛、 唐山、天津、北京、塘沽等重要城市和海港连接起来，2 0 0 5 年，连接京津两市之间的重要快速通 道京津塘高速公路二线工程【5 l ( 天津段) 正式开工，该高速起于北京朝阳区西直河附近的五 环路，终点至天津塘沽区北塘镇，全睦1 7 7 8 公里，北京段长3 3 8 公里，天津段长1 4 4 公里，其中 天津杨村至北京为双向8 车道，设计交通量为每天1 0 万辆，杨村至北塘为双向6 车道，设计交通量 为每天8 万辆，预计2 0 0 7 年年底完成主体工程，2 0 0 8 年奥运会之前将全线通车。到2 0 0 4 年年底， 我国已有1 6 个省市自治区的高速公路通车里程突破1 0 0 0 公里，由表1 1 可以看出，我国经济大省的 高速公路通车里程都位居全国前列1 6 j i i 。 表1 1 高速公路突破1 0 0 0 公里的省市 4 硎蕊 增 m j 均 埔i 互| 平 m 上 年 。h 里 一 一 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 2 0 0 5 年交通部规划了国家高速公路网p 】，路网采用放射线与纵横网格相结合布局方案，由7 条首都放射线、9 条南北纵线和1 8 条东西横线组成，简称为“7 9 1 8 ”网，总规模约8 5 万公里其 中主线6 8 万公里，地区环线、联络线等其它路线约1 7 万公里。路网的近期建设目标是：到“十 五”末，国家高速公路网建成3 5 万公里，占总里程的4 0 以上；到2 0 0 7 年底，高速公路网建成4 2 万公里，占总里程的近一半，全面建成“五纵七横”国道主干线系统；到2 0 1 0 年，高速公路网建 成5 5 5 万公里，占总里程的6 0 左右，其中东部地区约1 8 2 0 万公里，中部地区约1 6 1 7 万 公里，西部地区约1 6 1 8 万公里。为实现此目标，国家将对高速公路网建设投资约2 万亿元，其 中东部地区3 9 0 0 亿元、中部地区5 2 0 0 亿元、西部地区1 0 9 0 0 亿元。在2 0 2 0 年前国家高速公路网将 处于较快的建设阶段，预计2 0 1 0 年前，年均投资规模约1 4 0 0 亿元，2 0 1 0 2 0 2 0 年年均投资约1 0 0 0 亿元。 1 2 3 高速公路的发展带来的社会问题 高速公路的快速发展产生了巨大的经济和社会效益，但也产生了一些社会问题，如交通堵塞、 交通事故频发、交通污染和能源短缺等。特别是近年来我国机动车数量的持续快速增长，使得上 下班高峰期出入城区的高速公路拥挤、堵塞严重。 1 2 3 1 交通拥挤 所谓交通拥挤，是指交通需求( 单位时间内想要通过的车辆数) 超过道路的最大通行能力， 超出部分交通流滞留在道路上的交通现象。 造成高速公路拥挤的原因是多方面的，如车流量超过道路的最大通行能力、发生交通事故、 因道路维修而封闭车道、收费效率低下导致车辆在收费站车口排队等。图1 _ 4 是美国8 0 5 号州际高 速公路s a nd i e g o 段的交通堵塞，每边四车道，左边为应急车道专供警车和消防车在塞车时候 使用；图1 - 5 是2 0 0 3 年1 0 月广深高速因道路维修封闭车道造成的车辆堵塞。 图1 - 4 流量大造成道路阻塞图1 - 5 道路维修造成道路阻塞 5 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 1 2 3 2 交通事故 分析高速公路事故类型，大多数为追尾碰撞事故，这是由高速公路本身特点决定的【1 。高速 公路属全封闭、立体立交、具有中央隔离带，所以行车道上的车辆和对面车辆碰撞的事故很少， 但因其车速高，尤其在雨、雪天气路面溜滑或雾天视线不良等情况下很容易发生制动侧滑、甩尾 或行车视距不足而导致追尾碰撞事故，并且一旦发生事故，将是群死群伤等重特大事故。例如2 0 0 6 年1 月2 1 日，一辆重型半挂大货车，由北往南行驶至京珠高速公路乳源县东田路段时，追尾碰撞 前方9 辆大客车、3 辆小客车，造成5 人当场死亡，1 人送医院后死亡，1 人失踪，3 2 人受伤的特大 交通事故。图1 - 6 反映了从1 9 9 4 年到2 0 0 3 年，发生在高速公路上的交通事故和死亡人数，可见交通 事故数量和死亡人数呈现逐年上升趋势。据公安部门统计数据显示，发生在高速公路上的交通事 故数与道路交通事故总数的比例已由1 9 9 4 年的1 1 3 上升到2 0 0 3 年的5 4 3 ，高速公路交通事故死 亡人数与道路交通事故总死亡人数的比例己由1 9 9 4 年的0 8 1 上升到2 0 0 3 年的5 0 5 ，相比之下 2 0 0 3 年高速公路里程只占全国公路总里程的1 6 4 ，可见高速公路在带来巨大的经济效益的同时 也给人们的生命和财产安全构成巨大的威胁，如何降低高速公路的事故率和死亡率己成为交通管 理部门亟待解决的热点问题。 4 0 0 0 0 3 5 0 0 0 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 1 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 7 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 3 + 交通事故数+ 死亡人数 图1 61 9 9 4 - - - 2 0 0 5 年我国高速公路事故数和死亡人数逐年变化图 1 2 3 3 交通污染 汽车给我们的生活带来了的便利但也给人类的生存环境造成了破坏，表现最明显的就是尾 气污染和噪音污染。 据有关统计数据表明【”i ，汽车排放污染物已成为我国许多城市空气的主要污染源，约占大气 污染总量的6 0 。在汽车尾气中，含有多种有毒有害物质( 如一氧化碳、氨氧化物、碳氢化合物、 苯并芘、铅等) 会诱发各类癌症，严重损害人民健康，同时汽车污染物还能导致酸雨、光化学烟 雾等恶性环境事件。 汽车噪声是一种随机的非稳态噪声。据测定，汽车一般可制造, m , 8 0 - 9 0 分贝的噪声，汽车噪 声会对人的听力等生理功能造成不良影响，使人烦躁不安，长期生活在噪声污染严重的环境中会 影响人们的学习、工作和健康。 6 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 1 2 3 4 能源短缺 交通对能源的消耗庞大。据统计，各工业发达国家汽车运输的能源消耗占各种运输方式能耗 的7 0 8 0 占总能耗的1 5 2 0 ，占石油消耗量的4 0 7 0 。我国是能源生产大国，也 是能源消费大国。2 0 0 4 年，中国已经超过日本，成为全球第二大石油消费国，石油的对外依赖度 超过4 0 。2 0 0 5 年，受国际油价持续走高的影响，国家发改委曾多次提高汽油零售价格，珠三角 地区出现了大面积“缺油”现象，广州、东莞、佛山、中山、肇庆等城市相继出现了不同程度的 成品油供应紧张局面，如图1 7 所示。2 0 0 6 年4 月，受伊朗核问题的影响，国际原油价格曾一度突 破7 5 美元，桶。 图1 7 2 0 0 5 年8 月1 7 日东莞车辆排队加油 1 3 交通参量检测国内外发展现状 1 3 一常见的车辆检测器 用于自动采集交通流数据的车辆检测器是随着高速公路和城市建设而迅速发展起来的，国外 如美国、日本、英国等国家起步较早，我国大规模使用车辆检测器是最近十多年的事情。目前， 应用比较普遍的车辆检测器【1 3 】 1 4 l 【1 5 1 有环形线圈、超声波检测器、红外检测器、微波交通检测 器、车辆磁映像检测器、声学检测器和视频车辆检测器，各种检测器的优缺点见表1 - 2 。 表1 2 各种车辆检测器优缺点比较 7 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 ，摘自美国交通部委托体斯检测中心检测结果报告 在高速公路中应用最广泛的还是环形线圈，其检测原理如图1 8 所示。它是由专用电缆及其馈 线构成，通过一个变压器接到被恒流源支持的调谐电路，有源环形线圈构成l c 调谐回路的电感部 分，并在线圈周围的空间产生电磁场。当有车辆进入线圈磁场范围，车辆铁构件内产生闭合回路 的感应电涡流，此涡流又产生与原有磁场方向相反的新磁场导致线圈内的总电感变小，引起调 谐频率偏离原有数值，偏离的频率送到相位比较器，确定其偏离值，从而发出车辆存在或通过的 信号。信号可以以频率、模拟和数字三种形式输出其中频率信号用来测速，数字信号便于车辆 记数模拟量可以用来计算车长和识别车型。 频率 模拟 数字 图1 - 8 环形线圈的检测原理图 视频图像处理技术则是一种新技术，它是运用适当的图像处理技术i l6 j ( 图像恢复、图像增强、 图像分割、特征提取等) 对路面图像进行处理，从而检测出交通参量的一种方法。它与传统的环 形线圈相比较具有不需要破坏路面、检测范围大( 一个摄像头可以覆盖4 墙条车道) 、检测摄像 机可以同时用于道路监控、使用和布置灵活等特点，是目前国内外交通信息采集技术的研究热点， 具有广阔的应用前景【1 7 1 。 目前，在国际上经常使用的视频车辆检测器有i s s 公司的a u t o s c o p e ，t r a f i c o n 公司的c c a t s 和i t e r i s 公司的v a n t a g e 等产品【”】应用最广泛的还是i s s 公司的a u t o s c o p e 系统，该系统已在全世界 安装了两万多套，占全世界市场份额的4 5 。我国的山西大远高速、广州新国际机场高速、山东 环城高速隧道等都采用了该设备。该检测器是由美国明尼苏达大学运输研究中心的帕诺斯麦克 鲁波洛斯博士于1 9 8 4 年发明的，他用一台普通工业电视摄像机对多达6 8 个车道的交通流量进行 同时监视和检测，通过分析特定检测区域内得到的图像信号，可以得到以下的交通数据：车辆存 在、车辆通过、车速、车种、排队长度、流量、占有率、车间时距、拥挤程度、密度、交通录像 带的脱机分析。该检测器数据收集之齐全，能够实现目前各种环形线圈检测器的所有检测功能【l ”。 历经二十多年的改进和创新，1 s s 公司推出t a u t o s c o p es o l op r on c 视频检测系统，它完美地 将视频处理器集成在密封的m v p ( 视频处理模块) 中，使用更方便，灵活可靠，如图1 9 所示。 8 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 a u t o s c o p es o l op r on c 可咀同时接收多台路边摄像机传来的视频信号，利用鼠标和相关路面的图 像，用户可以通过显示器设置虚拟的“车辆检测器”。每当车辆通过虚拟的“车辆检测器”时， 就会产生一个检测信号，m v p 则分析检测器范围内的视频图像并产生所需的交通数据。系统提供 的“车辆检测器”有以下类型： 图1 9a u t o s c o p e , s o l op r on c 视频检测系统 计数检测器：给出车辆数和占有率； 速度检测器：给出车辆的速度、长度和用户定义的分类，必须和计数检测器结合使用： 存在检测器：给出车辆的存在状态，停止车辆或车辆的行驶方向错误： 功能检测器：通过逻辑算法把多个检测器结合并给出输出： 检测站：在单位时间内给出所含检测器提供的交通数据； 对比度检测器：检、坝d m v p 视频处理器的图像质量； 速度报警检测器：基于用户所定义的一个速度阈值给出一个报警输出。 该视频检测系统具有以下特点： m v p 可以同时处理多路信号，并提供r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、i u 4 5 等多种通信接口； 设备安装在地面进行，无须破坏路面，a u t o s c o p es o l op r on c 可以作为便携式检测系统； 一个摄像机可以覆盖多个车道，进行真正意义上的大范围检测； 输出的交通参数类型丰富，不但可以检测交通流，还可以检测交通事故； m v p 的检测速度快，检测精度高，很好的满足了实时性的要求： 每个检测器均有i p 地址，可用方便的实现所有检测系统的组网。 鉴于其强大功能，a u t o s c o p es o l op r on c 已经广泛的应用于城市交叉口、高速公路、隧道、 桥梁等诸多领域。 近几年，国内的厂家也加强了视频检测设备的研究，并推 出了一些产品，比较典型的有如下几种： 上海高德威智能交通系统有限公司自主研发的 g d w v d 2 0 0 2 型视频检测器是新一代视频交通数据检测设 图1 1 0 高德威视频检测产品 9 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 备，如图1 1 0 所示。它采用了最新的计算机视觉技术，能够采集交通分析所需要的各种参数，具 有触发准确、检测精度高、全天候工作等优点，适用于高速公路路段监控、城市交叉路口监控等 应用场景。该产品有如下特点： 功能齐全，能够提供交通分析所需要的各种参数以及检测多种交通事件，如交通流量、事件 存在报警、车型分类、时间占有率、空问占有率、车头时距、车头间距、车辆速度、车辆密 度、排队长度、违章变道： 采用最新的d s p 技术，结构简单可靠。 1 3 2 视频检测算法 利用机器视觉实现运动车辆检测的关键在于视频检测算法的研究，国内外学者通过不懈的努 力提出了许多简单、方便、实用的算法。 1 3 2 1 光流法【2 0 】口1 z z l 2 a 对于运动目标的检测最直接的想法就是分析图像序列中各点的运动场，即找到由空间运动而 引起的像平面上对应点的运动。然而，在图像中可测的仅仅是图像辐照度的变化，由图像辐照度 变化所反映的运动称为表观运动( a p p a r e n tm o t i o n ) ，对表观运动的记录称为光流( o p t i c a lf l o w ) 。 光流是基于像素点定义的，所有光流的集合称为光流场。光流场反映了目标物体的变化，不仅包 含了目标物体的运动信息可用来确定观察者相对于被观察目标物体的运动情况，而且携带着有 关景物的三维结构的丰富信息。求取光流场的方法通常有以下几种：基于梯度的方法、基于区域 的方法、基于能量的方法和基于相位的方法。 1 3 2 2 图像差分的算法 2 4 1 2 5 1 2 6 1 基于图像差分的算法利用序列图像各帧之间的相关关系，可用三种方法获得差分图像：通 过将当前帧和固定的背景帧相减获得差分图像，该方法速度快、位置精确，不足之处是易受环境 变化的影响，需要对背景帧实时的更新；利用相邻两帧之问的差来获得图像，该方法的优点是 它只对运动的物体敏感，实际上它也只检测出运动物体的信息，而且因为相邻两幅图像的时间间 隔较短，差分的图像受光线变化的影响较小，其不足在于不能检测出运动物体的重叠部分，运动 物体在两帧中的位置信息表达的不够准确：三帧序列图像差分获得两个差图像，再让差图像对 应像素相乘，从灰度差图像中提取运动信息，该方法需要连续的三帧图像，并要计算梯度图像， 算法的计算量较大并有一帧的延迟时间。 基于图像差分的算法最大优点在于跟踪速度快，实用价值火，目前一些实时跟踪系统都采用 该算法，本课题也采用了基于图像差分的方法对运动车辆的特征进行提取。 1 3 2 3 模型的跟踪算法【2 l 】【卅 2 s l p 】 基于模型的跟踪算法首先建立车辆的三维模型，再将模型投影到二维平面上，并在图像中进 行匹配，找到目标的三维信息，然后根据目标在各帧中的姿态的变化，用最优化的方法计算出运 动模型的参数( 速度、方向、旋转角等) 。基于模型的跟踪算法对目标进行了完全的三维空间的 重建，理论上讲，这种方法能够精确的对目标进行定位和跟踪，并获得目标瞬时的运动参数。 1 0 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 1 3 2 4 主动轮廓的算法【刈【3 1 】【3 2 】 基于主动轮廓的算法是在二维的平面上建立车辆的模型，并且是一个可变形的模型主动 轮廓线。主动轮廓线( s n a k e ) 是一条封闭或不封闭的弹性益线，它用内部能量来描述曲线本身 的张驰性质，用外部能量来描述曲线向目标轮廓收敛的性质。s n a k e 模型就是通过反复进行能量 函数的迭代，使得曲线上的轮廓点朝着能量函数极小化的方向运动来达到精确跟踪轮廓的目的。 经典的s n a k e 模型包括v e l o c i t ys n a k e 模型及k a l m a ns n a k e 模型。这两个模型分别通过对能量函数 增加了时间约束或引入k a h n a n 滤波器使得s n a k e 模型能对下一帧目标出现的位置进行预测，进而 达到对车辆跟踪的目的。 上海交通大学的邓航在分析原始模型存在问题的基础上，提出了一种新的基于边缘检测的 s n a k e 模型。在该模型中以物体轮廓采样点中点的距离作为内部能量的函数，以每个采样点与相 邻两采样点线段上所有点的梯度平均值为外部能量函数，并根据内、外部能量比值动态调节权值 参数。在该模型下物体边缘检测问题被转换成总能量函数的最小值。测试结果表明，该模型克服 了原始模型在迭代求解过程中轮廓紧缩到一点的倾向和易受噪音干扰的缺点，能更准确地检测到 复杂背景下的特定物体。 此外，四川大学图形图像研究所的范勇等人提出了基于帧间差分阈值法和光流场相结合的运 动目标检测和跟踪方法，对固定摄像机视场范围内的目标进行了跟踪p j 。 1 4 交通事件检测国内外发展现状 1 4 1 高速公路交通事件检测概述 高速公路交通事件m j 是指经常发生的非重复性事件，它在短时间内会引起高速公路通行能力 的下降。事件通常可以分为不可预测事件( 如车辆缓行或停车、发生交通事故、货物洒落、道路 维修等，事件的发生是随机的，其发生的时间和地点是不确定的) 和可预测事件( 如外事活动、 体育比赛、道路维修和养护等) 。 交通事件检测可分为人工检测和自动检测。人工检测一般是利用闭路电视监控系统、电话报 告、航空监视、公路巡逻车等进行事件的监测。这种方法成本较高，而且受时间、气候的影响大， 探测时间长。自动探测是通过传感器检测交通流特性的变化，再根据事件探测算法判断该变化是 否由事件引起，或通过图像处理的方法对视频范围内的图像进行检测来直接判断交通事件的发 生。 1 4 2 高速公路交通事件自动检测国内外研究现状 交通事件自动检测a i d ( a u t o m a t i ci n c i d e n td e t e c t i o n ) 研究开始于上世纪6 0 年代，纽约州政 府在l i n c o l n 隧道建立的事件自动探测系统是最早的系统之一，系统通过跟踪和识别经过隧道的单 个车辆数目来确定隧道内车辆数，该方法适用于隧道，但不适合高速公路的事件自动检测。近加 年来，英国、美国、加拿大等国家在研究开发和改进a i d 方法方面做了大量的工作。据统计，大 约有4 0 多个研究机构对此进行了研究【3 6 】，比较典型的算法有美国加利福尼皿运输部开发的加利福 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 尼亚算法及其改进算法，加拿大m c m a s t e r 大学士木工程系研发的m c m a s t e r 算法，即麦克马斯特算 法。 我国的高速公路交通事件自动检测起步较晚，但随着我国高速公路的迅速发展和交通事故的 增多。东南大学、同济大学、北京工业大学、吉林大学、西安公路交通大学等都对交通事件管理 系统进行了深入的研究和探讨。交通部公路科学研究所在努力学习外国先进经验的同时，针对我 国交通的具体情况，开发了一套交通事件管理系统【3 7 】。北京市交管局在二环到四环的三条快速环 线设