【文章內容簡介】 ...................................................................................28 本章小節(jié) ................................................................................................................34結 論 ..............................................................................................................................35 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 VIII頁致 謝 ..............................................................................................................................36參考文獻 ..............................................................................................................................37 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 第 1章 緒 論 本論文的背景和意義隨著社會的發(fā)展和科技的進步,人民的生活水平得到很大的提升,汽車的擁有量大幅提升,交通需求日益增加,城市交通擁堵,交通事故頻繁發(fā)生,交通環(huán)境日益惡化以及能源短缺成為當今世界面臨的共同問題。在這種情況下,無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家,都毫無例外地承受著不斷加劇的城市交通問題的困擾。尤其在我國,由于我國人口基數(shù)大,城市規(guī)模發(fā)展迅速,迫切需要大量的準確的交通流信息,我國面臨的問題尤為嚴重。解決交通問題的傳統(tǒng)辦法是修建和擴建道路,提高網(wǎng)路的通行能力,但隨著人口的增長,特別是城市人口的急速增長,城市人均占有面積日益減少,可供修建道路的面積也越來越少,同時擴大網(wǎng)路的速度也遠遠不能滿足交通需求增長的速度。同時交通系統(tǒng)是一個十分復雜的綜合性十分強的系統(tǒng),單從某一方面考慮,都很難解決交通問題。在這種復雜的背景下,怎樣高效的對交通進行管理,就顯的十分重要,由此智能交通就成為研究的熱點問題 [6], 使用科學的方法對現(xiàn)有的道路進行管理，可以最大限度的挖掘道路的承載能力，在相當大的程度上改善交通環(huán)境。此時智能交通系統(tǒng) ITS（Intelligent Transportation System）應運而生，它把車輛和道路綜合起來系統(tǒng)地解決交通問題，從而極大地提高了現(xiàn)有道路的利用率。智能交通系統(tǒng)是各國交通領域競相研究和開發(fā)的熱點,它將先進的信息,電子通訊、自動控制、計算機以及網(wǎng)絡等技術有效,綜合的運用于整個交通運輸管理體系中。從而建立起一種在大范圍內全方位發(fā)揮作用的,實時、準確、高效的交通運輸綜合管理和控制系統(tǒng)。同時智能交通管理系統(tǒng)覆蓋范圍很廣,在交通系統(tǒng)管理方面包括:自適應的交通信號、自動事故檢測、電子收稅系統(tǒng)、電子警察等。在行人系統(tǒng)方面包括:行程規(guī)劃、乘車人信息、動態(tài)路徑指導等。在與安全有關的管理系統(tǒng)方面包括:智能巡查控制、防撞等。在其他方面包括:救援管理等。ITS 強調的是系統(tǒng)性、實時性、信息交流的交互性以及服務的廣泛性。它是由若干子系統(tǒng)所組成的，通過系統(tǒng)集成將道路、駕駛員和車輛有機地結合在一起加強了三者之間的聯(lián)系。ITS 的系統(tǒng)組成大致分為先進的交通管理系統(tǒng) ATMS(Advaneed Taffie Management System)、先進的交通信息系統(tǒng) ATIS(Advaneed Traffie Information System)、先進的公共交通系統(tǒng) APTS(Advaneed Publie Traffie System)、先進的車輛控制系統(tǒng) AVCS(Advaneed Vehiele Control System)、先進的車輛收費系統(tǒng) AETCS(Advaneed Eleetronie Toll Colleetion System)、緊急事件管理與救援系統(tǒng)EAMSS(Emergent Affair Management and Succor System)。在這些系統(tǒng)中交通流信息的獲取是一個核心，交通流信息包括多個方面，比如車流量、車型、車速、車流密 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁度以及道路占有率、排隊長度等等 [1]。TIS 通過對道路交通流信息進行實時檢測，了解道路交通的運行情況，根據(jù)交通流的動態(tài)變化，迅速做出交通誘導控制，減輕道路擁擠程度，減小車輛行車延誤，降低發(fā)生交通事故的概率，保證行車安全，并使交通設施得到充分利用，實現(xiàn)交通運輸?shù)募s式發(fā)展，最終達到智能運輸系統(tǒng)(ITS)的目的，使現(xiàn)有宏觀交通設施(道路、橋梁、隧道等) 具有更大的交通運輸能力和更高的交通運輸安全性。由此可見，道路交通流信息的實時采集與處理方法研究無論對城市的交通控制、交通管理、交通規(guī)劃、路網(wǎng)建設，還是對未來智能運輸系統(tǒng)功能的實現(xiàn)都具有重要的理論意義和實用價值。由于 ITS 能夠顯著的緩解日趨緊張的交通擁阻,提高交通效率,越來越受有關部門的重視。作為 ITS 的基礎部分,車流量控制系統(tǒng)在 ITS 中占有很重要的地位。目前基于視頻的檢測法是最有前途的一種方法,它是通過圖像數(shù)字的方法獲得交通流量信息,主要有以下優(yōu)點：1. 能夠提供高質量的圖像信息,能高效、準確、安全可靠地完成道路交通的監(jiān)視和控制工作。2. 安裝視頻攝像機破壞性低、方便、經(jīng)濟?，F(xiàn)在我國許多城市已經(jīng)安裝了視頻攝像機,用于交通監(jiān)視和控制。 3. 由計算機視覺得到的交通信息便于聯(lián)網(wǎng)工作,有利于實現(xiàn)道路交通網(wǎng)的監(jiān)視和控制。4. 隨著計算機技術和圖像處理技術的發(fā)展,滿足了系統(tǒng)實時性、安全性和可靠性的要求。交通流量統(tǒng)計是合理建設和管理交通系統(tǒng)的依據(jù),通過對公路通行能力與公路交通量的適應性分析,從而確定公路建設的合理規(guī)模,通過實時的車流量監(jiān)控數(shù)據(jù),可以及時疏導交通。車輛檢測是一切公路交通管理的基礎,它可以用于檢測公路主線車流量、車型、車速、占有率等交通數(shù)據(jù)，是控制公路的車流出入，確保道路安全暢通的重要手段。同時它也為交通管理統(tǒng)計有關數(shù)據(jù)，為管理者、決策者提供有效的數(shù)字依據(jù)。目前交通檢測廣泛應用于交通疏導、道路資源配置、道路建設評估等領域。目前，交通流量檢測技術大致可分為三類 [2]:第一類為基于壓電回路的永久埋入式系統(tǒng)，如環(huán)形地埋式線圈檢測，這類系統(tǒng)雖然可靠，但費用較高。因為需將傳感器永久性埋入地下，其設立和維護都需挖掘路面，費時費力且影響交通。第二類為近年來興起的懸掛式系統(tǒng)，如基于閉路電視、微波、雷達、紅外線或超聲波傳感器的檢測系統(tǒng)。比如超聲波檢測，容易受車輛遮擋和行人的影響，檢測的精度不高，檢測距離短。紅外線檢測受到車輛本身熱源的影響，抗噪聲的能力不強， 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁檢測精度也不高。第三類為基于圖像處理技術的交通流量視頻檢測系統(tǒng)?，F(xiàn)在大部分基于視頻處理的車流檢測技術，也只能處理比較簡單情況，如高速路上的車流量統(tǒng)計。工程中普遍使用的虛擬線圈的方法，也因為提取的車輛運動狀態(tài)信息太少而解決不了人車分類等關鍵問題。而城市路口的交通情況非常復雜，如：車和行人構成的混合交通流，大規(guī)模的遮擋，紅燈期間車輛停下變成背景，復雜天氣，晝夜變換等因素，這些都是一個實用的路口流量統(tǒng)計系統(tǒng)必須解決的問題。完全基于視頻處理的、高效的路口車流量統(tǒng)計系統(tǒng)對我國城市交通的發(fā)展具有重要的意義。視頻交通流檢測系統(tǒng)是一種利用圖像處理技術實現(xiàn)對交通目標檢測的計算機處理系統(tǒng)。視頻交通流量檢測系統(tǒng)利用圖像處理與識別技術，通過視頻信號檢測道路交通流量。利用視頻采集卡獲取視頻信號，由圖像處理設備將視頻信號轉換成數(shù)字圖像。通過對道路交通狀況信息與交通目標的各種行為(如違章超速，停車，超車等等)的實時檢測，實現(xiàn)自動統(tǒng)計交通路段上行駛的機動車的數(shù)量、計算行駛車輛的速度等各種有關交通參數(shù)，達到監(jiān)測道路交通狀況信息的作用。同時，將檢測到的交通信息存儲起來，為分析和交通管理提供依據(jù)，因此它也是一個交通信息的管理系統(tǒng)。目前在世界上主要形成了美國、日本、歐盟三大 ITS 研究基地，此外亞洲的韓國、新加坡和我國的香港特區(qū)發(fā)展水平較高。我國是世界上經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展較快的發(fā)展中國家，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會的不斷進步，對智能交通系統(tǒng)的研究正在轟轟烈烈之時，很多專家和學者都投入了大量的精力、時間，大大推動了我國 ITS 的發(fā)展。隨著中國智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，可以肯定的是基于計算機視覺和圖像處理技術的道路視頻監(jiān)測系統(tǒng)將在 ITS 中扮演著越來越重要的角色。因此，對相關問題的研究具有很大的現(xiàn)實意義和應用價值。 國內外研究現(xiàn)狀智能交通系統(tǒng)已經(jīng)成為國內外共同關注的熱點問題,在國際上有許多研究機構在鉆研著這個課題,也提出了許多解決方法和算法。人們在 20 世紀 80 年代，就開始了對交通車輛視頻檢測系統(tǒng)的研究。近年來，交通監(jiān)視控制系統(tǒng)越來越廣泛地采用計算機視覺和圖像處理技術。該研究涉及的領域也越來越多，其中包括有沒有車輛的到來、車流量的大小、車速的快慢、道路的占有率以及車牌的識別等，這些參數(shù)的分析涉及到運動目標跟蹤、模式識別、網(wǎng)絡技術等領域。視頻檢測技術就是一種結合視頻圖像和電腦模式識別技術而應用于交通領域的新興技術。 它通過視頻攝像機和計算機模仿人眼的功能，將連續(xù)的模擬圖像轉換成離散的數(shù)字圖像后，在成熟的物理模型和數(shù)學模型的基礎上編制軟件進行分析處理，模擬各種其它形式的車輛檢測器獲取交通信息，為交通領域的多種實際應用提供了工作平臺。目前這方面的難 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁點很多，特別是視頻圖像處理和識別是相當尖端的科技，世界各國的學者為此做了大量的工作，也取得了不少的成果。例如:[7]等提出處理樣本點的方法來檢測車輛 :在車道中取特定的樣本點，在樣本點上求取圖像幀差，通過樣本點的狀態(tài)來檢測車輛是否出現(xiàn)。然后通過確定樣本點在每個車道中的位置來進行車輛計數(shù)。再測量每個車道中車輛第一次觸發(fā)和第二次觸發(fā)樣本點的相差時間，以及兩樣本點間的距離來求解車輛的速度。此方法應用在東京大學開發(fā)的交通監(jiān)控系統(tǒng)中，其車輛的計數(shù)誤差小于 5%，速度的誤差小于10%。[8]在檢測線上應用圖像幀差的方法來檢測車輛:每個車道上設置平行于道路的一條檢測線，每條檢測線為 3 個像素寬，根據(jù)車輛沿車道線的長度方向移動狀況，分割出運動車輛，通過跟蹤這些分割出來的運動車輛，得到車輛計數(shù)、求解車輛速度。此方法應用于瑞典皇家技術院開發(fā)的道路交通監(jiān)視控制系統(tǒng)中，并取得了滿意的效果。Bristo1[9][10]大學先進計算研究中心研究人員應用圖像幀差的方法處理復雜路口上的多車道車輛統(tǒng)計、車速檢測和車輛跟蹤，即通過跟蹤圖像序列上分割出來的車輛運動區(qū)域來完成車輛的路徑、速度和進/出點的監(jiān)視控制。研究人員提出了減少燈光變化對運動檢測的影響和確保運動檢測可靠的圖像幀差方法。車輛檢測算法具有較強的泛化能力，并可采用專用視覺傳輸硬件和可編程硬件來提高處理速度。 和 [11]提出了排隊狀態(tài)、排隊長度、占有周期和占有率檢測方法。此方法在由輪廓圍成的小區(qū)域上應用圖像幀差方法。每一個輪廓僅有一個像素寬并且沿車道的中心線延伸。排隊檢測時，首先確定輪廓區(qū)有沒有運動，然后基于邊緣的車輛檢測算法檢測車輛是否出現(xiàn)，如果車輛一旦出現(xiàn)且沒有運動，則可確定為排隊狀況，沿輪廓以一定的間隔來檢測車輛，得到用時間表示的排隊長度函數(shù)關系式的值，即排隊長度。占有周期和占有率同樣可根據(jù)排隊長度表達式的值計算出來。NEWCAST 大學的 MGH 和運輸工作研究小組提出了用多窗口技術來檢測二值圖像中的車輛。二值圖像由灰度直方圖分割產(chǎn)生，O 像素表示道路和陰影，1 像素表示出現(xiàn)的車輛，在車道的交通場景中設置上游和下游兩個窗口，兩個窗口的位置由操作員在圖像中簡單地移動光標來確定，通過統(tǒng)計兩窗口的車輛運動規(guī)律來自動計數(shù)車輛和檢測車輛的速度。此方法應用在“用低價圖像處理進行交通分析”系統(tǒng)中，車輛計數(shù)器精度為 95%，車輛平均速度檢測誤差為 5%至 10%。除此之外在此方面還有很多的研究成果,用于實際的車流量檢測系統(tǒng)中。 通過以上綜述可以看出:目前世界上基于視頻的車輛檢測技術算法主要是根據(jù)圖像的幀差法、背景差法、邊緣檢測法來檢測車輛信息，具體實現(xiàn)是在攝取的圖像中的車道上 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁作標記，根據(jù)標記上的灰度值的改變來統(tǒng)計車輛信息。各國各個機構都在努力通過各種途徑來解決基于視頻圖像處理的車輛檢測法中的各種問題，但目前還沒有一個能普遍應用、權威的算法。 本論文研究內容和方法 研究內容在對視頻圖像進行分析研究中，車輛的實時檢測與分割是最基礎的部分，其他的功能都是建立在車輛檢測與分割算法的基礎上的。本設計是通過學習和總結前人經(jīng)驗的基礎上完成的。本設計以實現(xiàn)計算視頻中的車流量為主要目的；以如何更新虛擬線、提取車輛信息為主要設計內容。但是提取車輛信息是最