基于視頻感知的公路交通事件檢測(cè)技術(shù)

李家偉，朱春輝，毛明潔，劉宇涵

（1.南京智行信息科技有限公司，江蘇 南京 211100；2.中猶（南京）智慧城市創(chuàng)新研究院有限公司，江蘇 南京 211100；3.江蘇前沿交通研究院，江蘇 南京 211100）

1 基于視頻感知的公路交通事件

交通事件檢測(cè)是通過(guò)攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)模擬人眼視覺(jué)功能，分析攝像機(jī)拍攝的道路交通的視頻圖像，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體/非運(yùn)動(dòng)物體在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的活動(dòng)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛、行人等交通目標(biāo)的檢測(cè)，分析、判斷交通行為內(nèi)容，完成交通事件的信息采集、分析與存儲(chǔ)能工作。

1.1 公路交通事件的種類

從“人”“車”“路”3個(gè)因素層面對(duì)交通事件進(jìn)行分類：按事件責(zé)任主體分類可分為機(jī)動(dòng)車事件、非機(jī)動(dòng)車事件、行人事件以及其他事件，按照事件后果分類可分為輕微事件、一般事件、重大事件以及特大事件，按照事件對(duì)象分類可分為車與車的事件、車與人的事件、車與路的事件、人與人的事件、人與車的事件、人與路的事件以及車的事件、人的事件、路的事件。

從交通管理層面對(duì)交通事件進(jìn)行分類可分為路網(wǎng)管理事件、公路養(yǎng)護(hù)事件及路政管理事件3類。其中路網(wǎng)管理事件主要包括交通擁堵、違法停車、車輛逆行、交通事故4類，公路養(yǎng)護(hù)事件主要有拋灑物、路面污染、路面病害和交安設(shè)施損毀、缺失4類，路政管理事件主要由違法設(shè)攤、打谷曬場(chǎng)、違法非公路標(biāo)志及廣告、違法搭接道口、路側(cè)堆積物5類交通事件組成[1]。

1.2 基于視頻的交通事件檢測(cè)方法

基于視頻的交通事件檢測(cè)方法主要分為3個(gè)步驟：①建立背景模型；②確定識(shí)別目標(biāo)并跟蹤目標(biāo)，獲取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)；③判斷運(yùn)動(dòng)目標(biāo)行為并進(jìn)行篩選描述。其主要通過(guò)對(duì)攝像頭捕捉到的視頻圖像進(jìn)行前景、后景的區(qū)分，對(duì)區(qū)分后的結(jié)果進(jìn)行處理，提取出前景目標(biāo)，確定其位置、形狀、尺寸等特征，對(duì)其進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，描述其運(yùn)動(dòng)軌跡，捕捉其動(dòng)態(tài)情況，將之與模型訓(xùn)練得出的目標(biāo)特征進(jìn)行匹配，從而判斷其運(yùn)動(dòng)目標(biāo)行為狀態(tài)。

2 各國(guó)基于視頻感知的交通事件檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用

2.1 美國(guó)

美國(guó)是最早提出將機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于交通方面的國(guó)家，明尼蘇達(dá)大學(xué)研發(fā)出了世界上第一個(gè)可以實(shí)際應(yīng)用的基于視頻檢測(cè)技術(shù)的車輛檢測(cè)系統(tǒng)。ISS公司基于明尼蘇達(dá)大學(xué)的視頻檢測(cè)算法，研制出了全世界最先獲得國(guó)際專利的交通檢測(cè)產(chǎn)品AutoScope。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，該系統(tǒng)己成為全球安裝最多、滿足國(guó)際各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)最多、最成熟的視頻車輛檢測(cè)技術(shù)，其市場(chǎng)占有率約為45%[2]。

2.2 法國(guó)

法國(guó)在交通事件視頻檢測(cè)方面的研究開(kāi)始時(shí)間與美國(guó)相差無(wú)幾，研發(fā)出了具有國(guó)際領(lǐng)先水平的Citilog系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)車輛停駛、交通擁堵、行人檢測(cè)、車輛慢行、超速車輛、煙霧交通事故、車輛逆行、物品拋灑、車頭時(shí)距過(guò)小、車輛排隊(duì)過(guò)長(zhǎng)、火災(zāi)事件、遇難事件、團(tuán)霧等多種交通事件，并可根據(jù)實(shí)際道路情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)能夠全天候、智能化、實(shí)時(shí)地自動(dòng)檢測(cè)輸入的視頻圖像信息。

2.3 日本

日本與美國(guó)幾乎在同一時(shí)期開(kāi)展了基于視頻檢測(cè)技術(shù)的交通事件的研究，并在目標(biāo)跟蹤檢測(cè)方面的投入最多且最為深入，東京大學(xué)在目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤的處理速度在實(shí)驗(yàn)情況下可達(dá)15幀/s。日本一些研究學(xué)者基于時(shí)空馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)開(kāi)發(fā)出了一種能夠自動(dòng)檢測(cè)出車輛擁擠、碰撞等交通事件的檢測(cè)系統(tǒng)。

2.4 中國(guó)

國(guó)內(nèi)對(duì)于交通事件的檢測(cè)主要基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換、支持向量機(jī)、模糊理論等理論。中國(guó)雖在視頻檢測(cè)技術(shù)的研究方面起步較晚，但隨著中國(guó)交通事業(yè)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)公司開(kāi)始關(guān)注這方面的研究與應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出了一些基于視頻檢測(cè)技術(shù)的交通事件識(shí)別系統(tǒng)，如深圳的Video Trace、清華的Visatram、智達(dá)威路特等。

3 交通事件視頻檢測(cè)技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)據(jù)圖像處理技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，視頻檢測(cè)技術(shù)在交通領(lǐng)域應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣。基于視頻分析的高速公路智能事件檢測(cè)系統(tǒng)，主要是利用安裝在外場(chǎng)、隧道、橋梁等道路上的攝像機(jī)對(duì)交通情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)先進(jìn)的視頻檢測(cè)算法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并上報(bào)特定的交通事件，幫助管理人員快速發(fā)現(xiàn)道路異常情況，以及時(shí)處理，使道路盡快恢復(fù)通暢，并可在一定程度上預(yù)防交通事故的發(fā)生。

目前交通事件檢測(cè)技術(shù)主要由自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)和非自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)2類組成，其具體分類情況如圖1所示。而中國(guó)交通視頻圖像數(shù)據(jù)獲取的媒介主要由固定式設(shè)備與移動(dòng)式設(shè)備2類組成。

圖1 交通事件檢測(cè)技術(shù)分類

3.1 固定視頻巡查方式

固定式設(shè)備主要為公路管理部門(mén)在普通國(guó)省干線公路關(guān)鍵路段、節(jié)點(diǎn)布設(shè)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)交通事件進(jìn)行智能識(shí)別并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，通過(guò)機(jī)動(dòng)車牌自動(dòng)識(shí)別功能拓展電子警察功能，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)互連應(yīng)用[3]。視頻車輛監(jiān)測(cè)涉及到計(jì)算機(jī)圖像處理、模式識(shí)別、信號(hào)處理和信號(hào)融合等多個(gè)學(xué)科，對(duì)圖像識(shí)別的技術(shù)要求較高，對(duì)復(fù)雜背景環(huán)境的適應(yīng)性較差，相較于其他車輛檢測(cè)技術(shù)而言，具有以下4點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①安裝簡(jiǎn)便，對(duì)路面破壞性小，易于移動(dòng)，維護(hù)費(fèi)用低，易于升級(jí)，可最大限度地利用原有的監(jiān)控設(shè)備；②直觀可靠，便于管理人員干預(yù)，檢測(cè)范圍廣，獲取信息豐富；③可提供現(xiàn)場(chǎng)錄像，重現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)交通場(chǎng)景，為研究交通事件、改善交通管理方法和處理交通事故提供了大量的信息；④對(duì)周圍環(huán)境沒(méi)有影響，污染程度低，檢測(cè)器之間干擾小。

固定式視頻監(jiān)控設(shè)備設(shè)置如圖2所示。

圖2 固定式視頻監(jiān)控設(shè)備

固定攝像機(jī)一般設(shè)置于道路兩側(cè)的路桿上，目前市面上大多視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備都已備有對(duì)交通事件檢測(cè)的功能模塊，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別車輛行為、檢測(cè)交通參數(shù)數(shù)據(jù)。其中交通事件檢測(cè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

圖3 事件檢測(cè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程

3.2 移動(dòng)視頻巡查方式

移動(dòng)式設(shè)備主要為路政管理部門(mén)的路政巡邏車、無(wú)人機(jī)等，其主要依賴于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、5G技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于移動(dòng)式設(shè)備存在著覆蓋面小、感知速度慢、上傳時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，因此目前主要依賴于固定式設(shè)備的視頻感知結(jié)果。

路政巡邏車作為路政管理部門(mén)最主要的機(jī)動(dòng)手段在道路上進(jìn)行巡檢，可以靈活快速地到達(dá)指定地點(diǎn)，在道路巡邏時(shí)能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)道路情況，能以固定攝像機(jī)難以觀測(cè)的角度進(jìn)行觀察，由于攝像機(jī)一般固定在車輛前方，其與路面距離較近，因此更易對(duì)路面病害、標(biāo)志標(biāo)線、拋灑物等交通事件進(jìn)行識(shí)別，如圖4所示。

無(wú)人機(jī)在參與城市交通管理時(shí)能夠發(fā)揮自己的專長(zhǎng)和優(yōu)勢(shì)，不僅可以從宏觀上確保城市交通發(fā)展規(guī)劃貫徹落實(shí)，而且可以從微觀上進(jìn)行實(shí)況監(jiān)視、交通流的調(diào)控，確保交通暢通，應(yīng)對(duì)突發(fā)交通事件，幫助相關(guān)部門(mén)管理解決交通頑疾[4]。

相比傳統(tǒng)航攝方式，無(wú)人機(jī)測(cè)繪不僅能提升數(shù)據(jù)的精度，還能提高效率。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)提供全新的公路交通監(jiān)控方式，搭載高清攝像機(jī)，對(duì)公路進(jìn)行全程全方位拍攝，提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障，如圖5所示。

圖4 路政巡邏車

圖5 無(wú)人機(jī)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從視頻檢測(cè)技術(shù)角度出發(fā)，總結(jié)歸納了國(guó)內(nèi)外交通事件檢測(cè)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用情況、國(guó)內(nèi)關(guān)于視頻感知方面的標(biāo)準(zhǔn)制定情況及交通事件所依靠的視頻檢測(cè)技術(shù)方式。依托于視頻技術(shù)進(jìn)行交通事件的檢測(cè)判斷，有助于輔助相關(guān)管理部門(mén)更好、更全面地進(jìn)行交通把控，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸服務(wù)與管理的智能化。