基于線陣CCD的交通信息采集和檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

0 引 言
    與傳統(tǒng)的基于面陣CCD的視頻檢測方法相比，基于線陣CCD的檢測方法具有如下優(yōu)點：
    (1)線陣CCD成像中背景圖像相對簡單，因此易于后續(xù)的目標分割、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)線陣CCD成像的分辨率、像素灰度級和采樣速度較高，從而可以實現(xiàn)高精度的檢測，特別是車輛存在和車輛速度的檢測；
    (3)線陣圖像數(shù)據(jù)量相對較小，便于實現(xiàn)復雜的圖像處理和分析算法；
    (4)線陣CCD成像的輔助照明可以采用紅外線激光源，能夠較好地解決夜問補光問題，而面陣CCD成像需要較大功率大范圍的補光照明；
    (5)線陣CCD器件具有靈敏度高，動態(tài)范圍大和沒有圖像拖尾的現(xiàn)象。
    本文提出的基于線陣CCD的交通信息采集和檢測系統(tǒng)具有成像清晰，牌照識別率高，圖像捕獲率高，易于安裝和維護，測速精確度高等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的、準確的檢測車輛及其速度。

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陣CCD的交通信息采集和檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由圖像采集與控制、圖像處理與分析、車輛數(shù)據(jù)庫管理及系統(tǒng)自動維護等主要功能模塊組成，如圖1所示。該系統(tǒng)利用線陣CCD連續(xù)快速記錄通過檢測斷面的車輛的線陣圖像，并從該序列線陣圖像中獲取各種車輛參數(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：線陣CCD相機、線激光源、閃光燈、專用高分辨率攝像機和64位工控機。軟件主要實現(xiàn)相機及輔助光源控制，圖像數(shù)據(jù)采集，視頻錄制及回放，圖像分割，車輛匹配，車牌識別，車輛數(shù)據(jù)庫管理，車輛數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)設(shè)置和系統(tǒng)容錯等功能。

1．2 系統(tǒng)總體框架
    基于線陣CCD的交通信息采集和檢測系統(tǒng)的主要設(shè)備包括：線陣CCD相機、線激光源、閃光燈、專用高分辨率攝像機和64位工控機，以上設(shè)備均安裝在路段上。為了達到交通信息實時采集的要求，用戶可以根據(jù)需要，設(shè)立多個檢測斷面。圖2為本系統(tǒng)的一個檢測斷面。
    圖3為一個雙向四車道高速公路實驗現(xiàn)場某一檢測斷面的側(cè)視圖。

    在該檢測斷面上主要完成車輛線陣圖像采集，以及車輛近景和遠景圖像的抓拍，然后在道路旁的機柜中進行圖像處理和分析，獲取車牌號碼、車輛存在、車輛速度、車輛平面輪廓、車輛類型、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)，進一步實現(xiàn)對道路交通狀況的監(jiān)測評判和對交通事件的實時檢測。系統(tǒng)通過TCP／IP協(xié)議向監(jiān)控中心實時傳遞其所需要的數(shù)據(jù)信息。
1．3 工作原理
    線陣CCD攝像機1和攝像機2一直處于工作狀態(tài)，監(jiān)視路面狀況。機柜里的目標識別程序根據(jù)攝像機1所采集到的線陣圖像，判斷是否有車輛經(jīng)過，當有車輛進入線陣CCD攝像機1的視野范圍時，啟動計時程序和全景攝像機及目標所在車道的攝像機(如果車輛在兩個車道的中間，則啟動輔助攝像機)，并對車輛進行自動抓拍，得到一幅近景圖片和遠景圖片；同時，調(diào)用牌照識別程序進行牌照識別并將識別結(jié)果保存。同理，當車輛進入線陣CCD攝像機2的視野范圍時，目標識別程序檢測到車輛經(jīng)過攝像機2，直到車尾離開線陣CCD攝像機2的視野范圍時，停止計時。根據(jù)線陣CCD攝像機1和2抓拍的圖片以及車輛通過檢測斷面的時間，計算車輛瞬時速度，提取車輛輪廓、類型、交通占有率等交通參數(shù)，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。對于超速車輛，機柜將自動把其車牌號碼、車速等相關(guān)信息傳到監(jiān)控中心，便于中心人員進行相應的處理。監(jiān)控中心也可向路邊機柜發(fā)出查詢請求，路邊機柜將把相應的查詢結(jié)果傳送到監(jiān)控中心。路邊機柜中的數(shù)據(jù)庫和圖像庫將按照用戶設(shè)定的時間自動清空，防止磁盤空間不足導致現(xiàn)有的數(shù)據(jù)無法保存。

2 系統(tǒng)功能
    基于線陣CCD的交通信息采集和檢測系統(tǒng)具有以下功能：
    (1)視頻觸發(fā)功能
    當車輛進入第一個線陣CCD相機視場范圍時，系統(tǒng)能夠自動檢測到車輛存在，并產(chǎn)生抓拍信號，抓拍車輛牌照的近景圖像，并啟動牌照識別模塊，獲得該車輛的車牌號。當車輛離開第一個線陣CCD相機視場范圍后，系統(tǒng)能夠自動檢測到車輛消失，并產(chǎn)生車輛結(jié)束信號，啟動測速模塊，計算該車輛的速度。
    (2)瞬時速度檢測功能
    本系統(tǒng)通過檢測車輛的斷面，計算車輛的瞬時速度。利用車輛前端通過第一個線陣CCD相機和通過第二個線陣CCD相機的時間差計算該車輛的瞬間速度，因為兩個線陣CCD之間的距離是固定不變的。這個速度即可作為車輛通過該檢測斷面的瞬時速度。
    (3)超速實時處罰功能
    本系統(tǒng)的實時處罰功能主要利用安裝在收費出口處的牌照識別子系統(tǒng)對通過車輛進行牌照自動識別，當超速車輛通過收費站時，管理子系統(tǒng)根據(jù)從測速子系統(tǒng)得到的超速車輛信息和收費出口處的牌照信息進行比對，如果是超速車輛，本系統(tǒng)會自動報警，提醒執(zhí)法人員對違章車輛進行就地處罰。
    (4)車型識別和交通量統(tǒng)計功能
    本系統(tǒng)可以由線陣CCD相機的成像結(jié)果和車速計算出車長，以確定車型(對于本系統(tǒng)，車長=速度×成像線數(shù)／1 000)。此外，可以利用數(shù)據(jù)庫對交通量進行分時段或分車型統(tǒng)計。
    (5)車輛通行記錄功能
    本系統(tǒng)可實現(xiàn)對過往車輛的記錄功能，每條記錄包括車輛的牌照號、狀態(tài)(例如是否超速)、行車道、通過時間等信息，并可通過通行記錄界面觀看到車輛的遠景和近景圖片，可以為處罰提供有力的證據(jù)。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)
3．1 基于圖像紋理的車輛存在檢測算法
    線陣CCD每次成像為道路段面的一條線，為了保證檢測結(jié)果的實時性，要求對采集數(shù)據(jù)逐線處理，而常規(guī)的視頻檢測算法都是基于一幀面陣圖像的，因此，需要設(shè)計出適用于線陣CCD圖像的車輛檢測算法。
    本系統(tǒng)采用基于圖像紋理的車輛存在檢測算法，包括基于圖像紋理特征的二值化算法和車輛分割算法兩部分。其基本思想如下：
    利用小波變換提取路面的紋理特征，然后對采集的每線數(shù)據(jù)進行二值化，并在此基礎(chǔ)上，逐線進行車輛分割。圖4(a)所示為白天采集的線陣CCD圖像，由于太陽照射的影響，圖像中存在車輛陰影。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)為車輛分割效果，可見本算法能夠有效抑制陰影對車輛分割的影響，具有較好的分割效果。

3．2 測速算法
    在相距2 m的兩個道路斷面上安裝兩個線陣CCD攝像機，如圖3所示。選用的線陣CCD攝像機線速率為1 000線／s，分辨率為1 024：像素。
    對兩個CCD像機的圖像序列進行相關(guān)匹配分析，從而獲得同一個目標在兩個圖像序列中的時間差，利用該時間差和兩個攝像機的距離，根據(jù)速度公式v=s／t即可得到目標車輛的行駛速度。

4 工程應用
    為了驗證基于線陣CCD的交通信息采集和檢測系統(tǒng)的可靠性和實時性，對某省級公路進行檢測實驗。線陣CCD成像系統(tǒng)放置在道路上方，如圖5所示，檢測范圍為同方向3個車道共11．25 m，對過往車輛能實時正確觸發(fā)，車牌識別效果較好，測速較為準確，如圖6所示。系統(tǒng)在運行過程中穩(wěn)定可靠，實時性高，軟件使用方便。

5 結(jié) 語
    設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于線陣CCD的交通信息采集和檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用線陣CCD連續(xù)快速記錄通過檢測斷面的車輛的線陣圖像，并從該序列線陣圖像中獲取車牌號碼、車輛存在、車輛速度、車輛類型、交通占有率和流量等各種交通參數(shù)，并向監(jiān)控中心實時傳遞其所需要的數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)在實際工程中使用效果良好。