（信号与信息处理专业论文）real+time+tracking+and+speed+estimation+of+multiple+vehicles+in+daynight+video+sequences.pdf

d i s s e r t a t i o nf o rt h ed e 铲e eo f m e n go f h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 摘要 复杂的交通车辆监控场景，特别是夜间监控在智能交通系统的研究课题中是一个关 键部分。在平常和雨雪道路上，由于汽率前灯的反射光使铡景产生极大的改变。在黑 暗的环境一f ，汽车头灯和尾灯被用于前景提取。本文提出了个新颖的方法，能够在白 天与黑夜场景中；分别采用各自相应的算法实现多个交通车辆的速度的实时估算。 在白天的交通场景，算法执行需要这样几个步骤：第_ _ ，通过在指定的凡帧中计 算均值实现对视频背景的估计；第二，在背景像素和当前的像素之间应用模糊相似度 方法( f s a ) 实现前景的提取；第兰，= 通遂最大后验概率( m a p ) 估计子实现前景像 素的跟踪和车辆的速度估算。- 在夜间交通场景，本文提出的算法实现检测、配对和跟踪前灯和尾灯这几步。首 先，前灯通过方位模糊的新颖方法自动提取，该方法的提出是基于反射光的指数衰减 性质。该方法由于能够使车前灯正交子反射光，使得它可以鲁棒性的应用在高反射光 场景。通过把图像划分成9 个予区域，使得在每一个子区域中的同一辆车的两个前灯 保持等距，以此方法它们被准确配对。 基于卡尔曼滤波器把跟踪器进行优化，进行进一步分析，如速度估计。整个系统 在m a t l a b 嵌入式1 s l m u l i n k 模块中实现，其运算量很小。l 因此该系统可以直接嵌入在 特定应用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) a s li c s 中。本文提出的方法应 用在2 0 多个交通视频场景巾，在无路烀交通场景追踪中，它的成功率超过9 7 。 关键词：速度估计，模糊相似的方法，最大后验概率( m a p ) 的估计，模糊化，车辆 监控，复杂黑暗，方位模糊大灯检测。 a b s t r a c t c e h i c l e ss u r v e i l l a n c ei nc o m p l e xt r a f f i cs c e n e se s p e c i a l l ya tn i g h t ：i n 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 s t h eb a c k g r o u n di s s e 、，e l c t i o n sf r o mh e a d l i g h t si nn o r m a l ，s n o w ya n dr a i n yr o a d s u n d e rd e l i g h t s a n dr e a rl i g h t sa r eu s e df o rf o r e g r o u n de x t r a c t i o n t h i s d o a c ht o w a r d sr e a l t i m es p e e de s t i m a t i o no fm u l t i p l et r a f f i cv e h e s t h ed e s c r i b e dm e t h o dp e r f o r m ss c e n ed e t e c t i o na n da p p l i e s 柙 a n dn i g h te n v i r o n m e n t z o rd a yt i m et r a f f i cs c e n e s ，t h ea l g o r i t h mp e r f o r m ss e v e r a ls t e p s a a t e db yc o m p u t i n gm e d i a no v e rt i m ew i n d o wo fs p e ci f i cf r a m e s ( t r a c t e du s i n gf u z z ys i m i l a r i t ya p p r o a c h ( f s a ) b e t w e e nb a c a lb a s e do nw h e t h e ri e 1i saf o r e g r o u n dp i x e l k ti sg i v e n) y ( 2 4 ) 绎训g r o g 删, a n d i z 2 a 2 i f 1 , _ 1 i sf o r e a t h e r w i s e ( 2 - 4 ) m i x l t u r eo fg a u s s i a n s ( m o g ) ：u n l i k ek a l m a nf i l t e rw h i c ht r a c k st h ee v o l u t i o no fat i n g l e g a u , ；s i a n t h em o gm e t h o dt r a c k sm u l t i p l eg a u s s i a nd i s t r i b u t i o n s ：；i m u l t a n e o u s l y m o gh a s e n j o y e dt r e m e n d o u sp o p u l a r i t ys i n c ei tw a sf i r s tp r o p o s e df o rb a c kg r o u n dm o d e l i n gi n 【7 5 m o gm a i n t a i n sa d e n s i t yf u n c t i o nf o re a c hp i x e l t h u s ，i ti sc a p a b l；o fh a n d l i n gm u l t i m o d a l b a c k g r o u n dd i s t r i b u t i o n s o nt h eo t h e rh a n d ，s i n c em o g i sp a r a m e ti c ，t h em o d e lp a r a nl e t e r s c a nb ea d a p t i v e l yu p d a t e dw i t h o u tk e e p i n gal a r g eb u f f e ro fv i d e of la m e s p i x e ld i s t r i , t i t i o n 弛= - 砂i sm o d e l e da sam i x t u r eo f kg a u s s i a n s ，a ss h o w ni n ( 2 5 ) ： 足 厂( = z f ) = w 叩 ；鸬 l ，q ，) ( 2 5 ) i = 1 w h e r e ，q h ：咎l ? t ? 仃i ji st h ei - t hg a u s s i a nc o m p o n e n tw i t hi n t e n s i l ym e a nl l i ? ta n ds t a n d a r d d e v i a t i o n 巩， 优i t fi st h ep o r t i o no ft h ed a t aa c c o u n t e df o rb yt h ei - t hc o m p o l l e n t t y p i c a l l y ，kr ；m g e s f r o mt h r e et of i v e ，d e p e n d i n go nt h ea v a i l a b l es t o r a g e f o re a c hi n p t i tp i x e l 1 , t h ef i r s ts ：e pi s t oi d e n t i f yt h ec o m p o n e n tf “w h o s em e a ni sc l o s e s tt o t c o m p o n e n i tf “a ss h o w ni n ( 2 - 6 ) ，i s d e c l a r e da st h em a t c h e dc o m p o n e mi f t 一一一1 | 丁 f 2 1 3 ) a n o t h e rp o p u l a rf o r e g r o u n dd e t e c t i o ns c h e m ei st ot h r e s h o l d ，b a s e do nt h en o m a l i z e d s t a t i s t i c s ，a ss h o w ni n ( 2 14 ) 吼 l ( x ，y ) 一e f ( x ，y ) 一心i r , 1 2 1 4 ) 。 w h e r e ，p da n do da r et h em e a na n dt h es t a n d a r dd e v i a t i o no f l t ( ：- b 缸f o ra l ls p a t i a l l o c a ti o n s 0 ，) m o s ts c h e m e sd e t e r m i n et h ef o r e g r o u n dt h r e s h o l cto r 瓦e x p e r i m e n t a l l y i d e a l l l y ，t h et h r e s h o l ds h o u l db eaf u n c t i o no ft h es p a t i a ll o c a t i o r。( x f o re x a m p l ，t h e t h r e s h o l ds h o u l db es m a l l e rf o rr e g i o n sw i t hl o wc o n t r a s t o n ep o s s i b l em o d i f i c a t io ni s p r o p o s e db yf u e n t e sa n dv e l a s t i n 7 9 】t h e yu s et h er e l a t i v ed i f f e r , l , n c er a t h e rt h a na b ：；o l u t e d i f f e f e n c et oe m p h a s i z et h ec o n t r a s ti nd a r ka r e a ss u c ha ss h a d o w i n( 2 1 5 ) i ( x ，y ) 一尽( x ，y ) 一心i z f 2 1 5 ) 忍( x ，力 5 n e v e r t h e l e s s ，t h i st e c h n i q u ec a n n o tb eu s e dt oe n h a n c ec o n t r a s ti nb r i g h ti m a g e ss uc ha s a no u t d o o rs c e n eu n d e rh e a v yf o g a n o t h e ra p p r o a c ht oi n t r o d u c es p a t i a lv a r i a b i l i t yi st ou s et w o1：h r e s h o l d sw i t hh y s t , 1 r e s i s 6 0 , 7 3 t h eb a s i ci d e ai st of i r s ti d e n t i f y “s t r o n g ”f o r e g r o u n dp i x e l s 、) 1h o s ea b s o l u t ed i f i e r ：n c e s w i t ht h eb a c k g r o u n de s t i m a t e se x c e e d e dal a r g et h r e s h o l d t h e n ，f o r e g r o u n dr e g i o nsa r e g r o w n 疗o ms t r o n gf o r e g r o u n dp i x e l sb yi n c l u d i n gn e i g h b o r i tl gp i x e l s w i t ha b , o l u t e d i f f e l e n c e sl a r g e rt h a nas m a l l e rt h r e s h o l d t h er e g i o ng r o w i n gc a nb ep e r f o r m e db yu si n ga t w o p a s s c o n n e c t e d c o m p o n e n tg r o u p i n ga l g o r i t h m 【8 0 】 2 5o u r a p p r o a c ht o w a r d sb a c k g r o u n de s t i m a t i o n w eh a v eu s e dn o nr e c u r s i v ea d a p t i v em e d i a nf i l t e ra p p r o a c hf ci rb a c k g r o u n de s t i m jt t i o n i nt h eb a c k g r o u n de s t i m a t i o ns t e p ，b e f o r et h es y s t e ma t t e m p t st ol o cl t ev e h i c l e so nt h es ：e n e ， i tl e a r n st h i ss c e n ei no r d e rt od e t e c tm o t i o n s ( b i gv a r i a t i o no ft h e：s c e n e ) t h eb a c k g ra u n d e s t i m a t i o na l g o r i t h mm a k e sar e f e r e n c ei m a g ew h i c hr e p r e s e n t st he b a c k g r o u n dp a r tcft h e s c e n ev i e w t h eb a c k g r o u n di m a g ei sf u n d a m e n t a lt od e t e c tm o 、r in go b j e c t sa n dt r a c , k i n g t h e m ，a n dw i l lb eu s e dt os e p a r a t et h eb a c k g r o u n da n dt h ef o r e g r o u n ,d t oa v o i dt h em a x i h u m e f f e c t ：o f t h en o i s ep i x e l s ，am e d i a nf i l t e ri sa p p l i e db e t w e e n3 0c o n s ；。e c u t i v ef l a m e si no r ce rt o o b t a i nag o o de s t i m a t eo ft h em o d e l t h ea l g o r i t h mi sh e l df o rf i is t3 0f i a m e sa n dac a l i d s i g n a li sk e p tl o wf o rt h i si n t e r v a ls ot h a tt h eb u f f e rf i l l sw i t ha l lr e ab a c k g r o u n ds c e n e s f o r e a c hp i x e l ，t h em e d i a nf i l t e rt a k e s v a l u ei nt h e3 0f r a m e s ，t h e ns o r tth e s ev a l u e sa n dt a k e ；t h e b a c k g r o u n di m a g e ) 一。一。；。尘竺兰些竺坌= 尘罂竺些竺辈一 t h eb a c k g r o u n de s t i m a t i o nh a st ob ed y n a m i c ，m e a n st h a tt h eb a c k g r o u n di m a g e m u s t b e u p d a t e d t h i si d e ai sv e r yi m p o r t a n ti no r d e rt om a k eg o o dv e h i c l es p e e d e s t i m a t i o n b e f o r e e s t i m a t i o no fb a c k g r o u n dw eh a v ec o n s i d e r e ds o m ea s s u m p t i o n sl i k et h ec a m e r a sm o u n t e d a r es t i l la n do b j e c t sa r ev i s i b l e w eh a v ee s t i m a t e d m e d i a no v e rt i m e t h i sa l g o r i t h mu p d a t e s t h em e d i a nv a l u eo ft h et i m es e r i e sd a t ab a s e du p o nt h en e wd a t as a m p l e t h em e d l a n i s c o m p u t e df o re a c hp i x e ll o c a t i o no v e ra t i m ew i n d o wo f 3 0f r a m e s t h et i m ew i n d o w c a nb e e x t e n d e do rd e c r e m e n t e dd e p e n d i n go nt h er e q u i r e m e n t s t h em o v i n go b j e c t sa r e e l i m i n a t e d b vi d e n t i f y i n gt h em o v i n go b j e c t s i nt h ef n - s tf e wi m a g ef l a m e sa n dt h e nl a b e l i n gt h e c o r r e s p o n d i n gp i x e l s a sf o r e g r o u n dp i x e l s n e x t ，t h ea l g o r i t h mi d e n t i f i e s t h ei n c o m p l e t e b a c k g r o u n da st h ep i x e l st h a ta r en o tp a r to ft h ef o r e g r o u n dp i x e l s a st h e 内r e g r o u n do b j e c t 8 m o v e t h ea l g o r i t h me s t i m a t e sm o r ea n dm o r eo ft h eb a c k g r o u n dp i x e l s t h ea l g o r i t h mt o e s t i m a t eb a c k g r o u n dc a nb em o r ei l l u s t r a t e dw i t ht h i ss i m p l ee x a m p l eo f t ec o n s e c u t l v e f r a m e s a ss h o w ni n ( 2 16 ) ： ，7 删q = 薹量囊 f ，乜，钾8 ：= 薹曩三 f 丫口m e ，= 兰曩 f r a m e 。：匪2 0 3 2 0 3 7 8 9 卜- - 雕i245 2 5 04 5 3 32 5 5 蓍6 5 4 = li j 恸p 5 1 18 9 i iji f 2 1 6 ) n o wf o rat i m el i n eo f f i v ef r a m e si f w es e l e c tf i v ep i x e l sf r o me a c hp i x e ll o c a t i o no n t h e c o r r e s p o n d i n gf t a m e sw ew i l lg e t9v e c t o r s 。t h e na f t e rs o r t i n ga n df i n d i n g t h em e d i a nw eg e t ( 2 1 7t o2 - 1 9 ) ： 墨，= 】0 2 1 专2 5 2 5 2 8 墨2 = 4 2 5 0 啼5 3 5 4 5 5 只h=c兰二21昱：=c兰兰2。 鼻3 = 1 0 1 8 2 2 2 2 3 8 j ( 7 7 i 1 9 = l 斗8 8 8 9 f 9 8 ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 、，、 m 笛 觑k g r o u n d = l ( 2 三5 竺5 3 d a y0 1 n i g h t t h ek i sg i v e nb y ( 2 - 2 1 ) ： k ：上羔硎h mn智 、。 s c e n e 艇呶拈 n 西t _ fk ：_ ；l o o d a y i fk 0 0 f l 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( ：! 2 1 ) ( ：- 2 2 ) 、，iliilillii， 挖罟3 邵 n ， u 垤 k 舐一： e 双 忙 胍蛳舳劲 引咄化乞 叭 m w 弘雒诛珠l圳 。 仆 盯 | 兰 们 梳 刚 诎 眺 啪州 m 州 厅 n ， e 刚 鲫 垤 搬 n 北 献 n e h一一一 阻 燃 明 n k 湖 一删 砒 叫 m m 出 咖岫眦 一砌 | 吾| m唧蚵池枞 v s s 叭 | 量呱 一 肌 n 廿 的研 刚 献 r a v b一腼一 c d y e 遮 妣 帆 肌= = c h a p t e r2d a yt i m es c e n ef o r e g r o u n de x t r a c t i d n t h es c e n ed e t e c t i o np r o c e s si si l l u s t r a t e di nf i g 2 2 t h ei m a g ei nf 远2 2 ( a ) i sa nr g bf r a m e t a k e nf r o man i g h tt i m ev i d e o t h ei n t e n s i t yi m a g ei nf i g 2 2 ( b) i so b t a i n e db yc o n v e r s i o n f r o mr g bt og r a yl e v e l t h ee s t i m a t e db a c k g r o u n di nf i g 2 2 ( c )i so b t a i n e da f t e r6 9s e c o n d s o ft h ev i d e oa t3 0f r a m e sp e rs e c o n d w h e r e a s ，t h ei m a g ei nf i 星2 2 ( d ) i st h es a m ec u r r e n t f r a m ew i t ht h ed e t e c t e ds c e n er e s u l tm e n t i o n e da s “s c e n ed e t e c t e d ：n i g h t ” 【a ) i n p u tr g bi m a g ef r a m e ( b ) r g b oi n t e n s i t yc o n v e r s i o n ( c ) e s t i m a m db a c k g r o u n d ( d ) s c e n ed e t e c t e da sn i g h t f i g 2 2s c e n ed e t e c t i o np r o c e s sf r o ml e rt or i g h t ，s c e n ed e t e o t e da sn i g h t t h ef i g 2 3s h o w sp l o to fp a r a m e t e rko nya x i sa n dt i m e ( i ns e c o n d s ) o nxa x i s i ti s c l e a rf r o mt h ep l o tt h a tks a t u r a t e sa f t e r6 0s e c o n d st oac e r t a i nf v a l u e ；i nt h i sv i d e oi ti s6 7 s i n c et h es e l e c t e dt h r e s h o l dv a l u ei sl0 0 ，w h i c hi sa b o v et h a nt h 6s a t u r a t e dv a l u e t h e r e f o r e t h ee s t i m a t e db a e k g r o u n ds c e n ei ss u c c e s s f u l l yd e t e c t e da sn i g h t f i g 2 3p a r a m e t e rkf o re s t i m a t e db a c k g r o u n do f n i g h tv i d e oa n e r6 9s e c o n d s t h ef i g 2 4a l s op o r t r a y st h es c e n ed e t e c t i o np r o c e s so na i d e oi nn i g h t ，y e tl i tb yt h e s t r e e tl a m p s ；h o w e v e rt h es c e n ei ss t i l ld e t e c t e ds u c c e s s f u l l ya sn i g h t ( a ) i n p u tr g bi m a g ef r a m e ( b ) r g bt oi n t e n s i t yc o n v e r s i o n f i g 2 4s c e n ed e t e c t i o np r o c e s sf o rs c e n el i tw i t hs t r e e tl a m p s ，d d e t e c t e da sn i g h t a sn i g h t 2 ；d窿 p l o to fp a r a m e t e rk o nya x i sa n dt i m e ( i ns e c o n d s ) o nx a x i s i ti sc l e a r 疗o mt h ep l o tt h a tks a t u r a t e sa f t e r6 0s e c o n d s i s1 2 7 s i n c et h es e l e c t e dt h r e s h o l dv a l u ei s10 0 ，w h i c h t h e r i e f o r et h ee s t i m a t e db a c k g r o u n ds c e n ei ss u c c e s s f u l l yd e t f i g 2 ( c ) d e t e c t e d t oa c e r t a i nv a l u e ；i nt h i sv id e oi t i sl e s st h a nt h es a t u r a t e d 、c a l u e e c t e da md a y 2 7o u r a p p r o a c ht o w a r d sf o r e g r o u n de x t r a c t i o n s i n c ea l g o r i t h mh a s i m a g e sw e r eu t i l i z e dt o t om e e tt h er e a lt i m ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s ，t h e r e f o r ei n t en s i t y c u tt h ep r o c e s s i n gt i m e f o l l o w i n gs t e p sd e s c r i b et h ep e r f or m e d a l g o r i t h mt oo b t a i nt h ee f ( e x t r a c t e df o r e g r o u n d ) ( ”u n d e rn o r m a ld a y l i g h tc o n d i t i o n sw i t hs i d ev i e wc a m e r a 1 。e s t i m a t i o no ft h eb a c k g r o u n dp i x e l sbw i t ha d a p t i v em e d i a nf i l t e rt op r o c e s st h ei ：；s u e s r e l a t e dt ol i g h ta n ds h a d o ws ot h a tb a c k g r o u n du p d a t e si t s e l fa f t e re v e r ya d j u s t a b l ep e r i o d 2 。p e r f o r m i n gf u z z i f i c a t i o nu s i n gf s aa ss h o w ni n ( 2 2 3 ) ，a m o n gba n dc u r r e n tt r a m e p i x e l s t og e tt h es i m i l a r i t ym e m b e r s h i pd e g r e ef o re a c hp i x e l 2 0 町 d觞酣吲a d y e a胁d踮私 c h a p t e r2d a yt i m es c e n ef o r e g r o u n de x t r a c t i o n 研呱e 。2 面1 q 乏3 i l + i t h i ss t e pp r o d u c e sa ni m a g e t h a ti sl o wc o n t r a s ta n dn e e d sal e s sv a l u eo ft h r e s h o l db u ti t a l s oe l i m i n a t e st h ei n t e n s i t yv a r i a t i o ne f f e c t so ft h ee n v i r o n m e n ts u c ha sc l o u d s 3 t oe n h a n c em o r eh u m a nl i k eb e h a v i o r ，i nc a s et h eb a c k g r o u n dp i x e lm a t c h e st h e f o r e g r o u n dp i x e l ，as e c o n df o r e g r o u n de x t r a c t i o n i sa l s oi n c l u d e da ss h o w ni n ( 2 - 2 4 ) t o c a p t u r et h em o v i n go b j e c tb yt a k i n gt h ea b s o l u t ed i f f e r e n c eo f ：a n dl 一，w h e r ei i i so n et i m e s t e pd e l a y e df r a m ep i x e l a d f f = i i v ( 2 - 2 4 ) f u z z yr u l e s e ti sd e f i n e dt oc a t e rt h ec a s ew h e nf o r e g r o u n dp i x e lm a t c h e sw i t ht h e b a c k g r o u n dp i x e l s u c ht h a t i t d i s t a n c eb e t w e e na d i f fp i x e l sa n d c u r r e n tf i a m ep i x e l si s h i g h e rt h a nas p e c i f i cv a l u eo fm e m b e r s h i pd e g r e e ，i tb e l o n g st ob a c k g r o u n dp i x e l o t h e r w i s e i t b e l o n g st of o r e g r o u n dp i x e l d m t a n c e _ d i f fi s t h ed i s t a n c ei np i x e lu n i t sf r o ma d i f f ( 1 p i x e ll o c a t i o nt ot h ea r b i t r a r yc u r r e n tp i x e ll o c a t i o n f u z z yr u l es e ti sd e f i n e da ss h o w i nt a b l e 2 1 si n c et h em o t i o ni sa l o n ga na x i s ，( 2 _ 2 4 ) p r o v i d e ss t r o n gi n t e n s i t yb o u n d a r i e sf o rat a r g e t o b j e c t f u z z yr u l e ss e te l i m i n a t e st h eh o l e sc r e a t e di 1 1 c a s ef o r e g r o u n dp i x e lm a t c ht h a to f c u r r e n tf r a m em o t i o np i x e l r u l ev i e wo ff s ap r o c e s si ss h o w ni nf i g 2 7 f i g u r e2 8s h o w s t h es t e pb ys t e pp r o c e s si nt h ee x t r a c t i o no ff o r e g r o u n d t h et o pl e f ti m a g es h o w si n p u tf r a m e s e q u e n c e ，s e c o n di m a g es h o w st h ee s t i m a t e db a c k g r o u n d ，t h e nf i nt h es e c o n dr o w ，f i r s ta n d s e c o n di m a g e ss h o wa d i f f a n ds i m ( b , nr e s u l t sr e s p e c t i v e l y d i s s e r t a t i o n f o r t h ed e g r e eo f m s c e n g o f h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y s i m ( b ) 2o 嘲d i s t a n c e _ d i f f = 00 6 8 2 i 。u i 口u 【：a b 0 1 f | 、。 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