高速公路視頻超速臨控系統的實(shí)現

摘要：介紹了一種高速公路視頻超速監控系統的硬件構成、軟件功能和動(dòng)目標檢測、動(dòng)目標跟蹤與速度測量、車(chē)牌自動(dòng)定位以及車(chē)牌字符自動(dòng)識別等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現方法。該系統可廣泛應用于高速公路管理、卡口管理、巡邏執勤、逃逸車(chē)輛抓捕等場(chǎng)合，具有很好的應用前景。

隨著(zhù)國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，我國的高速公路建立發(fā)生了翻天覆地的變化。公路上行駛的車(chē)輛越來(lái)越多、速度也越來(lái)越快，與車(chē)輛交通有關(guān)的案件也呈不斷上升勢頭，交通肈事逃逸等案件時(shí)有發(fā)生。如何運用科學(xué)的手段幫助公安部門(mén)有效控制高速公路上超速違章現象、抓捕逃逸車(chē)輛，已成為公安交通部門(mén)急待解決的問(wèn)題。目前能完成超速監控功能的成熟系統有：基于微波雷達和基于激光的超速監控系統。它在車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，利用反射波的頻率變化監控在車(chē)輛信息，不能提供超速汽車(chē)類(lèi)型、車(chē)牌號碼等全面的交通信息，無(wú)法及時(shí)進(jìn)行違章處理及抓捕逃逸車(chē)輛。

本高速公路視頻超速監控系統利用視頻圖像處理技術(shù)，對高速公路車(chē)道上的汽車(chē)進(jìn)行非接觸式監控，獲得超速車(chē)輛車(chē)速、車(chē)牌號碼、違章照片等運行狀態(tài)信息，可應用于高速公路管理、逃逸車(chē)輛抓捕等場(chǎng)合。

1 系統結構

高速公路視頻超速監控系統的硬件結構如圖1所示。它由超速監控攝像頭和現場(chǎng)計算機等部分組成。在高速公路上安裝監控攝像頭（一個(gè)彩色全景攝像機、n個(gè)車(chē)道級彩色攝像機）及超速監控計算機，24小時(shí)實(shí)時(shí)監控高速公路上所有通過(guò)車(chē)輛的車(chē)速信息。系統軟件包含超速車(chē)輛檢測和自動(dòng)車(chē)牌識別兩部門(mén)。超速監控計算機通過(guò)實(shí)時(shí)視頻采集卡首先采集高速公路的全景圖像，并利用全景圖像進(jìn)行超速車(chē)輛檢測；如檢測到違章車(chē)輛，啟動(dòng)相應車(chē)道的攝像機工作，采集近景圖像并用利近景圖像自動(dòng)車(chē)牌識別，其識別結果可分車(chē)牌號碼字符、車(chē)牌號碼照片、汽車(chē)違章照片分別修配存到超速違章車(chē)輛數據庫，以供事后處理；如需要，還可通過(guò)無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)或光纖通信網(wǎng)自動(dòng)向高速公路收費站的違章處理服務(wù)器傳送違章車(chē)輛的車(chē)牌號碼、違章照片信息，以實(shí)時(shí)進(jìn)行違章處理。軟件系統功能框圖如圖2所示。

2 軟件功能實(shí)現

2.1 動(dòng)目標分割[1][2]

理想情況下，從視頻圖像進(jìn)行超速車(chē)輛檢測時(shí)，可以直接用幀間差的方法比較前后兩幀圖像，去除靜止的區域，保留運動(dòng)區域，判定視場(chǎng)中是否存在著(zhù)汽車(chē)，判斷汽車(chē)的運動(dòng)軌跡及速度。但是在實(shí)際的成像過(guò)程中，場(chǎng)景中的諸多因素，包括照明情況、場(chǎng)景中物體的幾體形狀和物理性質(zhì)（特別是表面的反射性質(zhì)）、成像系統的特性以及光源、物休和成像系統之間的空間關(guān)系等，都被綜合為單一圖像中像素點(diǎn)的灰度值；由于空間的強輻射、光照的變化和傳感器本身的光學(xué)特性等原因，會(huì )在每一幀圖像中產(chǎn)生較強的干擾和噪聲。因此，在進(jìn)行圖像檢查前對圖像進(jìn)行基于平均法去噪的初始背景獲得和基于Kalman濾波[3]的實(shí)時(shí)背景更新等預處理；然后采用提取函數[4]分割目標與背景。

設Ck={ck(x,y)}代表當前圖像，Rk={rk(x,y)}代表參考圖像，其中(x,y)為像素點(diǎn)的坐標，ck(x,y)≥0,rk(x,y)≤255,則提取函數Ek=(ck(x,y),rk(x,y))定義如下：

容易知道，式中0≤Ek(ck(x,y),rk(x,y)) ≤1。

用提取函數對在公路上采集到的實(shí)際運動(dòng)車(chē)輛的圖像做動(dòng)目標檢測，其實(shí)驗結構如圖3所示。

2.2 動(dòng)目標跟蹤及速度測量[5]

在目標跟蹤的同時(shí)，需要判斷計算目標的運動(dòng)速度，所以采用特征點(diǎn)匹配的方法進(jìn)行動(dòng)目標跟蹤，以便利用特征點(diǎn)的視差計算車(chē)速。其要點(diǎn)是：在一幀圖像的活動(dòng)目標窗口中選擇一組具有不變性質(zhì)的特征點(diǎn)，與下一幀圖像中的同類(lèi)特征點(diǎn)作匹配，從而求得視差。這就是特征點(diǎn)匹配的方法。

采用Moravac[6]算子作為點(diǎn)特征提取算子。它基于一個(gè)理想的特征點(diǎn)，在其四周所有方向上灰度具有很大的方差。

特征點(diǎn)提取的步驟為：首先，在5х5的窗口計算

式中，i=n-2,...,n 2;j=m-2,...,m 2;m,n為窗口中心像元的行、列序列，gij為（i,j）處圖像的灰度值。

然后，確定備選特征點(diǎn)，若像元的有利值M大于經(jīng)驗閾值，則該像元為備選特征點(diǎn)；否則，該像元不是特征點(diǎn)。

最后，用抑制局部非最大M值的方法，確定特征點(diǎn)。檢驗每個(gè)備選特征點(diǎn)的M值是否為一定大�。�5х5，7х7，9х9）窗口內的最大值，如果在窗口內有幾個(gè)備選特征點(diǎn)，則取M值最大的像元作為特征點(diǎn)，其余均去掉。

為保證匹配的正確率，采用協(xié)方差最大與差的絕對值之和最小作為雙重判據，決定匹配點(diǎn)的取舒暢，以增強匹配結果的可靠性。

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