基于視頻序列的交通檢測系統(tǒng)

陳艷，付洋

（長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

近年來，隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通負荷的急劇增長，隨之而來的道路擁擠嚴(yán)重、交通事故頻發(fā)等問題已經(jīng)逐步成為制約各國交通發(fā)展的主要因素。因此，為了改善當(dāng)今世界的交通狀況，盡量挖掘現(xiàn)有交通設(shè)施潛能，使其發(fā)揮出最大的效能，各國都加大了對智能交通系統(tǒng)的研發(fā)和建設(shè)力度。作為智能交通重要方面的交通參數(shù)與交通事件智能檢測系統(tǒng)近年來取得了長足的發(fā)展。

目前國內(nèi)外普遍采用的交通檢測方法有人工監(jiān)控、環(huán)形線圈檢測、超聲波雷達檢測[1]、紅外線檢測[2]和視頻序列檢測[3-11]等幾大類。環(huán)形線圈檢測方法工作穩(wěn)定，檢測精度較高，但是在施工和安裝中有許多不便之處，不易于維護和調(diào)節(jié)移動；超聲波雷達檢測方法主要運用于車速檢測，對車速檢測精確，但是檢測面比較狹隘，不能滿足人們對道路交通狀況的信息量要求；紅外線檢測方法裝置一般體積小、質(zhì)量輕，原理簡單，安裝調(diào)試簡單，靈敏度高，但是容易受到車輛自身熱源的影響，從而降低檢測精度和靈敏度。相比于其他檢測方法，基于視頻的道路交通檢測方法具有如下特點：

1）設(shè)備安裝簡單、施工無需阻斷交通損毀路面、易于維護、能夠輕松實現(xiàn)視頻輸入切換從而改變檢測區(qū)域和檢測范圍；

2）清晰直觀、信息量大、易于人工干預(yù)、易于對整個道路交通狀況進行寬口徑大容量的綜合檢測；

3）系統(tǒng)實時性強，能夠?qū)Ω鞣N交通狀況實施快速響應(yīng)；

4）系統(tǒng)性價比高，使用壽命長，發(fā)展前景好，推廣面積大。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于視頻序列的交通檢測系統(tǒng)主要由交通參數(shù)與事件檢測器和視頻分析識別終端軟件構(gòu)成。此系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示。視頻交通參數(shù)與事件檢測器是此系統(tǒng)硬件研制的核心部分。它的所有檢測模塊都在檢測器中的DSP內(nèi)核中被調(diào)度執(zhí)行。檢測器是對輸入的模擬信號進行數(shù)字解碼和圖像分析處理，并將交通參數(shù)（車流量、車速和車道占有率等）和交通事件（車輛停駛、拋落物和行人等）的分析結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)上傳給視頻分析識別終端和其他需要該信息的計算機。視頻分析識別終端負責(zé)視頻交通參數(shù)與事件檢測器內(nèi)各單板卡的配置、管理和監(jiān)控，收集來自檢測器的交通事件、交通測量數(shù)據(jù)以及視頻序列等信息；存儲交通參數(shù)與事件和視頻信息等數(shù)據(jù)，提供功能豐富的用戶圖形界面，方便用戶進行查詢、檢索以及管理交通參數(shù)與交通事件。

圖1 基于視頻序列的交通檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of traffic detection system based on video sequences

視頻交通參數(shù)和事件檢測器的設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。硬件設(shè)計包括檢測器電路板設(shè)計、各硬件芯片驅(qū)動程序設(shè)計等。軟件設(shè)計包括操作系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)應(yīng)用層軟件設(shè)計和視頻識別終端軟件設(shè)計。其中視頻識別終端軟件主要包括PC上位機參數(shù)設(shè)置軟件、基于C/S架構(gòu)的PC數(shù)據(jù)管理服務(wù)器軟件和PC客戶端軟件。系統(tǒng)各部分采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議以消息傳遞的方式進行通信。

1.2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)開發(fā)的視頻交通參數(shù)和交通事件檢測系統(tǒng)主要用于高速公路和城市快車道監(jiān)控，具有交通參數(shù)檢測、交通事件檢測報警和交通狀況分級等功能。

具體包括：

1）交通參數(shù)檢測：車流量，車速，道路占用率，車頭時距，車型類別；

2）交通事件檢測及報警：車輛停駛、車輛逆行、拋落物、行人、慢行車輛檢測和交通擁堵等；

3）交通狀況自動分級，包括暢通、飽和、排隊3類；

4）自診斷功能：信號丟失，設(shè)備故障等；

5）異常事件錄像；

6）遠程系統(tǒng)參數(shù)配置功能等。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

系統(tǒng)模塊設(shè)計包括DSP應(yīng)用層程序模塊和PC上位機軟件設(shè)計。DSP應(yīng)用層程序主要包括視頻圖像采集與預(yù)處理和交通參數(shù)與交通事件檢測功能模塊。PC上位機軟件設(shè)計主要包括背景提取、車道參數(shù)設(shè)置和檢測區(qū)域劃分等系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與下發(fā)和檢測結(jié)果顯示等功能。

2.1 圖像采集與預(yù)處理

在本系統(tǒng)中視頻前端信號為模擬信號，而DSP檢測系統(tǒng)輸入為數(shù)字信號，因此利用視頻采集系統(tǒng)將已有的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。檢測系統(tǒng)的圖像采集部分由視頻解碼芯片（SAA7113）和DSP視頻處理前端（VPFE）組成，所采集的圖像經(jīng)過DSP內(nèi)核，存放在圖像緩存區(qū)中（DDR2）。

在系統(tǒng)中檢測算法處理的是一場圖像的灰度信息，即像素為720×288的圖像。在圖像預(yù)處理的過程中，通過配置CCDC的圖像篩選寄存器和圖像存儲行偏移寄存器來實現(xiàn)對采集到的每一幀圖像做一次剪裁，保留一場數(shù)據(jù)，并按順序?qū)D像存放到指定的緩存列表中。

2.2 交通參數(shù)與交通事件檢測

交通參數(shù)檢測包括瞬時交通參數(shù)和周期參數(shù)兩部分，其中瞬時交通參數(shù)包含車流量、車輛速度、車型和當(dāng)前車輛道路占有率等，周期參數(shù)包括周期時間內(nèi)車流總數(shù)、平均車速和車頭時距等。交通事件檢測包括停車、車輛逆行、行人和車輛飽和、排隊等。根據(jù)交通事件中的交通狀況檢測結(jié)果可以實現(xiàn)交通狀況自動分級功能。系統(tǒng)中交通參數(shù)與交通事件檢測在邏輯上是并行檢測的，但在程序安排上兩者同時處于VPFE線程，因此檢測算法將被串行調(diào)度執(zhí)行。交通參數(shù)及事件檢測流程圖如圖2所示。

圖2 交通參數(shù)及交通事件檢測流程圖Fig.2 Flow chart of traffic parameters and traffic incident detect

其中基于視頻序列的交通參數(shù)檢測是對視頻序列進行分析理解，尋找被檢測目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)進入檢測區(qū)域后觸發(fā)車輛計數(shù)算法，然后進一步進行車輛跟蹤算法，從而得到車輛速度、車輛道路占有率、車輛通過檢測區(qū)域的幀數(shù)等參數(shù)信息。交通事件檢測主要負責(zé)對行人、停車等非正常的道路交通目標(biāo)和道路飽和、擁堵等特殊交通狀況進行檢測，并進行有效預(yù)警，以便交通管理部門及時決策，維護道路交通秩序。

2.3 PC上位機軟件設(shè)計

基于視頻序列的交通參數(shù)與交通事件檢測系統(tǒng)的PC上位機軟件用于完成場景參數(shù)設(shè)置與下發(fā)、檢測結(jié)果顯示等功能，主要由可視化的圖像顯示功能和參數(shù)設(shè)置功能組成。其中圖像顯示功能包括視頻序列原始灰度圖像顯示、背景信息顯示以及一些中間過程圖像顯示，參數(shù)設(shè)置功能主要完成背景提取、車道參數(shù)設(shè)置、檢測區(qū)域劃分等與檢測算法相關(guān)的其他參數(shù)設(shè)置和參數(shù)下發(fā)功能。

系統(tǒng)中多個算法模塊用到車道背景信息，因此提取視頻圖像的背景信息變得尤其重要，所以在PC上位機軟件設(shè)計中設(shè)置了估計背景功能。本文中是通過帶有濾波器的統(tǒng)計法提取初始視頻序列背景，然后利用面積中值法進行改進。

3 實驗結(jié)果

文中所述的上位機軟件兼有客戶端功能，在系統(tǒng)運行以后能夠接收DSP目板發(fā)來的實時視頻信息、視頻圖像二值化信息等圖片信息，同時還能接收處理器處理結(jié)果信息，如當(dāng)前流量、車速和車型信息，并將它們顯示在相應(yīng)的窗口。其運行效果如圖3所示。

圖3 上位機運行界面圖Fig.3 Effect chart of the PCrun

如果檢測器檢測到交通事件，將會向PC上位機發(fā)送一個事件消息，上位機在接收到此消息之后自動彈出報警對話框，顯示當(dāng)前交通事件現(xiàn)場圖片和事件類型等相關(guān)信息，同時PC上位機軟件會發(fā)出交通事件報警聲。PC上位機事件報警效果如圖4所示。從圖4中可以看出，報警界面除了現(xiàn)場畫面以外還有視頻序列對應(yīng)的相機號、事件類型及事件發(fā)生車道等相關(guān)信息。

圖4 上位機事件報警界面Fig.4 Interface chart of the PCevent alarm

4 結(jié)束語

設(shè)計實現(xiàn)了一種以DSP嵌入式系統(tǒng)為處理平臺的視頻交通檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件設(shè)計采用板卡式結(jié)構(gòu)，使每個板卡成為一個獨立的檢測器，實現(xiàn)對多路視頻信號的檢測，完成了對車流量、車速、行人、拋落物和停車等交通參數(shù)與交通事件的檢測，實現(xiàn)了對現(xiàn)場背景估計和場景參數(shù)設(shè)置。視頻交通事件與交通參數(shù)檢測系統(tǒng)的研發(fā)成功，能夠提高國內(nèi)道路監(jiān)控部門的管理水平和突發(fā)事件預(yù)警及處置能力，節(jié)約管理成本，降低監(jiān)控人員的勞動強度。

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