基于视频序列的交通检测系统

陈艳，付洋

（长安大学 信息工程学院，陕西 西安 710064）

近年来，随着世界经济的快速发展，交通负荷的急剧增长，随之而来的道路拥挤严重、交通事故频发等问题已经逐步成为制约各国交通发展的主要因素。因此，为了改善当今世界的交通状况，尽量挖掘现有交通设施潜能，使其发挥出最大的效能，各国都加大了对智能交通系统的研发和建设力度。作为智能交通重要方面的交通参数与交通事件智能检测系统近年来取得了长足的发展。

目前国内外普遍采用的交通检测方法有人工监控、环形线圈检测、超声波雷达检测[1]、红外线检测[2]和视频序列检测[3-11]等几大类。环形线圈检测方法工作稳定，检测精度较高，但是在施工和安装中有许多不便之处，不易于维护和调节移动；超声波雷达检测方法主要运用于车速检测，对车速检测精确，但是检测面比较狭隘，不能满足人们对道路交通状况的信息量要求；红外线检测方法装置一般体积小、质量轻，原理简单，安装调试简单，灵敏度高，但是容易受到车辆自身热源的影响，从而降低检测精度和灵敏度。相比于其他检测方法，基于视频的道路交通检测方法具有如下特点：

1）设备安装简单、施工无需阻断交通损毁路面、易于维护、能够轻松实现视频输入切换从而改变检测区域和检测范围；

2）清晰直观、信息量大、易于人工干预、易于对整个道路交通状况进行宽口径大容量的综合检测；

3）系统实时性强，能够对各种交通状况实施快速响应；

4）系统性价比高，使用寿命长，发展前景好，推广面积大。

1 系统结构与功能

1.1 系统总体架构

基于视频序列的交通检测系统主要由交通参数与事件检测器和视频分析识别终端软件构成。此系统构成图如图1所示。视频交通参数与事件检测器是此系统硬件研制的核心部分。它的所有检测模块都在检测器中的DSP内核中被调度执行。检测器是对输入的模拟信号进行数字解码和图像分析处理，并将交通参数（车流量、车速和车道占有率等）和交通事件（车辆停驶、抛落物和行人等）的分析结果通过网络上传给视频分析识别终端和其他需要该信息的计算机。视频分析识别终端负责视频交通参数与事件检测器内各单板卡的配置、管理和监控，收集来自检测器的交通事件、交通测量数据以及视频序列等信息；存储交通参数与事件和视频信息等数据，提供功能丰富的用户图形界面，方便用户进行查询、检索以及管理交通参数与交通事件。

图1 基于视频序列的交通检测系统结构图Fig.1 Structure diagram of traffic detection system based on video sequences

视频交通参数和事件检测器的设计分为硬件设计和软件设计两部分。硬件设计包括检测器电路板设计、各硬件芯片驱动程序设计等。软件设计包括操作系统设计、系统应用层软件设计和视频识别终端软件设计。其中视频识别终端软件主要包括PC上位机参数设置软件、基于C/S架构的PC数据管理服务器软件和PC客户端软件。系统各部分采用TCP/IP网络传输协议以消息传递的方式进行通信。

1.2 系统功能

本系统开发的视频交通参数和交通事件检测系统主要用于高速公路和城市快车道监控，具有交通参数检测、交通事件检测报警和交通状况分级等功能。

具体包括：

1）交通参数检测：车流量，车速，道路占用率，车头时距，车型类别；

2）交通事件检测及报警：车辆停驶、车辆逆行、抛落物、行人、慢行车辆检测和交通拥堵等；

3）交通状况自动分级，包括畅通、饱和、排队3类；

4）自诊断功能：信号丢失，设备故障等；

5）异常事件录像；

6）远程系统参数配置功能等。

2 系统模块设计

系统模块设计包括DSP应用层程序模块和PC上位机软件设计。DSP应用层程序主要包括视频图像采集与预处理和交通参数与交通事件检测功能模块。PC上位机软件设计主要包括背景提取、车道参数设置和检测区域划分等系统参数的设置与下发和检测结果显示等功能。

2.1 图像采集与预处理

在本系统中视频前端信号为模拟信号，而DSP检测系统输入为数字信号，因此利用视频采集系统将已有的模拟信号转换为数字信号。检测系统的图像采集部分由视频解码芯片（SAA7113）和DSP视频处理前端（VPFE）组成，所采集的图像经过DSP内核，存放在图像缓存区中（DDR2）。

在系统中检测算法处理的是一场图像的灰度信息，即像素为720×288的图像。在图像预处理的过程中，通过配置CCDC的图像筛选寄存器和图像存储行偏移寄存器来实现对采集到的每一帧图像做一次剪裁，保留一场数据，并按顺序将图像存放到指定的缓存列表中。

2.2 交通参数与交通事件检测

交通参数检测包括瞬时交通参数和周期参数两部分，其中瞬时交通参数包含车流量、车辆速度、车型和当前车辆道路占有率等，周期参数包括周期时间内车流总数、平均车速和车头时距等。交通事件检测包括停车、车辆逆行、行人和车辆饱和、排队等。根据交通事件中的交通状况检测结果可以实现交通状况自动分级功能。系统中交通参数与交通事件检测在逻辑上是并行检测的，但在程序安排上两者同时处于VPFE线程，因此检测算法将被串行调度执行。交通参数及事件检测流程图如图2所示。

图2 交通参数及交通事件检测流程图Fig.2 Flow chart of traffic parameters and traffic incident detect

其中基于视频序列的交通参数检测是对视频序列进行分析理解，寻找被检测目标，当目标进入检测区域后触发车辆计数算法，然后进一步进行车辆跟踪算法，从而得到车辆速度、车辆道路占有率、车辆通过检测区域的帧数等参数信息。交通事件检测主要负责对行人、停车等非正常的道路交通目标和道路饱和、拥堵等特殊交通状况进行检测，并进行有效预警，以便交通管理部门及时决策，维护道路交通秩序。

2.3 PC上位机软件设计

基于视频序列的交通参数与交通事件检测系统的PC上位机软件用于完成场景参数设置与下发、检测结果显示等功能，主要由可视化的图像显示功能和参数设置功能组成。其中图像显示功能包括视频序列原始灰度图像显示、背景信息显示以及一些中间过程图像显示，参数设置功能主要完成背景提取、车道参数设置、检测区域划分等与检测算法相关的其他参数设置和参数下发功能。

系统中多个算法模块用到车道背景信息，因此提取视频图像的背景信息变得尤其重要，所以在PC上位机软件设计中设置了估计背景功能。本文中是通过带有滤波器的统计法提取初始视频序列背景，然后利用面积中值法进行改进。

3 实验结果

文中所述的上位机软件兼有客户端功能，在系统运行以后能够接收DSP目板发来的实时视频信息、视频图像二值化信息等图片信息，同时还能接收处理器处理结果信息，如当前流量、车速和车型信息，并将它们显示在相应的窗口。其运行效果如图3所示。

图3 上位机运行界面图Fig.3 Effect chart of the PCrun

如果检测器检测到交通事件，将会向PC上位机发送一个事件消息，上位机在接收到此消息之后自动弹出报警对话框，显示当前交通事件现场图片和事件类型等相关信息，同时PC上位机软件会发出交通事件报警声。PC上位机事件报警效果如图4所示。从图4中可以看出，报警界面除了现场画面以外还有视频序列对应的相机号、事件类型及事件发生车道等相关信息。

图4 上位机事件报警界面Fig.4 Interface chart of the PCevent alarm

4 结束语

设计实现了一种以DSP嵌入式系统为处理平台的视频交通检测系统，系统硬件设计采用板卡式结构，使每个板卡成为一个独立的检测器，实现对多路视频信号的检测，完成了对车流量、车速、行人、抛落物和停车等交通参数与交通事件的检测，实现了对现场背景估计和场景参数设置。视频交通事件与交通参数检测系统的研发成功，能够提高国内道路监控部门的管理水平和突发事件预警及处置能力，节约管理成本，降低监控人员的劳动强度。

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