基于線(xiàn)陣CCD的交通信息采集和檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言
    與傳統(tǒng)的基于面陣CCD的視頻檢測(cè)方法相比，基于線(xiàn)陣CCD的檢測(cè)方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：
    (1)線(xiàn)陣CCD成像中背景圖像相對(duì)簡(jiǎn)單，因此易于后續(xù)的目標(biāo)分割、特征提取和描述，這使得系統(tǒng)在全天候條件下的工作穩(wěn)定性更易于保證；
    (2)線(xiàn)陣CCD成像的分辨率、像素灰度級(jí)和采樣速度較高，從而可以實(shí)現(xiàn)高精度的檢測(cè)，特別是車(chē)輛存在和車(chē)輛速度的檢測(cè)；
    (3)線(xiàn)陣圖像數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖像處理和分析算法；
    (4)線(xiàn)陣CCD成像的輔助照明可以采用紅外線(xiàn)激光源，能夠較好地解決夜問(wèn)補(bǔ)光問(wèn)題，而面陣CCD成像需要較大功率大范圍的補(bǔ)光照明；
    (5)線(xiàn)陣CCD器件具有靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大和沒(méi)有圖像拖尾的現(xiàn)象。
    本文提出的基于線(xiàn)陣CCD的交通信息采集和檢測(cè)系統(tǒng)具有成像清晰，牌照識(shí)別率高，圖像捕獲率高，易于安裝和維護(hù)，測(cè)速精確度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的、準(zhǔn)確的檢測(cè)車(chē)輛及其速度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本文提出了一種基于線(xiàn)陣CCD的交通信息采集和檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由圖像采集與控制、圖像處理與分析、車(chē)輛數(shù)據(jù)庫(kù)管理及系統(tǒng)自動(dòng)維護(hù)等主要功能模塊組成，如圖1所示。該系統(tǒng)利用線(xiàn)陣CCD連續(xù)快速記錄通過(guò)檢測(cè)斷面的車(chē)輛的線(xiàn)陣圖像，并從該序列線(xiàn)陣圖像中獲取各種車(chē)輛參數(shù)和交通事件。

該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，主要的設(shè)備包括：線(xiàn)陣CCD相機(jī)、線(xiàn)激光源、閃光燈、專(zhuān)用高分辨率攝像機(jī)和64位工控機(jī)。軟件主要實(shí)現(xiàn)相機(jī)及輔助光源控制，圖像數(shù)據(jù)采集，視頻錄制及回放，圖像分割，車(chē)輛匹配，車(chē)牌識(shí)別，車(chē)輛數(shù)據(jù)庫(kù)管理，車(chē)輛數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)設(shè)置和系統(tǒng)容錯(cuò)等功能。

1．2 系統(tǒng)總體框架
    基于線(xiàn)陣CCD的交通信息采集和檢測(cè)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括：線(xiàn)陣CCD相機(jī)、線(xiàn)激光源、閃光燈、專(zhuān)用高分辨率攝像機(jī)和64位工控機(jī)，以上設(shè)備均安裝在路段上。為了達(dá)到交通信息實(shí)時(shí)采集的要求，用戶(hù)可以根據(jù)需要，設(shè)立多個(gè)檢測(cè)斷面。圖2為本系統(tǒng)的一個(gè)檢測(cè)斷面。
    圖3為一個(gè)雙向四車(chē)道高速公路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)某一檢測(cè)斷面的側(cè)視圖。

    在該檢測(cè)斷面上主要完成車(chē)輛線(xiàn)陣圖像采集，以及車(chē)輛近景和遠(yuǎn)景圖像的抓拍，然后在道路旁的機(jī)柜中進(jìn)行圖像處理和分析，獲取車(chē)牌號(hào)碼、車(chē)輛存在、車(chē)輛速度、車(chē)輛平面輪廓、車(chē)輛類(lèi)型、交通占有率和流量等各種交通參數(shù)，并由此得到各種其他交通描述參數(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)道路交通狀況的監(jiān)測(cè)評(píng)判和對(duì)交通事件的實(shí)時(shí)檢測(cè)。系統(tǒng)通過(guò)TCP／IP協(xié)議向監(jiān)控中心實(shí)時(shí)傳遞其所需要的數(shù)據(jù)信息。
1．3 工作原理
    線(xiàn)陣CCD攝像機(jī)1和攝像機(jī)2一直處于工作狀態(tài)，監(jiān)視路面狀況。機(jī)柜里的目標(biāo)識(shí)別程序根據(jù)攝像機(jī)1所采集到的線(xiàn)陣圖像，判斷是否有車(chē)輛經(jīng)過(guò)，當(dāng)有車(chē)輛進(jìn)入線(xiàn)陣CCD攝像機(jī)1的視野范圍時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)程序和全景攝像機(jī)及目標(biāo)所在車(chē)道的攝像機(jī)(如果車(chē)輛在兩個(gè)車(chē)道的中間，則啟動(dòng)輔助攝像機(jī))，并對(duì)車(chē)輛進(jìn)行自動(dòng)抓拍，得到一幅近景圖片和遠(yuǎn)景圖片；同時(shí)，調(diào)用牌照識(shí)別程序進(jìn)行牌照識(shí)別并將識(shí)別結(jié)果保存。同理，當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入線(xiàn)陣CCD攝像機(jī)2的視野范圍時(shí)，目標(biāo)識(shí)別程序檢測(cè)到車(chē)輛經(jīng)過(guò)攝像機(jī)2，直到車(chē)尾離開(kāi)線(xiàn)陣CCD攝像機(jī)2的視野范圍時(shí)，停止計(jì)時(shí)。根據(jù)線(xiàn)陣CCD攝像機(jī)1和2抓拍的圖片以及車(chē)輛通過(guò)檢測(cè)斷面的時(shí)間，計(jì)算車(chē)輛瞬時(shí)速度，提取車(chē)輛輪廓、類(lèi)型、交通占有率等交通參數(shù)，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于超速車(chē)輛，機(jī)柜將自動(dòng)把其車(chē)牌號(hào)碼、車(chē)速等相關(guān)信息傳到監(jiān)控中心，便于中心人員進(jìn)行相應(yīng)的處理。監(jiān)控中心也可向路邊機(jī)柜發(fā)出查詢(xún)請(qǐng)求，路邊機(jī)柜將把相應(yīng)的查詢(xún)結(jié)果傳送到監(jiān)控中心。路邊機(jī)柜中的數(shù)據(jù)庫(kù)和圖像庫(kù)將按照用戶(hù)設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)清空，防止磁盤(pán)空間不足導(dǎo)致現(xiàn)有的數(shù)據(jù)無(wú)法保存。

2 系統(tǒng)功能
    基于線(xiàn)陣CCD的交通信息采集和檢測(cè)系統(tǒng)具有以下功能：
    (1)視頻觸發(fā)功能
    當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入第一個(gè)線(xiàn)陣CCD相機(jī)視場(chǎng)范圍時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)到車(chē)輛存在，并產(chǎn)生抓拍信號(hào)，抓拍車(chē)輛牌照的近景圖像，并啟動(dòng)牌照識(shí)別模塊，獲得該車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)。當(dāng)車(chē)輛離開(kāi)第一個(gè)線(xiàn)陣CCD相機(jī)視場(chǎng)范圍后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)到車(chē)輛消失，并產(chǎn)生車(chē)輛結(jié)束信號(hào)，啟動(dòng)測(cè)速模塊，計(jì)算該車(chē)輛的速度。
    (2)瞬時(shí)速度檢測(cè)功能
    本系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)車(chē)輛的斷面，計(jì)算車(chē)輛的瞬時(shí)速度。利用車(chē)輛前端通過(guò)第一個(gè)線(xiàn)陣CCD相機(jī)和通過(guò)第二個(gè)線(xiàn)陣CCD相機(jī)的時(shí)間差計(jì)算該車(chē)輛的瞬間速度，因?yàn)閮蓚€(gè)線(xiàn)陣CCD之間的距離是固定不變的。這個(gè)速度即可作為車(chē)輛通過(guò)該檢測(cè)斷面的瞬時(shí)速度。
    (3)超速實(shí)時(shí)處罰功能
    本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處罰功能主要利用安裝在收費(fèi)出口處的牌照識(shí)別子系統(tǒng)對(duì)通過(guò)車(chē)輛進(jìn)行牌照自動(dòng)識(shí)別，當(dāng)超速車(chē)輛通過(guò)收費(fèi)站時(shí)，管理子系統(tǒng)根據(jù)從測(cè)速子系統(tǒng)得到的超速車(chē)輛信息和收費(fèi)出口處的牌照信息進(jìn)行比對(duì)，如果是超速車(chē)輛，本系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒執(zhí)法人員對(duì)違章車(chē)輛進(jìn)行就地處罰。
    (4)車(chē)型識(shí)別和交通量統(tǒng)計(jì)功能
    本系統(tǒng)可以由線(xiàn)陣CCD相機(jī)的成像結(jié)果和車(chē)速計(jì)算出車(chē)長(zhǎng)，以確定車(chē)型(對(duì)于本系統(tǒng)，車(chē)長(zhǎng)=速度×成像線(xiàn)數(shù)／1 000)。此外，可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)交通量進(jìn)行分時(shí)段或分車(chē)型統(tǒng)計(jì)。
    (5)車(chē)輛通行記錄功能
    本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)往車(chē)輛的記錄功能，每條記錄包括車(chē)輛的牌照號(hào)、狀態(tài)(例如是否超速)、行車(chē)道、通過(guò)時(shí)間等信息，并可通過(guò)通行記錄界面觀看到車(chē)輛的遠(yuǎn)景和近景圖片，可以為處罰提供有力的證據(jù)。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)
3．1 基于圖像紋理的車(chē)輛存在檢測(cè)算法
    線(xiàn)陣CCD每次成像為道路段面的一條線(xiàn)，為了保證檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)性，要求對(duì)采集數(shù)據(jù)逐線(xiàn)處理，而常規(guī)的視頻檢測(cè)算法都是基于一幀面陣圖像的，因此，需要設(shè)計(jì)出適用于線(xiàn)陣CCD圖像的車(chē)輛檢測(cè)算法。
    本系統(tǒng)采用基于圖像紋理的車(chē)輛存在檢測(cè)算法，包括基于圖像紋理特征的二值化算法和車(chē)輛分割算法兩部分。其基本思想如下：
    利用小波變換提取路面的紋理特征，然后對(duì)采集的每線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化，并在此基礎(chǔ)上，逐線(xiàn)進(jìn)行車(chē)輛分割。圖4(a)所示為白天采集的線(xiàn)陣CCD圖像，由于太陽(yáng)照射的影響，圖像中存在車(chē)輛陰影。采用基于圖像紋理特征的二值化算法處理效果如圖4(b)所示，去除了陰影的干擾，圖4(c)為車(chē)輛分割效果，可見(jiàn)本算法能夠有效抑制陰影對(duì)車(chē)輛分割的影響，具有較好的分割效果。

3．2 測(cè)速算法
    在相距2 m的兩個(gè)道路斷面上安裝兩個(gè)線(xiàn)陣CCD攝像機(jī)，如圖3所示。選用的線(xiàn)陣CCD攝像機(jī)線(xiàn)速率為1 000線(xiàn)／s，分辨率為1 024：像素。
    對(duì)兩個(gè)CCD像機(jī)的圖像序列進(jìn)行相關(guān)匹配分析，從而獲得同一個(gè)目標(biāo)在兩個(gè)圖像序列中的時(shí)間差，利用該時(shí)間差和兩個(gè)攝像機(jī)的距離，根據(jù)速度公式v=s／t即可得到目標(biāo)車(chē)輛的行駛速度。

4 工程應(yīng)用
    為了驗(yàn)證基于線(xiàn)陣CCD的交通信息采集和檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，對(duì)某省級(jí)公路進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。線(xiàn)陣CCD成像系統(tǒng)放置在道路上方，如圖5所示，檢測(cè)范圍為同方向3個(gè)車(chē)道共11．25 m，對(duì)過(guò)往車(chē)輛能實(shí)時(shí)正確觸發(fā)，車(chē)牌識(shí)別效果較好，測(cè)速較為準(zhǔn)確，如圖6所示。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性高，軟件使用方便。

5 結(jié) 語(yǔ)
    設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于線(xiàn)陣CCD的交通信息采集和檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用線(xiàn)陣CCD連續(xù)快速記錄通過(guò)檢測(cè)斷面的車(chē)輛的線(xiàn)陣圖像，并從該序列線(xiàn)陣圖像中獲取車(chē)牌號(hào)碼、車(chē)輛存在、車(chē)輛速度、車(chē)輛類(lèi)型、交通占有率和流量等各種交通參數(shù)，并向監(jiān)控中心實(shí)時(shí)傳遞其所需要的數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)在實(shí)際工程中使用效果良好。