基于視頻序列的交通檢測系統

陳艷，付洋

（長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710064）

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

目前國內外普遍采用的交通檢測方法有人工監控、環形線圈檢測、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。環形線圈檢測方法工作穩定，檢測精度較高，但是在施工和安裝中有許多不便之處，不易于維護和調節移動；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、質量輕，原理簡單，安裝調試簡單，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、能夠輕松實現視頻輸入切換從而改變檢測區域和檢測范圍；

2）清晰直觀、信息量大、易于人工干預、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）系統實時性強，能夠對各種交通狀況實施快速響應；

4）系統性價比高，使用壽命長，發展前景好，推廣面積大。

1 系統結構與功能

1.1 系統總體架構

基于視頻序列的交通檢測系統主要由交通參數與事件檢測器和視頻分析識別終端軟件構成。此系統構成圖如圖1所示。視頻交通參數與事件檢測器是此系統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內核中被調度執行。檢測器是對輸入的模擬信號進行數字解碼和圖像分析處理，并將交通參數（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）的分析結果通過網絡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視頻交通參數與事件檢測器內各單板卡的配置、管理和監控，收集來自檢測器的交通事件、交通測量數據以及視頻序列等信息；存儲交通參數與事件和視頻信息等數據，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與交通事件。

圖1 基于視頻序列的交通檢測系統結構圖Fig.1 Structure diagram of traffic detection system based on video sequences

視頻交通參數和事件檢測器的設計分為硬件設計和軟件設計兩部分。硬件設計包括檢測器電路板設計、各硬件芯片驅動程序設計等。軟件設計包括操作系統設計、系統應用層軟件設計和視頻識別終端軟件設計。其中視頻識別終端軟件主要包括PC上位機參數設置軟件、基于C/S架構的PC數據管理服務器軟件和PC客戶端軟件。系統各部分采用TCP/IP網絡傳輸協議以消息傳遞的方式進行通信。

1.2 系統功能

本系統開發的視頻交通參數和交通事件檢測系統主要用于高速公路和城市快車道監控，具有交通參數檢測、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，設備故障等；

5）異常事件錄像；

6）遠程系統參數配置功能等。

2 系統模塊設計

系統模塊設計包括DSP應用層程序模塊和PC上位機軟件設計。DSP應用層程序主要包括視頻圖像采集與預處理和交通參數與交通事件檢測功能模塊。PC上位機軟件設計主要包括背景提取、車道參數設置和檢測區域劃分等系統參數的設置與下發和檢測結果顯示等功能。

2.1 圖像采集與預處理

在本系統中視頻前端信號為模擬信號，而DSP檢測系統輸入為數字信號，因此利用視頻采集系統將已有的模擬信號轉換為數字信號。檢測系統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，所采集的圖像經過DSP內核，存放在圖像緩存區中（DDR2）。

在系統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對采集到的每一幀圖像做一次剪裁，保留一場數據，并按順序將圖像存放到指定的緩存列表中。

2.2 交通參數與交通事件檢測

交通參數檢測包括瞬時交通參數和周期參數兩部分，其中瞬時交通參數包含車流量、車輛速度、車型和當前車輛道路占有率等，周期參數包括周期時間內車流總數、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。根據交通事件中的交通狀況檢測結果可以實現交通狀況自動分級功能。系統中交通參數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度執行。交通參數及事件檢測流程圖如圖2所示。

圖2 交通參數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檢測是對視頻序列進行分析理解，尋找被檢測目標，當目標進入檢測區域后觸發車輛計數算法，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、車輛通過檢測區域的幀數等參數信息。交通事件檢測主要負責對行人、停車等非正常的道路交通目標和道路飽和、擁堵等特殊交通狀況進行檢測，并進行有效預警，以便交通管理部門及時決策，維護道路交通秩序。

2.3 PC上位機軟件設計

基于視頻序列的交通參數與交通事件檢測系統的PC上位機軟件用于完成場景參數設置與下發、檢測結果顯示等功能，主要由可視化的圖像顯示功能和參數設置功能組成。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，參數設置功能主要完成背景提取、車道參數設置、檢測區域劃分等與檢測算法相關的其他參數設置和參數下發功能。

系統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上位機軟件設計中設置了估計背景功能。本文中是通過帶有濾波器的統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 實驗結果

文中所述的上位機軟件兼有客戶端功能，在系統運行以后能夠接收DSP目板發來的實時視頻信息、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果信息，如當前流量、車速和車型信息，并將它們顯示在相應的窗口。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，顯示當前交通事件現場圖片和事件類型等相關信息，同時PC上位機軟件會發出交通事件報警聲。PC上位機事件報警效果如圖4所示。從圖4中可以看出，報警界面除了現場畫面以外還有視頻序列對應的相機號、事件類型及事件發生車道等相關信息。

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

4 結束語

設計實現了一種以DSP嵌入式系統為處理平臺的視頻交通檢測系統，系統硬件設計采用板卡式結構，使每個板卡成為一個獨立的檢測器，實現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與交通事件的檢測，實現了對現場背景估計和場景參數設置。視頻交通事件與交通參數檢測系統的研發成功，能夠提高國內道路監控部門的管理水平和突發事件預警及處置能力，節約管理成本，降低監控人員的勞動強度。

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