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1、基于视频的实时交通流检测系统研究 武汉理工大学 硕士学位论文 基于视频的实时交通流检测系统的研究 姓名：胡佩雯 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：徐华中 20080401 武汉理：r人学硕十学位论文 摘 要 近年来，由于城市交通拥塞现象及交通事故的日趋严重，智能交通系统的 开发近年来引起了广泛的关注。论文所研究的视频交通信息检测技术在ITS中 占有很重要的地位，该技术通过对交通图像的智能化分析和处理，检测到所需 的多种交通流参数，这些参数对于交通的智能化管理非常有意义。 本论文介绍了一种基于视频和数字图像处理技术的实时交通流检测系统。论 文首先介绍了视频交通流检测系统的
2、研究背景，以及国内国外的研究、应用现 状，给出了这项研究的重要意义和前景。然后对图像滤波除噪、增强等图像预 处理过程中遇到的问题进行了分析比较，确定了系统设计和研究中所要采用的 基本算法。对预处理后的图像，采用基于背景图像差分检测方法进行车辆运动 的实时检测，通过对检测到的物体进行分割，提取出运动物体的边缘信息。然 后采用能够直接检测直线端点的Hough变换，提取出具有车辆垂直边缘特征的 直线段，该方法较好的解决了传统Hough变换在线提取过程中多线宽、缺少端 点信息等缺点。根据位置特征，从Hough变换提取的前三条峰值直线段中，剔 除非车辆边缘的那条直线，而得到两条车辆的真实边缘。最后根据两
3、侧边缘完 成车辆的上部边缘最终定位、识别。结合运动目标的静态特征，从形状信息体 态比 宽高比 上对行人、自行车、摩托车和汽车进行分类判别，然后将汽车 之外的运动物体滤除。 文中介绍了TMS320DM642可编程数字媒体处理器的板上主要组成结构和 系统的软件开发环境CCS CodeComposerStudio 。最后介绍了视频交通流检测 系统的设计思想，利用虚拟检测线算法实现了车辆判别、车流量检测和车速检 测等重要信息。论文不仅讲述了视频交通流参数的检测原理，而且还给出了各 个算法的程序流程。为了提高系统的实时性，论文对系统优化的一些措施进行 了介绍。 本文的最后对自己所做的工作进行了总结，并指
4、出了存在的问题和下一步 继续研究的思路。 关键词：交通流，图像处理，差分检测，Hough变换 武汉理jr大学硕士学位论文 ABSTRACT has received These much yearsintelligenttransportationsystemrecently attentionduetotheincreaseoftraffic andtheseriousnessofaccidentsThe iams informationdiscussedin an ofvideotraffic detection this technology paperplays inthe traff
5、ic and itcanobtain importantpart n1SThroughimageanalysisprocessing ate trafficflow muchusefultrafficinformationthatiS many parameters，they keypart oftheautomatizationtraffic management a Thisthesis real-timetrafficflow basedonthevideo presents detectingsystem and first the information digitalimagepr
6、ocessingtechniqueItprovidesbackground ofthevideodetectionoftraffiCflow well asthecurrentresearchand systemas ofthis inour and the applicationtechnologycountryabroad，showingsignificance andthe ofthis and the that prospect systemThen，itcomparesanalyzesproblems existin as andnoise imageprocessing，suchi
7、magefiltering it thebasicmethod Thenestablishes ofcalculationthatwillbe inthe adopteddesign andresearchofthe on differential systemAfterpreprocessingbaseddigitalimage a realtimemethodofvehicle detectingtechnology,wepresent detectionBydividing thedetected the informationofthe object，extractingedge mo
8、vingobiectThispaper usesanewdetectionmethodtoextractlineswhichhaveverticalfeaturesIt edge solvesthe ofthetraditionaltransfonnsuchasmulti1inewidth disadvantages Hough and oftheinformationofthelinedotBasedonlocationfeaturesof lacking preceding vehiclesin linewhichisnotthe of Canbe fromthe vehicleremov
9、ed images，the edge threelinesextracted transformThenthevehicleSreal callbe byHough edges the two can determined vehicleS be by remaininglinesFinally,thetopedges andlocatedonbaseofvertical thestaticfeatureof recognized linesConsidering cansortanddifferentiatefrom and movingobject，we motorcar informat
10、ionsuchas byfigure postureratio widthheightratio ，Then the themotorcar filteringmovingobjectexcept This introducesthemain ontheboardofthe paper composingconfiguration media DM642andthesoft environment programmabledigital processor development the ofvideodetectionof CCS CodeComposerStudio Finally,itp
11、resentsdesign trafficflow thevehicledetection iSdiscussedindetail systemThen algorithm Vehiclescanbedetectedwiththevirtual themethodofvirtualline lineThrough detectiontrafficinformationcanbeachievedThe informationconsistof many vehicle numberdetectionand detectionAndthen discrimination，vehicle veloc
12、ity the flowiSdescribedInorderto realtime ofthe algorithm improving performance introducesomemethodsabout thesis systemthe systemoptimization Atlastthethesis a of workand outsome givessummarymy points problems andideasforfurtherresearch Words：Traffic Key Flow,ImageProcessing，DifferentialDetecting，Ho
13、ugh Transform II 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文
14、在解密后遵守此规定 研究生签名： 导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 第1章绪论 11课题的研究背景 我国的“十一五综合交通体系发展规划中指出：我国交通运输发展的长 期战略目标是“以市场经济为导向，以可持续发展为前提，建立客运快速化和 货运物流化的智能型综合交通运输体系”。 近年来，随着我国社会经济的飞速发展，人民生活水平不断提高，道路交 通需求也日益增长。尽管我国道路基础交通设施建设的步伐不断加大，城市间 和城市内部的道路网路已经初具规模，但是由于车辆和人们出行的增长，导致 整个道路网络内的交通流量也随之迅猛增长，交通需求与交通供给之间的矛盾 依然十分突出。在道路的交叉路口处经常塞车，给人
15、们的生活带来了不便。为 了解决这一系列的问题，除了加大交通基础设施的投入外，更重要的是要充分 合理科学地使用现有的道路交通设施，提高道路使用效率，发挥它们最大的作 用，要达到这个目的，采用ITS是根本的措施之一。 111智能交通系统ITS简介 智能交通系统即ITS IntelligentTransportationSystems ，是指将先进的信息 技术、数据通信传输技术、电子控制技术、计算机处理技术等应用于交通运输， 实现各种运输方式的现代化。ITS主要由下七个大的子系统组成：先进的交通管 理系统ATMS、先进的驾驶员信息系统ADIS、先进的车辆控制系统AVCS、商 用车辆调度系统CVOM、
16、先进的公共交通系统APTS、先进的乡村交通系统 ARTS、自动高速公路系统AHS等。 ITS利用系统工程的思想，综合考虑传统交通工程中的各种因素，旨在建立 一体化的、多种运输方式综合的，既有对人们出行方式选择的引导，也有对行 驶中的路径诱导；既有对车辆的管理，也有对道路基础设施的管理。可以说，ITS 是实现城市交通可持续发展的关键和保证。近20年的研究表明：实行ITS可以 提高道路的通行能力，从而产生巨大的经济效益和社会效益。可以说，发展智 能交通系统是中国交通事业发展的必然趋势。 武汉理工人学硕士学位论文 112基于视频的交通流信息检测 在ITS体系框架中，交通流信息检测系统占据重要位置，大
17、到交通理论的 研究、决策的制定，小到一条交通控制措施的推出，都必须以准确的交通流数 据采集和统计为基础，只有在掌握大量的交通数据的前提下，才有发展智能交 通系统的可能。因此，交通流信息检测关系到交通事业的发展大计。 随着科学技术的发展，各种检测技术也不断产生和发展，实际用于交通监 控中的车流运动检测器由很多，如感应线圈检测、超声波检测、微波检测和视 频检测等I。 以上介绍的检测方法都不能提供全面的交通信息，有些不易于安装和维修， 有些成本较高，不适于实际应用，只能作为交通监测系统的一种辅助手段使用【21。 与其他交通流检测技术相比，视频检测有着自身的优越性： 1 视频图像设备易于安装和调试，对
18、路面和土木设施不会产生破坏。 2 可以检测更大范围内的交通流信息，投资少，费用低。 3 从视频数字图像中可以提取高质量的车辆和交通场景的信息，完成交通 流参数检测的功能更加丰富。 4 视频检测便于联网工作，有利于实现道路交通网络化管理。 5 具有离线处理的能力，可以记录和保存信息，比如交通量调查等。 6 由于摄像机可重新校准，检测区域也可以重新设置，所以，在环境发生 变化，或系统移动到别处使用时，只需简单设置，系统即可投入正常运行。 当然，视频检测方式也有其自身的缺陷，主要包括：恶劣的环境条件下造 成输入的图像降质，受外界光线变化影响较大，难以解决遮挡问题等。这些可 能造成检测时出现错误或识别
19、的误差。另外还有在图像处理算法上的缺陷所带 来检测结果的偏离，比如遮挡和阴影都有可能会给算法带来干扰。这些存在的 不足也正揭示了其今后研究的发展方向，加快图像处理专用硬件的研制，研究 适应性更强的鲁棒算法，建立更为复杂的数学模型，提高准确性都是该技术今 后研究的方向。 综上所述，视频检测技术可以被灵活地运用在不同的领域13J141，从复杂的交 通流量分析到交通管理和规划，都是十分有效的。通过对摄像机拍摄到的图像 信号进行实时的处理，可以得到许多有用的交通信息，如交通流量，车辆的速 度，车道占有率，排队情况、交通事件和拥挤程度信息等。目前，国家ITS中 心己将交通视频检测技术作为重点研究方向。视
20、频检测技术将在ITS中发挥越 2 武汉理工大学硕士学位论文 来越重要的作用，占据着十分显著的位置【51。 12国内外研究现状 121国外研究现状 国外的视频检测技术研究开始的较早，经过十几年的发展，技术上已经相当 成熟，视频检测与线圈检测技术相比具有的优越性和高性价比己得到业内人士 的公认，代表了未来车辆检测领域的发展和应用方向。虽然世界上己经和正在 研发视频检测技术的厂家不少，但真正拥有成熟技术并在实际使用中得到广泛 检验的产品却极少，其中有代表性的首推美国ISS公司的AUTOSCOPE系统【61。 美国ISS公司是全世界第一个生产视频检测器的厂家，对AUTOSCOPE视 频车辆检测技术的研
21、究始于八十年代初期，在开发的过程中ISS公司与美国明尼 苏达大学交通运输系、美国联邦公路署以及美国政府和各地的交通管理部门建 立了密切的合作关系，共同对交通管理中面临的许多重要课题进行了合作研究。 第一代原型机诞生于1987年，其后于1989年正式推出了用于外场车辆检测的 AUTOSCOPE 2003，产品的各项性能趋于成熟，实现了全天候检测。美国佐治亚、密歇根等 州开始广泛采用这一产品，以后又在原有的基础上不断扩大使用规模。1995年， 随着微软Windows 95的问世，ISS公司又推出了其软件基于新一代Windows 2004。 95NT操作系统的AUTOSCOPE AUTOSCOPE可
22、以装在室外交通机柜里，接收多路由路边摄像机传来的视频 信号。用户根据显示的路面交通状况图像。利用鼠标在屏幕上绘制虚拟“车辆 检测器”。系统一旦完成检测器的设置，每当车辆通过任何一个虚拟检测器时， 就会产生一个检测信号，AUTOSCOPE处理器分析输入的视频图像，产生所需 的交通数据，例如：流量、速度、占有率、车头距离、车辆排队长度以及车辆 分类等。AUTOSCOPE系统虽然在可靠性和稳定性方面得到了多年的实践验证， 但该系统的不足之处也很明显，主要在于：操作复杂，对于使用者，在没有指 导的情况下，难以正确使用且价格昂贵。 另外PEEK公司的Videotrack900和VideoTrack 90
23、5视频交通流检测产品 也代表了目前视频交通流检测的最高水平。 3 武汉理工人学硕士学位论文 122国内研究现状 国内对于视频交通检测的研究起步较晚，但是发展迅速。所熟知的有已在 许多大j中、小型城市得到实际应用的视频电子警察系统：它采用摄像头作为 图像拍摄主体，运用了电磁感应、图像处理以及数字通信等高科技技术手段， 实现了道路交通无人职守情况下对驾驶员违章行为 包括闯红灯、单行路逆行、 超速等1的自动判断和图像记录，并通过图像远程传输及数据库技术，执法部门 可以根据记录的图像所提供的闯红灯车辆的外形、牌照号码，对违章司机进行 追究和处罚17J。 近年来国内许多科研机构都推出了自己的产品，清华紫
24、光与清华大学合作 开发的新一代视频交通流量检测系统VS3001，该系统利用摄像机对交通流进行 摄像，利用计算机图像处理与模式识别技术对连续的交通流图像进行处理，从 而获取道路交通流量信息【引。上海高德威智能交通系统有限公司在多年视频检测 技术研发及应用经验的基础上推出的新型视频检测产品GDW-VD2002型视频 检测器。它采用了先进的模式识别、图像处理等先进技术，能够对车辆运行过 程动态跟踪，获取全面实时的交通信息。GDW-VD2002型视频检测器还加强了 车辆跟踪技术、硬件设计、检测数据处理软件等方面的功能19J。 国内虽然有众多的视频检测产品，它们都可以实现交通流信息采集的基本 功能，但是
25、由于图像数据容量大，处理和传输占用大量的CPU资源，实时处理 性不强，另外易受气候和光线的影响，这样得到的交通信息误差很大，这些系 统还没有得到大范围的应用，其稳定性和可靠性还有待实践验证。总的来说国 内视频检测技术产品的质量相比国外还有不少差距。 13本课题研究的目的、意义和主要内容 131研究目的及意义 ITS将成为21世纪现代化地面交通运输体系的模式和发展方向。作为ITS 主要组成部分的“先进交通管理系统，它能否有效运行取决于能否获得准确、 有效和实时的信息，以便能掌握全路网的交通动态【1例。交通流信息的检测是实 现ITS的基础，无论多么先进的交通系统，都必须建立在对交通信息正确检测 的
26、基础上。因此交通流信息检测技术已成为ITS领域研究的焦点，它能为ITS 系统研究、开发与实施提供技术支持。 一般城市的交通网络往往有成百上千个路段和交叉口组成，大中城市交通 4 武汉理上人学硕十学位论文 网络的路段和交叉口数量会更多。不论是发展中国家还是发达国家，经济合理 的进行监测设施并设计选择优化的检测技术和方法，能提供准确可靠的动态交 通信息，是利用这些信息对全路网交通状态进行推算的重要理论和技术基础。 目前，国内外的视频交通流信息采集系统的研究开发工作都是以实现实时 的交通流信息采集为目标，而且国内外的视频交通流信息采集系统都是庞大复 杂的且价格昂贵，另外，由于视频检测技术本身发展程度
27、的局限性，如仍无法 解决夜晚低照度的正常工作问题，因此视频交通流信息采集系统目前仍然难以 作为主要交通检测设备占据市场。如果应用现有的视频检测系统，设备复杂、 操作复杂同时价格昂贵，使得很少有人在交通流调查中使用视频交通流信息采 集设备。在计算机性能日益提高的今天，用软件实现视频图像的处理算法已经 可以满足系统响应速度的要求。 鉴于以上原因，本课题的研究目的，就是旨在探索用最小系统规模实现交 通流信息检测的可能性，系统的结构采用“DM642多媒体处理器十计算机+应用 软件的最小模式，将不需要进行视场的复杂标定，同时，数字图像的处理用 软件实现。除了能应用于实时交通流信息检测之外，在更多的应用场
28、合，充分 发挥系统的简便、灵活、低廉的优势。同时，本课题的研究将为图像处理技术 其他的应用开发积累经验。 132文章的内容安排 本课题以智能交通系统 ITS 为背景，以视频图像处理技术为手段，研究和 设计了一个针对城市主要路段交叉路口的基于视频技术的交通流信息检测系 统。系统采用单个摄像机采集交通道路视频信息，通过对视频图像信息进行处 理与分析，检测出道路中车辆的运动，并对检测到的运动物体进行初步分类， 滤除不必要的人群、摩托车等因素的干扰，从而计算出车辆速度、交通流量， 排队长度、道路占有率等交通流信息，能够为交通管理控制方案的制定提供相 关的信息，以提高交通管理的自动化、现代化水平。 14
29、小结 本章首先简单的介绍了智能交通系统ITS和基于视频流的交通信息检测， 然后介绍了现阶段本课题的国内外研究现状，最后引出了本课题的研究目的、 意义和主要内容。 5 武汉理1 人学硕士学位论文 第2章视频图像预处理 视频图像的预处理是进行运动物体检测研究的重要基础。通过图像输入设 备获得的数字图像，往往不能满足图像检测和识别的需要。视频图像采集的过 程中，不可避免的存在一些干扰，由于干扰，所采集的图像就会失真，对于已 失真的图像进行处理，显而易见会得到错误的结果。为了提高精度，使系统检 测到的交通流信息更加准确，就需要对采集到的检测区域内的图像进行预处理。 文中采用的预处理的内容主要有图像去噪
30、和图像增强。 、 21图像去噪 在图像采集和传输过程中，由于摄像设备和拍摄环境等多种因素影响，实 际采集到的图像或多或少的带有各种噪声。噪声会降低图像质量，使图像模糊 或淹没改变特征，将给后续图像分析和识别带来困难。因此，在图像预处理时 需要对采集到的图像进行滤波除噪，以便得到良好的处理效果。 高频分量对应图像中的区域边缘等灰度值具有较大较快变化的部分，可以 通过减弱或消除图像中的高频分量，使图像变的比较平滑，可以用于消除噪声 Ill】。图像的滤波处理主要有空域法和频域法。频域法占用的计算机内存和计算 时间的开销很大，不适于交通系统中车辆检测这样的实时系统，一般采用中值 滤波的方法。 211中
31、值滤波 中值滤波是一种常用的非线性图像滤波方法，于1971年由JWJukey提出 并首先应用于一维信号处理技术中，后来被二维图像处理技术所采用。 中值滤波【12】的功能就是用像素点邻域灰度值的中值来代替该像素点的灰度 值，所以它对孤立的噪声像素的消除能力是很强的。由于它不是简单的取均值， 所以产生的模糊比较少，且中值滤波在实际计算过程中不需要图像的统计特性， 也给计算带来了方便。中值滤波的基本思想如图21所示。 6 武汉理T人学硕士学位论文 759936 38 10 却 19 22 6文 | | | | 38 新像素值 图21 3X3中值滤波模板 中值滤波采用一个含有奇数个点的滑动窗口，用窗口中各点灰度的中值来 代替窗El中心点像素的灰度值。对于一个一维序列，正，厶取窗口长度为m， 朋为奇数。对此序列进行中值滤波，就是从输入序列中顺序取出m个元素，7：州， 五J，五，五+J，五其中v一 m一1 2为窗口的中心位置，将这m个元素按元 素数值大小排列，位于正中间的那个数值作为滤波输出。用数学表达式为： 21 g。；Med 五一，Z，正+， fz，v。_m-1 二 式中，Med 】表示取序列中值。 一维中值滤波的概念很容易推广N-维。xes-维序列砺 进行中值滤波时， 滤波窗口也是二维的，将窗口内像素排序，生成单数据序列 ，二维中值滤波 结果为： 2-2
