郝建豹，馮 楊，桑 林

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東廣州 510800；2.深圳市新創(chuàng)中天科技發(fā)展有限公司，廣東深圳 518055）

基于一體化視頻車檢器的車輛軌跡算法研究*

郝建豹1，馮 楊1，桑 林2

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東廣州 510800；2.深圳市新創(chuàng)中天科技發(fā)展有限公司，廣東深圳 518055）

以德州儀器公司的達(dá)芬奇平臺TMS320DM6446芯片為核心，對系統(tǒng)硬件各個(gè)主要模塊進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一個(gè)一體化視頻車檢的硬件系統(tǒng)，最后選擇現(xiàn)場能見度比較低的場合進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該一體化車輛視頻檢測系統(tǒng)具有良好的檢測效果，能夠?qū)崿F(xiàn)交通場景中的車輛檢測計(jì)數(shù)，車輛跟蹤、車輛定位等功能，為交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：一體化；視頻車檢；軌跡算法

0 引言

基于交通視頻處理分析的交通視頻檢測系統(tǒng)，就是在獲取道路實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻的基礎(chǔ)上，對交通場景視頻進(jìn)行車輛檢測、車輛跟蹤以獲得視頻場景中的有用交通信息。這樣的檢測方法和其他傳統(tǒng)的檢測方法如線圈、微波雷達(dá)相比，具有諸多優(yōu)點(diǎn)如設(shè)備維護(hù)方便，無須將路面破壞，不會影響道路正常交通；視頻檢測范圍大，可覆蓋多個(gè)車道，可同時(shí)監(jiān)控檢測多車道；通過視頻檢測提供更全面的交通管理信息和交通事故信息，可得到的交通有車流量、車速、車流密度、車型、是否堵塞等；可以為交通管理部門提供可視化監(jiān)控，方便管理，同時(shí)進(jìn)行錄像，方便以后進(jìn)行事故錄像提取查詢。

但是現(xiàn)有的視頻車檢器一般使用模擬攝像機(jī)+嵌入式處理器的模式來構(gòu)成，其笨重的體積、線路的繁瑣和明顯的功耗，極大的限制了此類視頻檢測器的應(yīng)用[1]。同時(shí)圖像傳感器得到的原始圖像數(shù)據(jù)需經(jīng)過圖像處理DSP芯片優(yōu)化處理后，再行進(jìn)行壓縮，然后通過通信線路傳輸給嵌入式處理器的DSP芯片做圖像識別運(yùn)算，增加了系統(tǒng)處理時(shí)間[2]。

本文研究的一體化視頻車檢器采用一體化方案，將圖像處理DSP芯片和圖像識別分析DSP芯片合二為一，體積小巧，結(jié)構(gòu)簡單可靠，功能針對性強(qiáng)。全功能狀態(tài)下功耗會降低約40%左右，可以方便的使用風(fēng)、光發(fā)電機(jī)等再生能源供電裝置。因采用達(dá)芬奇架構(gòu)的雙核數(shù)字多媒體處理器，處理速度大大提高。更為重要的是車檢器中包含了視頻采集、算法處理、數(shù)據(jù)通訊模塊。車檢器安裝在前端路口，視頻無需往中心傳送直接實(shí)現(xiàn)了交通信息的檢測，為交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

1 一體化視頻車檢器設(shè)計(jì)

本文采用TMS320DM6446作為算法處理的核心芯片，其采用達(dá)芬奇技術(shù)架構(gòu)，是基于ARM926和TMS32064x+DSP的高度集成的雙核數(shù)字多媒體處理器，適合于數(shù)字信號的處理，特別是在視頻處理方面[3]。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是在TMS320DM6446的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了一些外設(shè)電路實(shí)現(xiàn)的（如圖1所示）。整個(gè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框架分為兩個(gè)層次。

圖1 視頻采集系統(tǒng)的系統(tǒng)框架圖

（1）以ARM為中心的系統(tǒng)管理層部分

本部分包含F(xiàn)LASH存儲模塊、有線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和串口通訊模塊。FLASH存儲模塊包含一塊FLASH存儲器，主要是用來存儲ARM程序，DSP的程序和系統(tǒng)的一些配置信息。有線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊則包含了一塊局域網(wǎng)控制芯片，通過該網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，視頻采集系統(tǒng)可以通過本地局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)接入到外部Internet網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制中心的有線通訊。為給配合信號機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)控制，系統(tǒng)提供了一個(gè)UART口。

（2）以DSP為中心的交通視頻處理的算法層部分

該部分的主要作用是交通視頻的算法處理，主要包含輸入模塊、算法處理部分和視頻輸出模塊。視頻輸入模塊由一塊視頻解碼芯片和視頻存儲芯片VRAM構(gòu)成，主要作用是把視頻信號（CVBS）經(jīng)過視頻解碼芯片解碼，變換成數(shù)字視頻并存儲到一片圖像存儲器（VRAM）上。算法模塊是本系統(tǒng)最重要的模塊，包含DSP、數(shù)據(jù)存儲器DRAM和一塊用于存儲歷史檢測數(shù)據(jù)的FLASH。其主要作用是進(jìn)行數(shù)字視頻信息并行算法處理，把產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)交通信息按不同用途進(jìn)行解析并上傳或存儲或疊加處置。視頻輸出部分由一片F(xiàn)PGA和視頻編碼芯片構(gòu)成，其作用是把算法模塊產(chǎn)生的當(dāng)前動(dòng)態(tài)交通信息疊加到視頻圖像上，提供給遠(yuǎn)程控制中心。

2 車輛軌跡跟蹤算法

在車輛軌跡跟蹤算法上，南京郵電大學(xué)的李長進(jìn)在目標(biāo)跟蹤方面，用基于顏色直方圖和卡爾曼濾波器的方法來對目標(biāo)車輛進(jìn)行跟蹤[4]。Betser使用“snake”方法為跟蹤目標(biāo)提取車輛的輪廓[5]；Magree D使用光流法進(jìn)行分析[6]，這些方法在交通不擁擠且光線良好的情況比較適用。本系統(tǒng)首先通過快速小渡變換提取圖像的紋理，同時(shí)利用灰度共生矩陣對提取出的紋理進(jìn)行度量與分析。在此基礎(chǔ)上根據(jù)圖像中各部分的紋理差異檢測車輛的存在，并成功剔除陰影的干擾。其次，提出用于圖像處理的卡爾曼濾波的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和觀測矩陣，并利用其對車輛的狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，從而達(dá)到在圖像序列中跟蹤車輛運(yùn)行軌跡的目的。更重要的是，本系統(tǒng)還針對性的采用了分段實(shí)時(shí)處理算法，使得系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前的時(shí)間、天氣等外界情況，啟用不同的算法處理，使得在大霧天、雨雪等惡劣天氣下，也會有比較好的檢測結(jié)果，不同算法的切換可以通過光強(qiáng)探測或天氣預(yù)測等信息進(jìn)行自動(dòng)切換，可以根據(jù)實(shí)際情況對切換條件進(jìn)行編輯，其車輛軌跡跟蹤算法流程圖如圖4所示。本文選擇現(xiàn)場能見度比較低的場合進(jìn)行算法研究。

圖2 車輛軌跡跟蹤算法流程圖

當(dāng)現(xiàn)場能見度比較低的時(shí)候，一般車輛會打開車燈，如果目標(biāo)光源的射束角較小，且適當(dāng)?shù)陌l(fā)射角度和觀測角度不會造成周邊背景的反光或者這種反光不被觀測攝像機(jī)所接收，在這種情況下確定車輛的兩個(gè)車前大燈即可確定車輛這個(gè)目標(biāo)，車輛的兩個(gè)車前大燈滿足下式條件，即兩個(gè)車燈連通域的重心基本在同一條水平線上。

式（1）中Ya，Yb——兩個(gè)臨近連通域重心坐標(biāo)的Y向值；TY——對應(yīng)的閾值。

連通區(qū)域重心的坐標(biāo)是根據(jù)所有屬于該區(qū)域的點(diǎn)計(jì)算出來的，計(jì)算公式如式(2)和(3)所示。

式（2）、（3）中S——連通域的面積，表示屬于連通域的像素個(gè)數(shù)。

定義如下：

二值化后的圖像中不僅包括車燈還有車燈照攝在地面的反光，同時(shí)有的車輛的車燈由于射束角較大，直接照射到攝像機(jī)中形成很大的眩光，不能找到大前燈，這時(shí)候通過如下的二值化后的連通域特征將地面反光濾除掉。為此定義如下兩個(gè)形狀參數(shù)，圓形度F和矩形度K：

式（5）、（6）中，B——燈光連通區(qū)域的邊界長度；

S——連通區(qū)域的面積；

L——連通域外接矩形的寬；

H——外接矩形的高

對于數(shù)字圖像來說，邊界的長度是一種簡單的邊界全局屬性，它是邊界所包圍區(qū)域的輪廓的周長?？紤]的連通域是由內(nèi)部點(diǎn)加邊界點(diǎn)構(gòu)成。該區(qū)域的邊界是由所有邊界點(diǎn)按4方向或8方向連接組成的，區(qū)域的其他點(diǎn)成為區(qū)域的內(nèi)部點(diǎn)。如果邊界長度是按4連通計(jì)算的，則對于正八邊形區(qū)域F取最小，如果邊界長度按8連通計(jì)算，則對正菱形取最小。利用這些區(qū)域特征，通過選取合適的閾值，可以將不是車燈的燈光干擾恰當(dāng)?shù)貫V除掉。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文為選擇現(xiàn)場能見度比較低的場合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過圖像分析提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，從而可實(shí)現(xiàn)下一步的識別和跟蹤。圖3為本文所設(shè)計(jì)一體化視頻車檢器在目標(biāo)光源的射束角較小情形下所攝圖像。在構(gòu)建背景之后，則可以利用二值化獲得的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像如圖4。如圖5為車燈照攝在地面的反光、車輛的車燈射束角較大情形下所攝圖像，圖6為其二值化后而獲得的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像。

圖3 運(yùn)動(dòng)車輛識別前圖像

圖4 運(yùn)動(dòng)車輛二值化后圖像

為進(jìn)一步驗(yàn)證效果，分別選取4個(gè)不同地方，兩種設(shè)備安裝角度進(jìn)行測試，如圖7為夜間高速公路上的車輛檢測效果圖，其中圖7（c）和圖7（d）為大霧天的車輛檢測效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所采用及提出的方法可有效達(dá)到預(yù)期要求。通過應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該算法有廣泛的適用性，并且達(dá)到較高的檢測精度。

從以上算法介紹和實(shí)驗(yàn)中，可知這種檢測方法需要對圖像傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，有效的消除制式攝像機(jī)對原始圖像的矯正，更為準(zhǔn)確的判斷現(xiàn)場情況，合理選擇算法參數(shù)，提高檢測識別的準(zhǔn)確率。

圖5 運(yùn)動(dòng)車輛識別前圖像

圖6 運(yùn)動(dòng)車輛二值化后圖像

4 結(jié)論

本文提出一體化視頻車輛檢測的概念，并進(jìn)行技術(shù)研究，采用一體化設(shè)計(jì)。本文直接將算法軟件嵌入到圖像處理DSP中，提高了系統(tǒng)反應(yīng)和處理的速度。

圖7 車輛檢測效果圖

另外，針對圖像傳感器原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的方法，是更為先進(jìn)的圖像識別算法的內(nèi)在要求，有效的克服了市售制式攝像機(jī)為提升人的感官感受而做的優(yōu)化處理所帶來的判斷誤區(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的一體化視頻車輛檢測系統(tǒng)具有良好的檢測效果，能夠提取道路背景和車輛信息，實(shí)現(xiàn)交通場景中的車輛檢測計(jì)數(shù)，車輛跟蹤、車輛定位等功能，為交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。在減輕交通擁擠、提高行車速度、提高通行效率等方面將會發(fā)揮巨大的作用。

［1］李志軍，許萬里，黃玉蘭.基于達(dá)芬奇技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2011，28（6）：626-639.

［2］DAN X，HU W W，Tan T N et al.A multi-object track?ing system for surveillance video analysis［A］.Proceed?ings of IEEE International Conference on Pattern Recogni?tion［C］，Cambridge，United Kingdom.IEEE，2010：767-770.

［3］Texas Instruments TMS320DM644x DMsoc Video Pro?cessing Back End（VPBE）［M］.SPRUE37A April 2007：43-115.

［4］李長進(jìn).基于達(dá)芬奇平臺的交通視頻檢測系統(tǒng)的研究［D］.南京：南京郵電大學(xué)，2012.

［5］Betser A，Vela P，Tannenbaum A.Automatic tracking of flying vechicles using geodesic and Kalman filtering［A］.43rdIEEE Conference on Decision and Control［C］.Atlantis，Paradise Island，the Bahamas：IEEE，2010：1649-1655.

［6］Magree D.Tracking multiple vehicles using foreground background and motion models［J］.Image and Vision Computing，2009，22（2）：143-155.

Research on Vehicle Track Algorithm Based on the Integration of Video Vehicle Detector

HAO Jian-bao1，F(xiàn)ENG Yang1，SANG Lin2
（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou 510800，China；2.Shenzhen Xinchuang Zhongtian Technology Development Co.，Ltd，Shenzhen518055，China）

Integrated video vehicle detector based on DaVinci technology，has the advantages of compact structure，lower power，faster than video vehicle detector currently in use.In this paper，TMS320DM6446 chip of TI’s DaVinci platform was used as a core.We analyze major modules of hardware system，building an integration hardware system of vehicle video detection.Finally，we select the relatively low visibility situations to algorithm design and experiment，the experimental results show that，the integration of vehicle video detection has good detection results，which can realize vehicle detection and counting，vehicle tracking，vehicle positioning and other functions in traffic scene，and provide reliable data for traffic flow guidance system.

integration；vehicle video detection；trajectory algorithm

TP274+.5

A

1009－9492(2014)09－0019－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.005

郝建豹，男，1978年生，山東莘縣人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：智能交通、自動(dòng)化、嵌入式系統(tǒng)。已發(fā)表論文4篇。 (編輯：阮 毅)

*廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技項(xiàng)目（編號：GG81080131）

2014－03－18