【毕业学位论文】（Word原稿）基于视频检测的电子警察前端系统的设计与实现-软件工程

中图分类号： 学校代码： 10055 密级： 公开 硕 士 专 业 学 位 论 文 基于视频检测的电子警察前端系统的设计与实现 of on 文摘要 I 中文 摘要 近年来 ，随着经济的 快速 发展， 汽车化进程不断加快，机动车消费需求旺盛 ， 城市交通基础设施建设，尤其是城市道路建设的速度却慢很多，交通状况逐渐恶化， 智 能交通系统 成为 我国道路交通发展的主要趋势 。 电子警察系统是 智能交通系统 不可缺少的一部分， 又被称为 闯红灯自动抓拍系统， 通过对机动车路口闯红灯这种极易造成恶性事故的交通违章现象进行自动监测记录，可以规范机动车驾驶行为，大幅降低路口闯红灯的违章现象，有效地缓解路口的交通状况 ， 成为各地交警部门用来强化交通管理的一个重要手段 。 本文 研究立足于智能交通系统的大背景，通过对电子警察系统应用现状进行调研，依据发现的问题提出了本文的研究目标，一种 以 视频 检测 技术 为主体的电子警察 前端 系统 。本文按照软件工程的流程， 首先介绍了电子警察系统的概念， 提出 基于视频检测的电子警察前端系统的功能性需求和非功能性需求 ， 接着 分别从系统的业务流程、各模块功能等方面对子系统进行了详细描述，阐述了数据库的设计思路和数据库表结构 。 本文采用 台 C/C+语言作为开发工具， 统具有较高的稳定性和安全性，支持多种硬件平台，可以适应系统部署的各种外部环境， C/C+的高效性并且可以 简便地与 高清相机联合编程，能够使电子警察前端系统的软硬件紧密结合，具有较高的性能优势。 本文研究的电 子警察前端系统方案，通过对监测路口的实时视频图像进行采集，使用图像处理技术进行处理，基于虚拟线圈并结合路口的交通灯信号控制器，对闯红灯、不按规定车道行驶等违章车辆进行检测。这种基于图像处理和虚拟线圈的视频检测方案，在功能、安装及维护方面优于传统的地感线圈检测。本方案从实际应用角度出发，通过长时间的路口实验及使用，结果表明方案能够满足用户对电子警察前端系统稳定性、可靠性、安全性、易维护性等性能需求，具有较高的实用价值。 关键词： 智能交通 系统 ,电子警察 系统 ,视频检测 ,虚拟线圈 I n of in is in of an is In a of as to of + of C+ is , it is a is to in of a of of to a 录 录 中文摘要 . I . 录 . 一章 绪论 .一节 课题的研究背景 . 1 第二节 国内外发展现状 . 2 第三节 课题的研究内容 . 3 第四节 论文组织结构 . 3 第二章 系统需求分析 .一节 电子警察系统概述 . 5 子警察系统的概念 . 5 子警察系统的结构 . 6 于视频检测的电子警察前端系统简介 . 7 第二节 视频检测电子警察前端系统的需求分析 . 8 统功能性需求 . 8 统非功能性需求 . 11 第三节 小结 . 12 第三章 系统总体设计 . 13 第一节 系统的硬件组成结构 . 13 统硬件结构 . 13 辆检测技术分析 . 14 第二节 系 统的软件模块设计 . 16 频检测模块 . 16 机管理模块 . 17 拍业务模块 . 17 牌识别模块 . 17 目录 字符叠加模块 . 18 片编解码模块 . 18 像模块 . 18 备管理模块 . 19 第三节 系统数据库分析与设计 . 19 据库简介 . 19 据库设计原则 . 21 拍记录表 . 22 备表 . 23 别核心表 . 24 加字符类型表 . 25 道类型表 . 25 法类型表 . 26 第四节 小结 . 26 第四章 系统详细设计 . 27 第一节 业务逻辑调度模块 . 27 第二节 视频检测模块 . 29 块功能说明 . 29 块接口设计 . 30 要逻辑设计 . 32 第三节 相机管理模块 . 34 块功能说明 . 34 块接口设计 . 34 第四节 抓拍业务模块 . 36 块功能说明 . 36 块接口设计 . 36 要逻辑设计 . 37 第五节 号牌识别模块 . 42 块功能说明 . 42 块接口设计 . 43 要逻辑设计 . 44 目录 V 第六节 字符叠加模块 . 45 块功能说明 . 45 块接口设计 . 45 第七节 编解码模块 . 47 块功能说明 . 47 块接口设计 . 48 第八节 设备管理模块 . 49 块功能说明 . 49 要逻辑说明 . 49 第九节 面管理 模块 . 52 块功能介绍 . 52 据查询 . 52 数设置 . 53 他管理功能 . 54 第十节 小结 . 54 第五章 系统实现与测试 . 55 第一节 开发环境 . 55 发环境概述 . 55 发环境的优势 . 55 第二节 测试环境 . 57 备安装 . 57 清 相机调试 步骤 . 58 第三节 软件测试 . 60 拍记录查询 . 61 辆流量查询 . 63 像记录查询 . 64 备状态查询 . 65 第六章 总结与展望 . 66 参考文献 . 67 致 谢 . 69 目录 人简历 . 70 第 一 章 绪论 1 第一章 绪论 第一节 课题的研究 背景 随着我国社会经济快速发展和人民生活水平不断提高，汽车化进程不断加快，机动车消费需求旺盛。 截至 2012 年 年 底，全国机动车总保有量达 辆。其中，汽车 辆， 年增长 1510 万辆，增长量超 1999 年底全国汽车保有量 1。相比之下，城市交通基础设施建设，尤其是城市道路建设的速度却慢很多，交通状况逐渐恶化，出现了比较严重的拥堵问题。 如何最大限度地发挥现有交通设施的有效性，提高道路交通管理效率，实现自动化和智能化交通管理成为全国交通运输行业 的 一个重要的研究课题 ，当前可行的举措便 是发展智能交通系统 2。 智能交通系统简称 3,是一种集成了信息技术、通信技术、电子技术、传感器技术和计算机处理技术的各类交通行业解决方案的系统的总称， 是一种 提升 交通系统的运行效率、 降低 交通事故、 减少环境污染、人性 化、 信息化、集成化、智能化 的新型 的 交通运输系统。它通过 优化各种交通资源的配置同时采用 现代科技 技术为众多 交通 运输 系统使用者 提供全方位的运输服务 ， 有助 于 最大程度的发挥交通基础设施的 运行效率 ，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 4。 在智能交通系统的发展和应用中，电子警察系统 作为其 重要 的 组成部分 ，并且越来越得到重视。 电子警察 系统通常被称为闯 红灯自动抓拍系统，作为智能交通系统 不可缺少的一部分 ， 通过 自动监测记录诸如 机动车路口闯红灯 此类的 极 易造成 严重交通 事故的违章现象， 做到 路口 交通 管理的无人值守、不间断监测， 并且采集 车辆违章证据充分正确 6。 交通违章行为，是造成交通拥堵 和 交通事故 的主要原因，也是交通管理的重点 对象 ， 现代 城市 发展规模大、速度快，城市 中交通路口众多， 车 流量 非常 大， 交通管理部门 对诸如 机动车 闯红灯 等 交通违章行为进行监测、取证， 建设 电子警察系统是 十分 必要的。 电子警察系统的应用，可以警示机动车驾驶员，规范机动车驾驶行为，大幅降低路口闯红灯的违章现象，有效地缓解路口的交通状况。这样 既保障了交通安全， 又 减轻了第 一 章 绪论 2 民警的劳动强度 ， 成为各级道路交通 管理部门科技 強警的重要手段 7。 第二节 国内外 发展现状 自 20 世纪 80 年代 以来，日益严重的交通问题与人类社会可持续发展之间的矛盾促使以欧洲、美国和日本为代表的各发达国家从依靠扩大路网规模来解决日益增长的交通需求 8，转移到用新技术来改造现有 交通 运输体系及 交通 管理方式， 以便改善道路网络 同行能力 和 交通 运输能力 。 进入 90 年代后 ， 世界发达国家开始研究并提出了智能交通 ( 概念， 在 以惊人的速度发展，许多发达国家为智能交通系统的发展，建立了许多机构，制定和实施发展计划 。如美国 会 (欧洲共同体的交通信息与控制组织 本的路车交通智能协会 改为 以及国际标准化组织智能交通系统技术委员会 (。 1986 年，欧洲启动智能交通系统研究的第一批项目 本开始 验研究，其后美国开始启动 “ 2000 年的交通模式”研究项目。到 90 年代 末， 出现了难以计数的智能交通相关的研究项目，从理论发展到实际 实现，从 现场 试验 到形成产业 5。 国内 的发展起步较 晚， 1996 年北京市公安局公安交通管理局科研所在北京市西四路口试验国内第一台 抢红灯自动拍摄器 获得成功 ， 经过十多年的发展和推广，国内的 智能交通 系统的技术不断更新，功能 日趋完备 9。 进入新世纪之后 ，我国 开始 加速 研究 ， 2000 年科技 部牵头成立了全国智能交通系统协调指导小组及办公室 ， 在国务院各有关部门的大力协同和配合下，地方政府及科研单位、院校、企业 都 积极 地 参与，经过不懈努力，取得了许多令人可喜的研究和建设成果，其中包括建立了国家级的智能交通系统工程技术研究中心，制定了中国智能交通发展战略和中国智能交 通系统体系框架，一些城市编制了地方智能交通系统发展规划和体系框架， 建设了各类 智能交通应用系统，在 一些 关键技术和产品 研发以及 产业化等方面也取得了令人瞩目的成绩 9。“十五”及“十一五”期间，科技 部在国家科技攻关计划中设立了“智能交通系统关键技术开发和示范工程”项目 。 电子警察 系统 因其 全天候工作 的特性 ，在缓解日益繁忙的道路交通管理任务与警力严重不足之间的矛盾同时 10，一定程度上消除了道路交通管理在时间和空间上的 盲点 ，扩大了交通管理的监控时段和第 一 章 绪论 3 监控范围，也提高了交通参与者遵纪守法意识，得到各级道路交通管理 部门的认同，成为各级道路交通管理部门科技强警的重要手段，目前在国内各级城市都有广泛应用 ， 北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、济南、青岛、杭州、中山 等城市进行的试点示范工程等项目 也 正在 顺利实施 。 近期 ，交通运输部将结合 实施中 的十二五规划， 进一步提高 智能交通 在整个交通运输业中的比重，加 速 我国 智能交通 的建设和完善。 目前 ，各地 纷纷 在现有交通设施的 基础 上 ，着力提升智能交通水平，发展和延伸智能交通产业链 11。 第三节 课题的研究内容 智能交通系统是交通的大趋势，而电子警察系统是智能交通中难度较大的一个系统，随着图像的清晰度越 来越高，广大用户对通过图像实现的功能要求也是越来越多 ： 车辆轨迹、视频测速、不按车道行驶、视频检测红绿灯、违章联动录像 等等 ，简单的运用车牌定位和识别技术以及外触发已经难以实现了。需要采用基于 视频检测的 行为分析技术，同时利用多种算法技术结合交通特点，才能实现这些要求。 本文研究立足于智能交通系统的大背景， 对目前 电子警察系统 的 应用进行调研，依据发现的问题提出了本文的研究目标，一种基于虚拟线圈和视频检测技术为主体的电子警察系统。本文 根据 软件工程的流程，首先介绍了电子警察系统的概念，提出基于视频检测的电子警察前端系统 的功能性需求和非功能性需求，接着分别从系统的业务流程、各模块功能等方面对子系统进行了详细描述，阐述了数据库的设计思路和数据库表结构，最后介绍了系统的实现，测试验证了系统的可用性、实用性 。 本文采用 台 C/C+语言作为开发工具，统具有较高的稳定性和安全性，支持多种硬件平台，可以适应系统部署的各种外部环境， C/C+的高效性并且可以简便地与高清相机联合编程，能够使电子警察前端系统的软硬件紧密结合，具有较高的性能优势。 第四节 论文组织结构 全文共分为 六 章： 第一章为绪论 ， 主要介绍系统开发的背景、意 义和国内的研究与发展现状，以及系统开发要实现的目标 。第二章为系统 需求 分析，介绍 了电子警察系统的第 一 章 绪论 4 基本概念， 对 论文设计的电子警察系统提出 功能性 和非功能性需求。 第三章为系统 总体 设计 ， 介绍 了 系统整体架构的设计 、系统的部署结构、 软件模块的功能和数据库设计 。第四章为系统 详细设计 ， 通过 软件工程 的方法 结合及具体实现方案对整个系统进行 设计 。 第五章 为系统实现与测试，介绍了系统的开发语言、开发环境，和软件测试结果。 第 六 章为总结 与展望 。对系统 的 设计实现 过程 进行总结， 结合智能交通的行业发展趋势 对下一步的 系统的 开发 完善 进行展望 。 第 二 章 系统需求分析 5 第二章 系统需求 分析 本文 设计的 基于视频检测的电子警察前端系统 ， 是一款结合电子警察应用现状和用户需求的产品，它不同于传统的电子警察前端，不需要铺设物理线圈，节省了系统建设和维护的人工成本，同时视频检测可以实现多种违章行为的采集取证，较过去的只能监测闯红灯行为的系统，能够满足用户的需求。 第一节 电子 警察系统概述 电子警察 系统的概念 电子警察 系统 作为 智能交通系统 不可 缺少 的组成部分，在现代交通系统中扮演着越来越重要的角色 10。 电子警察系统 通常被称为 闯红灯 抓拍系统 ，它 安装在需要监测的交通路口，能够自动监测 机动车闯红灯等 违章 行 为 ，并且进行自动采集取证 ， 不需要人工干预，从而 实现对 交通 路口 24 小时不间 断监控， 实现了交通路口 的 无人值守 ， 为交警部门节约了大量警力。 作为 交警部门的 辅助执法 手段， 要求电子警察系统 提供的证据尽可能严谨，直观且具有说服力 ，电子警察 系统能 够 自动识别车辆 ，并且提取执法所需要的违章信息，还能够对信息的存储和上传 。电子警察系统是 智能交通系统 不可或缺的重要 组成部分 ， 电子警察系统的应用， 为 各级交警 部门提供 了科学、高效 的管理和执法手段， 同时可以 警示机动车驾驶员，规范机动车驾驶行为 。电子警察系统的出现，有效地 改善 了城市交通拥堵 现 象，提高 了 城市交通运输效率。 电子警察系统与传统的交警路口执法相比，具有如下的优势： (1)准确高效。 目前应用最为普遍的地感线圈触发的电子警察系统，能够实现对交通路口 24 小时不间断监控，对机动车闯红灯的违章行为的捕获率在 95%以上，采集的违章数据能够作为交警执法的有力证据。交警部门警力资源有限，即便警力充足，要对每个交通路口实行 24 小时监控也非常困难，而一些重大交通事故往往发生在凌晨，电子警察系统能够替代交警震慑驾驶员规范行使。 第 二 章 系统需求分析 6 (2)文明公正。 电子警察系统对违章行为的判断、采集、传输、入库全都自动执行，避 免了交警和违章驾驶员 的直接接触， 并且 违章证据可查询可追溯，真正实现了 公正、公平 和 公开。 (3)不影响交通。 交警在传统的上路执法过程中，对于违章车辆会要求驾驶员停车接受处罚，一定程度上影响了正常的交通运输情况。应用电子警察系统之后，不再需要对违章车辆停车处罚，所有违章记录都会传输到后端监控中心的违章处罚系统里面，后端操作人员通过操作违章处罚系统的客户端，就可以实现对违章行为的非现场处罚。 电子 警察系统的 结构 典型的电子警察系统通常包含三部分：前端采集系统、网络传输系统和后端处罚系统，其 结构图如图 示。 (1) 前端 采集 系统 前端采集 系统 用来监测路口， 抓拍 有违章行为的机动车 ，从而采集车辆信息。前端子系统的硬件主要包括前端系统主机，摄像机， 补光灯 ， 红灯信号 采集 器等等 ，前端主机的数据采集可以处理多个高清摄像头 ， 多个方向的路口数据由前端主机处理之后，通过光纤传输至后端中心平台。 (2) 网络 传输系统 网络 传输 系统由光纤收发器、网络交换机等组成， 用来把前端系统采集的违章记录传输到后台系统中， 传输网络可以是广域网、城域网 或者 电子警察系统建设的 专用 网络。 (3) 后端处罚系统 后端处罚系统通常 包括 违章处罚系统 、 数据存储 服务器 等 。 后台操作人员通过 登录违章处罚系统 ， 可以 查询违章情况，并且可以依据实际使用情况连接到打印机打印罚单 ，完成非现场处罚工作 。 13 第 二 章 系统需求分析 7 图 子警察 系统 结构 图 基于视频 检测的电子警察前端系统 简介 本文研究的是一种基于视频检测的高清电子警察前端系统。 当前 全国 已经建设完成的 电子警察系统 中，还有一大部分采用的是标清数码相机或者普通民用相机 。 标清相机的图片质量较差，只能模糊地看到机动车违章过程，有时候还无法辨认出机动车号牌，给处罚造成困难。 普通民用数码相机 的性能较标清相机更差，这种相机 抓拍时滞 非常大 ， 根本无法清晰地拍摄出运动 的物体。无论是采用标清相机还是民用相机的 电子警察系统 都无法 适应恶劣环境下的连续工作， 而且 可靠性 和 稳定性都很差 14。 当前，各电子警察主第 二 章 系统需求分析 8 流厂商都在大力发展智能交通专用的高清数码相机，高清化是智能交通的发展趋势。 现有的电子警察系统，主要有两类检测方式：外触发方式和纯视频方式。外触发方式包括线圈触发和雷达触发，外触发方式技术成熟，在全国有大量的成功应用案例。视频检测方式， 利用图像处理、行为分析等技术，发现车辆违章行为 ，视频检测技术具有安装简便、升级方便、维护成本低等优势。随着视频检测技术不断提高，视频 检测 将会 逐步取代外触发。 第二节 视频 检测电子警察前端系统的需求分析 软件需求分析的任务 是 完整、准确、 具体地确定 目标系统 的综合 要求 ，在需求分析阶段需要确定哪些工作是系统必须完成的，对 软件的功能 以及 性能 进行全面的详实的描述 ，确定软件设计的限制，定义软件的其他有效性要求 15。需求 通常可以 分 为 功能性需求和非功能性需求 。 系统功能 性需求 系统功能性需求是指系统为满足用户的某种需要预期提供的功能和服务16。本文 通过仔细 地 调查 得到 的基本需求，系统需要实现以下功能 ：闯红灯 违法抓拍、 卡口 抓拍、 号牌 自动识别、 其他 违法类型抓拍（ 压黄线 ，车辆禁左行、禁右行，车辆不按车道行驶，逆行等 ） 、违法 录像截取、 设备 管理 等，系统用例图如图 示。 第 二 章 系统需求分析 9 u s e 灯 违 章 抓 拍卡 口 抓 拍其 他 违 章 类 型 抓 拍号 牌 识 别违 章 录 像设 备 管 理图 统 用例 图 (1) 闯红灯 违章 抓拍 系统 使用 视频检测 方式 ，采集经过路口的每辆车的视频流，经过分析获得车辆行驶轨迹，结合车道和红绿灯状态信息，对有闯红灯行为的车辆进行记录采集，每一辆违章机动车需要 抓拍 三 张图 组成一条违章记录 ， 三张图片的抓拍位置 分别是停车线前 1 张，经过 停车线 1 张和驶离 停车线 一段位移后 1 张 4。抓拍的图片要能够 清晰反映 出违章 车辆 信息 、停车线和 红灯状态 （俗称闯红灯三要素） ， 抓拍图片必须要进行防篡改处理 ，在 图片上 叠 加“路口名称、车道方向、车道名称、 抓拍 时间、车牌号码”等字符信息 ， 用户可以 根据 需 求设置 所需的 字符叠加信息 。 (2) 卡口 抓拍 系统 使用 视频检测 方式，采集经过路口的每辆车的视频流，经过分析获得车辆行驶轨迹 ，对每一辆通过路口 的车辆抓拍 存储 ， 抓拍图片的 位置在 停车线前。图片要能够清晰反映车辆 信息、停车线 ， 抓拍图片必须要进行防篡改处理，在 图片上 叠加“路口名称、车道方向、车道名称、抓拍时间、车牌号码”等字符信息 ，用户可以根据要求设置所 需的 字符叠加信 息。卡口 抓拍功能可以 根据路口车流量及前端主机压力状况，由用户设置是否开启。 第 二 章 系统需求分析 10 卡口 抓拍的主要用途是 统计车流量，同时 还可以 计算车道占有率等 道路 信息，为交警 对交通 管控、 信号灯控制、稽查布控 等 提供重要数据 ，从而缓解交通拥堵现象，提高路口车流通行率。 (3) 其他 违法类型抓拍 系统 使用 视频检测 方式，采集经过路口的每辆车的视频流，经过分析获得车辆行驶轨迹 ，对有违章行为（ 压黄线 ，车辆禁左行、禁右行，车辆不按车道行驶，逆行 ） 的车辆进行抓拍存储，每辆违章车辆都抓拍 3 张图。每张图片都要能够清晰反映车辆 信息、停车线 ， 抓拍图片必须要进行防 篡改处理，在 图片上 叠加“路口名称、车道方向、车道名称、抓拍时间、车牌号码”等字符信息 ，用户可以根据要求设置所 需的 字符叠加信息。 其他 违法类型抓拍 功能可以 根据路口车流量及前端主机压力状况，由用户设置是否开启。 其他 违法类型抓拍 功能可以用于进行非现场 处罚， 对违反交通规则的机动车辆驾驶者起到了规范和震慑作用 ，从而缓解交通拥堵现象，提高路口车流通行率。 (4) 号牌 识别 系统 对抓拍图片进行自动号牌识别，能够定位并识别车牌号码、车牌颜色，对于车牌清晰无无损的正常号牌 ， 要求 识别率 正确 在 90%以上，车牌定位 及 车牌识别 时间 要低于 200牌识别车牌 挂放 倾斜角不大于 30， 宽度范围为80像素点， 能够 识别 道路上行驶的大部分机动车号牌类型，特种车辆不作要求，识别的号牌类型包括普通民用、军用、武警、使领馆、临时号牌等等，能识别蓝、黄、白、黑四种车牌底色 。 (5) 违章 录像 系统抓拍违章车辆的同时，按照违章时间截取车辆行驶的视频流，作为违章处罚的辅助证据，违章录像与违章记录进行关联。用户可以自定义违章录像时长、违章录像质量，违章录像保存在电子警察前端主机中，用户可以通过网络远程查看和下载录像。 (6) 设备 管理 实现对红灯信号检测器的管理， 包括红 灯状态上报和红灯信号检测器运行状态上报 ；实现对摄像机状态的管理， 能够显示相机是否在线，相机离线及时上报 ；实现对电子警察 前端 主机硬盘的管理， 定时定期删除硬盘内的过期数据 ；第 二 章 系统需求分析 11 实现用户对主机的管理，用户可以通过网络远程查看主机运行日志，可以远程重启软件或者电子警察主机 ， 方便 软件后期 的使用 和 维护工作 。 系统非 功能性需求 系统的 非 功能性需求是指软件产品为满足用户业务需求而必须具有的除功能性需求外的特性 16， 非 功能性需求 通常包括对系统性能、 可靠性、 可维护性、可扩展性 等方面 的 需求 。 (1) 遵循标准 系统设计遵循国家标准、行业 标准规定的技术要求，严格按照 闯红灯自动记录系统通用技术条件 (496公路车辆智能监测记录系统通用技术条件 (497。 (2) 系统性能 单台主机支持 4 台高清摄像机接入，能够同时监测 4 向 8 车道的交通路口，车辆捕获率：白天 90%，夜间 80