（计算机应用技术专业论文）基于视频图像检测的超速抓拍系统的研究与设计.pdf

喻尔滨理t 人学丁学硕l j 学位论义 基于视频图像检测的超速抓拍系统的研究与设计 摘要 基于国内高速公路交通急需智能化管理这一情况，本文设计了一种基于视 频检测技术的高速公路超速抓拍系统，整个系统通过工业控制计算机对外界视 场进行监控并配备相关的软件协同工作，形成了一整套高速公路交通智能化的 管理体系，可以有效的实现高速公路超速车辆的抓拍工作。 为了克服传统地感线圈和雷达测速方式所带来的缺陷，采用视频测速方式， 即采用运动车辆检测等算法，通过软件编程的方法测量速度。 视频触发及测速模块采用虚拟线圈检测方式，为了克服透视现象所导致的 误检、漏检和测速精度不高的问题，本文采用了双c c d 摄像机对两个虚拟线圈 检测区域分别进行运动车辆存在检测，保证了超速抓拍系统的稳定性和可靠性。 在超速抓拍系统检测算法中采用将背景差分与帧间差分相结合的方法实现 运动目标的存在检测，它可以改善因物体内部纹理较少而在帧问差分时造成空 洞甚至分裂的现象，实验结果表明这种方法能够快速有效地提取复杂交通场景 下的运动车辆；车辆的阴影会使检测到的目标区域中含有多余的阴影区域，进 而影响检测结果。针对这个问题，本文采用了基于边缘检测算子和阴影部分的 色度相结合的方法来检测并去除阴影，通过实验对提出的方法进行了验证，得 到了满意的效果。 关键词超速抓拍；视频触发；目标检测算法；边缘检测算子 哈尔演理t 人学t 学硕l ? 学位论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no fv i d e o - - b a s e dd e t e c t i o n o v e r s p e e ds n a p p i n gs y s t e m a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h en a t i o n a lh i g h w a yt r a f f i ci si nu r g e n tn e e do fi n t e l l i g e n t m a n a g e m e n t ，t h i sp a p e rp r e s e n t sah i g h w a yo v e r - s p e e ds n a p p i n gs y s t e mb a s e do n v i d e od e t e c t i o nt e c h n i q u e t h ew h o l es y s t e mm o n i t o r st h eo u t s i d e t h r o u g ht h e i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e rw h i c he q u i p p e dw i t hr e l e v a n ts o f t w a r et ow o r k t o g e t h e r ， i tf o r m sac o m p l e t em a n a g e m e n ts y s t e mo fh i g h w a yt r a f f i ci n t e l l i g e n c e ，w h i c hc a n e f f e c t i v e l ya c h i e v et h ec a p t u r ej o bo ft h eh i g h w a yo v e r s p e e dv e h i c l e s i no r d e rt oo v e r c o m et h ed e f e c t sb r o u g h tb yt h et r a d i t i o n a ls e n s ec o i la n dt h e r a d a rs p e e dm e a s u r em e t h o d ，t h ep a p e ru s e sv i d e os p e e dm e a s u r em e t h o d s ，n a m e l y ， t ou s er t m n i n gv e h i c l ed e t e c t i o n a l g o r i t h m ，t h r o u g hs o f t w a r ep r o g r a m m i n gt o m e a s u r es p e e d i nt h ep a p e r ，v i d e ot r i g g e ra n ds p e e dm e a s u r em o d u l eu s ev i r t u a lc o i ld e t e c t i o n m e t h o d s ，i no r d e rt oo v e r c o m et h ep r o b l e m so fe r r o rd e t e c t i o n ，m i s s i n gd e t e c t i o na n d l o ws p e e da c c u r a c yc a u s e db yt h e p e r s p e c t i v ep h e n o m e n o n t h i sp a p e ru s e sa d u a l - c c dc a m e r at od e t e c tt h ee x i s t e n c eo f m o v i n gv e h i c l e si nt h ed e t e c t e dr e g i o no f t h et w ov i r t u a lc o i l ss e p a r a t e l y ，t og u a r a n t e et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e o v e r - s p e e ds n a p p i n gs y s t e m i nt h ed e t e c t i o na l g o r i t h mo fo v e r - s p e e ds n a p p i n gs y s t e m ，t h ep a p e ru s e st h e c o m b i n a t i o nm e t h o do fb a c k g r o u n dd i f f e r e n c ea n di n t e r - f r a m ed i f f e r e n c et oa c h i e v e t h ee x i s t e n c ed e t e c t i o no ft h eo b j e c t i v e s ，i tc a n i m p r o v et h ep h e n o m e n o no fi n a n i t i o n a n ds p l i t t i n gc a u s e db yl e s si n t e r n a lt e x t u r ei nt h ei n t e r f r a m ed i f f e r e n c ep r o c e s s e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h i sm e t h o dc a nq u i c k l ya n de f f i c i e n t l ye x t r a c tt h e m o v i n gv e h i c l e su n d e rc o m p l e xt r a f f i cs c e n e s ，t h es h a d o wo ft h ev e h i c l ec a i ll e a dt o d e t e c t e dt a r g e ta r e ac o n t a i n sr e d u n d a n ts h a d o wr e g i o n ，w h i c hw i l li n f l u e n c et h et e s t r e s u l t s i na l l u s i o nt ot h i si s s u e ，t h i sp a p e ru s e st h ec o m b i n a t i o na l g o r i t h mo fb a s e do n i i 呛尔滨理丁人学t 学硕i j 学位论文 e d g ed e t e c t i o no p e r a t o ra n dt h es h a d o wp a r tt od e t e c ta n dr e m o v et h es h a d o w ，t h e n t ov e r i f yt h ep r o p o s e dm e t h o dt h r o u g he x p e r i m e n ta n do b t a i ns a t i s f a c t o r yr e s u l t k e y w o r d so v e r s p e e ds n a p p i n g ，v i d e ot r i g g e r ，o b je c t i v e sd e t e c t i o n ，e d g ed e t e c t i o n o p e r a t o r i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于视频图像检测的超速违 法抓拍系统的研究与设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：恐、弓冬短r 期：2 声亏年牛月乡_ 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于视频图像检测的超速违法抓拍系统的研究与设计系本人在哈尔滨 理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨 理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部 或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：蚕1 、锈诅 日期：2 卵年牛月了日 剔磁辄嗣日砌? 年足厂日 哈尔滨理t 人学t 学顾i ：学位论文 第1 章绪论 智能交通系统( i n t e 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 ) 就是将先进的信息 技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、计算机处理技术以及人工智能技术 等各种技术有效地综合运用于整个交通管理体系。在系统工程综合集成思想的 指导下，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 交通运输综合管理系统。 智能交通系统也可以被认为是信息技术在交通领域内的具体应用，而感测 技术、通信技术、信息处理技术、控制技术合称信息技术四基元，均为开发和 利用信息资源的信息技术。信息技术的基本内容就是：利用感测系统、通信系 统、信息处理系统和控制系统，对自然的和人工的信息进行检测、传输、处理， 最终作用于外部世界| 2 1 。 1 1 引言 本文将要介绍的高速公路超速抓拍系统是整个智能交通系统体系的一个重 要分支。近几年，我国高速公路建设有了飞速发展，但是随着新建高速公路的 开通，高速公路交通事故发生率却急剧上升。有关数据表明，违法超速己成为 高速公路交通事故的主要隐患，轻者造成“追尾”，车辆受到损坏，重者导致人 身伤亡，为社会和家庭带来很大损失。因此，必须利用有效的手段，严肃治理 高速公路上的违法超速行驶现象。在这种情况下，高速公路超速违法抓拍系统 便应运而生，在国内外均得到了广泛的应用和发展1 3 1 。 智能交通超速违法抓拍系统是对行驶在高速公路特定路段的车辆速度进行 监控管理的系统。当车辆驶入摄像机监控区域时，系统通过对摄像机图像数据 分析，检测出车辆的运动速度：如果车辆行驶速度超过预设的超速阈值，系统 将会提取计算机内存中的图像数据，并将其形成j p e g 图片存储到计算机硬盘 中，为交管部门提供执法依据。 1 2 智能交通系统的现状与发展趋势 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 ) 是目前世界各 国交通运输领域竞相研究和开发的热点。i t s 的含义是指将先进的计算机处理技 哈尔滨理t 人学t 学顾l ? 学位论文 术、信息技术、数据通讯传输技术及电子自动控制技术等有效地综合运用于整 个交通管理体系中，将人、路、车有机结合起来，以达到最佳的和谐统一，从 而建立起一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的交通运输综 合管理系统h 1 。 i t s 的提出、研究和发展是与现代社会的发展相联系的。汽车交通是现代社 会的重要标志之一，但随着经济的发展，它在给人们的生活提供便利的同时也 产生了一系列社会和环境问题。有限的土地资源、同益增多的车辆、出行大幅 度增加、车辆速度提高等使交通事故增多、交通拥挤加剧、交通环境恶化。据 美国有关部门预测，到2 0 2 0 年，美国因交通事故造成的经济损失每年将会超过 1 5 0 0 亿美元，而同本东京目前因交通拥堵每年造成的经济损失约为1 2 3 0 亿美 元。解决交通问题的传统办法是修建或扩建道路，但是，随着人口的增长，城 市人均居住面积日益减少，可供修建道路的空间越来越少。同时，交通系统是 一个复杂的综合性系统，单独从道路或车辆的角度来考虑，都将很难解决交通 问题。在这种背景下，把车辆和道路综合起来系统地解决交通问题的思想就油 然而生，这就是智能交通系统【5 1 ，简称i t s 。 目前，世界上已形成了美国、日本、欧盟三大i t s 研究开发基地，除此之 外，亚洲的韩国，新加坡和我国的香港特区i t s 发展水平也较高。 美国自动化的交通管理水平以前是落后于欧洲与r 本的，由于美国土地资 源相对比较丰富，因此相当一段时间内是靠修路来解决交通拥堵问题。但近年 来面对已经相当庞大的公路网，要想再占用大量土地，投入大量资会大规模进 行道路建设已经不可能阳1 。因此，1 9 9 1 年美国国会通过了“综合地面运输效率 方案 ( i s t e a ) ，旨在利用高新技术和合理的交通分配提高整个网络的效率。 目前，美国在智能公共交通领域已建立起相对完善的车队管理( 通讯系统、地 理信息系统、车辆自动定位系统、乘客自动计数系统、公交运营软件系统、交 通信号优先系统) 、公交出行信息( 出行前公交系统、车站路边的公交信息系 统、车上公交信息系统、综合乘客信息系统) 、电子收费和交通需求管理技术等 四大系统及多个子系统及技术规范标准 1 。 近年来，日本的智能交通发展也是相当迅速，推出的车载塞车预测系统， 装置有预测系统的车辆经过某一区间时，信息中心会收集其通过这一区间所需 时间，并据此统计各路段交通状况哺1 。通过手机访问信息中心，同时向信息中心 提供自己的行车记录。随着提供信息的车辆的增多，样本数据信息精确度也会 因此而提高。如果有更多的车辆装载塞车预测系统，就可以对车辆进行有效的 分流，从而减少城市塞车的时间。此外，日本还投入了1 5 亿日元开发了全国公 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 路电子地图系统，打开了车辆电子导航市场。 欧盟对i t s 的研究、开发也不甘落后，组成了欧洲道路运输信息技术实施 组织( e r t i c o ) ，总开发投入5 0 亿美元，实施智能道路和车载设备的研究发展 计划。之后进行了t e l e m a t i c 的全面应用开发工作，欧洲计划在全欧洲范围内建 立专门的交通( 以道路交通为主) 无线数据通信网，i t s 的主要功能如交通管理、 导航和电子收费等都围绕t e l e m a t i c 和全欧无线数据通信网来实现。目f ；i 欧洲的 智能交通处在国际领先水平，至今已有相当一部分的研究成果投入到实际的应 用当中旧1 。 2 0 世纪9 0 年代以来，中国经济进入高速发展的时期，交通需求越来越高， 车辆和道路的矛盾越来越大，发达国家在交通上遇到的问题，在中国来得比预 期的要早，甚至更严重，因此智能交通系统在我国的实施势在必行驯。智能交 通系统的研究和推进在我国还处于起步阶段，但i t s 作为新世纪经济增长点和 交通系统建设必然选择的重要性已得到国家相关部门的高度重视。 近几年来，i t s 在中国有了长足的发展。1 9 9 7 年在北京召开了智能交通系 统发展趋势国际学术研讨会。1 9 9 8 年交通部正式批准成立了i s o t c 2 0 4 中国委 员会，进行中国智能运输系统标准体系框架的研究，为国家制定道路交通运输 的发展和政策提供科学依据。在1 9 9 9 年，组织成立了全国智能交通系统( i t s ) 协调小组，为推动交通系统的智能化发展提供了组织机制保障。此外，在2 0 0 0 年完成了中国i t s 体系框架研究和标准规范的制定。在2 0 0 7 年，第十四届以i t s 为专题的国际大会定于北京召开，这将进一步促进我国i t s 学术研究的发展1 。 虽然我国在i t s 领域的研究起步较晚，但随着全球范围智能交通技术研究 的兴起，我国不断加快对智能交通技术研究的步伐。一方面，北京、上海、沈 阳等大城市陆续从国外引进了一些较为先进的城市交通控制、道路监控系统； 另一方面，国家也加大了自主开发的步伐引。 i t s 指出了未来的交通发展方向，是新时代下科技和社会发展、信息革命推 动下的产物，它的全面研究涉及到交通工程科学、智能控制科学、计算机科学、 计算机视觉和图像处理、模式识别、通信科学、汽车技术等学科。i t s 强调的是 系统性、实时性、信息交流的交互性以及服务的广泛性。它是由若干子系统所 组成的，通过系统集成将道路、驾驶员和车辆有机地结合在一起，加强了三者 之间的联系。借助于系统的智能化技术，驾驶员可以实时了解道路交通以及车 辆的状况，以最为安全和经济的方式到达目的地。同时管理人员通过对车辆、 驾驶员和道路实时信息的采集来提高其管理效率，以达到充分利用交通资源的 目的。 哈尔滨理丁人学t 学硕 ：学位论文 智能交通系统i t s 的系统组成引，概括起来说，有如下方面： 1 先进的交通管理系统a t m s ( 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 ) ，是 一种主动控制的综合交通管理系统，它将对道路系统中的交通状况、交通事故、 气象情况和交通环境进行实时的监视和管理，根据收集到的信息，对交通进行 控制，如：信号灯、道路管制等。 2 先进的交通信息系统a t i s ( 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 ) ，包括 无线数据交通信息通道、车载移动电话接收信息系统、路由引导系统及选择 最佳路径的电子地图。它建立在完善的信息网络基础上，交通参与者通过装备 在道路上、车上、换乘站上、停车场上以及气象中心的传感器和传输设备，可 以向交通信息中心提供各处的交通信息，系统得到这些信息并通过处理后，实 时向交通参与者提供道路交通信息、公共交通信息、换乘信息、交通气象信息、 停车场信息以及与出行相关的其他信息。 3 先进的公共交通系统a p t s ( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) ， 包括公共交通车辆定位系统、客运量自动检测系统、行驶信息诱导系统、自动 调度系统、公交计费系统、视野支持系统和旅客服务系统等。它的主要目的是 改善公共交通的效率，提供便捷、经济、运量大的公交系统。 4 先进的车辆控制系统a v c s ( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m ) ，是对车 辆本身而言的，主要由车辆辅助安全驾驶系统和自动驾驶系统两部分组成。 5 先进的电子收费系统a e t c s ( a d v a n c e de l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n s y s t e m ) ，包括电子自动收费设备、不停车自动收费系统、停车引导和收费系统。 即通过电子卡、电子标签由计算机自动完成行驶或进出停车场车辆的收费，实 现地面交通费用收缴的自动化，从而减少停车延误，提高运营效率。 6 紧急事件管理与救援系统e a m s s ( e m e r g e n ta f f a i rm a n a g e m e n ta n d s u c c o rs y s t e m ) ，是一个特殊的系统，它的基础是a t m s 、a t i s 和有关的救援 机构，通过a t m s 和a t i s 将交通监控中心、交通警察、道路养护管理机构、 职业的救援机构及灾害处置管理中心等联成有机的整体，为道路使用者提供现 场紧急处置、拖车、现场救护、排除事故车辆等服务引。 1 3 计算机视觉在智能交通中的应用 1 3 1 简述 将计算机视觉应用于智能交通系统是近几年来的热点之一，计算机视觉技 哈尔滨理下人学t 学硕l ：学位论文 术在i t s 中的应用大致可分为两类，即车载处理系统和路边处理系统蠊1 。在车 载处理系统中，摄像机被固定在车辆上，系统识别的目标为车道、前方其它车 辆及障碍物、道路旁设立的各种交通标志或交通信号、司机的疲劳状态等，其 中道路识别是车辆控制系统的基础。与道路相关的信息包括车道标线、车辆偏 离程度、道路边界、道路情况。 交通标志与信号则是指示司机行车操纵和提醒其注意安全的有效措施，对 它们的识别将有助于实现车辆的自动驾驶。司机的驾驶疲劳是引发交通事故的 一个重要因素，所以对疲劳状态的检测也非常有意义。 目前，基于图像处理技术的司机驾驶疲劳状态检测通常有两种方法n 引，一 种是利用人眨眼的频率与驾驶疲劳的关系对司机的脸部图像进行处理，以判断 其是否处于疲劳状态。另一种方法是利用道路识别来检测车辆行驶，从而判断 司机是否处于异常驾驶状态。对于路边处理系统来说，摄像机被固定于道路两 旁或上方，系统检测和收集的信息包括交通流量、平均车速等有关实时交通状 况的信息。图像处理技术可提供通路交叉口或公路的二维交通流量参数。车辆 图像匹配或车辆牌照识别则可用来动态估计道路区间的行车时间。另外，车辆 牌照识别也广泛应用于停车场管理违章车辆查处、不停车收费、不停车称重等 多项i t s 应用领域。 智能交通系统中的交通检测与信息采集已经成为计算机视觉技术应用的一 项重要课题。基于视频的道路交通监测系统具有不破坏路面，检测范围大，安 装使用灵活，维护费用低的特点，具有广阔的应用前景。它可以为智能交通系 统提供如下的功能和数据引： 1 实时检测并跟踪所监视区域内的车辆，并记录其位置、行驶速度以及尺 寸等信息。 2 实时自动地统计并记录当前道路上车流的统计参数，例如车流量、平均 车速、道路占有率、等待时问等，并对堵车等特殊的车流状况进行判读并及时 反馈。 3 实时检测所监视区域内的车辆有无违章行为( 包括乱停、越线、超速等) 和事故发生等，若有，则报警并记录现场情况，为交通部门事后处理提供确凿 的证据。 4 自动识别感兴趣的车辆的车牌号码和车辆类型。 其中，车辆的实时检测、识别与跟踪是最基础的部分，其他的功能都是建 立在车辆检测、识别与跟踪算法的基础上的，它要求从摄像机所得到的图像序 列中，检测有无运动车辆进入摄像机的视场，并且定位出运动车辆的位置，它 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论义 属于计算机视觉的研究范围”引。 1 3 2 国内外相关领域研究状况 在违法超速抓拍系统中，车辆检测技术有环形线圈、微波、雷达、红外、 超声波、激光、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。 微波或红外线检测器一般不需要路面施工，免维护，调整方便灵活，对复 杂的路面状况适应性强，但是使用寿命短，易受环境影响，对于车流量较大的 城市进行交通检测，很难测得准确的交通数据心0 l 。 视频检测器安装、使用及维护简便，设置直观灵活，检测范围大，故障率 低，维护费用低等特点。视频检测器可以为智能交通系统提供如下的功能和数 据：实时检测并跟踪所监视区域内的车辆，并记录其位置、行驶速度以及尺寸 等信息；实时自动地统计并记录当f j 道路上车流的统计参数，例如车流量、平 均车速、道路占有率、等待时间等，并对堵车等特殊的车流状况进行判别并及 时反馈；实时检测所监视区域内的车辆有无违法行为( 包括乱停、越线、超速 等) 和事故发生等，若有，则报警并记录现场情况，为交通部门事后处理提供 确凿的证据；自动识别车辆的车牌号码和车辆类型。其中，车辆的实时检测是 最基础的部分，其他的功能都是建立在车辆检测算法的基础上的，它要求从摄 像机所得到的图像序列中检测有无运动车辆进入摄像机的监控区域，并且定位 出运动车辆的位置，它属于计算机视觉的研究范围乜。 哈尔滨理丁人学t 学硕 ：学位论文 综上所述，以视频检测器进行车辆检测，相比与线圈和微波检测，具有安 装维护简单方便、受外界干扰小的优点，同时，由于其将视频图像分析和计算 机视觉技术用于交通管理系统中，可充分利用人工智能技术进行车辆检测，具 有广阔的发展前景；用摄像机进行图像抓拍，相比与民用或专业级的数码相机， 可以满足工业级的需要，工作可靠稳定，不需要大功率的闪光灯，在稳定的工 控机平台控制及调整良好的拍摄角度前提下，可提供充分清晰的图像证据；自 动进行图像传输，通过有线或无线网络，将违法图片上传到交警服务器，将大 大减少交警的工作量，易于进行违法图片的整理。 因此，以视频检测器进行车辆检测，摄像机进行图像抓拍，自动图像传输 的违法超速抓拍系统，虽然初期投入成本比较高，但其以成熟可靠的技术，方 便直观的应用，全天候、适时监控等特点，在整个交通管理系统的智能化、网 络化和加强道路交通管理、弥补警力不足等方面具有不可取代的重要作用。 近年来，国内外学者对视频图像的运动目标检测进行了许多研究，比较常 用的方法有光流场法砼2 3 和图像差分法瞳3 3 。 基于光流场法的运动目标检测由于噪声、多光源、阴影、透明性和遮挡性 等原因，使得计算出的光流场分布不是十分可靠和精确，且光流场的计算实时 性和实用性较差。图像差分法又分基于背景差分的方法和基于帧间差分的方法， 前者定位精确、速度快，但缺乏合理的背景更新方法；后者可以提取出物体的 运动信息，但由于相对运动与物体位置并非完全一致，存在检测出的运动目标 位置不精确，物体在运动方向上被拉伸的情况。为此有人提出许多方法的融合 改进，如基于边缘的背景去除法，但该类方法存在着由于运动目标边缘与背景 边缘可能有一定交迭，使部分运动目标信息被去除的缺点。又如c v i e r e n 提出 一种获取运动物体精确位置的方法，但该方法需要连续3 帧图像，并要计算梯 度图像，计算量大并且有一帧时间的滞后性。 1 3 3 国内外视频检测产品 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、美国i s s 公司的s o l on c 视频车辆检测器、西门子公司的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 视频车辆检测 器。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， 哈尔滨理丁人学t 学硕 ：学位论文 并积极向我国市场推广。 a u t o s c o p e 公司的视频车辆检测器应用较广，影响较大晗制。目前己经发展到 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- - 4 0 到+ 6 0 ，最大湿度可达1 0 0 。主要 尺寸为1 0 0 m m x1 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。 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。 推出较晚的v a n t a g e 可谓是后起之秀啦朝。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 17 0 ( n t s c ) 幂i 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。工作环境湿度为3 7 至1 j + 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f 常交通事件检测报普和烟雾、薄雾及雨雪等低能见度报警等 功能。 哈尔滨理t 人学- v 学f 硕l 。学位论文 v t d 系列产品是国内第一家通过公安部检验的视频检测类产品，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 0 v 5 0 h z ，工作环境温度为0 至u + 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，设备就可以丌始工作。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 、i s d n 等方式回 传，也可以定期用电脑读取检测数据。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心削。 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 ； 车速统计平均值：在0 1 2 0 k m h 范围内，检测精度 9 5 ； 车头时距：在规定的采样时间间隔内，检测精度 9 5 。 此外，国内的多家智能交通科技公司j 下致力于自主研发新产品，推动智能 交通领域的向着更快更好的方向发展。 1 4 超速抓拍系统 超速抓拍系统是整个智能交通系统体系的一个重要分支。近几年，我国高 速公路建设有了飞速发展，但是随着新建高速公路的开通，高速公路交通事故 发生率却急剧上升。有关数据表明，违法超速己成为高速公路交通事故的主要 隐患，轻者造成“追尾”，车辆受到损坏，重者导致人身伤亡，为社会和家庭带 来很大损失。因此，必须利用有效的手段，严肃治理高速公路上的违法超速行 驶现象。在这种情况下，超速违法抓拍系统便应运而生，在国内外均得到了广 泛的应用和发展。 智能交通超速违法抓拍系统是对行驶在高速公路特定路段的车辆速度进行 监控管理的系统。当车辆驶入摄像机监控区域时，系统通过对摄像机图像数据 分析，检测出车辆的运动速度；如果车辆行驶速度超过预设的超速阈值，系统 将会提取计算机内存中的图像数据，并将其形成j p e g 图片存储到计算机硬盘 中，为交管部门提供执法依据。 但是目前应用于高速公路车辆实时监控的科技手段并不多。这主要是缘于 哈尔演理t 人学t 学顶j ：学位论义 以下两个因素：一是国内道路智能交通技术发展时】f 百3 比较短，加上原本技术上 的缺陷使得在实际应用的时候效果并不理想。二是雷达、激光系统以及国外高 速摄像设备价格比较昂贵，维护和管理成本太高。所以超速抓拍系统的应用推 广还受到当前产品技术和成本上的因素等的限制。 一般情况下，高速公路上的违法超速抓拍设备都安装在特殊的路段，如隧 道、特大桥梁、交通事故易发地段或特殊地质路段等等，主要用于对进出这些 路段的车辆进行二十四小时全天候不间断监测和记录。 基于当前国内高速公路交通管理急需智能化管理这一情况，本文提出一种 基于视频图像检测技术的超速抓拍系统，此系统对高速公路交通的智能化管理 起了很大作用。 系统结合了高速摄像、视频图像处理、网络数据传输、电子控制、专用工 控机以及专有控制软件等技术，通过使用工业级的高速摄像机对外界视场进行 二十四小时监控，对高速公路上的违法超速行驶车辆进行实时抓拍，待违法图 像存储到本地的硬盘上时，系统的传输软件负责把抓拍到的图像数据发送到指 定的监控中心，系统在监控中心配备统一的图像数据管理的数据库，负责对车 辆数据进行统一的管理，最后通过车牌识别软件进而可以很方便的获得车辆的 车牌、车型等必要的相关信息。 整个系统通过工业控制计算机对外界视场进行监控并配备相关的软件协同 工作，而且采用先进的视频检测算法进行了运动车辆的存在检测和阴影的检测 和去除，形成了一整套高速公路交通智能化的管理体系，可以有效的实现超速车 辆的抓拍工作。 1 5 课题研究的主要内容 超速抓拍系统由前端自动取证系统、传输系统、后台管理系统三部分组成。 前端自动取证系统主要由前端视频组件、抓拍主机、抓拍系统软件等组成；传 输系统主要是移动存储设备或通讯设备( a d s l 、i s d n 、光纤、c d m a 、g p r s 等) ；后台管理系统主要由后台管理软件、计算机、服务器及打印机等组成。 本论文主要研究的是前端自动取证系统，包括前端视频组件、抓拍主机、 抓拍系统软件，内容如下： 1 本文首先介绍了超速违法抓拍系统的基本功能，然后对抓拍设备的性能 要求做了阐述，接着讲述了该系统的基本组成，重点介绍了系统硬件组成。 2 在抓拍软件的设计与实现中重点研究了视频采集模块和视频触发及测速 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 模块的设计与实现。 3 本文采用的车辆检测算法是将背景差分与帧问差分相结合的方法实现 运动目标的存在检测；本文在结合阴影颜色信息和边缘检测的基础上，采用基 于边缘检测算子和阴影部分的色度相结合的方法，来检测并去除阴影。 4 车辆存在检测和阴影检测去除实验结果及分析。 哈尔滨理下人学t 学硕i j 学位论文 第2 章超速抓拍系统概述 近几年，我国高速公路建设有了飞速发展，但是随着新建高速公路的开通， 高速公路交通事故发生率却急剧上升。有关数据表明，违章超速已成为高速公 路交通事故的主要隐患，轻者造成“追尾”，车辆受到损坏，重者导致人身伤亡 为社会和家庭带来很大损失。因此，必须利用有效的手段，严肃治理高速公路 上的违章超速行驶现象。在这种情况下，高速公路超速抓拍系统便应运而生， 在国内外均得到了广泛的应用和发展。 2 1 超速抓拍系统的基本功能 根据我国高速公路自身的特点，违章超速抓拍系统一般安装在特殊路段， 用于对进出这些路段的车辆进行二十四小时全天候不间断监测和记录。若发现 超速违章车辆时，在高速公路各个出入口处会有执法人员对相应的驾驶人员进 行违法处理。超速抓拍系统的功能包括如下几点： 1 通过在高速公路特殊路段设置超速抓拍系统，能在一定程度上对驾驶员 产生威慑作用，从而降低交通事故的发生率。 2 进行速度的检测，抓拍违章超速车辆的图像并记录车速等数据，为处罚 打击超速、逆行等严重违法现象提供有力证据。 3 系统可以对通过监控点的每一辆车进行图像记录和牌照自动识别，为侦 破交通肇事逃逸案、各种利用机动车作为犯罪工具的刑事案、以及抢劫车辆、 破坏高速公路设施等恶性案件提供线索和证据。 4 建立动态数据库，自动查找被盗、被抢以及违法拒罚等车辆。 5 系统可实现按照时段、车型、车道等方面进行交通流量统计，监视高速 公路车辆流量情况，为提高高速公路的营运管理水平提供科学依据。 2 2 超速抓拍设备的性能要求 2 2 1 违章图像的清晰度 违章车辆图像是执法的惟一证据，只有清晰可辩的图像爿能成为证据。所 以市场要求抓拍设备能够自动适应全天候环境工作，在各种光照条件下获得令 哈尔滨理t 人学t 学顶l j 学位论文 人满意的圆面。 另外，要求抓拍画面上信息量和视角要足够大，比如，管理部门普遍要求 闯红灯画面上同时拍摄红灯、违章车辆( 车牌) 、停车线等信息。这就要求图像 清晰度非常高，有效像素至少在七百万左右才能获得较好的效果。普通摄像机 最高有效像素大约在一百万左右，画面不能满足要求。如果提高抓拍图像分辨 率，如一千万甚至更高，则一台设备就能够有效管理多个车道，对简化系统有 好处。但是，像素提高则带来了图像文件尺寸增加的问题，给图像的存储和传 输带来困难，因此，在构建系统时应权衡像素和文件传输之间的矛盾。 2 2 2 可靠性与稳定性 由于抓拍设备安装在室外，全天二十四小时、全年三百六十五天不问断运 行，这就要求组成设备的部件符合全天候工作要求，设备能够在较宽温度范围 和较宽的湿度范围工作，且不需维护或只需少量维护。这些要求是普通民用设 备无法满足的。这也使得抓拍设备在选型时困难很大，甚至根本不能选到合适 的设备，如数码相机、普通工控机等可靠性都难以满足现场对可靠性的要求。 实际上，近几年各地使用情况也反映出这方面的突出问题。 2 2 3 适宜的价格 适宜的价格可以扩大设备的使用量，满足市场的潜在需求。但目前的抓拍 系统还普遍使用工业控制计算机以及工业摄像机在现场进行控制抓拍，文件传 送甚至要通过光缆，造价较高，所以抓拍系统整体价格难以进行有效控制。 2 2 4 现有抓拍设备的优缺点 组成抓拍的每个单元都有不同的多种具体实施方案，但各种方案涉及的单 元产品都存在自身不同的优缺点，下面对各个单元进行一下简要的分析。 2 2 4 1 抓拍单元目前的前端抓拍设备主要有两类，一是使用基于数码相机的 方案；另一是使用基于工业监视摄像机的方案。对比市场对抓拍设备的要求， 两种方案各有优缺点田1 。 基于数码相机的方案可以满足图像清晰度及适宜的价格这两项要求，目前 市场上主流的数码相机的分辨率在七百万像素以上，可以拍出清晰的图像，但 它的可靠性以及长期连续工作的稳定性差，这是由数码相机自身原因造成的。 哈尔滨理工人学t 学硕i j 学位论文 在抓拍设备中使用的数码相机都是普通的民用数码相机，并不是为高速公路抓 拍设备而专门研制的。使用这些数码相机，不论其属于哪个厂家，都无法克服 下列制约因素： 1 、数码相机的所有设计理念是面向消费市场，并需由人操作，而不是工业 产品，可以自动运行。普通数码相机抓拍时滞很大，对拍摄运动物体也存在困 难。 2 、数码相机的通讯协议是不公开的，设备制造商无法根据自己的设计对数 码相机进行相应的控制，比如光圈、焦距等基本参数无法根据现场实际情况进 行软件设置，对现场适应性差。另外，拍摄等操作基本无法用软件控制，需