行人检测识别模型研究工程训练宣晓刚.doc

自 动 化 学 院工 程 设 计 训 练 报 告学 院自动化学院专 业电气工程与自动化班 级09063011学 号09061224学生姓名宣晓刚指导教师刘伟峰学 期第七学期完成日期2013.1.301概述：近年来，随着经济的发展，交通需求日益增加，城市交通拥堵、交通事故频发、交通环境恶化以及能源短缺等成为当前世界各国面临的共同问题。无论是发达国家还是发展中国家都承受看不断恶化的交通的困扰，据美国有关部门预测，到2020年，美国因交通事故造成的经济损失每年将会超过1500亿美元，而日本东京目前因交通拥堵每年造成的经济损失约为1230亿美元。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也越来越少。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(ITS)。 ITS(智能交通系统)是目前世界各国交通运输领域竞相研究和开发的热点。ITS是指将先进的信息技术、电子通讯技术、自动控制技术、计算机技术以及网络技术等有效地综合地运用于整个交通运输管理体系，而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和控制系统。 ITS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。它是由若于子系统所组成的，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。 ITS的应用给交通运输业带来了巨大的经济效益，并且正在逐步形成产业化。一项关于美国西雅图高速公路使用匝道调节系统的6年研究报告显示：尽管1-5年间交通量增加了10%-100%，但由于采用了先进的交通管理系统，车速保持稳定或增加，而事故发生率减少了60%，在每个匝道口的延误时间平均低于3分钟。1.1 ITS的内容1先进交通管理系统(Advanced Traffic Management Systems，ATMS) ATMS为智能型运输系统的核心与基础，此系统系利用侦测、通讯及控制等技术，将交通监控系统侦测所得之交通状况，经由通讯网路传输到交通控制中心，中心再结合其它方面获得之信息，制定及评估交通控制策略，执行整体性的交通管理，并将相关信息传送给用路人与相关道路管理单位，以达到运输效率最大化及运输安全之目的。本系统主要特色系强调其与各子系统间之整合与实时控制之功能，提供匝道控制、号志时制计画、事故管理、替代路线导引等之参考。 ATMS之相关技术有计算机交通号志、匝道仪控、事件自动侦测、动态交通预测、自动车辆定位( Automatic Vehicle Location，AVL)、可变讯息标志(Changeable Message Sign，CMS)、地理信息系统(Geographic InformationSystem，GIS)、行进间测(Weigh-In-MotionWIM)、自动车辆分类(AutomaticVehicle Classification，AVC)、电子式自动收费(Electronic Toll Collection，ETC)、自动车辆辨识(Automatic Vehicle Identification，AVI)、最佳路线导引等。2先进用路人信息系统(Advanced Traveler Information Systems，ATIS) ATIS系藉由先进信息、通讯及其它技术，提供旅行者必要之信息，使其能于车内、家里、办公室、车站等地点方便地取得所需之信息，作为旅次产生、运具与路线选择之决策依据，以顺利到达目的地。 ATIS之相关技术有可变讯息标志(CMS)、公路路况广播(Highway AdvisoryRadio，HAR)、全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)、地理信息系统( GIS)、车内显示系统、最佳路线导引、无线电通讯(WirelessCommunications)、电视路况报导、图文电视、旅行服务信息、整体服务数字网络(Integrated Service Digital Network, ISDN)筹3先进车辆控制及安全系统(Advanced Vehicle Control and Safety Systems，AVCSS) AVCSS系结合传感器、计算机、通讯、电机及控制技术应用于车辆及道路设施上，协助驾驶人驾驶，以提高行车安全，增加道路容量，减少交通拥挤。本系统之主要特色系利用传感器协助人类感官功能之不足，减少危险之发生；提高自动控制之程度，从事更安全、准确、可靠之控制，弥补驾驶人因判断错误及技术不佳所造成的疏失与危险。 AVCSS之相关技术包括：防撞警示系统、自动停放车辆、车间与车一路间通讯、自动车辆诊断、自动横向纵向控制等。4商用车辆营运系统(Commercial Vehicle Operations，CVO) CVO系利用前述ATMS、ATIS与AVCSS之技术于商业营运车辆，以提升运输效率及安全，减少人力成本，提高生产力。所谓商车J不仅包括大型与重型车辆如卡车、货车，也包括紧急救护用车辆，以及每日运作的商用小型车。 CVO之相关技术包括：自动车辆监视(AVM)、自动车辆定位(AVL)、行进间测重(WIM)、电子式自动收费(ETC)、自动车辆辨识(AVI)、最佳路线导引、双向无线电通讽、商车计算机辅助调度、自动货物辨识( Automatic CargoIdentification, ACI)等。5先进公共运输系统(Advanced Public Transportation Systems，APTS) APTS系将ATMS、ATIS与AVCSS之技术应用于公共运输系统，以改善公共运输服务品质，提高营运效率，增加公共运输系统之吸引力。 APTS之相关技术包括：自动车辆监视(Automatic Vehicle Monitoring，AVM)、自动车辆定位(AVL)、双向无线电通讯、电子式自动付费(Electronic FarePayment，EFP)、最佳路线导引、公车计算机排班、公车计算机辅助调度、车内显示系统等。6先进乡区运输系统(Advanced Rural Transportation Systems，ARTS) 研究发现几乎有5004以上之交通事故是发生在郊区道路，且由于距离医疗服务太远，延误治疗，死伤情形较市区严重，遂于ITS中增加此一子系统，希望藉由紧急号志、事故侦测、路线导引、双向通讯及自动定位等技术之应用，以降低事故造成之损失。 ARTS之相关技术有：事件自动侦测、自动紧急信号、最佳路线导引、自动车辆定位(AVL)、双向通讯等。7自动公路系统(Automatic Highway Systems，AHS) 自动公路系统是ITS各项技术最先进的一项系统，它系利用路旁设施的布设，使车辆得以自动驾驶。AHS的目的系藉由先进通讯及自动控制等技术的应用，协助驾驶人丌车，以降低驾驶人开车时精神及体力上的负担，并提升交通安全与运输效率。 AHS的概念可分为车辆完全自主（即车辆完全智能化）、道路设施控制（即大部分由道路上相关设施来控制），以及介于前两者之间的系统。1.2 ITS的发展状况 近十几年来，世界各国交通拥堵、交通事故和环境污染越来越影响着社会经济发展和生活。虽然道路运输增长的需求可以靠提供更多的道路设施来满足，但是在资源、环境矛盾越来越突出的今天，道路设施的增长将受到限制，这就需要依靠提供除设施的增长将受到限制，这就需要依靠提供除设施之外的技术方法来满足这一需求。智能运输系统(ITS)就是解决这一矛盾的途径之一，而且，其重要性正被越来越多的人所认可。ITS是21世纪地面交通运输科技、运营和管理的主要发展方向，是变通运输的一场革命。自20世纪80年代术以来，西欧、北美和同本竞相发展智能运输系统，制定并实施了开发计划。发展中国家也开始ITS的全面开发与研究。中国：蓄势待发 我国是世界上经济持续发展较快的发展中国家，随着经济的快速发展和社会的不断进步，交通运输对于保证社会经济体系的正常运转发挥着越来越大的作用，部分地区日趋拥堵的交通状况已经成为影响投资环境、制约经济进一步发展的重要因素，同时交通拥堵也使得汽车对空气的污染更加严重。基于我国交通运输的发展现状和未来的发展目标，除了应当加强基础设施建设外，还应充分采用现代高科技手段，最大限度地发挥既有设施的能力。在这种情况下，以信息技术为核心的智能交通系统ITS是一种最佳的选择。 近几年来，ITS在中国有了长足的发展，其中有两件标志性的事件值得书写：一是在1999年，由科技部牵头，联合建设部、交通部、公安部等十多个相关部委，组织成立了全国智能交通系统(ITS)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；二是在数十位专家、学者的通力协作下，于2000年完成了中国ITS体系框架研究和标准规范的制定。其中标准规范的制定从一定程度上确定了系统构成、功能模块以及模块之间的通信协议和接口，建立了能够与国际接轨的ITS标准体系，中国ITS体系框架也己成为指导中国ITS发展的纲领性文件。“十五”期间，科技部将ITS作为“十五”科技计划的重大专项项目予以实施，并将以“示范工程为引导，加快技术开发与产业化，促进相关技术的全面发展。”1.3本课题的目的 行人的实时检测和追踪技术是智能交通系统的重要技术之一。通过对于路面行人的实时检测和追踪，可以得到许多有价值的交通流参数，例如：人流量、人流密度等等；而对于岔口的行人检测和追踪，可以得到诸如排队长度、占有率等参数；同时还可以检测事故或者故障等突发状况。所以在城市交通上都有着广泛的应用。1.4行人检测内容行人检测内容包括背景获取，行人特征获取。n 获取背景图像多帧图像平均法获取背景图像 利用运动目标运行一段时间的序列图像进行平均而得到背景图像表示背景图像，表示第i帧序列图像在象素点的灰度值，N表示帧数n 获取前景图像 其中表示第帧视频图像象素点为位置的象素灰度值，表示背景图像，为前景图像，即一幅图像由前景图像和背景图像组成 视频背景图像定义为视频中对象固定不变的场景物体和目标，而视频前景可以看作为由移动目标构成的图像n 行人特征获取有限混合模型与BIC信息准则有限混合模型是一种混合统计的建模工具, 混合模型研究的问题可以归类为两点：混合成份个数估计，混合模型参数估计，本文采用高斯混合模型方法,它可表示为： （4）式中，表示观测数据，是参数集，表示如下几个参数：高斯混合权重，高斯均值和高斯协方差阵。本文目的是从观测数据中估计权重，均值和协方差3类混合参数。由于行人个数位置未知，这意味着混合分布个数m是未知的，为此，引入贝叶斯信息准则来估计高斯混合分布元个数,该准则可表示为： (5) 式中，m是分布元个数，L(.)是参数似然函数。学习过程用Gibss采用算法。n 行人检测与估计方法 通过背景消减获得的提取行人图像，然后应用基于BIC准则和Gibbs采样的有限混合模型无监督学习算法，采用matlab程序算法，调整权重，进行无监督学习。然后根据以下两个判断是否为人形：(1)权重是否大于阈值权重，若小于，则判定为干扰，舍去；(2)学习后椭圆形长轴和短轴的比值，是否在所定义的范围内，并且计算长轴与Y方向（纵向）夹角，判断该角是否小于定义的阈值范围。1.5国内外研究现状 行人检测就是把视频序列中出现的行人从背景中分割出来并精确定位。基于视觉的行人检测目前仍旧是计算机视觉领域的一个公开的难题。原因在于：行人同背景混合在一起，行人可能走，也有可能站着或者不可预测地改变运动方向；行人所处的背景非常复杂。目前为止，一些行人检测系统在某些约束环境中被证明能有效地检测行人，从而鼓舞了研究人员开展进一步的研究工作。 现有的行人检测方法归纳为四种：相邻帧间差分法、光流分析法、减背景方法和基于统计学习的行人检测方法。但是实际上，随着应用场景的更加细化，还有一些适合于特定应用环境的算法，包括统计法，主动轮廓线法，独立分量分析法等。还有一些算法，如：高阶统计法，小波法，能量运动检测法，扩展的EM方法和数学形态法等，由于应用范围只限特定应用，而且算法复杂，一般要与DSP集成才能保证算法的实时性，在这里不做讨论。下面就上面的几种算法分别做简要的介绍，并对各自的优缺点进行分析。 相邻帧间差分法 相邻帧间差分法又称为图像序列差分法，主要利用两帧图像亮度差的绝对值来分析视频和图像序列的运动特性，确定图像序列中有无运动物体。如果差的绝对值小于某一阀值，则没有运动；反之，则存在运动。针对背景与前景灰度交叉的情况，近年来许多人提出了用局部阀值的方法来提高算法的自适应性，主要有基于假设检验的帧差法和高次统计法。 相邻帧间差分法可用于动态变化的场景，但一般不能很好地提取出运动目标的所有特征像素；主要以静态背景为条件，适应于目标运动稍快且图像分割精度要求高的场合。 光流分析法 光流不仅携带了被观察物体的运动信息，还携带有被观察物的三维结构，传感器参数，非刚性物体的局部弹性形变，甚至流体运动的矢量结构特征等丰富信息。光流分析法通过对视频图象光流场的分析，而得出运动目标。光流计算技术是Gibson于1950年提出的，光流分析法检测运动目标的基本原理是图像中的每一个像素点赋予一个速度矢量，这就形成了一个图像运动场，在运动的一个特定时刻，图像上的点与三维物体上的点一一对应，这种对应关系可由投影关系得到；根据各个像素点的速度矢量特征，可以对图像进行动态分析。 目前基于光流的计算方法主要有微分法（梯度法）、块匹配法（区域匹配法）、能量法、相位法和小波法等。光流法能够检测出独立运动的目标，不需要预先知道场景的任何信息，并且用于动态背景。但这种方法计算量大、易受噪声影响，必须借助特殊的硬件支持来实现实时检测。张泽旭71等将Canny边缘提取融入光流场分割技术，对单位运动目标和多运动目标均取得了比较满意的效果，实时性也大大提高。 光流法在航天、医学和交通等领域得到了初步应用，但如何进一步提高其抗噪性、实时性和运算速度，有待于深入研究。 光流分析方法一般包含两种常用的方法：梯度法和块匹配法。光流分析法的优点在于可以在摄像机运动的情况下，仍然可以检测运动目标，但它计算复杂，实时性较差，因此在摄像头固定的情况下应用的比较少。 减背景方法 减背景方法的基本思想是将当前帧图象与事先存储或者实时得到的背景图象相减，若像素差值大于某一阈值，则判此像素为运动目标上的，阈值操作后得到的结果直接给出了目标的位置、大小、形状等信