（通信与信息系统专业论文）study+of+automatic+vehicle+detection+and+classification+using+laser+sensor.pdf

摘要 车辆自动分类在高速公路电子收费站和其他相关智能运输系统( i t s ) 中变得越发重 要。传统的循环检测和摄像检测都存在一些缺陷。循环检测器的维护昂贵，基于视频的 检测系统对环境条件敏感，在车型分类中劣势明显。 改进过的新一代范围激光传感器具有对光照条件不敏感的特性，并且提供相对于现 有系统更好的车辆检测和分类的比率。 本文提出一种高速公路上车辆自动检测分类算法系统。该分类算法的提出基于表达 车辆的参数空间，包括车身高度，长度和宽度。除此之外，高度轮廓的特征矢量被提取 出来。包括高度轮廓在内的特征向量空间是为了加强鉴别具有类似的长度和高度车辆能 力的充分条件。然而，对某些车辆类型，使用高度轮廓是没有必要的。 本文还体现了如果激光传感器满足一定要求，一个精确的特征向量可以被提取出来， 鉴定车辆类别可以使用简单的确定性算法。 关键词：检测，车辆自动分类，特征提取，高度轮廓，公路车辆，激光传感器 a b s t r a c t a u t o m a t i cv e h i c l ec l a s s i f i c a t i o nb e c o m e sm o r es oe s s e n t i a lt ot h ee l e c t r i ct o l lc o l l e c t i o n o f h i g h w a y s a n do t h e rr e l a t e d a p p l i c a t i o n s 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 ( i t s ) t r a d i t i o n a ls y s t e m sw h i c hu t i l i z el o o pd e t e c t o r so rv i d e oc a m e r a sh a v ed e f i c i e n c i e s l o o p d e t e c t o r sa r ee x p e n s i v et om a i n t a i na n dv i d e o - b a s e ds y s t e m sa r es e n s i t i v et oe n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n sa n dd on o tp e r f o r mw e l li nv e h i c l ec l a s s i f i c a t i o n t h en e wg e n e r a t i o no fr a n g el a s e rs e n s o r st h a ta r eb e i n gd e v e l o p e do f f e rt h ep r o m i s eo f s e n s o r sw h i c ha r en o ts e n s i t i v et oi i g h t i n gc o n d i t i o n sa n dp r o v i d ei n f o r m a t i o nw h i c hs h o u l d g i v eb e t t e rv e h i c l ed e t e c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o np e r c e n t a g e st h a nc u r r e n ts y s t e m s t h i st h e s i sp a p e rp r e s e n t sa na l g o r i t h mf o ra u t o m a t i cv e h i c l ed e t e c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o n ( a v d c ) s y s t e mo nh i g h w a y s t h ec l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h mp r o p o s e di sb a s e do nr e p r e s e n t i n g v e h i c l e si nap a r a m e t e rs p a c ei n c l u d i n gt h ev e h i c l eh e i g h t ，l e n g t ha n dw i d t h i na d d i t i o no f t h i sf e a t u r e s ，t h ev e c t o ro fh e i g h tp r o f i l ef e a t u r e sa r ee x t r a c t e d i n c l u d i n gt h ev e c t o ro fh e i g h t p r o f i l et ot h ef e a t u r es p a c ei sas u f f i c i e n tc o n d i t i o nf o re n h a n c i n gt h ed i s t i n g u i s ha b i l i t yo f v e h i c l e sh a v i n gs i m i l a rl e n g t h sa n dh e i g h t s h o w e v e r , f o rc e r t a i nv e h i c l et y p e s ，u s i n gt h e h e i g h tp r o f i l ei sn o tn e c e s s a r y w es h o wt h a ti ft h el a s e rs e n s o rs a t i s f i e sc e r t a i nr e q u i r e m e n t s ，t h e nap r e c i s ef e a t u r ev e c t o r c a nb ee x t r a c t e d ，a n ds i m p l ed e t e r m i n i s t i ca l g o r i t h mc a nb ea p p l i e dt od e t e r m i n et h ev e h i c l e c l a s s k e yw o r d s ：d e t e c t i o n ，a u t o m a t i cv e h i c l ec l a s s i f i c a t i o n ，f e a t u r ee x t r a c t i o n ，h e i g h tp r o f i l e ， r o a dv e h i c l e s ，l a s e rs e n s o r c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1o v e r v i e wm o t i v a t i o n c o n g e s t i o ni sam a j o rp r o b l e mo no u rb u s yh i g h w a y s b u i l d i n gn e wr o a d st o r e l i e v e c o n g e s t i o n i s v e r ye x p e n s i v e f o r t h i sr e a s o nt h eu sf e d e r a l h i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ( f h w a ) i sl o o k i n g a t i n t e l l i g e n tr o a d w a ym a n a g e m e n t a sam e a n st or e l i e v e c o n g e s t i o n ( c a r l s o n ，1 9 9 7 ) t h ed e v e l o p m e n to fa 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 s ( a t m s ) i sa l li m p o r t a n ta r e ao fi 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 ( i t s ) ( m i c h a l o p o u l o s ， 1 9 9 1 ) t h ea c t i v i t i e so fd e t e c t i o n ，c l a s s i f i c a t i o n ，a n ds u r v e i l l a n c eo ft r a f f i ca r ec r i t i c a lt ot h e e f f i c i e n to p e r a t i o no fs t r e e t sa n dh i g h w a y s t i m e l yi n f o r m a t i o no nt r a f f i cp a t t e r n si sr e q u i r e d f o rs i g n a lc o n t r o l ( r o u p h a i la n dd u t t ，1 9 9 5 ) ，r a m pm e t e r i n g ( k u n i g a h a l l i ，1 9 9 5a n dt a n a k a e t a 1 ，1 9 9 5 ) ，i n c i d e n tr e s p o n s et e a m s ( r i t c h i e ，e ta 1 ，1 9 9 5 ) ，d r i v e ri n f o r m a t i o ns y s t e m s ( n o j i m a e ta 1 ，1 9 9 5a n de c c l e s ，1 9 9 5 ) ，a n dt r a f f i cc o n t r o lc e n t e ro p e r a t i o n ( d i l l e n b u r ge t a 1 ， 1 9 9 5a n dj a n s m aa n dk a i s e r , 1 9 9 5 ) v i d e ou n i t sc a nd e t e c tv e h i c l ep r e s e n c e ，s p e e d ，s t o p p e d v e h i c l e s ，w r o n gd i r e c t i o n ，q u e u el e n g t h s ，a n dm e a s u r et r a v e lt i m e sa u t o m a t i c a l l y ( w a s h b u r n a n dn i h a n ，19 9 9 ) 1 4 1 i nr e c e n ty e a r s ，i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ( i t s ) h a v ed e v e l o p e dv e r yf a s ta n d n e e dt ob es u p p o r t e db yv a r i o u si t ss t r a t e g i e s r e s e a r c hi ni 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 a d d r e s s e sv a r i o u st r a n s p o r t a t i o nn e e d ss u c ha se f f i c i e n c y ，e c o n o m y ，t h ee n v i r o n m e n t ，l a w e n f o r c e m e n t ，e n h a n c e ds a f e t y ，a n de d u c a t i o n a c t u a t e di n t e r s e c t i o n sn e e dv e h i c l ed e t e c t o r st os h o wt h ea m o u n ta n dl o c a t i o no fv e h i c l e t r a f f i c t r a d i t i o n a lv e h i c l ed e t e c t o r sa r ei n d u c t i v el o o pd e t e c t o r so l d ) t h a ts e n s ea c h a n g ei n i n d u c t a n c ew h e na ( m e t a l ) v e h i c l ei sa b o v et h el o o p t h e s ed e t e c t o r sw o r kw e l li na l lt y p e so f w e a t h e ra n df o ra l lt y p e so fv e h i c l e s d e t e c t i o na c c u r a c yh a sb e e nr e p o r t e da to v e r9 9 ，b u ti t i sn o te f f i c i e n tf o r t h ec l a s s i f i c a t i o no fv e h i c l e l o o pd e t e c t o r sm a k ee r r o r ss u c ha sd e t e c t i n g t r u c ka x l e sa ss e p a r a t ev e h i c l e sa n dm i s s i n gs m a l lv e h i c l e sw i t hl i t t l em e t a lc o n t e n t t h e s e d e t e c t o r sa r ei m b e d d e di nt h er o a d w a ys u r f a c ew h e r eh e a v yt r a f f i ca n dc o n s t r u c t i o nc a nc a u s e d a m a g et o t h ed e t e c t o r s t h e yh a v eh i g hf a i l u r er a t e sd u et op a v e m e n tf a i l u r e sa n dp o o r m a i n t e n a n c e r e p a i rw o r kr e q u i r e sc l o s i n gt r a f f i cl a n e sa n di se x p e n s i v e h i g hm a i n t e n a n c e c o s t sa r ec a u s i n ga g e n c i e st of i n da b o v eg r o u n dr e p l a c e m e n tt e c h n o l o g i e s v i d e ob a s e ds y s t e m sd on o tp e r f o r mw e l li nd e t e r i o r a t e da t m o s p h e r i cc o n d i t i o n s ( s u c ha sr a i n a n df o g ) t h ed e v e l o p e dg e n e r a t i o n so fi m a g eb a s e dr a n g es e n s o r so f f e rt h ep r o m i s eo f s e n s o r st h a ta r el e s ss e n s i t i v et od e t e r i o r a t e de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sa sl a s e rs e n s o r s y s t e mt h e d e t e c t i o nv e h i c l ew i t hr a n g el a s e ro v e r h e a dm o u n t e dt r a f f i cm o n i t o r i n g s y s t e m s c a l lb e e x p e c t e d t op r o v i d es e v e r a lb e n e f i t s t h i st e c h n i q u eo u t p e r f o r m sl o o p d e t e c t o r s ，v i d e oc a m e r a s ，a n dr a n g ed a t at e c h n i q u e si nd e t e r i o r a t e de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s o t h e rb e n e f i ti sr e d u c e do p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ec o s t ss i n c em a i n t e n a n c ec a nb ep e r f o r m e d o f ft h et r a v e l e dw a y ，w h i c hr e d u c e sl a n ec l o s u r ea n dc o s t s t h es y s t e m sc a nb er e c o n f i g u r e d q u i c k l ya n dc h e a p l y t h em a j o ra d v a n t a g ea n d i ti st h eg o o dc l a s s i f i c a t i o no fv e h i c l e s ，b e c a u s e i tp r o v i d e ，w i t has i m p l eg e o m e t r i cc a l c u l a t i o n ，av e c t o ro fb a s i cf e a t u r e s ( 1 e n g t h ，w i d t h ， h e i g h t ) a n dh e i g h tp r o f i l e ，w h i c hw i l lh e l pu st oi d e n t i f yt h ev e h i c l e t h e r ei sad i s a d v a n t a g eo fh i g h e ri n i t i a lc a p i t a lc o s t ，b u tc o m p u t e rs y s t e m sp r i c e sw i l l c o n t i n u et od e c r e a s ea n dr e d u c et h e s ec o s t s t h i ss h o u l dh e l pi ni m p r o v e ds y s t e mo p e r a t i o n w i t hb e t t e rt r a f f i ce n f o r c e m e n t ，r e g u l a t i o n ，a n dd e v e l o p m e n to fn e wm e t h o d sf o rf e e c o l l e c t i o n 2 v e h i c l ec l a s s i f i c a t i o ni st h ep r o c e s so fs e p a r a t i n gv e h i c l e sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tp r e d e f i n e d c l a s s e s v e h i c l ec l a s s i f i c a t i o ni n f o r m a t i o nc a l lb eu s e di nm a n yt r a n s p o r t a t i o na p p l i c a t i o n s i n c l u d i n gr o a dm a i n t e n a n c e ，v e h i c l er e - i d e n t i f i c a t i o n ，e m i s s i o n s p o l l u t i o ne s t i m a t i o n ，t r a f f i c m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o n ，t r a f f i cs a f e t y ，a n dt o l l s e t t i n g t h e c o l l e c t i o no fv e h i c l e c l a s s i f i c a t i o nd a t ah a s p r e v i o u s l y b e e n i n v e s t i g a t e du s i n gv a r i o u s n e ws u r v e i l l a n c e t e c h n o l o g i e ss u c h 弱v i d e o ，i n d u c t i v el o o p ，a n da c o u s t i cd e t e c t o r s o n eg o a lo ft h i sp r o j e c ti st oe x p l o i tt h ec u r r e n tl a s e rs e n s o r ，a n di m p l e m e n tt h ev e h i c l e c l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h m sd e v e l o p e di nt h i sr e s e a r c h 1 2m e t h o d o l o g y t h eo v e r a l lo b j e c t i v eo ft h i sr e s e a r c hw a st od e v e l o pm e t h o d sf o rv e h i c l el o c a t i o na n d c l a s s i f i c a t i o nu s i n gr a n g ei m a g i n gs y s t e m s o t h e rg o a l so ft h i sr e s e a r c hw e r et od e t e r m i n ei fa r a n g ei m a g i n gs y s t e mw o u l dp r o v i d et h eb a s i sf o rav e h i c l er e c o g n i t i o ns y s t e m ，a n dd e t e r m i n e t h en u m b e ro fd i f f e r e n tv e h i c l ec l a s s e st h a tc o u l db ea c c u r a t e l yc l a s s i f i e d t h ed a t as o u r c ew ea r eu t i l i z i n gi sal a s e rs e n s o rw h i c hr e t u r n sr a n g ei n f o r m a t i o n i ti s n e c e s s a r yt oc a l c u l a t eav e h i c l e sl e n g t h ，w i d t ha n dh e i g h t t h e s ec a l c u l a t i o n sa r ed e t e r m i n e d f r o mt h eg e o m e t r i c a l l yc o r r e c t e dr a n g ei n f o r m a t i o ne x t r a c t e df r o mt h ed i s t a n c ei m a g e t h e v e h i c l e sc a nb cp l a c e di n t ob a s i cs u b c l a s s e su s i n gt h ef e a t u r ev e c t o r ( h ，l w ) i no r d e rt o d i s t i n g u i s hm o r ec o m p l e t e l yt h et y p eo fv e h i c l e ，o n en e e d sm o r ef e a t u r ev e c t o r s i na d d i t i o n t ot h el e n g t h ，w i d t h ，a n dh e i g h tf e a t u r e s ，w ec a nu s et h ev e h i c l ep r o f i l e 3 s t u d yo fa u t o m a t i cv e h i c l ed e t e c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o nu s i n gl a s e rs e n s o r t h e s t a g e so f o u rv e h i c l ed e t e c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h mi n c l u d e ： 1 v e h i c l ed e t e c t i o n 2 t h es p e e do fa no b j e c tw h i c hi sau s e f u li n d e xf o rt r a f f i cs u r v e i l l a n c ea n ds a f e t y 3 t h ea b s o l u t ed i m e n s i o n so ft h ev e h i c l e ，t h i si n c l u d e si t sl e n g t h ，w i d t ha n dh e i g h t 4 t h eh e i g h tp r o f i l ei fy o un e e d 5 t h ec l a s s i f i c a t i o nr e s u l to rt y p eo fv e h i c l e g e t d a t a i v e h i c l ed e t e c t i o n i c a l c u l a t es p e e d i c a l c u l a t ef e a t u r e st h a ta r e u s ef o rc l a s s i 6 c a t i o n i h e i g h t l e n g t h w i d t h h e i g h tp r o f i l e l o u t p u tv e h i c l es p e e d a n dc l a s s i f i c a t i o n f i g u r e l 1d i a g r a ma v d cs y s t e m s 4 1 3s t r u c t u r eo fr e p o r t t h eo r g a n i z a t i o no ft h i sf i n a l r e p o r t i sa s f o l l o w s c h a p t e r1 i sa ni n t r o d u c t i o no f o v e r v i e wm o t i v a t i o na n dm e t h o d o l o g y c h a p t e r2d i s c u s s e st h eb a c k g r o u n da n dg e n e r a l v e h i c l ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o d sf o rt h ep r e c e d i n gw o r k s c h a p t e r3d i s c u s s e st h es y s t e m o p e r a t i n ga n dd e s c r i b e st h es e n s o r su s i n g i na v d c s y s t e m c h a p t e r4p r e s e n t sd a t aa c q u i s i t i o na n dv e h i c l ed e t e c t i o na p p r o a c h c h a p t e r5d e s c r i b e st h e f e a t u r e sv e c t o re x t r a c t e da n dt h et h e o r e t i cd e c i s i o n a p p r o a c h a n dh e u r i s t i cv e h i c l e c l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h m s a te n do fr e p o r t ，w eg i v eac o n c l u s i o no ft h i sr e p o r tw i t has u m m a r ya n dad i s c u s s i o no f f u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s c h a p t e r 2g e n e r a lv e h i c l ec l a s s i f i c a t i o n 2 1i n t r o d u c t i o n h i g h w a ya g e n c i e s u s eal a r g en u m b e ro fv e h i c l ec l a s s i f i c a t i o ns c h e m e s f o rm a n y a n a l y s e s ，s i m p l e v e h i c l ec l a s s i f i c a t i o n s c h e m e s ( p a s s e n g e rv e h i c l e s ，s i n g l e u n i tt r u c k s ， c o m b i n a t i o nt r u c k s ) a r em o r et h a ns u f f i c i e n t i n o t h e r c a s e s ，m o r es o p h i s t i c a t e dv e h i c l e c l a s s i f i c a t i o nc a t e g o r i e sa r en e e d e d f o re x a m p l e ，i nt h ee a r l y1 9 9 0 sc a n a d ai n v e s t i g a t e dt h e c r e a t i o no fac l a s s i f i c a t i o ns c h e m et h a tw o u l dh a v ei n c l u d e dt h et y p eo fh i t c hu s e db e t w e e n t r a c t o r sa n dt r a i l e r s t h i sw o u l dh a v ea l l o w e dm u c hm o r er e l i a b l er e s e a r c ho nt h ec r a s h h i s t o r y ，a n dc o n s e q u e n t l yt h es a f e t yb e n e f i t s ，o fa l t e r n a t i v eh i t c ht y p e s u n f o r t u n a t e l y ，t h e a v a i l a b l ed a t ac o l l e c t i o nt e c h n o l o g yc o u l dn o ta c c u r a t e l yc l a s s i f yv e h i c l e sb yh i t c ht y p e a sw a sf o u n di nc a n a d a ，t h ec l a s s i f i c a t i o ns c h e m e st h a tc a nb eu s e da r eaf u n c t i o no ft h e d a t ac o l l e c t i o ne q u i p m e n ta v a i l a b l e t h et h r e et y p e so fs e n s o r sm o s tf r e q u e n t l yu s e df o r c o l l e c t i n gt r u c kv o l u m ei n f o r m a t i o n ( v i s u a l ，a x l e ，a n dp r e s e n c es e n s o r s ) e a c hp r o v i d ea d i f f e r e n tm e c h a n i s mf o rc l a s s i f y i n gv e h i c l e s w i t h i ne a c ho ft h e s et h r e eb r o a dc a t e g o r i e sa r e a l la r r a yo fs e n s o r sw i t hd i f f e r e n tc a p a b i l i t i e s ，l e v e l so fa c c u r a c y ，p e r f o r m a n c ec a p a b i l i t i e s w i t h i nd i f f e r e n to p e r a t i n ge n v i r o n m e n t s1 2 1 ，a n do u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s e a c ht y p eo fs e n s o r w o r k sw e l lu n d e rs o m ec o n d i t i o n sa n dp o o r l yi no t h e r s f u r t h e rc o m p l i c a t i n gm a t t e r si st h ef a c tt h a td i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sa t t a c hd i f f e r e n tt y p e s o fe l e c t r o n i c st ot h o s es e n s o r sa n da n a l y z e ，s t o r e ，a n dr e p o r ts e n s o ro u t p u t sd i f f e r e n t l y s o m e d a t ac o l l e c t i o ne q u i p m e n ti sc a p a b l eo fm a i n t a i n i n gl a r g ea m o u n t so fd a t at h a tp r o v i d ev e r y d e s c r i p t i v ec l a s s i f i c a t i o ni n f o r m a t i o n f o re x a m p l e ，s o m es y s t e m ss t o r ei n d i v i d u a l v e h i c l e 7 i m a g e s ( e i t h e rr a n g ei m a g e so ra x l ew e i g h t sa n ds p a c i n gi n f o r m a t i o n ) a n dd i f f e r e n t i a t ea m o n g aw i d ev a r i e t yo fv e h i c l et y p e s o t h e r ，l e s sp o w e r f u ls y s t e m sc a nd i f f e r e n t i a t eo n l yaf e w g e n e r a lc l a s s e s ，b a s e dl a r g e l yo nm e a s u r e so fo v e r a l lv e h i c l el e n g t h ，a n ds t o r ea n dr e p o r tt h e d a t ao n l ya ss u m m a r yt o t a l sf o rs p e c i f i e dt i m ei n t e r v a l s 2 9 1 a v a r i e t yo fe q u i p m e n tc a nb eu s e dt oc l a s s i f yt h et r a f f i cs t r e a m a v a i l a b l et e c h n o l o g y a l l o w su s eo fa x l e ，v e h i c l el e n g t h ，a n dm a c h i n ev i s i o nc l a s s i f i e r s n e wt e c h n o l o g i e sa r e r a p i d l ye v o l v i n ga st h el a s e rt e c h n o l o g yt h a tp r o v i d e sag r e a tf e a t u r ev e c t o rb a s e do nt o t a l v e h i c l es i z e ( 1 e n g t h ，w i d t h ，h e i g h t ) ，a n dh e i g h tp r o f i l eh a sam a j o ri m p a c to nt h eg e o m e t r i c d e s i g nn e e d e df o rab e t t e rc l a s s i f i c a t i o n t h ed i f f e r e n ts e n s o rt e c h n o l o g i e sa l s or e q u i r eav a r i e t yo fd i f f e r e n tv e h i c l ec l a s s i f i c a t i o n s c h e m e sb e c a u s et h ev e h i c l ec h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o np r o v i d e db ye a c hs e n s o rd i f f e r s t h e i d e a lv e h i c l ec l a s s i f i e rw o u l db ea b l et om e a s u r eaw i d ev a r i e t yo fv e h i c l ec h a r a c t e r i s t i c sa n d t om e e tt h en e e d so fd i f f e r e n tu s e r s 2 2t h ev e h i c l ec l a s s i f i c a t i o np r o b l e m t h ep r o b l e mo ft h ec l a s s i f i c a t i o no fr o a dv e h i c l e sa r i s e si nm a n ya r e a ss u c ha st r u c k v o l u m ee s t i m a t i n g ，t r a f f i cp l a n n i n g , r o a d w a yt o l l i n g ，e t c s o l v e