基于OPenCV的交通燈綠信比智能調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計

祝朝坤 李宗賢

摘要：基于樹莓派為核心器件來設(shè)計的智能交通燈控制器，采用攝像頭來實(shí)時的捕捉路口的照片，發(fā)送給樹莓派，在樹莓派上運(yùn)行OpenCV視覺庫來處理分析路口車輛的數(shù)目。通過串口發(fā)送給STM32F103C8T6微控制器來設(shè)置紅綠燈亮滅的時長，最后可以通過屏幕顯示車流量，等待時間等信息。設(shè)備可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)、操作簡單。

關(guān)鍵詞：交通燈;樹莓派;OpenCV

0引言

國內(nèi)應(yīng)用和研究城市交通控制系統(tǒng)的工作起步較晚，20世紀(jì)80年代以來，國家一方面進(jìn)行以改善城市市中心交通為核心的UTSM（urban traffic systemmanage）技術(shù)研究：另一方面采取引進(jìn)與開發(fā)相結(jié)合的方針，建立了一些城市道路交通控制系統(tǒng)。以北京、上海為代表的大城市，交通控制系統(tǒng)主要是簡易單點(diǎn)信號機(jī)、SCOOT系統(tǒng)、TRANSYT系統(tǒng)和SCATS系統(tǒng)其中幾個結(jié)合使用;而如湘潭、岳陽等國內(nèi)中小城市，交通控制系統(tǒng)主要還是使用國產(chǎn)的簡易單點(diǎn)信號機(jī)和集中協(xié)調(diào)式信號機(jī)。這些信號系統(tǒng)雖然取得了較好的效果，但我國實(shí)際情況決定了需要對這些系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。另外在一些城市中，有些紅綠燈裝有信號控制系統(tǒng)，在所有道路資源都充分使用的條件下，紅綠燈的轉(zhuǎn)換頻率只能按時間分配，不可能讓道路變得更加通暢，不能合理的紅綠燈配時讓道路的通行率大大降低，同時會延長機(jī)動車和行人等候通行的時間，降低了交通通行效率。比如道路東西方向的車輛已經(jīng)通行完畢，但對于南北方向的汽車來說，依然處于紅燈狀態(tài)，不能通行，必須等到綠燈。這段時間就白白浪費(fèi)掉了，妨礙了人們出行和工作：同時汽車在等待期間為的尾氣排放，對于城市環(huán)境和市民的健康帶來了巨大的隱患：汽車在等待期間能源浪費(fèi);因為搶道而引發(fā)交通事故，等等一系列的問題。

1功能概述及結(jié)構(gòu)框圖

產(chǎn)品為軟硬件結(jié)合的城市交通路口智能調(diào)節(jié)裝置，模擬了交通路口的環(huán)境情況。整體由樹莓派3B，樹莓派紅外感光夜視攝像頭，STM32F103RCT6最小系統(tǒng)板，等主要模塊構(gòu)成?；跇漭墒褂肙penCV視覺庫實(shí)時對采集到的路口圖像進(jìn)行處理，識別路口的車輛狀況，處理后的結(jié)果送下位機(jī)，下位機(jī)在各個時間合理的智能調(diào)節(jié)紅綠燈時間的長短，及時緩解路口的擁堵的設(shè)備。如圖1所示

該交通通路口識別設(shè)備具備學(xué)習(xí)功能，有一定的數(shù)據(jù)分析功能力?？梢詫?shí)時對路口的狀況進(jìn)行圖像采集與識別分析，識別后的數(shù)據(jù)會以一定的時間間隔發(fā)送到樹莓派中。上位機(jī)通過調(diào)用攝像頭實(shí)時的對路口的車流量進(jìn)行檢測識別，并且將車輛數(shù)量信息，紅綠燈等待時間，擁堵情況等顯示在屏幕上。識別的結(jié)果發(fā)送到人機(jī)交互的下位機(jī)中。下位機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動紅綠燈，合理的規(guī)劃紅綠燈的時間間隔。從而一定程度緩解交通擁堵情況。

通過對晴天，陰天，雨天等，不同的天氣狀況來每一個小時采集一張路口沒有車輛的照片作為模板，然后通過樹莓派的視頻流實(shí)時的采集照片.將采集的照片和與他時間，天氣狀況相對應(yīng)的模板做對比。然后使用OpenCV視覺庫對實(shí)時采集到圖片與模板進(jìn)行圖片相減，降噪濾波，圖片的灰度，閾值化，漫水填充，二值化等，最終經(jīng)過一系列的算法對圖像處理，根據(jù)處理得到的車輛長度，大小，顏色等，來判斷出路口車輛的多少。然后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)經(jīng)過一系列的運(yùn)算之后得出合理的紅綠燈時長.然后通過引腳來控制紅綠燈。

2設(shè)備硬件設(shè)計及原理圖

2.1整體外部構(gòu)造

在樹莓派上運(yùn)行基于Python的OpenCV的視覺庫，用來處理數(shù)據(jù)。樹莓派端接有攝像頭，屏幕，下位機(jī)STM32F103RCT6核心板。攝像頭負(fù)責(zé)十字路口的圖像采集：屏幕負(fù)責(zé)進(jìn)行人機(jī)交互，顯示路口車輛信息與等

2.2樹莓派

在主控方面我選擇了樹莓派。樹莓派（Raspbe rryPi）是只有信用卡大小的微型電腦，其系統(tǒng)基于Linux。當(dāng)然還可以選擇比較容易一些的OpenMV來進(jìn)行圖像處理，不過OpenMV處理能力有限，進(jìn)行數(shù)據(jù)量大或者實(shí)時性要求高的圖像處理的話就捉襟見肘了。因此設(shè)備的軟件方面就調(diào)用OpenCV視覺庫來處理圖像，需要強(qiáng)大的運(yùn)算速度和內(nèi)存，選用了樹莓派來做為處理器。直接在官網(wǎng)下載鏡像燒錄之后運(yùn)行，系統(tǒng)里邊直接就預(yù)裝了很多編譯軟件，這里是直接使用Python語言來進(jìn)行編譯.此次設(shè)計中是通過Python腳本語言來調(diào)用OpenCV視覺庫來完成處理.然后在通過控制樹莓派引腳的硬件串口功能將處理得到的數(shù)據(jù)發(fā)給下位機(jī)。

2.3STM32F103RCT6核心板

在紅綠燈的控制板選擇上有F4和F1兩個系列。相比與F4，F(xiàn)1價格方面優(yōu)惠很多，還有F4雖然功能更加的強(qiáng)大，內(nèi)部資源也更豐富，可是此裝置由F1來控制完全能夠勝任，避免造成資源的浪費(fèi)。因此選擇了STM32F103RCT6，主頻是72M Hz，這個核心板是64引腳的.并且體積小，可以將它安裝在紅綠燈內(nèi)部進(jìn)行控制。在軟件方面，可以使用標(biāo)準(zhǔn)庫來進(jìn)行編寫代碼，操作簡單。次此設(shè)備主要用到它的定時器，引腳，串口，中斷等資源。主要是采用核心板來控制紅綠燈的亮滅和數(shù)碼管的倒計時，通過串口接收到樹莓派發(fā)來的數(shù)據(jù)之后，在中斷里邊進(jìn)行判斷，確定是有用的信息的話就返回給主函數(shù)，運(yùn)算之后通過引腳輸出來控制紅綠燈的亮滅.和數(shù)碼管顯示時間。

2.4CSI攝像頭

在攝像頭的選擇上有普通的USB攝像頭和CSI攝像頭。但是經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)USB攝像頭像素低，存在電源無法帶動的問題，而且夜間拍攝效果差，還有USB攝像頭，占USB帶寬，CPU使用率會高一些。所以便采用了樹莓派CSI攝像頭，CSI的CPU使用率會低一些，而且配置起來免驅(qū)動，更加方便。同時具備紅外夜視.紅外燈補(bǔ)光，可調(diào)焦等功能，在各個時間段都能夠清晰的獲取路面的圖像。

2.5主要原理圖

主要原理圖如圖3。

3設(shè)備軟件設(shè)計

主要采用數(shù)字圖像處理又稱為計算機(jī)圖像處理.它是指將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計算機(jī)對其進(jìn)行處理的過程。用計算機(jī)進(jìn)行圖像處理的前提是圖像必須以數(shù)字格式存儲，把以數(shù)字格式存放的圖像稱之為數(shù)字圖像。數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。在日常生活中見到的圖像一般是連續(xù)形式的模擬圖像，所以數(shù)字圖像處理的一個先決條件就是將連續(xù)圖像離散化.轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。圖像的數(shù)字化包括采樣和量化兩個過程。

3.1上位機(jī)圖像處理

加載原始圖像，獲取圖像的高和寬。進(jìn)行低通濾波處理，進(jìn)行濾波去掉噪聲和清除背景。轉(zhuǎn)換成灰度圖，此時目標(biāo)圖像周圍有寫不光滑，還有一些噪聲，因此進(jìn)行開閉運(yùn)算，得到比較光滑的目標(biāo).接著轉(zhuǎn)換成二值圖以便于獲取圖像的輪廓，最后進(jìn)行輪廓提取，抓取到目標(biāo)。再通過對輪廓外形無限逼近，刪除非關(guān)鍵點(diǎn)、得到輪廓的關(guān)鍵點(diǎn)。最后通過過圖像幾何距是圖像的幾何特征，高階幾何距中心化之后具有特征不變性，產(chǎn)生弧距輸出，用于形狀匹配等操作，這里我們通過計算一階幾何距得到指定輪廓的中心位。如圖4所示：

3.2上位機(jī)屏幕顯示數(shù)據(jù)

屏幕使用的是7英寸高清屏，是直接使用樹莓派上的HDMI接口來進(jìn)行擴(kuò)展的，數(shù)據(jù)是通過STM32核心板計算出來的紅綠燈時間長短通過串口返回給樹莓派的.然后在樹莓派上通過調(diào)用Pvthon的GUI庫來實(shí)時的在屏幕上顯示不同時間段的路面車輛狀況，和紅黃綠燈的具體時間，以便更好地進(jìn)行人機(jī)交互。如圖4圖5所示。

4設(shè)備的優(yōu)勢

4.1相比傳統(tǒng)交通燈更高效更安全

本裝置加快了汽車通過路口效率，緩解城市交通擁堵問題。裝置通過對城市紅綠燈的有效實(shí)時調(diào)控，根據(jù)車流量的變化規(guī)律，給出相應(yīng)的紅綠燈最佳控制方案。從而緩解城市交通壓力并在一定程度上解決塞車，堵車問題，同時還能減少尾氣的排放，使市民出行更加方便，安全，快捷。

4.2安裝成本低

傳統(tǒng)的紅綠燈改造成智能交通燈好處很多.但對于智慧紅綠燈的改造大都是“局部”的。因為目前受制于改造成本（一個路口的智慧信號燈改造需要接近100萬元），要在大城市全面推進(jìn)智慧信號燈改造，似乎并不現(xiàn)實(shí)。我們的產(chǎn)品使用樹莓派作為主控板，大大降低了開發(fā)成本，并且經(jīng)測試，其也能夠長時間的穩(wěn)定工作，可靠性高、維護(hù)方便、擴(kuò)展功能也較強(qiáng)。

5結(jié)論

在隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)加速應(yīng)用，發(fā)展智能交通也將是極其重要的一環(huán)。如果沒有智能化交通網(wǎng)絡(luò)的支撐，智慧城市建設(shè)也就無法順利展開。因此，智能交通概念走向落地是當(dāng)務(wù)之急。而其中，無論是打造智能交通管理系統(tǒng)，還是著力解決道路擁堵，智能交通燈的設(shè)計又是其關(guān)鍵所在。因此，該設(shè)計為智能交通設(shè)備的應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展前景。