交通視頻中的車輛計數(shù)方法研究

孫維廣 于子鈞

摘 要：對交通視頻中的車輛計數(shù)方法進行了研究。首先采用背景更新的背景差分法獲得無運動目標的背景，并采用幀差法檢測是否存在運動目標，以此作為背景更新的依據(jù)。然后當前幀與背景圖像做差值，并進行二值化提取運動目標。對于光線較暗車輛目標提取不完整和由于光照產(chǎn)生偽目標的情況，采用一種基于虛擬的橫向檢測線和縱向檢測線相結合的檢測方法計數(shù)。實驗表明，本方法可較準確的實現(xiàn)車輛計數(shù)，并有較好的實時性。

關鍵詞：背景差分；二值化；車輛計數(shù)；虛擬檢測線

中圖分類號：TP391.41 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）24-0118-04

Abstract： The vehicle counting method in traffic video is studied in this paper. Firstly， background subtraction method of background updating is used to obtain the background without moving objects， and frame difference method is used to detect the existence of moving objects， which is used as the basis of background updating. Then the difference between the current frame and the background image is done， and the moving object is extracted by binarization. In the case of incomplete extraction of dim vehicle targets and false targets due to illumination， a detection method based on the combination of horizontal detection lines and longitudinal detection lines is used to count the targets. The experiment results show that the method can realize vehicle counting accurately and has better real-time performance.

Keywords： background subtraction； binarization； vehicle counting； virtual detection line

1 概述

基于計算機視覺的車輛計數(shù)在智能交通領域有著重要的應用價值，它可以作為相關部門的依據(jù)和參考，進行更加科學有效的交通規(guī)劃和管理。例如，可以根據(jù)車流量等信息智能控制交通燈的持續(xù)時間，提高通行效率；可以對交通堵塞情況做出評估并預警等。為實現(xiàn)對車輛的準確計數(shù)，首先要將車輛較完整的檢測出來，本文采用背景更新的背景差分法進行目標提取，然后根據(jù)目標的長度和寬度信息，采用一種基于橫向檢測線和縱向檢測線相結合的方法進行車輛計數(shù)。

2 運動目標檢測

基于運動分析的目標檢測方法主要有光流場估計法，幀間差分法，背景差分法。光流場估計法的缺點是計算復雜度高，實時性差；幀間差分法的缺點是檢測到的目標內(nèi)部容易產(chǎn)生較大的空洞，不利于后續(xù)根據(jù)目標寬度、高度信息識別車輛進行計數(shù)；背景差分法的缺點是對光照和其它運動目標的干擾比較敏感[1]。由于路面背景比較單一，本文選取的路段出現(xiàn)的目標以機動車和少量非機動車為主，其它運動目標較少，因此可以采用背景差分法進行目標檢測。

2.1 背景差分

背景差分法一般能夠得到較完整的運動目標，但背景對光照和場景的變化比較敏感，因此需要對背景進行更新[2]。背景更新公式為

B（k+1）=（1-？琢）B（k）+？琢I（k） （1）

I（k）表示當前輸入圖像，B（k+1）表示累加的圖像數(shù)據(jù)，用來做背景。這里α為較小的值，用來調(diào)節(jié)背景更新速率。用當前輸入圖像I（k）與背景B（k）做差后，再對其進行二值化處理，運動區(qū)域就被提取出來。但當場景中車輛由運動轉為靜止時，比如，紅燈停車時，此車輛會被計入背景，當綠燈亮時，車輛開走，此時運用背景差分法會提取出偽目標。文獻[3]采用了定時更新背景模型與實時更新背景模型結合方法獲得背景。通過判斷是否存在運動目標來決定是否更新背景。本文也采用類似的方法進行背景更新。通過計算相鄰幀或隔幀像素的變化來判斷是否存在運動目標，并設定一個像素變化的閾值。為了避免干擾并減小計算量，計算區(qū)域選在檢車線附近，如果此區(qū)域無運動車輛，即差值圖像像素無滿足閾值條件的變化，當前幀圖像不計入背景，反之則計入背景。圖1為計算差值的視頻區(qū)域，圖2為相鄰幀做差值并二值化的效果，可見運動的車輛被檢測出來，而靜止的車輛并不會被檢測到。圖3為背景更新效果圖，場景內(nèi)沒有運動目標。

2.2 二值化

當前幀與背景做差后再對圖像進行二值化處理，目標就被提取出來。當車輛灰度值與地面接近時，如果二值化閾值選取過高，則不能較完整地檢測車輛目標，但過低的閾值會產(chǎn)生噪聲，還會使陰影、地面反光等干擾增強。因此，合理的閾值選取對于后續(xù)車輛檢測具有重要意義。本文根據(jù)背景圖像的灰度值來獲知場景光線情況，以此來確定二值化閾值。當白天陽光較好時，選取較大閾值，天色變暗時選取較低閾值。圖4、5為天色變暗時采用15作為二值化閾值的效果圖，圖7為陽光充足時采用25作為閾值時的效果。

2.3 形態(tài)學處理

當目標與地面灰度值接近時，二值化后的圖像會出現(xiàn)較多的孔洞，可能會導致后續(xù)車輛計數(shù)錯誤。本文利用形態(tài)學處理的方法消除較小的孔洞。首先對二值化后的圖像進行膨脹操作，填充較小的孔洞，但這會使目標變大，因此還要進行腐蝕操作，恢復目標的原始尺寸。

3 車輛計數(shù)

目前，基于計算機視覺的車流量檢測主要有虛擬檢測線法[4]和目標跟蹤法[5]。其中基于虛擬檢測線的方法準確率較高且易于實現(xiàn)，其原理是：當車輛進入和離開橫向檢測線時，橫向檢測線上的像素值為較高值和較低值的交替變化，當橫向檢車線出現(xiàn)高像素值到低像素值的跳變時，車輛計數(shù)值加一。文獻[6]、[7]的方法對于白天光線較好的情況效果較好。但當天色較暗且車輛顏色與背景接近時，可能會出現(xiàn)目標二值圖像有空洞或斷裂情況的情況，如圖5方框區(qū)域所示。其在橫向檢測線上像素值隨視頻幀數(shù)會出現(xiàn)高低值交替變化，示意圖如圖6所示。另外，陽光直射到車后部時，地面的反光會導致二值圖出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，如圖7方框區(qū)域所示。這兩種情況都可能會導致重復計數(shù)。因此，為了提高計數(shù)準確率，本文采用一種基于橫向檢測線和縱向檢測線相結合的車輛檢測方法進行計數(shù)。即在待檢測車道上設置一個虛擬的橫向檢測線和縱向檢測線，如圖8所示。本文僅以右側的兩個車道為例來進行計數(shù)研究。

對于橫向檢測線上高像素值的判斷，本文采用的方法是：首先在橫向檢測線上取高度為4像素左右的矩形，向x軸做累加和求均值；再向y軸做累加和求均值，并設定閾值，如果滿足則認為在橫向檢測線上出現(xiàn)了車輛。此閾值應根據(jù)目標寬度和橫向檢測線長度來確定。對于圖5和圖7的情形，本文的計數(shù)方法是：

（1）當橫向檢測線上出現(xiàn)了從高到低的像素值變化時，在縱向檢測線上計算目標長度，如果目標長度超過閾值，計數(shù)值加一；如果目標長度小于閾值，且與上一目標離開橫向檢測線時間間隔滿足條件，則保留長度值，但不計數(shù)。

（2）讀取后續(xù)幀，當橫向檢測線上再次出現(xiàn)高低像素變化時，計算目標長度，如果大于閾值，計數(shù)值加一，上次保留的小目標長度丟棄；如果小于閾值，且與上一目標離開橫向檢測線的時間間隔滿足條件，則加上上次保留的小目標長度，如果長度仍然小于閾值，則繼續(xù)執(zhí)行步驟（2）。

處理結果如圖9-圖12所示，圖9、10顯示左車道計數(shù)值由20增加到了21，其對應的二值圖像為圖5；圖11、12的右車道計數(shù)值由8增加到了9，其對應的二值圖為圖7?？梢姡瑢崿F(xiàn)了正確計數(shù)。本文對同一路段采集的視頻進行了車輛計數(shù)統(tǒng)計，如表1所示。準確率達到了94%以上。

基于檢測線的車輛計數(shù)的特點是可以計算出一段時間內(nèi)通過此檢測線的車輛數(shù)目，要求檢測線上能出現(xiàn)高低像素的變化。如果交通擁堵，車速較慢時，會出現(xiàn)車輛首尾粘連的排隊情況。此時，橫向檢測線的位置選取及相機的角度將對計數(shù)結果產(chǎn)生較大影響。對于本文相機的位置和角度，橫向檢測線選取在圖像偏下方，即車輛剛進入監(jiān)控區(qū)域的位置效果較好。

另外，如果要計算正在排隊的車輛數(shù)目，可以向縱向做投影計算車隊長度。對于固定場景，精度要求不高的情況下，可根據(jù)車隊的長度估算出此時排隊車輛的數(shù)目。

4 結束語

對交通視頻中的車輛計數(shù)進行了研究，并針對天色變暗導致的車輛目標提取不完整和由于光照產(chǎn)生偽目標的情況提出了解決辦法。并利用VC++和OpenCV庫進行了編程實驗，結果表明本方法能夠?qū)崟r有效的對車輛計數(shù)。但當車速較慢，會出現(xiàn)多輛車輛粘連的情況；車輛變道時，車輛處于兩條橫向檢測線中間，都會影響計數(shù)的準確性。另外，雨雪天氣、光線等因素，都會影響目標檢測效果，可能會導致計算錯誤。因此，要適應更復雜的情況需要做進一步的研究。

參考文獻：

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