基于OpenCV的交通視頻感知處理程序框架

引言

計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)是通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的圖像、視頻進(jìn)行操作來(lái)提取其中信息的一種技術(shù)。OpenCV是Intel公司開發(fā)的一款開源圖像視頻處理庫(kù)，使用OpenCV中封裝好的庫(kù)函數(shù)，可以很方便地對(duì)視頻中的圖像進(jìn)行提取、保存、變換等形態(tài)學(xué)操作，這種技術(shù)在很大程度上簡(jiǎn)化了開發(fā)的進(jìn)程孔

由于OpenCV只提供相關(guān)處理的算法，而程序操作界面略顯不足，所開發(fā)的程序進(jìn)行參數(shù)設(shè)置不方便，因此，在實(shí)際應(yīng)用層面，開發(fā)者通常將OpenCV函數(shù)庫(kù)與MFC（MicrosoftFoundationClasses是微軟基礎(chǔ)類庫(kù)，可提供Windows編程的框架）相結(jié)合進(jìn)行開發(fā)叫這種使用MFC構(gòu)建Win32程序框架，并使用OpenCV構(gòu)建算法的各取所長(zhǎng)方法，對(duì)于軟件的實(shí)用性和可操作性具有重大意義。

本文總結(jié)出了一套將OpenCV算法應(yīng)用于Win32對(duì)話框程序中的標(biāo)準(zhǔn)方法，該方法可以通過(guò)定義C++類創(chuàng)建對(duì)象，來(lái)輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)公路交通視頻中交通參數(shù)的提取。

1視頻車輛檢測(cè)器的基本功能

本程序以MFC+OpenCV的方式進(jìn)行開發(fā)，并以實(shí)用為準(zhǔn)則，通過(guò)可視化的界面和按鈕的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)原始視頻的播放，視頻信息分析，自定義觀測(cè)點(diǎn)和車流量計(jì)數(shù)周期，交通參數(shù)的測(cè)量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果的存儲(chǔ)和重現(xiàn)等功能。其軟件各個(gè)功能的關(guān)系如圖1所示。

圖1交通視頻檢測(cè)系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

2視頻車輛檢測(cè)器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)，主要有兩方面問(wèn)題：一是如何構(gòu)建視頻對(duì)象，并通過(guò)操作視頻對(duì)象來(lái)對(duì)視頻信息進(jìn)行提取；二是如何對(duì)視頻進(jìn)行操作來(lái)實(shí)現(xiàn)上述的各個(gè)功能。

2.1創(chuàng)建視頻對(duì)象

使用創(chuàng)建對(duì)象的方式操作視頻時(shí)，首先要定義視頻的類。在視頻處理中，通常先提取出一幀一幀的圖像，然后對(duì)所提取的圖像進(jìn)行處理，再將其保存或者播放至應(yīng)用程序的控件中。跟據(jù)此原理，可定義一個(gè)視頻的類，類中包含上述過(guò)程所涉及的屬性和操作方法，其代碼及注釋如下(代碼中視頻類的名稱為CVideo):

classCVideo{

public:

CVideo();//構(gòu)造函數(shù)

virtual?CVideo();//析構(gòu)函數(shù)

//以下為數(shù)據(jù)成員

CvCapture*pCapture;

//OpenCV用來(lái)讀取視頻的結(jié)構(gòu)體，存儲(chǔ)待讀取的視頻

Ipllmage*pFrame;

//OpenCV用來(lái)存儲(chǔ)圖像的結(jié)構(gòu)體，存儲(chǔ)當(dāng)前視頻幀的圖像

Ipllmage*cFrame;//存儲(chǔ)當(dāng)前幀處理后的圖像

HDChDC1;

//定義設(shè)備上下文的句柄，用來(lái)播放原始視頻(可選)

CRectrect1;

//定義一個(gè)矩形區(qū)域，用來(lái)設(shè)定原始視頻的ROI區(qū)域

HDChDC2;

//定義設(shè)備上下文的句柄，用來(lái)播放處理后的視頻

CRectrect2;

//定義一個(gè)矩形區(qū)域，用來(lái)設(shè)定處理后視頻的ROI區(qū)域CStringm_file;//字符串，存儲(chǔ)視頻的路徑和名稱

intm_fps;

//存儲(chǔ)視頻中每秒的幀數(shù)，便于進(jìn)行播放速度的控制

/*以下為成員函數(shù)(限于篇幅，本文未提供成員函數(shù)的所有代碼，讀者可以根據(jù)注釋參考OpenCV文檔自行編寫)*/

voidPlay(intpos);

//播放pos位置的幀，將此幀的圖像放入pframe中，將pframe顯示在hDC1中

voidConvertedplay();

//直接將當(dāng)前幀處理后的圖像cframe顯示在hDC2中

voidClosefile();

//關(guān)閉文件，釋放當(dāng)前視頻所占的內(nèi)存

boolOpenfile(CStringfile);

/*根據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)成員file中的路徑打開視頻文件，同時(shí)獲取視頻的幀總數(shù)和fps，將其存儲(chǔ)在該類的數(shù)據(jù)成員中*/};

定義好視頻的類之后，便可以通過(guò)此類所定義的對(duì)象中的各個(gè)數(shù)據(jù)和方法對(duì)視頻進(jìn)行常見(jiàn)的操作。

2.2視頻對(duì)象的處理

在可視化的界面中通常可通過(guò)按鈕觸發(fā)事件。假設(shè)現(xiàn)在定義了一個(gè)myvide。的對(duì)象，那么，就可以用以下方法按下相應(yīng)按鈕來(lái)執(zhí)行所需功能。

打開視頻。將對(duì)話框中播放原始視頻的設(shè)備的ID和播放處理后的視頻設(shè)備ID分別讀入myvideo相應(yīng)的成員中；通過(guò)MFC中的CFileDialog類讀取文件，將文件的路徑存儲(chǔ)在myvideo.m_file中，調(diào)用myviedo.Openfile()方法打開視頻。初始化當(dāng)前播放位置，并初始化對(duì)話框。此時(shí)，該視頻將處于待播放和待轉(zhuǎn)換的狀態(tài)。

播放和分析視頻。播放和分析的過(guò)程可以通過(guò)定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)點(diǎn)擊播放后，設(shè)置并啟動(dòng)定時(shí)器。定時(shí)器每隔一定時(shí)間中斷一次，其中斷頻率通過(guò)視頻對(duì)象中的myvideo.m_fps調(diào)節(jié)。定時(shí)器在一個(gè)中斷中，首先使用myvideo.play()函數(shù)將當(dāng)前幀推送至原始視頻播放設(shè)備中播放，并將當(dāng)前幀(即myvideo.pframe)放入自己定義的圖像分析處理函數(shù)中進(jìn)行處理，同時(shí)將處理結(jié)果放至myvideo.cframe中，然后使用myvideo.Convertedplay()函數(shù)將處理后的幀推送到處理后的視頻播放設(shè)備中播放，最后幀位置加1。至此，一個(gè)中斷執(zhí)行完畢。其流程圖如圖2所示。

圖2—個(gè)定時(shí)器中斷中播放和處理視頻流程圖

停止播放。當(dāng)點(diǎn)擊停止播放按鈕時(shí)，調(diào)用myvideo.Closefile()函數(shù)關(guān)閉文件，釋放內(nèi)存。同時(shí)還要銷毀定時(shí)器,清理相關(guān)中間變量。

定義觀測(cè)線和計(jì)數(shù)周期。為了實(shí)現(xiàn)車輛數(shù)量的測(cè)量,必須首先定義車輛的觀測(cè)線。觀測(cè)線的設(shè)定可用在背景圖像上點(diǎn)擊的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。記錄點(diǎn)擊下的觀測(cè)線兩端的坐標(biāo)，即可確定觀測(cè)線的位置，當(dāng)有車輛越過(guò)觀測(cè)線時(shí)，對(duì)車輛數(shù)加1。每一個(gè)計(jì)數(shù)周期過(guò)后，輸出本周期內(nèi)車流量的檢測(cè)結(jié)果。

檢測(cè)結(jié)果的顯示。檢測(cè)的車流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以通過(guò)VC++中的一個(gè)list控件呈現(xiàn)出來(lái)[71。每隔所設(shè)定的計(jì)數(shù)周期時(shí)間，則將本時(shí)間段檢測(cè)的結(jié)果條目加入list控件之中，以通過(guò)表格的方式將結(jié)果展現(xiàn)出來(lái)。

檢測(cè)結(jié)果的導(dǎo)出。通過(guò)按鍵操作程序可以將車輛檢測(cè)結(jié)果導(dǎo)出為txt格式的文本文件或者excel表格保存，以方便統(tǒng)計(jì)

3視頻處理算法

在檢測(cè)系統(tǒng)中必須要設(shè)計(jì)良好的識(shí)別算法來(lái)提取交通信息，以下將對(duì)本系統(tǒng)所使用的視頻處理算法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。當(dāng)提取出一幀原始圖像之后，首先使用高斯背景建模，得到背景圖像[8]，再用當(dāng)前圖像減去背景圖像并進(jìn)行如圖3所示的變換,再提取出運(yùn)動(dòng)車輛的二值圖像，只要識(shí)別出車輛的輪廓就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的跟蹤，最后將跟蹤結(jié)果放入處理后的圖像中[9]，這一系列的處理可放在定時(shí)器中斷的圖像處理函數(shù)中。在此處理過(guò)程中，每一步的處理方法和參數(shù)都必須經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和測(cè)試，才能達(dá)到最好的效果。其算法流程如圖3所示。

圖3視頻圖像處理算法流程圖

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

此程序通過(guò)構(gòu)建C++的視頻類并定義視頻對(duì)象，可完成交通視頻的處理工作。同時(shí)，利用此框架，可以快速搭建交通視頻處理的Win32應(yīng)用程序。在此框架上進(jìn)行合理的擴(kuò)展,可以勝任當(dāng)前大部分交通視頻的參數(shù)提取工作。圖4所示是基于MFC+OpenCV框架的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)軟件界面圖。

圖4基于MFC+OpenCV框架的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)

圖4中，左上角的播放控件播放原始視頻，右上角用來(lái)播放處理后的視頻，下方為輸出結(jié)果的控件。原始視頻和處理后的視頻播放同步進(jìn)行，當(dāng)車輛接近所設(shè)定的計(jì)數(shù)線時(shí),程序使用矩形框?qū)⑵淙Τ?；越過(guò)計(jì)數(shù)線后，計(jì)數(shù)器加1并將數(shù)字在旁邊顯示出來(lái)。

5結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于MFC和OpenCV的交通視頻處理程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此設(shè)計(jì)方法具有較高的穩(wěn)定性，可以達(dá)到預(yù)期的效果。但是，本系統(tǒng)在架構(gòu)和算法方面，仍然具有需要更進(jìn)一步完善的地方，具體如下：

（1）當(dāng)視頻上有其他因素影響時(shí)(如車輛陰影、攝像機(jī)微小抖動(dòng)等)，由于軟件中并沒(méi)有加入相關(guān)消除的算法，檢測(cè)結(jié)果會(huì)受到影響，因此，在進(jìn)一步處理中，應(yīng)當(dāng)加入去陰影、消抖等算法。

（2）公路車輛擁堵時(shí)，不能很好識(shí)別出背景，干擾較大。

（3）在夜晚時(shí)，由于光照、車燈等條件的影響，檢測(cè)算法不能對(duì)車輛進(jìn)行很好識(shí)別。在進(jìn)一步改進(jìn)中，應(yīng)該加入相關(guān)的處理算法，也可以通過(guò)檢測(cè)車燈來(lái)檢測(cè)車輛數(shù)。

（4）車輛重疊時(shí)，有可能將兩輛車識(shí)別成為一輛。

（5）識(shí)別準(zhǔn)確率有待提高，計(jì)數(shù)方法也有待改進(jìn)。

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