（通信与信息系统专业论文）基于视频虚拟检测线特征的交通流参数检测.pdf

摘要 实时交通流参数检测在智能交通系统中起着重要的作用。参数检测有多种方式， 其中基于图像处理的视频车辆检测方式近年来发展很快，由于它具有检测区域大、系 统设置灵活等突出的优点，已成为智能交通系统领域的一个研究热点。 本文致力于研究一种灵活、可靠的视频交通流参数检测系统。车辆的检测基于车 道，在每个车道设置两条虚拟检测线来检测交通流参数，虚拟检测线的作用类似于电 磁感应线圈。系统通过对视频虚拟检测线的预处理将二维的数字图像转化成一维的检 测信号，减小了运算量，降低了运算负荷。该方法的特点是处理运算的图像区域小， 避开了在二维图像空间中进行车辆跟踪。 在处理过程中，对常用的背景差方法进行了改进，有效的保留了车辆目标信息； 通过对常用的边缘检测方法比较，选用了突出边缘的k i r s c h 边缘检测方法对背景差 后的图像进行了边缘检测；使用形态除噪算法对边缘检测的结果进行了噪声去除；提 出了阴影边缘去除算法和基于整个检测域( 线) 的背景更新方法，阴影边缘去除算法 有效的抑制了车辆阴影边缘，背景更新方法则提高了背景更新的精度；并且设计了车 辆计数、速度测量、车道分钟交通量和车道时间占有率的算法，实现了交通流参数的 检测。 本文提出的基于视频虚拟检测线特征的交通流参数检测系统已经在p c 上用 v c + + 6 0 实现，并对不同典型天气条件下的交通流视频进行了实验，实验结果表明该 系统具有较高的车流量统计精度。 关键词：智能交通系统；图像处理：虚拟检测线：参数检测 v i d e o - b a s e dt r a f f i cf l o wp a r a m e t e r sd e t e c t i o nu s i n gv i r t u a ll i n e c h a r a c t e r t h ed e t e c t i o no fr e a l t i m et r a f f i cf l o wp a r a m e t e r s p l a y s ac r i t i c a lr o l ei nt h ei n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m p a r a m e t e r d e t e c t i o nh a sm a n ym e t h o d s ，a n dt h ev i d e o - b a s e dv e h i c l e d e t e c t i o ns y s t e mh a sd e v e l o p e dq u i c k l yi nr e c e n t l yy e a r s s i n c et h i sa p p r o a c hh a sm a n y o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s ，s u c h a sw i d e r - a r e ad e t e c t i o na n de a s i l ys e t t i n gf o rs y s t e m ，i t b e c o m e sah o tr e s e a r c ha r e ai ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e so nd e v e l o p i n gaf l e x i b l ea n dr e l i a b l es y s t e mt od e t e c tt h et r a f f i c f l o wp a r a m e t e r st h r o u g hi m a g e s e q u e n c e s t h ev e h i c l ed e t e c t i o ni sb a s e d o nt h er o a d w a y , w h i c hs e t st w ov i r t u a ll i n e s ，l i k et h ei n d u c t i v el o o ps e n s o r , t od e t e c tt h e i rt r a f f i cf l o w p a r a m e t e r s t h ek e yi d e ao ft h es y s t e mi sc o n v e r t i n gt h e2 - d i m e n s i o n a ld i g i t a li m a g et o 1 - d i m e n s i o n a ld e t e c t i o n s i g n a lb yv i r t u a l d e t e c t i o nl i n e p r e p r o c e s s i n g ，w h i c h r e d u c e s c o m p u t a t i o n l o a d t h et r a i to ft h i sm e t h o di so n l yp r o c e s s i n gl i t t l ei m a g ea r e aa n da v o i d i n g v e h i c l et r a c k i n gi n2 - d i m e n s i o n a li m a g e s p a c e i np r o c e s s i n g ，i m p r o v e db a c k g r o u n ds u b t r a c t i o nm e t h o ds a v e sv e h i c l ei n f o r m a t i o n e f f i c a c i o u s l y b yc o m p a r i n gt h ec o m m o ne d g ed e t e c t i o na l g o r i t h m s ，t h em a g n i l o q u e n t k i r s c h e d g ed e t e c t i o na l g o r i t h m i ss e l e c t e dt op r o c e s st h er e s u l to fb a c k g r o u n ds u b t r a c t i o n t h er e s u l to fe d g ed e t e c t i o ni sd e n o i s e db ym a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g ym e t h o d s h a d o w e d g er e s t r a i n e d a r i t h m e t i ca n dd e t e c t i o n - l i n e b a s e d b a c k g r o u n du p d a t i n g m e t h o da r e p r e s e n t e d s h a d o we d g er e s t r a i n e da r i t h m e t i cr e d u c e sv e h i c l es h a d o we d g e b a c k g r o u n d u p d a t i n gp r e c i s i o n i s i m p r o v e db yp r e s e n t e db a c k g r o u n du p d a t i n g m e t h o d l a s t a l g o r i t h m sa r ed e s i g n e df o rf l o wf l u xs t a t i s t i c ，u n i tt i m et r a f f i cl o a d ，v e h i c l es p e e da n d r o a d w a yo c c u p a n c y r a t e t r a f f i cf l o w p a r a m e t e r d e t e c t i o ni si m p l e m e n t e d t h es y s t e mo fv i d e o b a s e dt r a f f i cf l o wp a r a m e t e r sd e t e c t i o nu s i n gv i r t u a ll i n ei s i m p l e m e n t e d o nap e r s o n a lc o m p u t e rb yv c + + 6 0 t h et r a f f i cf l o wv i d e of i l e si nd i f f e r e n t w e a t h e ra r ee x p e r i m e n t e da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t et h ed e t e c t i o ns y s t e m s a c c n r a c v k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ；i m a g ep r o c e s s i n g ：v i r t u a l d e t e c t i o n l i n e ；p a r a m e t e rd e t e c t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均己在论文中傲了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名娅日期：j 塑她 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 i t s 简介 近二三十年以来，世界各国的汽车数量迅速增加，致使公路交通负担愈来愈重， 世界上愈来愈多的城市正面临着城市化进程加快而带来的交通问题。建设交通基础设 施一直被看作解决交通问题的有效途径，然而道路的扩建和加宽，又会引发大量新的 交通需求，可以利用的建设空间有一定的限度，建设交通基础设旆并不是解决交通问 题的唯一办法。随着科学技术的发展和信息时代的到来，运用科学管理方法来解决交 通问题，开始引起人们的重视，并得到迅速发展，形成智能交通的系统概念。 “智能交通系统”是交通运输领域内各种高科技技术系统的一个统称。凡是运用 高新科学技术手段组成旨在改善交通运输状况、缓解“交通祸害”的各种技术系统， 都可称为“智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) ”，简称“i t s ”。有关的 高新技术包括信息技术、计算机技术、自动控制技术、通讯技术、微电子技术等，其 中，信息技术起到了重要作用。改善交通状况，主要是指提高交通运输效率和提高汽 车行驶性能：而缓解“交通祸害”，则指降低交通对环境的污染和减少交通事故【1 】。 研究开发i t s 成为当前科技竞争的热点，这由多方面的因素促成，主要包括以下 几方面： 1 交通祸害曰益严重。交通量急剧增长，交通对人类环境与安全的危害日益严 重，交通堵塞造成了极大的社会经济损失。交通祸害成为最难铲除的社会公害之一。 北京有关部门粗略统计，因交通拥挤，仅公交车辆受阻造成的损失每年达8 0 0 亿元。 1 9 9 2 年上海市中心区交通堵塞造成的经济损失每天达1 1 0 0 万元。 2 i t s 改善交通运输状况的成效显著。例如美国上世纪9 0 年代中期实施i t s 收 到的实效： 1 ) “先进的交通管理系统( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ，简写a t m s ) 在密西根，使高峰时的车速提高1 9 ；在密苏里，车速提高3 5 ； 2 、“先进的出行者信息系统( a d v a n c e dt r a v e l l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ，简写a t i s ) 使车辆行程时间缩短了1 9 ： 3 1 “先进的车辆控制系统( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m ，简写a v c s ) ”，美 国一家最大的“灰狗”公共汽车公司的公共汽车交通事故下降2 0 ； 4 、“车辆自动定位系统( a u t o m a t i cv e h i c l el o c a t i o n ，简写a v l ) ”，使公共汽运 基于视频虚拟检测线特征的交通流参数检测 行费节约4 0 万美元年f 2 1 。 3 i t s 将培育一个庞大的新兴产业。i t s 的实施需要大批的信息传感器、检测和 显示设施，计算机输入输出终端、数据处理、卫星通信、卫星定位、电子地图、各类 近、中、远程通信、应用程序等各种软硬交通基础设置，将形成一个十分庞大的所谓 “智能交通基础设置( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ni n s t a l l a t i o n ，简写i t i ) ”的新兴产业： 同时，i t s 的运用将产生一个新兴的交通运输信息服务产业；这两大产业都拥有巨大 的国际国内市场。仅下述一项估算：只要全世界每年生产约5 0 0 0 万辆汽车中，有1 0 的汽车加装一台车用计算机( 以1 0 0 0 美元计) ，其年产值就达5 0 亿美元。难怪有企 业家要惊呼：“真不知道这个产业市场有多大! ”。因此，世界交通发达国家都把这些 产业视为信息技术( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，简写i t ) 产业的组成部分及新世纪中的 国家支柱产业之一。i t s 科技竞争激烈的实质是i t s 的市场竞争，各国各地区对i t s 这项新兴产业市场规模都有充分的研究。 4 交通治理观念的转变。 5 政府交通政策的改变。 6 高科技成果应用与军工转民用的需要。 i t s 中各种先进技术系统的名称很多，听起来有点繁杂混乱，其实是因为各地区、 国家对i t s 各种先进技术系统构成的划分方法不同，对有些相似的技术系统，赋予了 不同的名称。其中i t s 研究和发展较快的国家和地区是美国、日本和欧盟，下面以美 国的i t s 发展为例对i t s 的组成分系统作一简要的介绍。 美国在1 9 8 9 年由联邦运输部向国会提出了一个研究开发运用高科技成果、改善 道路交通的长达3 0 年的战略计划，当时定名为“智能车辆道路系统( i n t e l l i g e n t v e h i c l e h i g h w a ys y s t e m ，简写i v h s ) ”。在这项战略计划中，把约1 0 0 项i v h s 研发课题按 功能划分为四个分项( 或分系统) ：“先进的交通管理系统( a d v a n c e dt r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e m ，简写a t m s ) ”、“先进的出行者信息系统( a d v a n c e dt r a v e l l e r i n f o r m a t i o ns y s t e m ，简写a t i s ) ”、“先进的车辆控制系统( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o l s y s t e m ，简写a v c s ) ”、“商用车辆运营系统( c o m m e r c i a l v e h i c l eo p e r a t i o n s y s t e m ， 简写c v o s ) ”。到1 9 9 4 年，美国根据i v h s 实际的研究课题，认为i v h s 的名称已不 能覆盖其全部内容，因而把i v h s 改为i t s ；同时在原i v h s 的四个分系统的基础上 再增加两个分系统即“先进的公共交通运行系统( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ，简写a p t s ) ”和“先进的市际交通运输系统( a d v a n c e dr u r a l t r a n s p o r t a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 s y s t e m ，简写a r t s ) ”，形成i t s 六个分系统的研究构架。此外，美国还成立专门机 构，组织研究开发自动道路系统( a u t o m a t i c h i g h w a y s y s t e m ，简写a h s ) 【3 。 美、日、欧各家对r r s 划分系统的数目与名称叫法虽不尽相同，但其中所包含的 内容已逐趋一致，除了个别分系统外，基本上覆盖了美国所归纳的六个分系统：从各 分系统中的具体研发课题来看，三家对i t s 的研发方向已遍及凡能运用高新科技可改 善交通运输状况的各个方面。 在i t s 六个分系统中，a t i s 是建立在完善的信息网络基础上的，交通参与者通 过装备在道路上、车上、换乘站上、停车场上以及气象中心的传感器和传输设备，可 以向交通信息中心提供各处的交通信息：该系统得到这些信息并通过处理后，实时向 交通参与者提供道路交通信息、公共交通信息、换乘信息、交通气象信息、停车场信 息以及与出行相关的其他信息；出行者根据这些信息确定自己的出行方式、选择路线。 更进步，当车上装备了自动定位和导航系统时，该系统可以帮助驾驶员自动选择行 使路线。随着信息网络技术的发展，科学家们已经提出将a t i s 建立在因特网上，并 采用多媒体技术，这将使a t i s 的服务功能大大加强，汽车将成为移动的信息中心和 办公室。 a t m s 有一部分与a t i s 共用信息采集、处理和传输系统，但是a t m s 主要是给 交通管理者使用的，它将对道路系统中的交通状况、交通事故、气象状况和交通环境 进行实时的监视，根据收集到的信息，对交通进行控制，如：信号灯、发布诱导信息、 道路管制、事故处理与救援等。a t m s 最主要的特征就是系统的高度集成化。它利用 先进的通讯、计算机、自动控制、视频监控技术，按照系统工程的原理进行系统集成， 使得交通工程规划、交通信号控制、交通检测、交通电视监控、交通事故的救援及信 息系统有机地结合起来，通过计算机网络系统，实现对交通的实时控制与指挥管理。 a t m s 另一特征是信息高速集中与快速信息处理，a t m s 由于运用了先进的网络技术， 获取信息快速、实时准确，提高了控制的实时性，城市a t m s 的应用使交通管理系 统中交通参与者与道路以及车辆之间的关系变得更加和谐，缩短了旅行时间，使城市 的交通变得更加有序。 从a t i s 和a t m s 两个子系统可见，交通流信息的采集是智能交通系统中的一个 重要的构成要素，实时的或者历史统计的交通流数据信息是进一步研究的基础。交通 流信息包括交通事件( 交通事故、闯红灯等) 和交通流量、车道占有率、车速、行程 时间等交通参数和道路拥挤程度等信息。在交通流数据的采集中，人工测量方法只适 基于视频虚拟检测线特征的交通流参数检测 用于作短期内的调查，不适用于实时交通控制和交通流的诱导。在实际中大量应用的 还是自动采集技术，可以同时测量多种交通参数。 我国i t s 的发展并非一片空白。2 0 世纪7 0 年代以来，从国外引进、消化了一些 i t s 相关项目，并进行了一些i t s 或相关i t s 基础项目的研究和应用【4 】。但是总体来 说我国的i t s 还是处于相对落后的状态。 1 2 交通流参数采集技术 自2 0 世纪3 0 年代美国研制出“声控”式感应交通控制机以来，交通量检测器技 术得到了迅速发展。特别是近2 0 年来出现了大量的新型交通量检测器，这是因为一 方面以计算机为核心的交通控制系统对车辆检测的要求越来越高，另一方面信息技术 的长足进展也为交通量检测器的进步创造了条件。 交通量检测器的种类很多，主要有：环形线圈检测器，微波检测器，超声波检测 器，红外线检测器，光辐射式检测器，视频检测器等【5 7 。目前应用较多的是环形线 圈检测器、微波检测器和视频检测器。 环形线圈检测器出现于2 0 世纪6 0 年代，是目前交通控制中应用最广的交通量检 测器。该检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器，它的传感器是一个埋设在路 面下、通有一定交变电流的环形线圈。当车辆通过线圈时，车辆引起线圈回路电感量 的变化，检测器检测出该变化就可以检测出车辆的存在。 环形线圈检测器是目前使用效果较好的一种车辆检测器，大量的应用实践表明该 检测器有如下优点： 1 测量精度高。用2 m 2 m 的标准环形线圈进行检测，交通流量测量值可精确 到2 4 - 3 ，排队长度测量值可精确到- t - 4 4 - 6 ，速度测量值( 使用一对环形 线圈) 可精确到4 一6 。 2 适应性较强。由于环形线圈尺寸变化范围大，因此能适应各种不同的要求。 3 性价比高。 环形检测线圈在使用的过程中也逐步的显露出一些致命的缺点，主要表现在以下 几个方面： 1 自身可靠性和寿命问题。感应线圈的埋设方式对可靠性和寿命影响很大，易 被重型车辆辗坏，在路面开裂、变形和维修时易损坏。 2 安装维护影响交通问题。感应线圈埋设在路面下，因此安装和维护感应线圈 时需中断交通。而且每次重新铺设路面都需更换线圈，因此使用感应线圈的直接费用 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 将持续增加。 3 影响路面寿命问题。安装感应线圈时需要在路面上切槽，安装后再填充填料， 破坏了路面的完整性，影响路面寿命。 4 局限性问题。不能检测静止车辆。 微波检测器是一种工作在微波波段的雷达探测器，它向行驶的车辆发射调频微 波，波束被行驶的车辆阻挡而发生反射，反射波通过多普勒效应使频率发生偏移，根 据这种频率的偏移可检测出有车通过，经过接收、处理、监频放大后输出一个检测信 号，从而达到检测道路交通信息的目的。 微波检测器是目前使用量仅次于环形线圈的一种检测器，具有如下特点： 1 多道性。多数检测器是单道设备，在多车道的公路上应用时，需由多个检测 器单元组成。因而带来高额的成本和复杂的安装，并且随着单元和布线的增加使得可 靠性下降且更不便于维修。微波检测器能够根据车辆的长度检测到多达8 条车道中每 一条车道的交通流参数【8 。 2 全天候。除了微波检测器外，所有的检测器在天气变化时维持良好的运行都 有困难。短波红外线检测器不能在雾、大雨、和雪中运行。超声波检测器非常容易受 到由风引起的震动影响，从而产生误报。微波检测是一种真正的实时再现的雷达设备， 能够全天候工作。 3 使用维护简便。微波检测器是可以升级的，它是基于软件运行的，所以更换 它的软件就可以方便的更换它的工作程序。微波检测器的软件是不断升级的，升级时 只需更换一块芯片。维护也非常容易，出现故障时只须更换一个备件，且不受气候的 影响在很短的时间内即可方便快捷地完成。 视频图像处理技术是一种新技术，它是将一段道路的交通状况拍摄成视频图像， 然后用适当的图像处理技术进行处理，从而检测出交通流参数的方法。该方法具有不 需要改造路面，可检测多个参数、检测范围较大、检测用的摄像机又可同时用于交通 监控、使用灵活等特点，是目前国际上交通信息采集技术的研究热点，具有广阔的应 用前景 9 】。 1 _ 3 交通流参数视频检测方法 对于交通管理人员，交通路口的视频图像是最直观的交通信息，同时也是最大的 交通信息源。随着人们对图像信息研究和应用的深入，交通流视频图像含有丰富的交 通信息，操作员虽然可从视频图像直观的获取现场的交通情况，但是这种信息只是定 - 5 基于视频虚拟检测线特征的交通流参数检测 性的，很难把这种信息迅速传输到控制网络中。至于车流量、道路占有率、车速等信 息还只有通过环形线圈和超声波传感器来感知；另一方面由于同时显示的视频图像有 限，操作员的精力也有限，因而操作员没有观察的图像，这部分信息没有被利用。近 年来，随着图像处理技术的发展，视频检测技术已经走向市场，应用到交通管理工作 中。 图l _ 1 交通控制系统中的视频检测系统 f i g 1 1v i d e o - b a s e d d e t e c t i o ns y s t e mi nt r a f f i cc o n t r o ls y s t e m 视频检测，以视频图像为分析对象，通过对设定区域的图像进行分析，可以得到 交通流的参数，主要包括车流量、平均车速、占有率、车型等。而且视频检测的数据 可输入到交通信号控制系统，这样使视频监控系统和交通信号控制就有机的结合到一 起 1 0 】，如图1 1 。 同其它的检测器相比，视频检测具有如下优点：视频检测具备图像监视和交通流 参数采集双重功能。虽然其它的检测器也可以提供交通流参数，但是不能给交通管理 人员提供交通状况的实时图像。而视频交通检测系统的监视和检测功能不但使交通管 理人员通过量化的数据实时了解交通状况，优化交通管理方法，还可以为交通管理中 心提供监视能力。视频图像能够提供完整的交通状况信息，使交通分析人员有亲临现 场的感觉，这对突发事件的处理尤为有益。视频交通检测系统的灵活性要大于感应检 测线圈，系统的检测区域容易重新定位，可满足不断变化的数据采集要求。视频设备 还可以移到新的地方使用。摄像机架设在地面上，安装无须破坏路面【1 l 】。 利用视频检测，除可提供一般的交通流参数外，还可进行事件检测，如交通阻塞、 超速行驶、非法停车、不按道行驶、逆行等。由于视频检测具备灵活性和多种附加功 能，因此受到人们的青睐。视频检测存在巨大的的市场，目前在国际上有不少公司推 出了自己的视频检测产品，如美国的a u t o s c o p e 、v t d s 、v i d e o t r a c k 一9 0 0 ，西门子的 a r t e m i s ，比利时的t r a f i c o n 等【1 2 】。下面以具有代表性的a u t o s c o p e 加以简要 兑明。 a u t o s c o p e 大区域视频车辆检测技术由美国i s s 公司开发，是世界研发最早并最 6 - 大连理工大学硕士学位论文 先获得国际专利的视频车辆检测技术。经过近2 0 年的不断发展，a u t o s c o p e 己在全世 界安装了两万多套，占全世界市场份额的4 5 。 a u t o s c o p e 检测系统由3 2 个摄像机、8 台a u t o s c o p e 一2 0 0 4 视频检测器和1 台监控 电脑组成。a u t o s c o p e 检测系统的核心是视频检测器，它包括以c p u 为基础的微处理 器，多个电路模块和用于分析视频图像的软件。用户可以通过显示器设置虚拟的检测 器，检测器的类型包括计数检测器、存在检测器、方向存在检测器、速度检测器等。 系统能够对交通流进行实时计数，并计算出其它的交通流参数，包括车流总量、占有 率、车辆分类、车流率、车头时距和车速等【1 3 。 a u t o s c o p e 有以下的特点和优点： 1 视频摄像机有可靠的交通检测和自动监视功能； 2 可同时处理多路信号，并且视频信号能通过同轴电缆、光纤、双绞线、无线 微波多种传输方式进行传输： 3 无损检测，安装主要在地面上进行，无须破坏路面，在修路和重铺路面时， 可作为便携式的检测系统； 4 能用视频监视器核对摄像机的覆盖范围，用户可直观地观察检测状况，以确 保检测器设置的最佳位置。 5 一个摄像机可以覆盖多个车道，进行真正意义的大区域检测； 6 可检测不同类型的交通流参数，包括流量、方向、存在、速度、停止车辆、 车辆排队和事故检测等； 7 检测器设置灵活，可根据摄像机的高度设置大小不同的检测区域，无须干扰 正常的交通就可完成检测器的设置，检测器的重新配置、移动或改变大小也简单方便。 以a u t o s c o p e 为代表的视频车辆检测系统具有广阔的应用前景，但是其价格十分 昂贵，车辆检测系统是i t s 的基础和关键组成部分，在1 i 节中讨论过i t s 的竞争同 i t 业的竞争一样是市场的竞争，正是基于潜在的巨大市场激发了各国研究人员自行 研究开发的兴趣。 1 4 交通流的几个重要参数 在交通控制中，常用的交通流( t r a 蚯cf l o w ) 参数主要有：交通量、速度、交通 流密度、车道占有率、排队长度、车头间距和车头时距等。这些参数有些可以直接测 量，有些需要根据其它参数间接计算得n 1 4 1 。 1 交通量又称流量，是指单位时间内，通过道路( 或道路上某一条车道) 指定 基于视频虚拟检测线特征的交通流参数检测 地点或断面的车辆数。交通量是描述交通流特性的最重要参数之一。从交通量的概念 来看，随着指定的单位时间的不同，交通量的数值是不同的，一般来说交通量有年交 通量、f l 交通量、小时交通量和不足1 小时的交通量几种表达方式。下面简单介绍一 下小时交通量。 在交通工程实践中，通常以小时交通量为依据，即以1 小时为计量单位的交通量， 单位是辆d , 时。小时交通量又有高峰小时交通量、第3 0 小时交通量、设计小时交通 量之分。 f i g 1 2y e a r sf l o o dt i d eh o u rc o m p o s i t o r c u r v eo ft r a f f i cf l o wf l u x 第3 0 小时交通量指一年当中8 7 6 0 个小时交通量按大小次序排列，从大到小序号 第3 0 个的那个小时的交通量，叫第3 0 小时交通量( 如图1 2 ) 。美国和日本取第3 0 小时交通量作为设计小时交通量。这是因为从第1 到第3 0 位左右的小时交通量减少 比较显著，曲线斜率较大。从第3 0 位以下，减少缓慢，曲线平直。采用第3 0 小时交 通量作为设计小时交通量，全年只有2 9 个小时( 个别情况也可能稍多于2 9 ) 的交通 量超过交通设计的容量得不到保证，仅占o 3 3 ，而保证率为9 9 6 7 。我国幅员辽 阔，各地区的经济条件以及气候、交通量、公路使用性质及混合交通等因素均不相同， 根据2 0 0 0 年1 0 月交通部规划设计院提交的关于设计小时交通量系数的研究报告；原 则上采用第3 0 位小时作为设计小时，但公路规划、设计者可根据各地区的具体情况 与条件，适当地调整设计小时的时位。为了不至于使全年产生太多的交通阻塞现象， 大连理工大学硕士学位论文 调整范围宜控制在第2 0 位小时至第4 0 位小时之间【1 5 。 2 速度是描述交通流状态的第二个基本参数，它是指车辆在单位时间内通过的 距离。在交通流中，每辆车的速度都不尽相同。因此，交通流本身不可能用一个精确 的速度值来表示，只能对单个车辆的速度分布进行讨论。常用的速度有点速度( s p o t s p e e d ) 、行程速度( t r a v e ls p e e d ) 、设计速度、运行速度( o p e r a t i n gs p e e d ) 和百分 位车速 1 6 1 。 在速度累积频率分布曲线图上，与纵坐标上累加百分数相应的车速称百分位车 速。常用的百分位车速有8 5 位车速、5 0 位车速和1 5 位车速。 8 5 位车速表示所观测到的车辆中，有8 5 的车辆具有这种速度或者在这个速度 以下，只有1 5 的车辆速度高于此值。在交通管理上常用此速度作为某些路段的最高 车速限制标准。也就是说超过这个速度行驶时，经常缺乏安全性。 1 5 位车速表示在该车速及低于该车速行驶的车辆数占被观测车辆总数的1 5 。 常用此车速作为观测路段的最低限制车速，认为低于该车速时，往往会妨碍交通，导 致发生事故的危险。 3 交通流密度( d e n s i t y ) 指在单位长度车道上，某一瞬时所存在的车辆数，一 般用用辆( k m 车道数) 表示，也可用某个行车方向或某路段单位长度上的车辆数 来度量。在实际使用中，往往采用车辆的道路占有率来间接表征交通流密度，车辆占 有率越高，车流密度越大。它包括空间占有率和时间占用率。 在道路的任一路段上，车辆通过时间的累计值与观测总时间的比值称为时间占有 率，通常以百分数表示。其表达式如下： 1月 r ，；二f t ； ( 1 1 ) ? 智 式中：r 一时间占有率，； t 一观测总时间，s ； t ；一第i 辆车通过观测路段所用的时间，s t n 一观测时间内通过该路段的车辆数，辆； 车道时间占有率不仅与交通量有关，还与车辆的长短及地点车速有关。它是从车道 上车辆占有的时间方面来反映道路的拥挤情况。 以上从交通工程学的角度介绍了三个常用的交通流参数，在交通流参数检测中交通 量的测量是其它参数测量的基础，车辆检测的精度决定了其它参数的精度，也就是说由 基于视频虚拟检测线特征的交通流参数检测 变通量参数可以计算得到其它参数。本文把主要工作放在车辆检坝4 上，检测了交通量、 速度、时间占有率和单位时间通过的车辆四个参数。 1 5 选题意义与研究方案 中国加入世界贸易组织后，中国的汽车时代已经到来。在未来不到2 0 年的时间 里中国将成为世界最大的汽车生产、消费国之一。然而在汽车的大发展同时，交通管 理显得滞后，目前在一些大的城市交通拥堵已经成为令政府头痛的“城市病”。2 0 世 纪9 0 年代后期以来，我国许多大城市的道路建设速度跟不上汽车增长速度，部分大 城市中心区车道的高峰小时饱和度已达9 5 左右，全天饱和度超过7 0 ，车速下降 到每小时只有1 0 公里。根据国务院发展研究中心的预测，到2 0 2 0 年中国的汽车总保 有量将从2 0 0 2 年的2 1 2 4 万辆增加到1 4 5 0 9 万辆，增长6 8 倍。如果交通管理制度不 能得到较快的优化和改善，道路等基础设施建设不能相应增加，则大部分城市的车路 矛盾还会有进一步的加剧趋势。这不仅降低了运输、通勤效率，增加了环境污染，而 且也增加了大约占g d p l 0 左右的社会福利损失 1 7 1 。 交通拥堵在首都北京更为突出，似乎是突然之间摆到了人们面前。据统计，北京 机动车从建国初期的2 3 0 0 辆，发展到1 9 9 7 年2 月的1 0 0 万辆，用了4 8 年的时间。 而从1 0 0 万辆发展到2 0 0 3 年8 月2 4 日的2 0 0 万辆只有了6 年半时间。2 0 0 2 年，北 京新增机动车2 7 6 万辆，是历史上最多的一年。而到了2 0 0 3 年，全年新增机动车高 达4 0 万辆，再一次刷新了纪录。 相对于汽车的增长，北京道路的建设则显得力不从心。据北京市交管局介绍，最 近几年来，北京城市道路年增长速度是3 ，车辆增长速度是1 5 ，车流量增长速度 已达1 8 。调查显示，1 9 9 4 年北京二三环之问部分路段的汽车时速为每小时4 5 公里， 1 9 9 5 年下降为每小时3 3 公里，1 9 9 6 年降至每小时2 0 公里。而到了2 0 0 3 年，北京市 区部分主要干道高峰期的车速已降至每小时1 2 公里，有的道路机动车时速不到7 公 里。 在1 1 节中介绍了解决交通拥堵的两个基本方法，一是扩建道路，二是科学管理。 然而在城市中扩建道路的空间十分有限，科学管理相对更为重要。北京的交通发展也 不例外，为了寻找最终解决交通拥堵的方法，2 0 0 3 年新成立的北京市交通委员会编 制出了最新的北京交通发展纲要，在纲要中把未来北京的交通发展定义为“新北 京交通体系”。所谓的“新北京交通体系”是指依托现代化交通设施和全方位的信息 化条件，构筑安全畅通、舒适可靠并具有足够应变能力的智能交通系统，提供人性化 1 0 - 大连理工大学硕士学位论文 的交通服务，满足首都建设和区域经济一体化发展要求，支持城市可持续发展。 对未来的北京交通发展，北京市政府将会加大交通建设资金投入，投资总额保持 与g d p 同步增长。预计在2 0 0 3 - - 2 0 1 0 年间累计投资总额为2 0 0 0 - - 2 5 0 0 亿元。在2 0 1 0 年之前初步建成功能结构较为完善，运营管理水平先进，市域与市际一体化的“新北 京交通体系”框架，全面提升城市交通系统承载能力，基本适应日益增长的交通需求， 为举办一届最成功的奥运会和率先基本实现现代化提供支持 1 8 ，1 9 1 。 现场交通流 视频图像 指 导 算法研究 检测软件 实 验 差分图像 边缘检溯 数学形态除噪 阴影边缘去除 特征提取 背景更新 参数计算 背景差 k i r s c h 边缘检测 图像r g 麟计值 车辆统计 速度测量 圭塑墨竺盐i 车速测量j 车道占有率测量 分钟交通量测量 图1 3 研究方案 f i g 1 3r e s e a r c hs c h e m e 利用视频技术实现交通监控是一项庞大的系统工程，其中检测车辆目标、提供实 时交通流数据信息是首先要完成的功能，获得交通流参数也是进一步研究的基础，因 此对交通流参数的检测就不容忽视。基于视频的机动车辆自动检测和识别方法不需要 改造路面，可检测较大的范围，系统的施工也灵活，是一种很有前途的方法。 基于视频虚拟检测线特征的交通流参数检测 本文从交通现场采集的交通流视频着手分析，参考视频车辆检测的现有相关研究成 果，提出一种实用的基于视频图像的实时车辆检测方法，同时开发出一套实用的视频交 通流分析软件，研究工作的整体思路如图1 3 所示。算法研究的目的是为了开发实用的 交通流分析软件，从一般的图像分析方法中探索出适合于动态交通流检测的方法，同时 要求算法的实时性、准确性都比较高。具体的研究工作包括以下内容： 1 分析现有的实时运动目标检测方法，研究出一种适合于交通流参数检测的视频处 理方法。着眼点包括：差分图像技术、边缘检测技术、数学形态学技术。根据车辆检测 的特点提出的方法包括：阴影边缘去除、特征提取、背景更新和参数计算。 2 利用上面研究的车辆检测方法，开发出一套实用的视频交通流分析软件。实现交 通流量统计、速度测量、车道占有率测量和分钟交通量检测功能。 1 6 论文内容安排 论文共分五章，各章的主要内容如下： 第一章绪论，介绍了i t s ，交通流参数采集的几种技术，交通流中的常用参数，视 频车辆检测方法及选题意义和研究方案。i t s 是解决交通拥堵、合理有效利用交通资源， 特别是缓解城市交通压力的有效方法。而交通流参数采集是i t s 的基础，实施实时有效 监控的保障和依据。视频车辆检测方法以其独特的优点，代表了车辆检测器的发展方向。 在研究中应用理论和实践相结合的方法，用提出的方法指导软件程序的编写，同时用程 序来检验提出的方法，如此反复直到达到一定的精度。 第二章介绍了车辆目标的基本图像处理方法，包括背景选取和更新、差分图像、图 像分割和数字图像数学形态学分析四节内容。实时处理和检测精度是选用图像处理方法 的客观标准。通过分析说明在车辆检测系统中，不可能采用运算量大的运动矢量处理方 法，只能应用速度快的帧间变化方法( 背景差方法) 。进而通过分析和实验说明论文选用 k i r s c h 边缘检测方法进行图像分割、使用数学形态学除噪方法克服噪声的原因。 第三章介绍了系统实现的各个步骤和采用的方法。整个系统可以分为七个过程：背 景差，边缘检测，形态除噪，阴影边缘去除，虚拟检测线图像特征的提取、参数检测和 背景更新。并对视频采集和视频文件的格式作了简要的介绍。 第四章介绍了开发的软件功能，参数设置的方法和运行流程：对晴天、阴天、黄昏 ( 黎明) 、夜间四种特殊天气条件的交通流进行了参数检测实验，并对实验结果进行了 分析和比较。 第五章对全文的工作进行了总结和概括，并对进一步的研究方向进行了说明。 1 2 - 大连理工大学硕士学位论文 2 车辆目标的基本图像检测方法 车辆检测是运动目标检测的一个实例，本章在介绍运动目标检测共性问题的同时， 指出车辆检测的特殊性，为后面的分析作一铺垫。运动目标检测中，感兴趣的只是运动 目标，在车辆检测中就是运动的车辆。视频车辆检测研究的是视频图像，也就是用摄像 机采集的一组随时间变化的图像序列。不同时刻采集的两帧或多帧图像中包含了存在于 摄像机和景物之间的相对运动信息，这些信息表现为图像帧之间的灰度变化和诸如点、 线段、远动区域等研究对象的位置和运动方向、速度等属性的变化。 车辆目标检测针对的是视频图像序列，在视频图像处理中，运动目标的检测和估计 主要有两种比较常用的方法：一种是差分图像检测，另一种是基于块匹配或光流方法的 运动矢量场计算。差分图像方法快捷简单，适合于运动快且形变较大的运动目标和实时 性要求较高的场合，但是对有全局运动的场景不能直接使用。运动矢量的方法比较精确、 鲁棒，给出的信息更丰富，并可处理有全局运动的情况，缺点是计算需要更多时间，对 过于复杂和快速的运动效果不好 2 0 ，2 1 1 。 在车辆检测中，目标运动的速度较快，视频的帧率较大，而检测的实时性是车辆检 测系统的生命线2 2 1 。在检测时所用的摄像机的位置和视场是固定不变的，视频的场景不 是全局运动，车辆检测属于静止背景下的运动目标检测。基于以上的原因分析，使用差 分图像检测车辆目标。 视频图像处理的特点是数据计算量大，如果使用图像帧大小为3 2 0 2 4 0 像素，帧率 为2 5 】f | 影秒，图像格式为r g b 格式，每个像素用2 4 位即3 个b y t e 表示，则每秒钟的图 像数据为5 7 6 m b 。在检测中如果使用过多的边缘检测、滤波等基于图像区域的算法，运 算量相当大，对每帧的整幅图像处理在普通的微机上是很难达到实