（信号与信息处理专业论文）智能交通系统中的信息处理关键技术研究.pdf

摘要 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 ) 是指将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术及计算机 技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大 范围内实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。智能交通系统已 成为2 1 世纪现代化交通运输体系的重要发展方向。论文的主要工作 是研究智能交通系统中的一些信息处理关键技术，包括：车牌字符识 别算法、车体定位算法、检测线式视频车辆检测算法、视频交通检测 系统设计方法。 论文的创新点主要体现在以下四个方面： 1 、提出了基于脉冲耦合神经网络( p c n n ) 的车牌字符识别算法， 首次将p c n n 应用于车牌字符识别算法。以简化p c n n 模型为基础，提 取三种不同的图像特征，根据它们对数字、字母和汉字字符图像进行 识别。实验结果表明，与传统的b p 神经网络算法相比，此算法总体 识别率更高，容错性更好，鲁棒性和稳定性更强，使用更加方便灵活， 并能满足实际应用中对识别速度的要求。 2 ) 提出了基于相位信息的边缘投影车体定位算法。将图像的h s v 色彩空间的信息与r g b 色彩空间的信息结合，利用l o gg a b o r 小波滤 波器组检测到的相位一致性进行车辆边缘检测，利用投影算法和车体 区域判别算法对车体进行定位。与常用的车体定位算法相比，此算法 受图像亮度、对比度、噪声和车辆阴影的影响小，而且适用于包含多 部车辆的图像，定位准确率高。 3 1 提出了改进型检测线式视频车辆检测算法。此算法分别利用图 像的亮度和色度信息进行两级检测，能够有效提高原算法的车辆检测 准确率，降低拒真率和认假率，而且满足实时性需求。 4 ) 提出了基于a r m 与d s p 双核体系结构的嵌入式视频交通检测系 统设计方案。设计了两个系统单元间通信接口的硬件连接方案和驱动 程序，并且介绍了系统的操作系统和应用程序的设计方法。此系统将 3 2 位嵌入式微处理器a r m 与数字信号处理器d s p 相结合，充分体现 了双微处理器系统的优势。与常用的视频交通检测系统相比，此系统 具有体积小、功耗低、成本低、稳定性好、操作方便、界面友好等优 点，而且满足实时性要求。 关键词：智能交通系统，脉冲耦合神经网络，相位一致性，虚拟线， 视频检测，嵌入式系统 a b s t r a c t 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 o ri t s ，i sa l lt r a n s p o r t a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hi n t e g r a t e sa d v a n c e di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , d a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , e l e c t r o n i cs e n s i n gt e c h n o l o g y , c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n da l lk i n d so f o t h e ra d v a n c e dt e c h n o l o g i e ss y n t h e t i c a l l ya n d a p p l i e st h e mt ot h ew h o l eg r o u n d t r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e m i t s c o n s t r u c t sa l le f f e c t i v ei nl a r g e s c a l e ，r e a lt i m e ，e x a c t ，a n de f f i c i e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，a n di t h a sb e c o m ea ni m p o r t a n td e v e l o p m e n t a s p e c to f t h em o d e r n i z e dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi nt h e21s tc e n t u r y t h em a i nw o r ko ft h et h e s i si sr e s e a r c ho ns o m ek e yt e c h n o l o g i e so f i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gi ni t s ，w h i c hi n c l u d e s ：v e h i c l el i c e n s ec h a r a c t e r r e c o g n i t i o na l g o r i t h m ，v e h i c l el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m ，v i r t u a l - i i n eb a s e d v i d e ov e h i c l ed e t e c t i o na l g o r i t h ma n dv i d e ot r a n s p o r t a t i o nd e t e c t i o n s y s t e md e s i g nm e t h o d t h ei n n o v a t i o n so ft h et h e s i sa r ee m b o d i e di nf o u ra s p e c t sa sf o l l o w s ： 1 ) av e h i c l el i c e n s ec h a r a c t e rr e c o g n i t i o na l g o r i t h mb a s e do np u l s e c o u p l e dn e u r a ln e t w o r k ( p c r o , r ) i sp r o p o s e d i tf i r s t l ya p p l i e sp c n ni n v e h i c l el i c e n s ec h a r a c t e rr e c o g n i t i o n b a s e do ns i m p l i f i e dp c n nm o d e l ，i t e x t r a c t st h r e ed i f f e r e n ti m a g ef e a t u r e sa n du t i l i z e st h e mt or e c o g l 泣en u m b e r , l e t t e ra n dc h i n e s ec h a r a c t e r s c o m p a r e dw i t hc o m m o na l g o r i t h m sb a s e do n b pn e u r a ln e t w o r k ，t h i sa l g o r i t h mh a sa d v a n t a g e so fh i g h e rt o t a lr e c o g n i t i o n r a t e ，b e t t e rf a u l tt o l e r a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , s t r o n g e rr o b u s t n e s s ，a n di sm o r e c o n v e n i e n ta n df l e x i b l et ou s e i t sr e c o g n i t i o ns p e e di sf a s te n o u g ht o s a t i s f yt h ed e m a n d o ns p e e di na p p l i c a t i o n s 2 ) ac o n t o u rp r o j e c t i o nv e h i c l el o c a l i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do n p h a s ei n f o r m a t i o ni sp r o p o s e d i tc o m b i n e st h ei n f o r m a t i o no f t h ei m a g e i nh s vc o l o rs p a c ea n dr g bc o l o rs p a c e ，d e t e c t sc o n t o u ro fv e h i c l e s b a s e do np h a s ec o n g r u e n c yu t i l i z i n gl o gg a b o rw a v e l e tf i l t e r s ，t h e nu s e s p r o je c t i o nm e t h o da n dv e h i c l ea r e ad i s t i n g u i s h i n ga l g o r i t h mt ol o c a l i z e v e h i c l e s c o m p a r e dw i t hc o m m o na l g o r i t h m s ，i ts u f f e r ss m a l l e rf r o mt h e l u m i n a n c e ，c o n t r a s to fi m a g e ，n o i s ea n ds h a d o w s ，a n dh a sh i g h e ra c c u r a c y i ti sa l s os u i t a b l ef o ri m a g e si n c l u d i n gm o r et h a no n ev e h i c l e n 3 ) a ni m p r o v e dv i r t u a l l i n eb a s e dv i d e ov e h i c l ed e t e c t i o na l g o r i t h m i s p r o p o s e d i t i n t r o d u c e st w o - l e v e l d e t e c t i o n ，u t i l i z i n gl u m i n a n c e i n f o r m a t i o na n dt h ec h r o m i n a n c ei n f o r m a t i o nr e s p e c t i v e l y t h ei m p r o v e d a l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yi n c r e a s et h ea c c u r a c yo fo l do n ea n dr e d u c et h e f r ra n df a r i tc a ns a t i s f yt h er e q u e s to fr e a l t i m ep e r f o r m a n c e 4 ) ad e s i g no fd u a l c o r e de m b e d d e dv i d e ov e h i c u l a rd e t e c t i o n s y s t e mb a s e do na r mp r o c e s s o ra n dd s pi sp r o p o s e d t h em e t h o do f h a r d w a r ec o n n e c t i o nb e t w e e nt w ou n i t sa n dt h ed r i v e rp r o g r a mo ft h e i n t e r f a c ea r ei n t r o d u c e d t h ed e s i g nm e t h o d so fo p e r a t i n gs y s t e ma n d a p p l i c a t i o np r o g r a m sa r ea l s op r e s e n t e d t h i ss y s t e mc o m b i n e s3 2b i t e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra r ma n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd s p , a n di t s u f f i c i e n t l ye m b o d i e st h es u p e r i o r i t yo fd u a lm i c r o p r o c e s s o rs y s t e m c o m p a r e dw i t h c o m l n o nv i d e ov e h i c u l a rd e t e c t i o n s y s t e m s ，i th a s a d v a n t a g e so fs m a l lv o l u m e ，l o wc o s t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，g o o d s t a b i l i t ya n de x p a n d a b i l i t y , f a c i l i t yo fo p e r a t i o na n df r i e n d l yi n t e r f a c e i t c a n s a t i s f yt h ed e m a n do n r e a l t i m e k e y w 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 ，p u l s ec o u p l e dn e u r a l n e t w o r k ，p h a s ec o n g r u e n c y , v i r t u a ll i n e ，v i d e od e t e c t i o n , e m b e d d e d s y s t e m i l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞叁堂或其他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。 学位论文作者签名： 吴男笑签字日朝：a 石年上月弓f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞基茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 吴豸旋 导师签名： 私帕岂 签字日期：2 刀口年肛月3 日 签字日期：嘶f p 月多1 日 第一章绪论 1 1 智能交通系统概述 第一章绪论 随着经济的发展，现代交通运输正迈向新纪元，与社会经济生活的联系更加 紧密。道路交通己成为最重要的地面交通方式之一，但它在为人们酌生活提供便 利的同时，也产生了一系列环境和社会问题。随着城市化进展的加快和汽车普及 率的提高，城市交通拥挤和阻塞现象日益严重，交通事故频频发生，交通环境逐 渐恶化。而且随着经济建设和城市规模的加速发展，对外交流的日益频繁和人们 物质文化生活水平的提高，交通需求也日益增加。据统计，世界上各种车辆的增 长速度为道路增长速度的2 3 倍。 交通系统是一个相当复杂的大系统，单独从车辆方面考虑或者单独从道路方 面考虑，都很难从根本上解决问题。8 0 年代以来，世界各发达国家虽然已经基 本建成了四通八达的现代化国家道路网，但随着社会经济的发展，路网通过能力 已满足不了交通量增长的需求。 电子技术、通信技术、计算机技术和人工智能的发展为解决交通问题提供了 新的思路，世界各国发现将模式识别和电子信息技术引入交通系统，能够对道路 网络和城市交通进行更有效的控制和管理，以提高交通的机动性、安全性，最大 限度地发挥现有道路系统的交通效率。因此他们不断扩大研究、开发和试验的范 围，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 ) 应运而生。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、电子传感技术及计算机处理技术等 有效的集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥 作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统【l 】【2 】。 i t s 的目标和功能包括：提高交通运输的安全水平；减少交通堵塞，保持交 通畅通，提高运输网络通行能力；降低交通运输对环境的污染程度并节约能源； 提高交通运输生产效率和经济效益。智能交通系统已成为2 l 世纪现代化交通运 输体系的重要发展方向。国内外近2 0 年的研究表明，实行i t s ，可使道路的通 行能力提高二至三倍，有效提高交通运输效率，可使交通拥挤降低2 0 - 8 0 ，油 料消耗减少3 0 ，废气排放减少2 6 ，产生巨大的经济效益和社会效益。 随着我国经济建设的蓬勃发展，交通问题已经成为城市管理工作中的重大社 会问题，阻碍和制约着城市经济建设的发展。因此，在中国实行i t s 是非常有必 要的。 中国i t s 的市场是非常巨大的。仅以基础设施建设为例，国家将建设3 5 万 公里的高等级公路，其中有相当一部分需要建设通信、监控和收费系统，这部分 第一章绪论 的投资一般占到基本建设总投资的3 q 。1 9 9 8 年中国在公路方面的建设投资 为1 8 0 0 亿元，如果其中的1 0 0 0 亿元用于高速公路的建设，则通信、监控和收费 系统方面的投资将有3 0 , - 4 0 亿元，这仅仅是当前i t s 应用的初级水平，而且仅限 于高速公路建设。如果考虑到城市基础设施的建设以及今后i t s 应用水平的提 高，中国i t s 市场的容量将是一个天文数字。因此，对智能交通系统及其关键技 术的研究具有深远的社会意义和经济意义。 1 2 智能交通系统的组成 智能交通系统是一个复杂的综合性的系统，从系统组成的角度可分成以下一 些子系统： 1 ) 先进的交通信息服务系统( a t i s ) a t i s 是建立在完善的信息网络基础上的。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，向交通信息中心 提供各地的实时交通信息；a t i s 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；出行者根据这些信息确定自己的出行方式、选择路线。 更进一步，当车上装备了自动定位和导航系统时，该系统可以帮助驾驶员自动选 择行驶路线。 2 ) 先进的交通管理系统( a t m s ) a t m s 有一部分与a t i s 共用信息采集、处理和传输系统，但是a t m s 主要 是给交通管理者使用的，用于检测控制和管理公路交通，在道路、车辆和驾驶员 之间提供通讯联系。它将对道路系统中的交通状况、交通事故、气象状况和交通 环境进行实时的监视，依靠先进的车辆检测技术和计算机信息处理技术，获得有 关交通状况的信息，并根据收集到的信息对交通进行控制，如信号灯、发布诱导 信息、道路管制、事故处理与救援等。 3 ) 先进的公共交通系统( a p t s ) a p t s 的主要目的是采用各种智能技术促进公共运输业的发展，使公交系统 实现安全便捷、经济、运量大的目标。如通过个人计算机、闭路电视等向公众就 出行方式和事件、路线及车次选择等提供咨询，在公交车站通过显示器向候车者 提供车辆的实时运行信息。在公交车辆管理中心，可以根据车辆的实时状态合理 安排发车、收车等计划，提高工作效率和服务质量。 4 ) 先进的车辆控制系统( a v c s ) 第一章绪论 a v c s 的目的是开发帮助驾驶员实行本车辆控制的各种技术，从而使汽车行 驶安全、高效。a v c s 包括对驾驶员的警告和帮助，障碍物避免等自动驾驶技术。 5 ) 货运管理系统 这里指以高速道路网和信息管理系统为基础，利用物流理论进行管理的智能 化的物流管理系统。综合利用卫星定位、地理信息系统、物流信息及网络技术有 效组织货物运输，提高货运效率。 6 ) 电子收费系统( e t c ) e t c 是目前世界上最先进的路桥收费方式。通过安装在车辆挡风玻璃上的 车载器与在收费站e t c 车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯，利用计算 机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站不需停车而 能交纳路桥费的目的，且所交纳的费用经过后台处理后清分给相关的收益业主。 在现有的车道上安装电子不停车收费系统，可以使车道的通行能力提高3 5 倍。 7 ) 紧急救援系统( e m s ) e m s 是一个特殊的系统，它的基础是a 1 1 s 、a t m s 和有关的救援机构和设 施，通过a t i s 和a t m s 将交通监控中心与职业的救援机构联成有机的整体，为 道路使用者提供车辆故障现场紧急处置、拖车、现场救护、排除事故车辆等服务。 从信息流的角度，智能交通系统又可分成信：息采集、信息管理与信息发布三 个部分： 1 ) 信息采集 实时采集交通系统中的各种信息，包括道路中的车流状况、交通事故、交通 违章、道路施工等信息，并作初步统计，然后进行存储。 。 2 ) 信息管理 完成对原始数据的加工和分析，提炼出对交通管理有指导意义的知识，同时 合理地( 采用集中或分布方式) 存储系统中的各种信息资源，并保证系统中信息的 规范化。 3 ) 信息发布 将经过整理的实时信息及分析后的预测信息通过各种方式( 无线通信、有线 广播、电子显示屏、i n t c r n e t 以及车载器等) 向出行者及驾驶员发布。 在这三部分中，交通信息采集部分作为一个庞大的城市智能交通控制系统的 输入部分，担负着提供准确可靠的信息以使整个系统得以顺利运行的重要责任， 是系统中最基础的部分。在实际的城市交通管理系统中，一个好的交通监测和信 息采集系统可对任一时段内的道路交通动态信息实时地进行翔实准确的报道，提 供多种实用的交通数据，进而为交通管理提供决策依据。同时它还能够监测车辆 的违章和交通事故的发生，并做出客观的记录和迅速地进行反馈，便于高效率地 第一章绪论 处理故障，疏通交通。 1 3 智能交通系统的发展趋势 从国际上i t s 的发展历史来看，各国普遍认为，起步于6 0 7 0 年代的交通管 理计算机化就是i t s 的萌芽。随着社会的发展和技术的进步，交通管理和交通工 程逐步发展成i t s 。 1 3 1 国外发展趋势 美国、西欧和日本等发达国家为了解决交通问题，竞相投入大量资金和人力， 大规模地进行道路交通运输智能化的研究试验。美国联邦政府从1 9 9 0 年到1 9 9 7 年用于i t s 研究开发的年度预算总计为1 2 9 3 5 亿美元；欧盟从1 9 8 4 年到1 9 9 8 年仅用于i t s 共同研究开发项目的预算就达2 8 0 亿欧元；日本政府仅1 9 9 6 年和 1 9 9 7 年用于i t s 研究开发的预算为1 6 1 亿日元，用于i t s 实用化和基础设施建 设的预算为1 2 8 5 亿日元。目前，伴随着通信技术、信息技术和电子技术及计算 机网络技术的发展，i t s 正越来越受到各国的重视【3 】。 作为经济最发达、技术最先进的超级大国的美国，虽在智能交通系统的研究 开发上曾一度落后，但凭借其先进的技术优势，已后来居上，目前在试验研究和 实践应用上都处于领先地位。在智能交通系统发展规划中，它非常重视i t s 将形 成的巨大市场，对i t s 的服务领域进行了广泛而又深远的研究。1 9 9 1 年，美国 国会通过了“综合地面交通效率方案( i s t e a ) ，其目的就在于要发展经济上有 效、环境上完善的国家级综合地面运输系统，以便能够高效率地运送人员和货物， 由美国交通部负责全国的i t s 发展工作。1 9 9 5 年3 月，美国交通部正式出版公 布了“国家智能交通系统项目规划”，明确规定了智能交通系统的7 大领域( 即基 本系统) 和2 9 个用户服务功能( 即子系统) ，并确定了到2 0 0 5 年的年度开发计划， 其部分研究成果已达到了实用化阶段【4 。 日本i t s 研究的一个显著特点就是政府有关各部门共同参与，密切合作，以 保证在技术发展过程中没有遗漏。日本政府在i t s 领域进行了大量的资金、政策 等方面的投入，以期形成i t s 产业推动日本经济发展。日本从2 0 世纪8 0 年代中 期至9 0 年代中期，相继完成了路车之间的通信系统j 先进的管理交通信息控制 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 统及新交通管理系统等。1 9 9 6 年后又由多部门联合提出“智能车智能路智能枢 纽”的概念，以推动包括先进交通管理系统、不停车道路电子收费系统、安全驾 驶系统、动态实时交通引导系统在内的核心技术的发展。在过去的5 至6 年的时 第一章绪论 间里，已经有近4 0 0 万套车内导航系统在市场上应用。日本目前的智能交通更重 视的是提高交通管理水平，先后研制开发了交通控制优化系统、公共交通援助系 统等交通管理系统。到2 0 1 0 年，日本i t s 将发展到一个较高的水平，不仅车载 系统和设备会大量增加并不断完善，汽车自动驾驶系统将得到逐步推广，使交通 系统更为安全和舒适【5 】。 欧洲在i t s 应用方面的进展介于日本和美国之间。欧洲的i t s 研究开发由官 方( 主要是欧盟) 与民间并行进行，与欧盟的交通运输一体化建设进程紧密联系在 一起。1 9 6 9 年欧共体委员会就提出要在成员国之间开展交通控制电子技术的演 示。自1 9 8 6 年以来，西欧国家主要是在“欧洲高效安全交通系统计划 ( p r o m e t h e u s ) ”和“保障车辆安全的欧洲道路基础设施计划( d r i v e ) ”两大计 划指导下开展i t s 领域的研究、开发与应用。p r o m e t h e u s 计划已于1 9 9 4 年 结束，d r i v e 计划目前已进入第三阶段，主要围绕道路交通运输、航空运输、 铁路运输和水路运输、多方式联合运输进行综合性研究开发【6 。 除了欧、美、日以外，新兴的工业国家和发展中国家也开始i t s 的全面开发。 在亚太地区，由于城市人口密度大和汽车数量的急剧增多而造成的交通问题尤其 严重。为解决这些问题，许多国家和地区，如马来西亚、新加坡、香港等，都安 装了电子收费系统( e t c ) ，其他国家也开展了类似的工作【7 】。 由各国的i t s 开发领域可以看出，未来的智能交通系统将使目前道路交通系 统存在的种种问题得以解决或大大缓解。而且，i t s 的开发也将以诸多信息通信、 汽车方面的新技术开发为支柱，创造出众多的新兴产业，进而形成巨大的市场。 根据日本道路交通车辆智能化推进协议会的预算，仅就导航系统的开发，到 目前就已创造出2 0 亿美元规模的市场。随着今后i t s 的推进，以车载装置为主， 在信息收集机器、信息发送机器等电子、通信、汽车领域，今后2 0 年预计i t s 整体将创造出5 0 0 0 亿美元的巨大市场。 1 3 2 国内发展趋势 我国的i t s 研究始于2 0 世纪7 0 年代。到2 0 世纪末，我国在智能运输系统 方面开展的工作如表1 1 所示。 目前，i t s 的国际标准尚未出台，我国在智能交通标准制定方面起步较晚。 我国智能交通系统标准体系主要对全国或区域内有兼容性要求的术语、编码、接 口、产品和服务制定标准【8 】，其结构层次如图1 1 。我国智能交通系统标准体系 结构划分为两层，上层为智能交通系统通用标准，下层为分系统标准。通用标准 层包括术语及定义、基础信息分类编码及表述、数字地图及定位三部分；分系统 标准层包括六部分，即专用通信、信息服务、交通与紧急事件管理、电子收费、 第一章绪论 综合运输及运输管理、车辆辅助驾驶与自动公路及辅助驾驶。 表1 1 我国历年来年i t s 研究状况表 年代 理论和应用理论研究应用技术研究 7 0 年代中至交通流理论点、线、面控计算机软件 8 0 年代初交通工程学北京前一门交通控制试验系统 城市路口自动控制天津线控、面控试验系统 数学模型信号机、检测器开发 8 0 年代中至高速公路监控系统数学模型天津疏港公路交通工程技术研究 9 0 年代初交通阻塞自动判断模型 可变情报板、可变限速标志通信适配器 标志和标线视认性通信控制器、大型地图板、紧急电话的研制 驾驶心理城市交通管理系统( 南京) 广佛高速公路监控系统 交通安全设施标准 交通和气象数据采集设备的研制 道路和桥梁管理系统 电子收费系统和不停车收费的试验 交通工程c a d 9 0 年代中至道路通行能力的研究i t s 发展战略研究 2 0 世纪末 公路使用者效益分析 北京、一环路监控系统 g i s 在公路信息系统中的应用研究和开发 公路货运站场及运输网络系统关键技术研究 1 0 0 l 1 0 0 智能交通系统通用标准i相关标准 i l o l1 0 2 1 0 3 术语及定义基础信息分类编码及表述 数字地图及定位 j 2 0 0 1 2 0 0 分系统标准l相关标准 2 0 12 0 32 0 5 专用通信交通与紧急事件管理综合运输及运输管理 2 0 22 0 4 2 0 6 信息服务 电子收费 车辆辅助驾驶与自动公路 图1 - 1 我国的i t s 标准体系结构层次图 2 0 0 3 年9 月1 6 日，国家标准化管理委员批准正式成立“全国智能运输系统 标准化技术委员会”。标委会国内编号为s a c t c 2 6 8 ，对应国际标准化组织智能 运输系统技术委员会( i s o t c 2 0 4 ) ，我国标准化工作与国际接轨的步伐必将全面 加快。目前，我国i t s 标准体系共有标准3 2 6 项，但其中已经制定的标准不到 1 0 ，尚有大量的工作需要完成【9 】【10 1 。由此可见，智能交通系统标准化工作任重 道远。 我国目前i t s 的研究基本集中在5 个方面，分别为交通监控与管理、信息服 第一章绪论 务、安全保障、电子收费、运输管理，其中包含了公交信息服务、公交电子收费、 公交车紧急抢修等重要内容。 1 4 论文的主要工作与创新点 智能交通系统是交通工程与智能系统的结合体，为实现整个交通系统的动态 优化运行，需要对采集到的各类交通信息进行有效整合与高效处理，因此信息处 理技术是智能交通系统研究的核心内容。论文的主要工作是研究智能交通系统的 一些信息处理关键技术，包括以下四个方面t 1 ) 车牌字符识别算法。研究和比较了现有算法，针对它们普遍存在的算法复杂 度与抗干扰性能和识别率不能兼顾的问题，在对脉冲耦合神经网络( p c n n ) 进行深入分析研究的基础上，提出一种基于p c n n 的车牌字符识别算法。 2 ) 车体定位算法。通过研究和比较，发现常用的车体定位算法的抗阴影干扰能 力差，而且只能对包含单部车辆的图像进行处理；在对基于相位一致性的图 像特征检测算法的研究基础上，提出基于相位信息的边缘投影算法用于车体 定位，能够有效地解决这些问题。 3 、) 检测线式视频车辆检测算法。在基于检测线的视频车辆检测算法中，由于仅 利用检测线上像素的亮度信息，使得某些情况下认假率和拒真率较高；为此， 在分析算法原理和对道路图像统计数据的基础上，对此算法进行了改进，采 用两级检测方式，既利用了亮度信息又利用了色度信息，检测结果更为准确。 4 ) 视频交通检测系统设计方法。目前常用的视频交通检测系统一般采用基于p c 机的视频卡，使得视频前端较为复杂，稳定可靠性不高，价格昂贵，实时性 不够，操作较为繁琐。为此，在对嵌入式系统的软硬件设计方法进行大量研 究的基础上，提出基于a r m + d s p 的双核嵌入式视频交通检测系统设计方 案。 论文的创新点主要有以下四个方面： 1 ) 提出基于脉冲耦合神经网络( p c n n ) 的车牌字符识别算法，首次将p c n n 应 用于车牌字符识别算法中。算法的基本内容为：以简化p c n n 模型为基础， 基于三种不同的图像特征建立p c n n 车牌字符识别器，实现对数字、字母和 汉字的识别。实验结果表明，与传统的b p 神经网络算法相比，此算法总体 识别率更高，容错性更好，鲁棒性和稳定性更强，使用更加方便灵活，并能 满足实际应用中对识别速度的要求。 2 ) 提出基于相位信息的边缘投影车体定位算法。基本内容为：将车辆图像减去 背景图像后取绝对值得到差值图像，将它的h s v 色彩空间的信息与r g b 空 第一章绪论 间的信息相结合，通过利用小波滤波器组检测到的相位一致性进行车辆边缘 检测，然后对检测结果图像进行投影，定位边缘区域的边界，并进行车体区 域判别处理。实验结果表明，与常用的车体定位算法相比，此算法受图像亮 度、对比度、噪声和车辆阴影的影响比较小，而且适用于包含多部车辆的图 像，能对图像中的所有车辆同时进行准确定位。 3 ) 提出改进型检测线式视频车辆检测算法。改进型算法采用两级检测：首先利 用亮度信息进行检测，如检测到车辆则用移动阴影去除算法进行处理；否则 利用色差信号进行存在检测，如果检测结果均为无车，则判定检测线上不存 在车辆，此帧图像检测结束；如果检测结果中至少有一个为有车，则将利用 色度信息根据像素颜色修改亮度阈值再次进行检测。在背景估计和背景阈值 建立前和存在检测时，在不同色彩空间内对检测线上像素信息进行均值滤波 和中值滤波，去除噪声影响。根据视频图像帧的特点，在求纵向检测线和背 景之间的m a d 时，仅使用其中奇数行或偶数行像素信息，在不降低运算精 度的前提下简化计算。实验结果表明，此算法能够有效提高车辆检测的准确 率，降低拒真率和认假率。与原算法相比，改进型算法具有更高的精确度、 相似的计算复杂度，满足实时性要求。 4 ) 提出一种新型的基于a r m + d s p 双核体系结构的嵌入式视频交通检测系统 设计方案，通过两个系统单元间通信接口的硬件连接方案和驱动程序的设 计，将3 2 位嵌入式微处理器a r m 与数字信号处理器d s p 相结合，充分体 现了双微处理器系统的优势。与常用的视频交通检测系统相比，此系统具有 体积小、功耗低、成本低、稳定性好、操作方便、界面友好等优点，而且满 足实时性要求。它支持基于t c p i p 的网络互联，以太网接口数据传输的速 率快，数据带宽可达1 0 m b s ；它可以作为一个通用的视频检测的硬件平台， 实现多种检测算法，具有很好的可扩展性，容易在此基础上进行二次开发。 该系统能够实时地计算交通信息参数，并实现图像和数据的网络传输，具有 强大的视频处理能力和网络功能，进行s o c k e t 通信的可靠性高。本设计还可 以在i p 语音、信号与频谱分析、数据通信等领域应用于对数据量处理要求 较高的网络系统。 1 5 论文的章节安排 全文共分为六章。 论文第一章为绪论，主要包括智能交通系统的概括、智能交通系统的组成、 国内外智能交通系统的发展趋势，以及论文的主要工作和创新点以及论文的章节 第一章绪论 安排。 第二章提出一种基于p c n n 的车牌字符识别算法，首先对车牌识别技术以 及p c n n 基本原理进行了简单介绍，然后重点介绍了基于p c n n 的车牌字符识 别算法的内容，给出了实验仿真结果并且进行了分析； 第三章提出一种基于相位信息的边缘投影算法，用于道路视频图像中的车体 定位：首先介绍了车体定位算法的研究现状，然后介绍利用相位一致性检测图像 边缘的原理和利用l o gg a b o r 小波滤波器组计算图像相位一致性的方法，重点介 绍了利用检测到的车体边缘通过投影算法进行车体定位的流程，给出了实验仿真 结果并进行了分析； 第四章提出改进型检测线式视频车辆检测算法，先介绍了视频检测技术的研 究概况和虚拟检测线式视频车辆检测算法，然后给出了改进型虚拟检测线式算法 的流程，最后列出了实验结果； 第五章提出基于a r m + d s p 双核嵌入式视频交通检测系统的设计方案，包 括硬件设计和软件设计两个方面，硬件方面介绍了a r m 和d s p 硬件连接方法， 软件方面介绍了交叉开发环境的建立，a r m l i n u x 嵌入式操作系统的移植方法， 驱动程序和应用程序的开发过程，并且给出了部分关键源代码。 第六章是结论与展望，对论文所做的工作进行了总结，分析了其中的优缺点， 并对相关问题进行了展望。 第二章基于p c n n 的车牌字符识别算法 第二章基于p c n n 的车牌字符识别算法 在车辆牌照识别系统中，车牌字符识别子系统是核心部分。本章基于新一代 神经网络一脉冲耦合神经网络( p c t , r n ) 模型，提出一种新的车牌字符识别算法， 首次将p c n n 应用于车牌字符识别算法中。此算法利用p c n n 提取字符图像的 三种特征，根据特征进行投票，从而进行字符识别。实验结果表明，相对于传统 的b p 神经网络，此算法总体识别率更高，容错性更好，鲁棒性和稳定性更强， 使用更加方便灵活，并能满足实际应用中对识别速度的要求。 2 1 车牌识别技术概述 2 1 1 车牌识别技术研究的目的与意义 在智能交通系统中，交通信息服务系统是重要的组成部分，也是整个智能交 通系统顺利运作的关键和基础。车辆牌照识另j j ( l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o n ，l p r ) 技 术作为交通信息服务系统的重要手段，其任务是从一副图像中自动提取车牌图 像，自动分割字符图像，进而对字符进行正确识别，以达到识别车辆的目的。 随着计算机视频技术和模式识别技术的发展，车辆牌照识别系统已成为智能 交通系统的重要组成部分，在交通控制和监视中有着广泛的应用，在高速公路、 城市交通和停车场等项目的管理中也占有无可取代的重要地位【n 】。同时，由于 l p r 系统能对输入的汽车图像加以处理和识别，输出几个字符大小的字符串，无 论在存储空间的占用上还是在与数据库的连接上都具有无可比拟的优越性，因此 从事l p r 技术的研究具有极其重要的现实意义。同时，汽车牌照识别的方法还 可应用到其他检测和识别领域。所以汽车牌照的识别问题己成为现代交通工程领 域中研究的重点和热点问题之一。 车辆牌照识别( 简称车牌识别) 系统是一个比较典型的二维计算机视觉系统， 主要进行图像的实时采集、处理和分析，属于图像工程的范畴，是计算机视觉与 模式识别技术在智能交通领域应用的重要研究课题之一。车牌识别的学术研究价 值在于目标对象变化较大，要提出一种能够适应各类光照环境下有形目标的鲁棒 性较强的识别方法和思想，才能取得较好的识别结果。 虽然许多国家都致力于l p r 系统的研究与开发，但是仍未达到完全实用化 的要求。所以研制和开发出符合我国车牌特点的高效、实用的l p r 系统，将具 有深远的意义。 第二章基于p c n n 的车牌字符识别算法 2 1 2 车辆牌照识别系统应用现状 车辆牌照识别系统的应用研究工作开始于二十世纪8 0 年代后期和9 0 年代初 期，中国、日本，美国和欧洲大陆同时开始了这项研究f 1 2 1 1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 6 1 。目前，随 着交通问题的尖锐化，各国都在这个领域投入了大量的人力、物力和财力。 从开发出的产品而言，国内外现有一些类似产品，如以色列h i t e c h 公司的 s e e c a rs y s t e m 系列产品，香港a s i a v i s i o nt e c h n o l o g y 公司的v e c o n 产品，新 加坡o p t a s i a 公司的v l p r s 产品等。其中v e c o n 和v l p r s 产品主要适合于香 港和新加坡的车牌，ht e c h 公司的s e e c a rs y s t e m 有多种的变形产品来分别适 应某一个国家的车牌，s e e c a rc h i n e s e 系统可以对中国大陆的车牌进行识别，但 也有很大的缺陷，而且不能识别车牌中的汉字。另外日本、加拿大、德国、意大 利、英国等各个西方发达国家都有适合于本国车牌的识别系统。各个国家的产品 虽然不同，但基本上都是基于车辆探测器的系统，设备投资巨大。 实际使用的车辆牌照识别系统己经达到了一定的识别率，但是在天气差的情 况下或夜晚时，识别率就会明显降低，在实用化方面并不能让人满意。其中一个 主要原因是采集到的图像和用扫描仪扫描的图像相比，质量不理想，而图像质量 对于车牌识别系统的性能具有很大的影响，这不单是技术本身的问题，而是各种 因素都有。影响车牌识别准确度的另一个主要因素与车牌识别系统中所采用的各 种算法有关。 2 1 3 车牌识别系统工作流程 l p r 系统主要由三部分组成：车牌定位子系统、车牌字符分割子系统和车牌 字符识别子系统。系统工作流程图如图2 1 所示，将图像通过视频卡输入计算机 进行预处理以改善图像的质量，再由车牌定位子系统对牌照进行搜索、检测然后 定位，确定包含牌照字符的矩形区域，然后由车牌字符分割子系统对牌照字符进 行二值化并将其分割为单个字符，对字符进行规一化后输入字符识别子系统进行 识别。在l p