基于視頻和DSP的高速公路識(shí)別和測速系統(tǒng)

1、基于視頻的高速公路測速系統(tǒng) 董桂菊，徐杰（東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 ）摘 要：本文文章介紹了基于視頻的車輛測速管理管理系統(tǒng)，并提出了一種車輛的測速方法。車輛測速管理它是智能交通系統(tǒng)（ITS）中的一個(gè)重要組成部分，它集牌照識(shí)別、測速檢測、流量監(jiān)控、費(fèi)用收取等多項(xiàng)功能于一體，主要用于對(duì)高速公路超速違章車輛的監(jiān)控。在車輛的測速原理中，指出從相鄰視頻幀圖像中獲取車輛的“像速度”，并間接獲取車輛實(shí)際速度的方法。從而為高速公路測速管理系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)提出了一種切實(shí)可行的解決辦法。關(guān)鍵詞：高速公路；視頻；測速管理管理系統(tǒng)；測速中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0 引言國家發(fā)展離不開道路建設(shè)，伴

2、隨著高速公路的大規(guī)模建設(shè)，車輛的超速現(xiàn)象也頻繁發(fā)生。為了查處治理違規(guī)車輛，車輛的測速成為交管部門越來越重視的問題。而基于高速公路的智能管理，機(jī)動(dòng)車輛的測速管理也是其中一個(gè)重要的組成【1】。1 車輛測速技術(shù)簡述目前，智能交通系統(tǒng)中對(duì)車輛進(jìn)行測速主要有線圈測速、激光測速、雷達(dá)測速、視頻測速等幾種方式。線圈測速一般采用埋設(shè)式，車輛通過線圈，會(huì)引起線圈磁場的變化，輸出觸發(fā)信號(hào)，因此可以在公路路面一定距離設(shè)置兩個(gè)線圈，檢測器通過檢測車輛通過兩個(gè)線圈的時(shí)間差計(jì)算出車輛的速度，但線圈在安裝時(shí)必須直接埋入車道，使路面受損，并且在安裝過程中會(huì)阻礙交通，線圈在地下也易受到冰凍、路基下沉等外界因素影響。當(dāng)車流量過大

3、時(shí)，檢測精度也會(huì)大大降低。激光測速的工作原理建立在光波測距的基礎(chǔ)上，利用多次測得的距離差與時(shí)間差的比，測得車輛的速度，與地感線圈有著類似的計(jì)算方式。雷達(dá)測速的工作原理是利用多普勒效應(yīng)，當(dāng)發(fā)射方與接收方之間有相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的信號(hào)頻率就會(huì)放生變化，利用這種頻移的特點(diǎn)計(jì)算車輛的行駛速度。但雷達(dá)測速系統(tǒng)和激光測速系統(tǒng)對(duì)于測量角度都有很高的要求，測速系統(tǒng)需正對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)方向，測量偏差角要很小，有一定局限性。不帶車牌識(shí)別的雷達(dá)測速系統(tǒng)對(duì)違章車輛處罰時(shí)由于缺少證據(jù)，所以不太實(shí)用。人們?yōu)榻鉀Q這個(gè)問題，利用高速存儲(chǔ)的數(shù)碼相機(jī)采集車輛視頻圖像，對(duì)車牌進(jìn)行識(shí)別，但此系統(tǒng)價(jià)格昂貴。此系統(tǒng)測速準(zhǔn)確、速度快，可移動(dòng)

4、測速等方面優(yōu)點(diǎn)，得到普遍應(yīng)用，但成本較高，不能用于多車測速，抗電子干擾能力較弱。視頻測速系統(tǒng)原理是利用圖像中車輛的二維位置以及預(yù)先測定的一系列參數(shù)從而確定車輛的實(shí)際三維位置，在一個(gè)固定時(shí)間間隔內(nèi)拍攝兩幅圖像，就可以根據(jù)兩幅圖像得來的車輛的實(shí)際三維位置確定這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的位移，從而得出車輛的行駛速度。在此測速方法中，主要需解決的問題是從圖像序列中獲取車輛的位移，即找到兩幀圖像中車輛位置的匹配關(guān)系。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低，抗電子干擾，可用于移動(dòng)和固定場合，不僅能夠測速，而且能夠利用視頻對(duì)車輛進(jìn)行監(jiān)控。缺點(diǎn)是測速精度低，并且需預(yù)先對(duì)測速系統(tǒng)中參數(shù)（如攝像機(jī)到被測測量間的距離）進(jìn)行測量。

5、由于視頻處理的獨(dú)特優(yōu)勢，在交通智能管理系統(tǒng)中已被廣泛使用，并成為現(xiàn)代智能交通的發(fā)展方向和趨勢。本文通過對(duì)圖像序列中車尾位置識(shí)別，進(jìn)行圖像匹配，獲得車輛在圖像中移動(dòng)的像素差，把相機(jī)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)，能夠在實(shí)時(shí)環(huán)境下對(duì)車輛進(jìn)行測速。2 視頻測速管理系統(tǒng)介紹為了滿足現(xiàn)代化高速公路管理的需要，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低成本、易操作、便管理的要求、我們將視頻測速管理系統(tǒng)劃分為視頻測速系統(tǒng)和收費(fèi)系統(tǒng)兩個(gè)方面。 2.1視頻測速系統(tǒng) 視頻測速系統(tǒng)主要有監(jiān)控單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、中心管理單元三部分組成。前段監(jiān)控單元包括閃關(guān)燈、攝像機(jī)以及前段管理工控機(jī)等設(shè)備，負(fù)責(zé)采集車輛信息；數(shù)據(jù)傳輸單元主要包括CDMA傳輸模塊，負(fù)責(zé)前段監(jiān)控單

6、元到中心管理單元的信息傳輸；中心管理單元主要包括系統(tǒng)的管理軟件及其存儲(chǔ)設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將其存入數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)海量信息的存儲(chǔ)和管理，便于以后車輛信息的匯總與調(diào)取。 當(dāng)車輛駛?cè)氡O(jiān)控區(qū)域，前端監(jiān)控單元采集車輛通過的時(shí)間、速度等信息，并存入本機(jī)數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)檢測到車輛超速時(shí)，將啟動(dòng)抓拍模塊，對(duì)違法車輛進(jìn)行拍攝，并將違章車輛違章時(shí)間、違章地點(diǎn)、車牌號(hào)碼和車牌圖像存入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的本機(jī)數(shù)據(jù)庫中。 前端監(jiān)控單元獲取的車輛行駛記錄以及違法車輛的圖片通過CDMA無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中心服務(wù)器進(jìn)行保存。CDMA無線網(wǎng)絡(luò)單元作為該系統(tǒng)的自動(dòng)傳輸單元，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)堵塞或出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)傳輸單元循環(huán)等待網(wǎng)絡(luò)的

7、恢復(fù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，自動(dòng)傳輸單元自動(dòng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。 中心服務(wù)器負(fù)責(zé)處理前端傳回的車輛記錄和圖片信息。服務(wù)器中的車牌識(shí)別模塊首先識(shí)別違法車輛圖片中的車牌，然后由圖片處理模塊采用特定技術(shù)附加車輛相應(yīng)時(shí)間、相應(yīng)地點(diǎn)、車輛行駛速度，并將該車輛違章信息發(fā)送給終端服務(wù)器，作為以后交警執(zhí)法的依據(jù)。測速系統(tǒng)的測速流程如圖所示。2.2測速原理 圖1 視頻中截取的兩幀圖像本系統(tǒng)使用視頻檢測車輛車速，依據(jù)以下公式： （1）在此系統(tǒng)中，通過視頻信號(hào)的固定幀間時(shí)間可直接得到，再通過其他方法間接的得到，此時(shí)，我們采用公式： （2）是一個(gè)表示路程的函數(shù)，值表示位置，假設(shè)知道函數(shù)的表達(dá)式，則通過，有、計(jì)算得到、的值，相減即可

8、得到，實(shí)際測量中可得到和的值，從而可有（2）式計(jì)算出值。圖1是從監(jiān)控視頻信號(hào)中連續(xù)截取的兩幀圖像。由圖像可知，攝像機(jī)的拍攝是由遠(yuǎn)及近拍攝，車輛與攝像機(jī)為正對(duì)方向。可以找到車輛在兩幀圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，由于攝像機(jī)是固定不動(dòng)的，這樣就具有了對(duì)比性，對(duì)應(yīng)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)到圖像中（時(shí)刻幀圖像）和（時(shí)刻幀圖像）位置，相減即可得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)()時(shí)刻在圖像中移動(dòng)的像素距離()，從而得到車輛在圖像中的移動(dòng)速度，單位為“像素/秒”。然而，我們要獲得的是車輛的行駛速度，速度單位應(yīng)該是“公里/小時(shí)”，因此，我們必須找到與實(shí)際距離的關(guān)系?？紤]到攝像機(jī)安裝的安全性和效果較好的視覺俯仰角，一般不小于，我們選取，此時(shí)的視距和檢測點(diǎn)距攝像

9、機(jī)的距離一般比較大，當(dāng)很小時(shí)，相對(duì)于非常小，因此可以忽略圖中的變化量。假設(shè)視頻信號(hào)中截取的圖像高寬分別為1920像素和1080像素，車輛監(jiān)控視頻視野寬剛好為一個(gè)車道寬為3.5米，如圖所示：設(shè)視野范圍內(nèi)可以看到路面長度，也就是圖像高度所對(duì)應(yīng)的路面長度為，此時(shí)有，而此刻我們不考慮視覺透視效果，則有，因此，此時(shí)，為獲取的兩幀圖像時(shí)間差，為車輛在兩幅圖像的像素距離，而由公式（1），即可得出車輛的移動(dòng)速度。3. 總結(jié) 本文文章的最終目的是對(duì)高速公路車輛速度的測量監(jiān)控及其測量，設(shè)計(jì)了高速公路車速監(jiān)控系統(tǒng)，并提出了一種車速的，測量方法，通過與圖像識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此測速方法已初步實(shí)

10、現(xiàn)了視頻測速的基本要求。參考文獻(xiàn)：1袁河洋. 基于視頻的車輛速度檢測方法研究D. 大連：大連海事大學(xué), 2013.62陳媛媛, 柴治. 基于視頻檢測的車輛測速方法J . 現(xiàn)代電子技術(shù), 2009, 23: 185- 187.3袁丁. 基于視頻和DSP的車輛識(shí)別測速系統(tǒng)D. 浙江：浙江大學(xué), 2004.24王命延, 朱明峰, 王昊. 機(jī)動(dòng)車視頻測速中關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)J . 計(jì)算機(jī)工程, 2006, 32(5): 198- 200.5張重德, 張崇薇. 一種提高視頻車速檢測精度的方法J . 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 44(10): 1440- 1442.6童劍軍, 鄒明福. 基于監(jiān)控視頻

11、圖像的車輛測速J . 中國圖像圖形學(xué)報(bào), 2005, 10(2): 192- 193.Highway Vehicle Speed Measurement System Based on VideoDong Guiju，Xu Jie（College of Engineering, Northeast Agricultural University, Haerbin , China）Abstract:This article describes a highway vehicle speed measurement system based on video, and proposed a met

12、hod for vehicle speed. Vehicle speed management plays an important role in Intelligent Transportation System(ITS), It contains license plate recognition、speed detection、traffic monitoring、fees charged and so on many functions in one body,Mainly used for vehicle monitoring highway speeding violation.

13、In the principle of vehicle speed measured,pointed out a method that obtain the vehicles “pixel speed” from the adjacent frame images,and indirect get the actual speed of the vehicle.Thus presents a practical solution to the critical point of the highway speed management system.Key words:highway;vid

14、eo;speed management system;speed 視頻中截取的兩幀圖像3.收費(fèi)系統(tǒng) 視頻測速系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測采集卡拍攝到的圖像、并進(jìn)行相關(guān)處理后，分析出車輛的行駛速度；若車輛超速，則識(shí)別出車輛的車牌號(hào)碼，并將車輛超速過程中的一張遠(yuǎn)景圖像、近景圖像、違章時(shí)間、違章地點(diǎn)、車牌號(hào)碼和車牌圖像存儲(chǔ)在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中的本地?cái)?shù)據(jù)庫中。3 視頻測速相關(guān)問題1)車輛行駛時(shí)間的測定對(duì)車速測量一般采用公式：，所以，要想獲得車輛的行駛速度，就得對(duì)車輛的行駛時(shí)間進(jìn)行測定。在此，我們采用幀數(shù)時(shí)計(jì)時(shí)方法。幀數(shù)時(shí)是指圖像采集卡采集到某幀圖像所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，大多數(shù)性能好的采集卡其采樣周期是穩(wěn)定的，利用這個(gè)特點(diǎn)就可以

15、根據(jù)圖像采集設(shè)備的圖像采樣頻率進(jìn)行硬計(jì)時(shí)。 2）車輛行駛路程測定一般視頻監(jiān)控系統(tǒng)的路程測定方法如下:1.當(dāng)車輛駛?cè)胍曨l監(jiān)控范圍后,系統(tǒng)將盡快檢測出這個(gè)車輛目標(biāo),并在一段時(shí)間內(nèi)能夠始終對(duì)其進(jìn)行跟蹤,并同時(shí)記錄下它在每幀圖像上的位置和采集該幀圖像的時(shí)刻2.在得到車輛在被跟蹤過程中的多個(gè)位置點(diǎn)后,用這多個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行圖像定位,把車輛在視頻圖像上的位置轉(zhuǎn)換為實(shí)際道路場景的位置3.利用這些實(shí)際道路場景的位置點(diǎn)算出出車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡可以計(jì)算出車輛的行駛路程因此如何將車輛在圖像上的位置轉(zhuǎn)化為實(shí)際道路上的位置,以及對(duì)車輛目標(biāo)進(jìn)行檢測和跟蹤,是測速系統(tǒng)必須要解決的問題3. 車牌的自動(dòng)識(shí)別車輛自動(dòng)識(shí)別經(jīng)過了圖