基于圖像處理的超速行駛自動提示裝置

柯磊，余仲英，胡迪，王競怡，馮匯東

（攀枝花學院 智能制造學院，四川攀枝花，617000）

0 引言

超速行駛是指駕駛員在駕車行駛中，以超過法律、法規規定的速度進行行駛的行為。超速駕駛現象是現代交通發展歷程中常見的違規現象，原因是駕駛員心理原因或者在經過兩段不同限速路段的緩沖路段未仔細觀察到限速交通標志而導致的危險行為。

超速行駛具有較大的危害和安全隱患，超速行駛，破壞了車輛在特定環境工作中的指數，加大了車輛的工作強度和負荷，加劇了機件的磨損和損毀。特別對車輪更是不利，跳躍性、拖滑性磨損不說，還提高了摩擦溫度，輪胎極易老化和變形，引發爆胎事故。同時因為長時間超速，駕駛人對弱刺激的反應就會發生變化，對本不應作出反應的也作出反應，而對本該作出反應的反而遲遲不作反應。駕駛人在思考問題時除根據感知材料外，還得借助經驗分析、判斷。在變速行駛時一旦出現意外，即使當機立斷也需要時間考慮，有些事故就是在作出決定的這一瞬間發生的。超速行駛時，駕駛人要集中注意前方動態，不斷超車、會車。每次超車、會車都要將注意力由車外轉移到車內（操作制動、離合、轉向、加速）和檢視儀表，在這短短幾秒鐘內，注意力多次轉移易產生疲勞，進而引發事故。超速行駛時，超車、會車的機會增多，行駛間距縮短，車外情況應接不暇，駕駛人心理能量和重量能量消耗很多，易感到疲勞，時間一久還會瞌睡，極易引發事故。

吳豫席[1]等提出一種汽車安全帶強制限速裝置，由車速傳感器、加速踏板傳感器、電控節氣門傳感器、電壓濾波器、強制限速裝置等組成，但該裝置屬于被動安全裝置，在主觀上依舊存在缺陷和限制。韓平[2]等提出一種適用于交叉口的車輛自動限速系統，使得車輛在到達交叉口前車速被動下降，但缺乏對直線限速路段的限制和約束。宋敏[3]等提出一種基于Wi-Fi信號的無軌膠輪車自動限速裝置，利用液壓技術、數據通訊傳輸技術，電子傳感技術，電子控制技術，引入控制更加可靠有效的車輛自動減速限速系統，提升運輸效率，但成本過高，不適用于道路方面的私家車。周偉濤[4]提出一種基于車聯網的客車限速控制裝置，但制造成本過高。劉志軍[5]提出一種基于ETC控制的限速裝置，但由于ETC技術尚未普及到限速領域，因此面對超速行駛的現狀仍需一定時間進行推廣和普及。

綜前所述，本文提出一種基于圖像處理的超速行駛自動提示裝置。利用較為普通的相機進行交通標志圖像采集，將圖像處理和判定結果發送到語音提示裝置，對駕駛員進行超速提醒。

1 裝置工作流程

裝置主要由攝像頭、圖像處理系統、語音播放器以及實時測速儀幾部分組成，由攝像頭捕捉交通標志圖像，發送到圖像處理裝置內，經過處理得到限速標志牌的限速值后，將限速值與實時測速儀的速度進行對比，若得到的速度值大于實時測速儀的數值，激活語音播放器對司機進行提醒，以此來提醒一些未觀察到交通限速標志的駕駛員減速行駛，降低交通事故發生率，保障駕駛員和其他駕駛員、行人的生命財產安全，減少因為交通事故造成的經濟損失。裝置工作流程圖如圖1所示。

圖1 裝置工作流程圖

2 圖像處理

圖像作為人類感知世界的視覺基礎，是人類獲取信息、表達信息和傳遞信息的重要手段。由于機器視覺和人眼存在一定的差異，不能像人眼一樣自動識別信息，因此需要對攝像頭采集得到的照片進行圖像處理，得到照片中的重要信息。圖像采集示意圖如圖2所示。

圖2 圖像采集示意圖

2.1 圖像預處理

經過攝像頭采集得到的圖像為RGB圖像，計算機無法直接進行識別，因此需要對采集的圖像進行灰度變換處理，灰度變換是圖像處理中常用的一種預處理手段，通過灰度變換使得后續的圖像處理更加方便。灰度變換中，圖像灰度值與各顏色通道的數值關系如式（1）所示。

經過灰度變換后的圖像仍存在大量的噪聲，噪聲會干擾圖像中重要信息的提取，因此還需要對得到的灰度圖像進行中值濾波去噪，中值濾波是一種非線性濾波，對于去除椒鹽噪聲有較好的處理效果，中值濾波也是一種經典的去噪方法，中值濾波原理示意圖如圖3所示。

圖3 中值濾波原理示意圖

2.2 圖像邊緣檢測

經過預處理后的圖像被分為了0～255共256個灰度級，而在一些灰度值急劇變化的地方存在著大量的信息，因此需要對這些區域進行邊緣檢測。本位采用Sobel算子邊緣檢測算法對灰度圖像進行邊緣檢測，Sobel算子是一種傳統的一階邊緣微分算子，常用于邊緣的粗定位。其算法模板如圖4所示。

圖4 Sobel算子模板

由水平模板計算梯度公式為：

由垂直模板計算梯度公式為：

各像素的梯度計算公式為：

采用上式對去噪后的灰度圖像進行梯度計算，遍歷每一個像素點后得到梯度結果，梯度值大的區域即為邊緣的位置，表示圖像中該區域灰度變化大，圖像邊界處的像素梯度用前一行或前一列的梯度值代替。

2.3 閾值分割

迭代閾值分割是常用的閾值分割算法，常用于圖像的分割。將圖像中每個像素點的梯度值與閾值進行比較，若梯度值大于閾值，則認為該像素點為目標的邊緣點，將灰度值置為1；相反則判定為背景，灰度值為0。

本次圖像處理在MATLAB平臺進行仿真實驗，經上述圖像處理流程得到的圖像結果如圖5所示。

圖5 圖像處理過程效果圖

對經過上述處理的圖像進行特征提取和目標識別即可識別出限速標志牌的限速信息，從而能夠輸出限速信息與實時測速儀進行數值對比，完成超速與未超速的識別。

3 語音提示

3.1 硬件電路設計

經過圖像處理流程后，計算機得到識別后的限速值，并將其與實時測速儀的速度進行對比，利用語音播放器內部單片機進行輸出結果的判定與輸出，當儀表速度高于圖像處理的結果時，將激活語音播放器，提示司機目前車速已經超過路段的限速值，減少未仔細觀察標志牌限速而超速情況的發生，進而降低交通事故發生的概率，將事故發生的可能性降低到安全數值以下，達到安全駕駛的目的。通過魏芳[7]等基于proteus的單片機實驗與課程設計本文擬采用MCS-51單片機作為語音部分硬件主體結構，在Proteus軟件進行仿真。仿真電路如圖6所示。

圖6 單片機仿真電路圖

圖6中R1、R2電阻值為10kΩ，R3、R4電阻值為1kΩ，R5電阻值為5.5kΩ，為保持蜂鳴器的正常工作，將其兩端電壓控制在2V，兩個開關接地以維持電壓平衡。蜂鳴器作為該電路的主要輸出設備，主要起語音信號提示的作用，在確認超速的情況下，激活蜂鳴器進行工作。LED燈則是起警示作用，未超速情況下亮綠燈，超速情況下亮起紅燈。各個電阻在電路結構中對所在電路支路起保護作用。電路結構中兩個接地線路起轉換作用，當汽車從未超速狀態到超速狀態后，接地線路自動轉換，實現工作狀態的快速變化。

由于信號通過電路和傳輸過程中會存在噪聲干擾，因此對需要設置一個門限函數G(t)對其進行去噪處理，門限的閾值由互相關函數R(t)計算得到。假設輸入信號為f1(t), 輸出信號為f2(t)，則得到互相關函數計算公式如下：

通過對比輸入信號與輸出信號的相似程度，不斷調整閾值門限，并反饋繼續進行計算，如此循環使得噪聲完整去除為止。

當速度對比結果顯示超速后將以電信號方式激勵單片機工作，將設定好的語音提示信息最終通過蜂鳴器傳達至駕駛員，從而達到超速提示的目的。

3.2 電路性能測試

為進一步驗證硬件電路的信號傳輸性能和工作能力，對裝置電路進行性能測試實驗，擬采用正弦型信號作為輸入信號，并隨機加入多組脈沖噪聲作為干擾信號進行性能測試，測試時間為10s，測試結果如圖7所示。

圖7 電路性能測試結果

從圖7性能測試結果可以看出，經過添加閾值門限后的電路結構具有較高的魯棒性，對于隨機脈沖噪聲有較好的去除效果。其中，脈沖噪聲大多集中在信號極值點，這是因為在非極值點處，噪聲得到了電路穩定性結構的非極大值抑制，因此極值點處的噪聲情況可以反映整個測試過程的噪聲分布情況與噪聲大小。

4 結論

本文提出的基于圖像處理的超速行駛自動提示裝置能夠及時采集交通標志圖像，得到行駛路段限速值并通過與實時測速儀測得的車輛速度進行比對，得出超速與未超速，并通過單片機控制進行超速判定的輸出，激活語音播放器對司機進行超速駕駛的提醒，能夠有效解決由于未仔細觀察路邊限速標志牌而導致超速駕駛的現象，降低交通事故的發生概率，對于超速駕駛現象較為泛濫的現狀，有一定的改善作用和市場經濟價值。