數字圖像處理的混合交叉路口安全預警系統簡述

邱皓楠

摘要本安全預警系統針對生活中混合交叉路口頻發交通事故這一問題，提出一種基于圖像處理的簡單可靠的智能安全的解決方案。系統利用圖像處理中運動偵測技術，并設計一系列有效圖像分析方法，能夠在潛在事故發生前為行人車輛提供提醒，保障了行人及車輛的出行安全。經實際測試，本系統能夠有效快速地作出正確響應。

關鍵詞數字圖像；安全預警系統

人車混合交叉路口多出現于各類小區或校園與城市主要道路的交接處，幾乎所有小區及校園都有這種交叉路口。其中小區或者校園道路相對于城市主干道而言一般較為狹窄，主要用作行人出行使用。而與這些狹窄道路相交的城市主干道，則來往車輛較多，并且車速較快。

城市主干道作為重要的小區居民或者學生出入的道路，往往人流量大，車輛出入頻繁。這種混合交叉路口在給人們的出行帶來方便的同時，也對行人的生命安全帶來了很大威脅。我們經常能看到相關的交叉事故報道，這類事故的發生一方面是由于行人或者司機的疏忽大意，雖然我國的交叉法明確要求機車在通過小區及城市主干道的混合交叉路口應當減速慢行，并且注意觀察過往行人，但因為大部分司機安全意識淡薄，并沒有在實際駕駛中完全遵守這些規定。另一方面則是因為這種混合交叉路口缺少必要的安全預警裝置。有些混合交叉路口雖然設有安全警示牌，但這對于行人而言，警示效果并不明顯，很多行人甚至并沒有注意到這些交叉警示牌。為了解決混合交叉路口事故頻發的問題，提高這類路口出行的安全性，我們設計了這種混合交叉路口的安全預警系統。該系統通過不斷檢測過往車輛及行人的動態變化，并對這些動態數據進行分析預測，能夠對路口過往行人車輛提供科學有效的實時動態提示，幫助人們規避這類路口發生事故的風險。

1設計原理

我們的安全預警系統基于數字圖像處理中的移動物體檢測技術。這項技術通過在實時監測的視頻數據進行幀抽取，并對幀圖像進行物體運動檢測及運動情形分析，掌握在有效范圍內的合適大小物體（在本系統中即指行人及車輛大小）的相關運動信息。這種技術又稱為移動偵測技術。圖1給出了移動偵測技術的基本原理。

為了檢測到視頻幀中存在的移動物體，技術人員采用背景減除法，時間差分法等方法。由于背景減除法對光照敏感，不適合在復雜交叉路口使用。我們采用時間差分法來檢測到移動物體。時間差分法的主要思想就是利用上一幀來減去下一幀，來判斷是否有移動的物體，前一幀與后一幀數據都是一個橢圓，對比前后兩幀圖像，我們可以知道，圖像中的橢圓其實是在運動的，運動方向向左。通過對兩幀圖像的作差，即后一幀減去前一幀，對應位置像素相減，我們可以得到相減后的結果，如第三幀圖所示。從作差的結果中我們只能發現兩幀圖像存在差別，即可以獲知圖像中的運動發生了移動，但并不能獲取物體的運動方向。但是我們將相減的結果與前一幀或者后一幀進行對比，這樣我們就可以獲知圖像中運動物體的移動方向。這就是時間差分法的基本工作原理。

我們的系統采用時間差分法，除了實時的差分運算外，還會對物體的大小進行估計。即在兩幀相減的結果處理中我們加入相減結果大小的計算，并在實際操作中設置閥值，選擇出圖像中的行人及車輛。

在我們的路口安全預警系統中，我們會在交叉路口處設置2個監控探頭，分別用于監測城市主干道及小區出入口道路的交叉狀況，并且會針對不同路口情景設置實際檢測的閥值，以使最終檢測的結果達到最佳。

2系統構成

本安全預警系統由4個模塊組成，實時視頻監測模塊，圖像數據分析模塊，預警信息顯示模塊及網絡連接結構。視頻監測模塊由2個支持紅外夜視功能的數字監控攝像頭構成，這2個數字攝像頭被放置于混合交叉路口處，分別負責采集不同路口的實時視頻數據，選取的探頭的分辨率為720P，焦距為12mm。這2個監控探頭通過路由器與高性能處理器相連接，視頻流通過局域網被輸入給動態偵測算法。高性能處理器從視頻流中抽取關鍵幀，并對這些幀進一步處理，生成圖像中行人及車輛動態信息，這些信息包括是否存在移動行人（以及其對應的速度和方向），是否存在運動車輛。

我們選用的高性能處理器是最新版的第三代樹莓派B型開發板，即Raspberry Pi 3 Model B，如下圖所示。

該處理器以Linux作為其操作系統，便于開發和維護，并且第三代開發板性能得到很大提升。它的相關參數如下：

BCM2837

64位的1.2GHz四核ARM Cortex-A53

1GB內存

10/100自適應網卡

802.11n WiFi無線網卡

低功耗藍牙4.1（BLE）

HDMI接口

USB 2.0接口x 4

MicroSD卡插槽

3.5mm音頻輸出接口

40PIN GPIO接口

CSI攝像頭接口

DSI顯不接口

升級后的電源管理系統

移動偵測算法用python實現，運行于樹莓派內的Linux系統中。

高性能處理器完成相關的圖像分析處理工作后，根據內部設定的邏輯結構進行相關信息的輸出。輸出結果顯示于預警信息顯示模塊中的動態顯示屏上。我們采用的動態顯示屏是高亮度全彩LED顯示屏。這種顯示屏多用于廣告牌及交通信息顯示牌，具有全天候工作的特點，非常適合我們的安全預警系統中的預警信息的顯示。

我們在交叉口兩條道路上放置了顯示屏，城市主干道上的顯示屏用于提醒過往車輛小區出入口的行人動態，以便車輛司機能夠及時減速慢行；小區出入口的顯示屏用于提醒小區出入口的行人，顯示當前城市主干道是否有車輛快速駛近，提醒行人匯入主干道時注意安全。

3系統性能及評測

本系統在實際小區、學校等行人車輛出入較多地方進行測試，能夠達到良好的測試結果。系統響應速度快，安裝方便，無需大型施工。在測試中，系統能夠很快檢測出移動行人及車輛，并且給出安全提示。在沒有行人和車輛時，系統的動態顯示屏也可以用作廣告屏，達到商業價值。由于系統采用具有夜視功能的監控探頭，整個系統在夜間也有很好的表現。