采用線陣CCD器件實(shí)現(xiàn)車(chē)輛采集和檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

與傳統(tǒng)的基于面陣CCD的視頻檢測(cè)方法相比，基于線陣CCD的檢測(cè)方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）線陣CCD成像中背景圖像相對(duì)簡(jiǎn)單，因此易于后續(xù)的目標(biāo)分割、特征提取和描述，這使得系統(tǒng)在全天候條件下的工作穩(wěn)定性更易于保證；

（2）線陣CCD成像的分辨率、像素灰度級(jí)和采樣速度較高，從而可以實(shí)現(xiàn)高精度的檢測(cè)，特別是車(chē)輛存在和車(chē)輛速度的檢測(cè)；

（3）線陣圖像數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖像處理和分析算法；

（4）線陣CCD成像的輔助照明可以采用紅外線激光源，能夠較好地解決夜問(wèn)補(bǔ)光問(wèn)題，而面陣CCD成像需要較大功率大范圍的補(bǔ)光照明；

（5）線陣CCD器件具有靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大和沒(méi)有圖像拖尾的現(xiàn)象。

本文提出的基于線陣CCD的交通信息采集和檢測(cè)系統(tǒng)具有成像清晰，牌照識(shí)別率高，圖像捕獲率高，易于安裝和維護(hù)，測(cè)速精確度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的、準(zhǔn)確的檢測(cè)車(chē)輛及其速度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出了一種基于線陣CCD的交通信息采集和檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由圖像采集與控制、圖像處理與分析、車(chē)輛數(shù)據(jù)庫(kù)管理及系統(tǒng)自動(dòng)維護(hù)等主要功能模塊組成，如圖1所示。該系統(tǒng)利用線陣CCD連續(xù)快速記錄通過(guò)檢測(cè)斷面的車(chē)輛的線陣圖像，并從該序列線陣圖像中獲取各種車(chē)輛參數(shù)和交通事件。

該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，主要的設(shè)備包括：線陣CCD相機(jī)、線激光源、閃光燈、專(zhuān)用高分辨率攝像機(jī)和64位工控機(jī)。軟件主要實(shí)現(xiàn)相機(jī)及輔助光源控制，圖像數(shù)據(jù)采集，視頻錄制及回放，圖像分割，車(chē)輛匹配，車(chē)牌識(shí)別，車(chē)輛數(shù)據(jù)庫(kù)管理，車(chē)輛數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)設(shè)置和系統(tǒng)容錯(cuò)等功能。

1．2 系統(tǒng)總體框架

基于線陣CCD的交通信息采集和檢測(cè)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括：線陣CCD相機(jī)、線激光源、閃光燈、專(zhuān)用高分辨率攝像機(jī)和64位工控機(jī)，以上設(shè)備均安裝在路段上。為了達(dá)到交通信息實(shí)時(shí)采集的要求，用戶可以根據(jù)需要，設(shè)立多個(gè)檢測(cè)斷面。圖2為本系統(tǒng)的一個(gè)檢測(cè)斷面。

圖3為一個(gè)雙向四車(chē)道高速公路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)某一檢測(cè)斷面的側(cè)視圖。

在該檢測(cè)斷面上主要完成車(chē)輛線陣圖像采集，以及車(chē)輛近景和遠(yuǎn)景圖像的抓拍，然后在道路旁的機(jī)柜中進(jìn)行圖像處理和分析，獲取車(chē)牌號(hào)碼、車(chē)輛存在、車(chē)輛速度、車(chē)輛平面輪廓、車(chē)輛類(lèi)型、交通占有率和流量等各種交通參數(shù)，并由此得到各種其他交通描述參數(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)道路交通狀況的監(jiān)測(cè)評(píng)判和對(duì)交通事件的實(shí)時(shí)檢測(cè)。系統(tǒng)通過(guò)TCP／IP協(xié)議向監(jiān)控中心實(shí)時(shí)傳遞其所需要的數(shù)據(jù)信息。

1．3 工作原理

線陣CCD攝像機(jī)1和攝像機(jī)2一直處于工作狀態(tài)，監(jiān)視路面狀況。機(jī)柜里的目標(biāo)識(shí)別程序根據(jù)攝像機(jī)1所采集到的線陣圖像，判斷是否有車(chē)輛經(jīng)過(guò)，當(dāng)有車(chē)輛進(jìn)入線陣CCD攝像機(jī)1的視野范圍時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)程序和全景攝像機(jī)及目標(biāo)所在車(chē)道的攝像機(jī)（如果車(chē)輛在兩個(gè)車(chē)道的中間，則啟動(dòng)輔助攝像機(jī)），并對(duì)車(chē)輛進(jìn)行自動(dòng)抓拍，得到一幅近景圖片和遠(yuǎn)景圖片；同時(shí)，調(diào)用牌照識(shí)別程序進(jìn)行牌照識(shí)別并將識(shí)別結(jié)果保存。同理，當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入線陣CCD攝像機(jī)2的視野范圍時(shí)，目標(biāo)識(shí)別程序檢測(cè)到車(chē)輛經(jīng)過(guò)攝像機(jī)2，直到車(chē)尾離開(kāi)線陣CCD攝像機(jī)2的視野范圍時(shí)，停止計(jì)時(shí)。根據(jù)線陣CCD攝像機(jī)1和2抓拍的圖片以及車(chē)輛通過(guò)檢測(cè)斷面的時(shí)間，計(jì)算車(chē)輛瞬時(shí)速度，提取車(chē)輛輪廓、類(lèi)型、交通占有率等交通參數(shù)，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于超速車(chē)輛，機(jī)柜將自動(dòng)把其車(chē)牌號(hào)碼、車(chē)速等相關(guān)信息傳到監(jiān)控中心，便于中心人員進(jìn)行相應(yīng)的處理。監(jiān)控中心也可向路邊機(jī)柜發(fā)出查詢請(qǐng)求，路邊機(jī)柜將把相應(yīng)的查詢結(jié)果傳送到監(jiān)控中心。路邊機(jī)柜中的數(shù)據(jù)庫(kù)和圖像庫(kù)將按照用戶設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)清空，防止磁盤(pán)空間不足導(dǎo)致現(xiàn)有的數(shù)據(jù)無(wú)法保存。

2 系統(tǒng)功能

基于線陣CCD的交通信息采集和檢測(cè)系統(tǒng)具有以下功能：

（1）視頻觸發(fā)功能

當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入第一個(gè)線陣CCD相機(jī)視場(chǎng)范圍時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)到車(chē)輛存在，并產(chǎn)生抓拍信號(hào)，抓拍車(chē)輛牌照的近景圖像，并啟動(dòng)牌照識(shí)別模塊，獲得該車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)。當(dāng)車(chē)輛離開(kāi)第一個(gè)線陣CCD相機(jī)視場(chǎng)范圍后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)到車(chē)輛消失，并產(chǎn)生車(chē)輛結(jié)束信號(hào)，啟動(dòng)測(cè)速模塊，計(jì)算該車(chē)輛的速度。

（2）瞬時(shí)速度檢測(cè)功能

本系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)車(chē)輛的斷面，計(jì)算車(chē)輛的瞬時(shí)速度。利用車(chē)輛前端通過(guò)第一個(gè)線陣CCD相機(jī)和通過(guò)第二個(gè)線陣CCD相機(jī)的時(shí)間差計(jì)算該車(chē)輛的瞬間速度，因?yàn)閮蓚€(gè)線陣CCD之間的距離是固定不變的。這個(gè)速度即可作為車(chē)輛通過(guò)該檢測(cè)斷面的瞬時(shí)速度。

（3）超速實(shí)時(shí)處罰功能

本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處罰功能主要利用安裝在收費(fèi)出口處的牌照識(shí)別子系統(tǒng)對(duì)通過(guò)車(chē)輛進(jìn)行牌照自動(dòng)識(shí)別，當(dāng)超速車(chē)輛通過(guò)收費(fèi)站時(shí)，管理子系統(tǒng)根據(jù)從測(cè)速子系統(tǒng)得到的超速車(chē)輛信息和收費(fèi)出口處的牌照信息進(jìn)行比對(duì)，如果是超速車(chē)輛，本系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒執(zhí)法人員對(duì)違章車(chē)輛進(jìn)行就地處罰。

（4）車(chē)型識(shí)別和交通量統(tǒng)計(jì)功能

本系統(tǒng)可以由線陣CCD相機(jī)的成像結(jié)果和車(chē)速計(jì)算出車(chē)長(zhǎng)，以確定車(chē)型（對(duì)于本系統(tǒng)，車(chē)長(zhǎng)=速度×成像線數(shù)／1 000）。此外，可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)交通量進(jìn)行分時(shí)段或分車(chē)型統(tǒng)計(jì)。

（5）車(chē)輛通行記錄功能

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)往車(chē)輛的記錄功能，每條記錄包括車(chē)輛的牌照號(hào)、狀態(tài)（例如是否超速）、行車(chē)道、通過(guò)時(shí)間等信息，并可通過(guò)通行記錄界面觀看到車(chē)輛的遠(yuǎn)景和近景圖片，可以為處罰提供有力的證據(jù)。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)

3．1 基于圖像紋理的車(chē)輛存在檢測(cè)算法

線陣CCD每次成像為道路段面的一條線，為了保證檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)性，要求對(duì)采集數(shù)據(jù)逐線處理，而常規(guī)的視頻檢測(cè)算法都是基于一幀面陣圖像的，因此，需要設(shè)計(jì)出適用于線陣CCD圖像的車(chē)輛檢測(cè)算法。

本系統(tǒng)采用基于圖像紋理的車(chē)輛存在檢測(cè)算法，包括基于圖像紋理特征的二值化算法和車(chē)輛分割算法兩部分。其基本思想如下：

利用小波變換提取路面的紋理特征，然后對(duì)采集的每線數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化，并在此基礎(chǔ)上，逐線進(jìn)行車(chē)輛分割。圖4（a）所示為白天采集的線陣CCD圖像，由于太陽(yáng)照射的影響，圖像中存在車(chē)輛陰影。采用基于圖像紋理特征的二值化算法處理效果如圖4（b）所示，去除了陰影的干擾，圖4（c）為車(chē)輛分割效果，可見(jiàn)本算法能夠有效抑制陰影對(duì)車(chē)輛分割的影響，具有較好的分割效果。

3．2 測(cè)速算法

在相距2 m的兩個(gè)道路斷面上安裝兩個(gè)線陣CCD攝像機(jī)，如圖3所示。選用的線陣CCD攝像機(jī)線速率為1 000線／s，分辨率為1 024：像素。

對(duì)兩個(gè)CCD像機(jī)的圖像序列進(jìn)行相關(guān)匹配分析，從而獲得同一個(gè)目標(biāo)在兩個(gè)圖像序列中的時(shí)間差，利用該時(shí)間差和兩個(gè)攝像機(jī)的距離，根據(jù)速度公式v=s／t即可得到目標(biāo)車(chē)輛的行駛速度。

4 工程應(yīng)用

為了驗(yàn)證基于線陣CCD的交通信息采集和檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，對(duì)某省級(jí)公路進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。線陣CCD成像系統(tǒng)放置在道路上方，如圖5所示，檢測(cè)范圍為同方向3個(gè)車(chē)道共11．25 m，對(duì)過(guò)往車(chē)輛能實(shí)時(shí)正確觸發(fā)，車(chē)牌識(shí)別效果較好，測(cè)速較為準(zhǔn)確，如圖6所示。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性高，軟件使用方便。

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于線陣CCD的交通信息采集和檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用線陣CCD連續(xù)快速記錄通過(guò)檢測(cè)斷面的車(chē)輛的線陣圖像，并從該序列線陣圖像中獲取車(chē)牌號(hào)碼、車(chē)輛存在、車(chē)輛速度、車(chē)輛類(lèi)型、交通占有率和流量等各種交通參數(shù)，并向監(jiān)控中心實(shí)時(shí)傳遞其所需要的數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)在實(shí)際工程中使用效果良好。

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