（通信与信息系统专业论文）基于视频的车辆违章行为的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着城市道路资源与车辆数的比例日趋不均，出行遭遇道路拥堵已成为常 事。而机动车驾驶者违反交通法规非法变道抢道更是雪上加霜，易造成道路口 的梗死。为此，监控成为了日常交通管理的一项重要举措。除了交警在上下班 高峰时间人为疏导交通流之外，现代机器视觉技术的成熟也为监控手段的多层 次系统化带来了福音。包括调控处理中心、信息传输网络、信息采集设备在内 的整个监管系统是交通电子警的主要组成部分。其中，采用电磁感应线圈和视 频抓拍两种手段是现有比较普遍的两种检测方法。简单超速抓捕的目的在于记 录静态图像，而视频拍摄则采用计算机视觉算法对当前视频进行处理并得出车 流车辆等的具体信息。 本文就视频图像处理算法在车辆违章行为检测中的应用进行了研究。全面 论述了自适应背景的构造、移动车辆的提取以及运动阴影的去除。最后，文章 就车牌定位进行了讨论。 算法的实现均基于色彩空间。首先，通过a l p h a 叠加技术在r g b 空间中实 现了自适应色彩背景的构造，建立了实时更新的背景。然后，在r g b 色彩空间 中，选取背景帧与目标帧间对应像素的欧式距离作为特征向量，提取车辆及其 阴影。由于阴影的存在会产生误判，为此，算法选取h s i 空间的特征向量提取 阴影，并通过统计的方法提高阴影去除方法的鲁棒性。文章最后的车牌定位选 取了相应的结构元素，通过图像形态学的膨胀运算、腐蚀运算、开运算以及闭 运算加以实现了车牌定位。 最后对了论文作了总结和展望，在展望中提出了有待解决的问题，以及一 些新的思路和方法。 关键词：车辆检测、a l p h a 技术、r g b 空间、h s v 空间、车牌定位 v 圭童奎兰堡主兰垡垒奎 - _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ _ - - - - - - - _ _ _ _ _ - - _ - _ - _ - _ _ _ - i - _ - - _ i _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ l - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ 一一 a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h eo u t - g r o w i n go fv e h i c l e sa n dl i m i t e dc i t yt r a f f i cr e s o u r c e s ，i ti sn o w o n d e rt o g oi n t oa 舰f j a m s o m e t i m e s ，t h ev e h i c l e s v i o l a t i o no fr u l e sm a k e si te v e nw o r s e d e e p m e a s u r ei sc a l l e dt om a n a g et h ed a i l yt r a f f i c a d d i t i o nt ot h ee f f o r t sm a d eb yt h et r a f f i cp o l i c e ， m o d e r nm o n i t o r i n gm a c h i n eh a sa l s ob e c o m ea ni m p o r t a n tw a yt oc o n t r o lt h eb u s ys t r e a m t h e e l e c t r i c a lp o l i c ec o n s i s to fs e v e r a lc r i t i c a lp a r t s i n c l u d ec o n t r o lc e n t e r , i n f o n n a t i o nt r a n s p o r t a t i o n n e t w o r k s ，i n f o r m a t i o nc o l l e c td e v i c e s a m o n ga l l ，e l e c t r o m a g n e t i s me x c e s s i v es p e e dg r a s p s s y s t e ma n dv i d e os y s t e mi st w oe f f e c t i v ew a yt oj u d g i n gw h e t h e rt h ev i o l a t i o na c t i o nh a p p e n so r n o t t h ef n s to n ef o c u s e so ne x c e s s i v es p e e d 珊m el a t e ri sa b l et og i v eap a r t i c u l a rc h a r to ft h e c r o s s r o a d si n f o r m a t i o na n ds oo n t h s ip a p e rm a d ear e s e a r c ho nv e h i c l e s v i o l a t i o no fr u l e sb a s e do nv i d e os e q u e n c e s i t m a i n l yd i s c u s s e dt h ec o n s t r u c t i o no ft h ea d a p t i v eb a c k g r o u n d ，t h ea b s t r a c t i o no fm o v i n gv e h i c l e s a n dt h ew a yo fw i p i n go u tt h es h a d o wa sw e l l a l s o ，i tg i v e sab r i e ft a l ko nm e t h o d so fl i c e n s e l o c a t i o n a l g o r i t h m sa r eb a s e do nt h er e a l i z a t i o no fc o l o rs p a c e f i r s t l y , t h r o u g ha l p h as u p e r p o s i t i o n t e c h n o l o g yi nr g bs p a c e ，i tm a n a g e dt oe s t a b l i s ha l la d a p t i v er e a l - t i m eb a c k g r o u n d t h e n ，i n t h er g bc o l o rs p a c e t h ee u c l i d e a nd i s t a n c ei sc o m p u t e df o rr g bc o l o rs p a c ea n df e a t u r e v e c t o r sa r ec o n s t r u c t e di nh s is p a c et or e a l i z et h es h a d o ws e g m e n t a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h e r o b u s t n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m ，as t a t i s t i cm o d e li sf o r m e d ，a n dt h et h e o r yr e g i o n g r o w i n gi si n t r o d u c e dt oa v o i dt h ee r r o rd e c i s i o n sm a d eb yt h ev e h i c l e so fs i m i l a rc o l o rt ot h e s h a d o w t h er e s u l to fe x p e r i m e n t st u r n so u tt os h o wt h a ti tc a nf i g u r eo u tt h es h a d o we f f e c t i v e l y t h el a s tp a r to ft h ep a p e r , l o c a t i o no fl i c e n s es e l e c t e dc o r r e s p o n d i n gs t r u c t u r ee l e m e n t ， t h r o u g ht h ee x p a n s i o n , e r o d i n gc o m p u t i n g ，c l o s i n ga n do p e no p e r a t i o no ft h ei m a g em o r p h o l o g y t oa c h i e v et h ep l a t el o c a t i o n f i n a l l y , 血ec o n c l u s i o na n dv i e wo ft h ep a p e rh a sb e e ns u m m a r i z e d a i s os o m ew a ya n d i d e a sh a v eb e e np r e s e n t e d k e y w o r d s ：v e h i c l ed e t e c t i o n ，a l p h at e c h n o l o g y , r g bs p a c e , h s vs p a c e ，p o s i t i o n i n gp l a t e s v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名： ! 搬e l 期： 主型：! ：丝 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：逝导师签名：降日期： i i 勿矿7 夕 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 i t s n l ( 智能交通系统) 是近年出现的交通技术新概念，其特点是以交通工程 的理论为核心。系统地运用现代信息技术和控制技术以显著提高交通基础设施 的使用效率。它不仅可以大大减少交通出行的盲目性，而且可以为相关产业提 供一个庞大的市场，带动相关产业的迅速发展。对于该系统的研究主要包括如 下几个方面：先进的交通管理系统、先进的车辆控制系统、先进的商业车辆运 营系统、先进的公共交通系统以及先进的郊区运输系统等。 随着智能化交通在我国的深入运用于推广，在该领域涌现出越来越多的新 技术。它在为现代化的运输带来了便捷的同时，更新了原有的交通检测及诱导 等系统，从而节约了人力资源。 作为i t s 整个系统的信息来源基础，多年来人们开发和采取了多种信息采 集的设备和手段，如车流辆检测和车辆信息监测等电子交通警察。目前，车辆 检测技术主要有环型线圈检测技术、远程交通微波检测技术、视频检测技术等。 视频检测技术作为一项较成熟的技术，具有设备架设简便、识别率高、便于保 存现场等优点。 本课题旨在探索如何提高视频检测技术的实时性与识别率，通过在高架上 闸道口架设的现场检测设备，实现对车辆的违规行为进行鲁棒检测。 1 2 国外研究概况 许多发达国家近年来投入了大量的人力、物力和财力对先进的交通信息系 统进行研究、试验和开发。下面就欧洲、美国及日本等一些国家有代表性的a t i s 作简要介绍。 欧洲的代表性系统【2 】有：s o c r a t e s 、e u r os c o u t 、t r a 伍c r n a s t e , 。 s o c r a t e s 是一种有效发挥传统的蜂窝无线电话的基础设施( 地面站) 的作用， 使交通指挥中心与行驶中车辆进行双向通信的系统，它的下行线路可通过“广播 方式”向行驶在各种地面站的网络内的装有s o c r a t e s 车载装置的车辆提供道 上海大学硕士学位论文 路交通状况的详细数字信息。上行线路利用多频存取协议经过基地台向交通指 挥中心发送信息。e u r os c o u t 是以红外线信标为媒体的动态路线引导系统。 车辆和信标间的红外线通信是双向进行的，汽车就变为一个探头，将旅行时间、 排队等候时间及o d 信息等交通信息数据传输给中央引导计算机。t r a f f i c m a s t e r 是以伦敦为中心的广范围高速公路使用的系统，采用传呼机网络提供交通信息。 收集高速公路交通状况数据的传感器向前后方向发两条红外线光束，并根据各 光速在车上的反射波时间差检测车辆的速度。 美国的代表性系统 3 】：t r a v t e k 、a d v a n c e 、f a s t t r a c 。t r a v t e k 以实时路线引导和服务信息系统实用化为目的，由交通管理中心、信息与服务 中心、装有导航装置的车辆组成。交通管理中心进行道路交通信息的收集、管 理及提供，同时还进行系统运行所必需的信息管理和提供；信息服务中心收集 观光设施、旅馆、饭店等为对象的各种服务信息；车载导航装置由车辆位置测 定、路线选择及接口3 种功能构成，可显示交通堵塞地段、事故及施工等信息 的奥兰多地区的地图、按驾驶员需要进行的路线引导及提供服务的文字信息等。 a d v a n c e 通过电波的双向通信直接将车载导航装置和交通管制中心连通，导 航装置由接触式屏幕、显示器及导航计算机构成。输入最终目的地便可利用最 新交通信息计算最佳路线。路线引导是采用声音合成及显示器上的符号指示的 形式。f a s t t r a c 是把先进交通管理系统( a 1 m s ) 和先进交通信息系统( a t i s ) 技术组合在一起的i t s 项目，它计划进行使实验车辆与信息控制方式统一的试 验，亦即根据车辆测量的等候时间等使信号控制和绿色信号实现最佳化。 日本的代表性系统【4 】有v i c s 和a t i s 。v i c s 中心通过日本道路交通通信 中心汇总交通管理者和道路管理者双方的交通信息。由v i c s 提供的信息有： 交通堵塞信息、所需时间信息、交通障碍信息、交通管制信息和停车场信息5 种。a t i s 是先进的交通信息服务系统，它的通信媒体是电话线路( 无线、有线) 。 交通信息利用者通过车上装载的导航装置或自己家及办公室的微机，可按需要 接收多媒体的地图信息和文字信息。 1 3 国内研究现状 随着中国城市化步伐的加快，对道路的运输能力提出非常严峻的挑战。特 2 上海大学硕士学位论文 别是上下班高峰时间，道路易造成堵塞，对此，i t s 的运用对国内交通管理有 着非常重要的意义。在9 0 年代初，我国学者已经开始关注国际上i t s 的发展， 并参加了i t s 世界会议的指导委员会和国际标准化组织的部分工作。尤其在 1 9 9 5 年之后，关于i t s 的研究和试验、国际交流日益频繁。交通部也将i t s 列 入了“九五 科技发展计划和2 0 1 0 年长期规划中。同时，交通部公路科学研究 所成立了i t s 工程研究中心，许多高校也成立了i t s 研究中心，进行我国的i t s 研究。针对造成道路拥堵的几个因素，采取了各种疏通手段。在上海，采取增 设轨道交通分散人流，提高地铁车辆的实际运行数；并通过控制车牌上照等策 略限制车辆数。另外，对于每个关键路口，架设各种监控设备，如常用的视频 检测摄像头，测速系统等。这些努力将为交通的正常运行带来福音。 1 4 论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章中阐 述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。第二章介绍了现有 电子检测系统，包括电磁感应线圈法和视频法，并分别就两种检测方法进行了 举例分析。另外，由于本算法通过色彩域内的特征向量进行图像处理，因此， 第二章也简要论述了v 空间、r g b 色彩空间以及h s i 色彩空间的基本概念， 并给出了这三者的转换方法。 本文的第三章讨论了在r g b 色彩空间中有效建立实时彩色背景的方法，并 就灰度域中的典型方法进行了详细的举例分析。第四章作为本文的重点，结合 区域生长和色彩分割理论详细论述了移动车辆阴影的提取方法，以及存在近似 颜色车辆的情况下，如何提高算法可靠性。在本文第五章中，就车牌定位进行 了一些研究，如结构元素的选取，并通过图像形态学的膨胀运算、腐蚀运算、 开运算以及闭运算加以实现了车牌定位。 最后第六章，对全文进行了总结，展望了今后的研究工作。 本文的主要创新点和贡献在于： ( 1 )在色彩域中建立可更新自适应背景。将每个像素在r g b 空间中定 义为( r ，c , b ，a l p h a ) ，利用彩色图像的透明属性实现彩色图像的叠加运 3 上海大学硕士学位论文 算，为背景剪除法提供比较平面。 ( 2 )通过r g b h s i 空间二次实现阴影提取后，运用像素间的空间位置 信息去除车辆与背景近似无法剪除的干扰。引入区域生长理论，将待分 割的阴影点进行标记，实现色彩图像的区域生长。统计所有区域的像素 数达到去除小块区域假阴影区的目的。建立车辆的统计模型，分割阴影 区域与车体近似色部分。 4 上海大学硕士学位论文 第二章i t s 智能交通系统 智能交通系统对于管理现代交通有着其得天独厚的优越性。信息的集成性 及导向性为引导交通流，疏导交通做出了实质性的贡献。作为一股流动的新鲜 血液，i t s 实时信息服务提高了双向的服务质量。一方面，其高速监控网络为 稽查部门提供路况简报，另一方面，它也为使用道路的用户提供可靠的出行信 息，有效地提高道路的运载能力。前端包括红外线监控、地面电磁感应系统及 视频监视系统则是该网络的信息来源部分。所有的图片信息，车流资料都通过 这些系统加以采集。这一举措通过提高机动车驾驶员的自觉性降低了稽查部门 的工作强度，掌握了车流信息，便于区域统筹安排。 电子监测系统为智能交通系统的良好运作提供了可靠的信息采集平台，包 括电子感应线圈、电子监控摄像在内的多种检测手段的应用时的多样化的信息 得以有效地服务于处理中心。针对超速行为的电磁感应线圈法通过脉冲计算车 速判断超速行为，另外，通过视频算法对实时采集的交通信息进行分析也为路 口数据的收集提供了有力的支持。本文分别在r g b 、h s i 色彩域中建立特征向 量，就色彩域中的交通视频分析进行了讨论。本章给出了这些色彩域的基本理 论、转换方式，以及y u v 的采样方式。 2 1i t s 智能交通系统概述 随着社会经济的不断发展和人们生活水平的普遍提高，整个社会对交通出 行的需求日益增加。虽然世界各国政府已经或是正在大量投入财力改善交通基 础设施，但交通状况恶化及其伴生的安全事故、环境污染等一系列问题越来越 困扰着有关政府当局。交通运输对经济发展的制约作用不同程度地普遍存在于 每个国家和地区，如何解决大城市周围地区交通拥挤和堵塞现象几乎成了最为 棘手的难题之一。 交通量的持续增长是造成这种状况的最根本原因，而传统的解决途径主要 有两个：一是加大交通基础设施建设的投入，但资金、土地等稀缺资源的有限 性又是不可回避的问题，道路基础设施是不可能无限扩展的；另一个就是限制 5 上海大学硕士学位论文 交通流量，主要是通过法律和行政的手段实现。这又分两个方面：一是控制车 辆出行，如按车牌单、双号分别行驶，或是鼓励和发展公共交通，减少私家车 的使用，美国等西方国家早在很多年前已在一些交通繁忙路段实施鼓励两人以 上的车辆优先行驶的规定；再就是控制汽车保有量，以高额的税、费甚至控制 上牌等来限制汽车数量的发展。这些方法短期可以奏效，但有失公平、合理。 如何更有效地使用现有交通运输网络是人们试图寻找更好地解决上述问题的重 要途径之一。人们希望通过增加技术含量的方法提高现有道路的利用率，提高 道路交通的安全程度和道路使用的舒适性，智能交通系统o t s ) 因此应运而生。 2 1 1i t s 的基本概念 “智能交通系统【5 】 ( 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 ) ， 英语缩写为i t s 。 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软件处理技 术等有效的集成运用整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位 发挥作用的高效、便捷、安全、环保、舒适、实时、准确的综合交通运输管理 系统。是一种提高交通系统的运行效率、减少交通事故、降低环境污染、信息 化、智能化、社会化、人性化的新型交通运输系统。它将有助于最大程度地发 挥交通基础设施的效能，提高交通运输系统的运行效率和服务水平，为公众 提供高效、安全、便捷、舒适的出行服务。 从国际上i t s 的发展历史来看，起步于6 卜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 ，重点强调的是系统性、信息交流的交互性及服务的广泛性。核心技术 是电子技术、信息技术、通信技术和系统工程。 智能交通系统是由多个功能模块合成，并允许信息互通的信息交互系统。 例如，日本智能交通系统结构可以由9 个子系统来实现，而且这9 个子系统之 间以及子系统和使用者、环境之间存在着相互作用。系统框图如图2 1 所示【4 】 6 上海大学硕士学位论文 智能交通系统 糊的导航系统- c 嚣篇篓嚣掰息 r 提供驾驶和道路状况信息 安全驾驶辅助卜一危险警报 i _ 一驾驶辅助服务 l 自动高速公路系统 交通管理优化- - e 嚣墨等薹罂娑通限制信息 增加道路管袭的 广改进维修运行 效率 + 管理具有特许权的商务车辆 l 一提供快车道危险信息 公共交通支持l - 恭簇妻翌曩鼻和运行管理 黯襄辈车辆 芸冀荔吾蒜墨髓 行人安全支持广堡冬塑堡导堕 行支持l 鬃急事故车辆路线导航、曩解行为的支持 利用先进信息和远程通信社区的信息服务 图2 一1 日本智能交通系统 智能交通系统大体包括以下子系统【6 】： l 、交通信息提供系统( a m i s ) ；2 、公共车辆优先系统( p t p s ) ；3 、车辆运行 管理系统( m o c s ) - 4 、环境保护系统( e p m s ) ；5 、安全驾驶辅助系统( d s s s ) 6 、 紧急状态通报系统( h e l p ) ；7 、行人信息通信系统( p i c s ) ；8 、紧急车辆优先系 统( f a s t ) ：9 、动态路径诱导系统( d r g s ) ；1 0 、综合智能图像系统( i i i s ) 智能交通的功能包括： 顺畅功能：增加交通的机动性，提高运营效率；提高道路网的通行能力， 提高设施效率；调控交通需求。 安全功能：提高交通的安全水平，降低事故的可能性，避免事故；减轻事 故的损害程度；防止事故后灾难的扩大。 节能环保的功能：减少汽车的能源损耗和公害，降低汽车运输对环境的破 坏。 智能交通的服务内容有： l 、安全行车服务 在车辆行驶过程中，车内的各种传感器可自动告诉司机所处行车环境的各 种信息，及时向司机提出警告并帮助司机摆脱潜在的危险。在交通拥挤地段，车 辆只能顺序行驶，以减少碰撞与交通事故。在学校、居民区等地段，司机可以 7 上海大学硕士学位论文 通过按动车内的车速自动控制按扭，将行驶车速控制在允许的范围之内。 2 、减少交通阻塞，提高交通安全与i t s 控制中心相连的路况监控设备对路 网交通状况进行实时监控，借助人工智能的帮助，控制中心将所连续监控的路 网信息进行整合处理，从而提出整个路网的优化运行方案。与此同时，司机接 受到与路网优化运行方案相应的引导信息。他可以根据引导信息选择行车路线、 从而大幅度提高现有路网基础设施的使用效率和安全性。 3 、出行者信息服务 在家中或在任何地方的人均可使用个人出行帮助系统来获得自己所需的相 关信息，以帮助他选择出符合其出行预算和时间要求的交通工具与出行路线； 在行程中，导航系统将引导司机到达目的地，司机将不断地接受到前方有关交 通状况的信息。司机与外界完全相通，出行变得容易、安全和舒适。交通信息 数字化很容易与其他服务系统一体化，在进入一城市前，司机被预先告之停车 场位置以及如何与公交相接，他可以预定停车位；其移动通讯可以直接进入 i n t e r n e t 网，自动访问所选择服务( 如餐厅、旅馆等) 的站点。另外，通过与相邻 交通区域信息的交互，交通管理水平将会有很大提高。 4 、高效的快速应急服务 在出现紧急状况时，i t s 可以对事故发生地进行迅速与精确的定位，并且 可以根据出事车辆传感器所提供数据，选择合适的应急设备，从而最大限度地 拯救人的生命。 5 、高质量低成本的快速运输 i t s 强大的网络效能可以给整个社会提供高质量低成本的快速运输。一方 面，运营者可以运用i t s 综合不同的运输模式，选择出能够及时运抵货物的最 低成本的承运方案，并据此向货主提供承运报价；另一方面货主可以根据不同 运营者各自的承运方案与报价进行合理选择。另外，在承运过程中，被运货物 始终由电子标签进行追踪，同时，承运者还可以根据货主需要随时改变货运路 线及其目的地。 6 、方便快捷的支付手段 作为无现金社会的扩展，交通运输服务要求实现更加方便快捷的电子支付 手段。智能卡将被广泛用来支付过路费及停车费等，从而代替现金支付。当车 辆处于行驶过程中时，可以通过用户与i t s 支付中心可靠的无线通讯来完成交 上海大学硕士学位论文 2 2 2lt s 应用举例 i t s 具备强大的交通采集功能，表2 1 提供了一部分i t s 的采集信息，它可 以为交通管理部门提供宏观车辆交叉口、道路信息等路网信息，以及车辆违章、 道路事故等事件信息，这些信息通过多层数据融合将为高级指挥层面提供有效 的数据保障。而对道路实施的监控手段各异，如表，有闯红灯检测系统、电视 监控系统等。 表2 - 1i t s 子系统应用举例 公安局公安局公安局公安局 公安局公安局公文公司市破府交通委员会 特制1 燃黝髻嚣熊群麟嚣嚣揪麓差 息系统检测系统警系统。：。z 鼍：? 拉系统度系统辱系统= 0 善竺 1聃尝臣 地理信 路网 路网路罔路网路网 路同 路罔 停车场路罔 。5 1 息系统信息信息信息信息信息信息信息信息信息 ，昼害薯 匍红灯违规车违规车 违规车车辆违 。 “1 检测系统辆图像 辆图像辆图像规信息 昼客矗 1 2 2 接处报警报警 “1 警系统信息信息 -昼喾矗 交通信号自 信号灯 车辆检 信号灯车辆检车辆检信号灯 1 “1 动控制系统信息凋信息信息测信息测信息信息 s 公安局 嘉翼莘慧耋麓嘉警嘉警慧 e 商发司 塞熬喜嚣嘉嚣喜嚣嵩嚣专搿 7 公文公司 8 市竣妥 9 交通委员会 g p s 一 度系统 停车引 导系统 城市交通出行 信息腰务系统 二罂警 车辆信息 潮信息 _ 卜”。 停车位 信息 交通浇 信息 停车位 信息 出行 信息 2 2 电磁感应线圈抓捕超速行为 作为i t s 采集手段的一种，电磁感应线圈方法针对超速行为，前端采集系 统的一个基本功能模块。它由拍摄系统与地面隐藏线圈组成，采用触发与响应 的机制。其超速拍照方法的基本原理是：在道路上间隔某一特定距离l 设置两 个车辆检测器( 通常采用地下电磁感应线圈) ，车辆检测器的信息被送到处理计 算机。处理计算机根据车辆通过这两个检测器所需的时间t 来计算该车的当前 速度v ( v = l t ) 。如果该车超速，则立即发出指令给照相机拍照。如下图2 2 所 示，当车辆c 跨过监控点i 时，触发本地电磁感应线圈，计数器开始计时，并 标记该次脉冲为第1 1 次。当车辆行驶至监控点i i 时，计数器停止计时，提取第 n 次脉冲，计算得时间t ，通过传输网将其反馈至计算机。由于l 是已知固定 9 上海大学硕士学位论文 的，因此可以立刻得到车辆经过该路段的平均速率。该部分控制系统会将事先 制定的限速标准与当前车辆的行驶速度加以核对，并提交是否有违章行为的结 论。若有满足超速条件，则驱动当地高速摄像头对该车进行拍摄记录。 该系统的存在从很大程度上遏制了车辆超速的行为，提高了车辆行驶的安 全系数。但该系统也存在着几个缺陷。首先，驾驶员在驾驶过程中超速，虽然 被记录，但驾驶员本人并不知晓，导致违章事实不直观，因为照片上仅仅是一 张车辆被后部拍摄的静态图像。其次，在同样道路上，小型客车与大型客车的 最高限速是不同的，现行的方法没有对车型进行鉴定，也就是说超速判定有遗 漏。另外，目前的方法中没有对时速低于最低限速进行自动记录的功能。最后， 当存在车辆变道行为时，由于其他车辆的干扰信息的进入，有可能会误判。在 这种情况下，基于视频的智能处理系统的优点就显现了出来。 t 2 3 视频工作原理 、 传输网 j 监控中心、 t 先验知识 库 图2 2 电磁感应线圈抓捕系统 电磁感应线圈针对超速等现象有着很强的针对性，但是对明显为交通带来 阻塞隐患的现象，如违章变道，非法穿越停车线等现象无从查起。因此，视频 模式识别技术被引入，探求新的高效应用。我们知道，我们所能感知的外部景 物是三维的，而且经常随时间变化。仅仅靠静态图像还不足以解释这些景物。 需要采集随时间变化的图像，这就需要通过进行图形序列的作出分析。图像序 列分析经常指的是分析用一个传感器( 例如摄像机) 采集的一组随时间变化的 图像。 图像序列分析的基本任务是【7 】： 1 ) 从图像序列中检测出运动信息 1 0 上海大学硕士学位论文 2 ) 识别与跟踪运动目标 3 ) 估计三维运动和结构参数 一旦检测出运动信息或估计出三维运动和结构参数，可以通过目标的形状、 运动等属性，根据目标模型的先验知识，可以识别出目标当前位置，从而解决 目标的识别问题。 不同时刻采集的二帧或多帧图像包含了存在于相机与景物之间的相对运动 信息，这些信息表现为图像帧之间的灰度变化或诸如点、线段、区域等记号的 位置和属性的变化等。可以通过检测这些灰度变化而发现短时间间隔以及小位 移的相对运动，也可以通过检测这些记号的位置和属性的变化而发现大时间间 隔与大位移的相对位置。 基于灰度变化的方法可以分为两大类： 1 ) 直接检测灰度的变化 2 ) 基于灰度的梯度，测量图像平面上的速度场 色彩域中目标检测方式多样，如利用像素间彩色变化监测目标，或通过建 立色彩空间距离等特征向量提取物提。在下面的章节中，将对色彩理论包括色 彩构成，彩色视频的采样进行详细的阐述。 2 4 色彩域理论 2 4 1 颜色的基本概念咖 ( 1 ) 亮度、色调和饱和度 彩色可用亮度、色调和饱和度来描述，人眼看到任意色彩都是这三个特性 的综合效果。 亮度是发射光或物体反射光明亮度程度的量度。 色调是由于某种波长的颜色光使观察者产生的颜色感觉，每个波长代 表不同的色调。它反映颜色的种类，决定颜色的基本特性，例如红色、 棕色等都是指色调。某一物体的色调，是指该物体在日光照射下所反 射的各光谱成分作用于人眼的综合效果，对于透射物体则是透过该物 体的光谱综合作用的结果。 上海大学硕士学位论文 饱和度是颜色强度的度量。对于同一色调的彩色光，饱和度越深颜色 越鲜明或者越纯。例如红色和粉红色的区别，虽然这两种颜色有相同 的主波长，但一种也许是混合了更多的白色在里面，因此显得不太饱 和。饱和度还与亮度有关，因为若在饱和的彩色光中增加白光的成分， 这增加了光能，因而变得更亮了，但它的饱和度却降低了。 通常把色调、饱和度统称为色度，上述内容总结为亮度表示某彩色光的明 亮程度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度。 2 4 2 三基色( r g b ) 原理 自然界常见的各种颜色光，都可由红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三种颜色 按不同的比例相配而成，这就是色度学中最基本的原理三基色原理。三基 色的选择必须遵循一条规律：任一种颜色都不能由其他两种颜色合成。因为人 的眼睛对红、绿、蓝这三种色光最敏感，因此，以这三种颜色作为基色相配来 获得彩色得到了最为广泛的应用。把三种基色光按不同的比例相加称之为相加 混色。某种颜色和这三种颜色之间的关系可用下面的式子来描述： r ( 红色的百分比) + g ( 绿色的百分比) + b ( 蓝色的百分比) = 颜色 用公式表达如下： 红色( 1 0 0 ) + 绿色( 1 0 0 ) + 蓝色( 0 ) = 黄色 红色( 1 0 0 ) + 蓝色( 1 0 0 ) + 绿色( o ) = 品红 绿色( 1 0 0 ) + 蓝色( 1 0 0 ) + 红色( 0 9 6 ) = 青色 红色( 1 0 0 ) + 绿色( 1 0 0 9 6 ) + 蓝色( 1 0 0 ) = 白色 图2 - 3 加性混色之三基色及其补色 我们称青色、品红和黄色为红、绿、蓝三色的补色，从图2 2 中还可以看 出：红色+ 青色= 绿色+ 品红= 蓝色+ 黄色= 白色 1 2 上海大学硕士学位论文 2 4 3 使用8 位y u v 格式的视频呈现嘲 在多媒体系统中常涉及到用几种不同的色彩空间表示图形和图像的颜色， 如计算机显示时采用r g b 彩色空间或色彩模型；在彩色全电视数字化时使用y u v 色彩模型；彩色印刷时采用c m y k 模式等。不同的彩色空间对应不同的应用场合， 在图像的生成、存储、处理及显示时对应不同的彩色空间，需要做不同的处理 和转换。 通过硬件采集设备获取的视频信息主要以y u v 方式存储。在整个视频行业 中，定义了很多y u v 格式。本文讲述的格式全部使用每个像素位置8 位的方 式来编码y 频道( 也称为灯光频道) ，并使用每样例8 位的方式来编码每个u 或v 色度样例。但是，大多数y u v 格式平均使用的每像素位数都少于2 4 位， 这是因为它们包含的u 和v 样例比y 样例要少。 y u 、，采样 y u v 的优点之一是，色度频道的采样率可比y 频道低，同时不会明显降低视觉 质量。有一种表示法可用来描述u 和v 与y 的采样频率比例，这个表示法称 为a ：b ：c 表示法： 4 ：4 ：4 表示色度频道没有下采样。 4 ：2 ：2 表示2 ：1 的水平下采样，没有垂直下采样。对于每两个u 样例或v 样例，每个扫描行都包含四个y 样例。 4 ：2 ：0 表示2 ：1 的水平下采样，2 ：1 的垂直下采样。 4 ：1 ：l 表示4 ：l 的水平下采样，没有垂直下采样。对于每个u 样例或v 样例，每个扫描行都包含四个y 样例。与其他格式相比，4 ：1 ：l 采样不太 常用，本文不对其进行详细讨论。 图2 - 4 显示了4 ：4 ：4 图片中使用的采样网格。灯光样例用叉来表示，色度样例 则用圈表示。 &函& & p&函 &函& 图2 4y u v4 ：4 ：4 样例位置 1 3 上海大学硕士学位论文 & x 函 qx&x & x 蔽 & 函x 焱焱 焱焱 图2 - 6y u v4 ：2 ：0 样例位置( m p e g - 2 方案) 考虑到y u v 与r c , b 空间的转换实现较为直接，本文采用4 ：2 ：0 格式的为默 认转换方案，对源视频进行采样。 1 4 爻爻爻o 上海大学硕士学位论文 2 4 4r g b 彩色模型及与y u v 的转换方式n 在r g b 模型中，r 、g 、b 分别代表颜色的红、绿、蓝三原色，是常用的表 示颜色的方式。r g b ( r e d ，g r e e n ，a n db l u e ) 是在一个系统中表示用于电脑显 示的色彩。红、绿、蓝可通过各种比例进行合并，即通过f = re r + ge g + b b ， 从而获得可见色谱中的任何颜色。相对的，r 、g 、b 三种颜色的程色彩级别， 可从0 至1 0 0 不等。每个级别由一组十进制范围为0 2 5 5 的数字表示( 每种颜 色分别具有2 5 6 个级别) ，对应二进制为0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 11 1 ，或十六进制0 0 f f 。 可选的颜色总共有2 5 6x2 5 6x2 5 6 ， 即1 6 ，7 7 7 ，2 1 6 种。 其中r 、g 、b 为三色系数r r ，g g ，b b 为f 色光的三色分量。任意一 种色光，其色度可由相对色系数中的任意两个唯一的确定。因此，各种彩色的 色度可以用二维函数表示。用r 和g 作为直角坐标系中两个直角坐标所画的各 种色度的平面图形，就叫r g b 色度图，如下图2 - 8 。 它与y u v 色彩空间互相转换的公式如下： 0 5 8 70 11 4