交通車輛違章行為智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

趙成強(qiáng)+王文斌+劉明哲+王宇+李嘉

摘 要：近年來，各類交通安全事故時(shí)有發(fā)生，造成了人民財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，通過對(duì)事故關(guān)鍵問題進(jìn)行技術(shù)分析，發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)交通車輛違章行為監(jiān)控，能夠?yàn)樘岣唏{駛?cè)藛T安全意識(shí)和法律意識(shí)提供有力幫助。因此，加強(qiáng)車輛違章行為智能監(jiān)控，能夠?yàn)榻煌ㄟ`章處罰提供有力證據(jù)，輔助交通安全管理。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；車輛違章行為；智能監(jiān)控

0 前言

當(dāng)前，隨著國(guó)民生活水平的提高，交通車輛也變得越來越多，隨之而來的是交通事故也頻繁發(fā)生，加強(qiáng)交通安全監(jiān)控管理勢(shì)在必行。在現(xiàn)有交通車輛違章行為智能監(jiān)控中，許多監(jiān)控檢測(cè)仍釆用物理檢測(cè)技術(shù)的地下感應(yīng)線圈方法檢測(cè)，地感線圈不僅會(huì)破壞路面，而且還需高成本的長(zhǎng)期維護(hù)。

通過對(duì)現(xiàn)有交通監(jiān)控檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)[1]，幾乎采用的是觸發(fā)抓拍的方式，其原理是通過相關(guān)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)到車輛違章再觸發(fā)進(jìn)行拍照留證，其中采用的檢測(cè)有紅外線檢測(cè)、磁力計(jì)檢測(cè)、感應(yīng)線圈檢測(cè)等，而這些檢測(cè)要么得破壞公路埋線圈，要么得安裝相關(guān)發(fā)射和接收設(shè)備，同時(shí)受環(huán)境影響較大，這大大的提高了成本和影響了效果[2]。因此通過多方調(diào)研論證，優(yōu)劣特點(diǎn)比較析，設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺、計(jì)算機(jī)視覺等相關(guān)高度智能化的交通車輛違章行為監(jiān)控系統(tǒng)，也是當(dāng)前智能交通監(jiān)控發(fā)展的重要方向[3]。

1 基本思路和研究方法

根據(jù)所需監(jiān)控車輛規(guī)章行為內(nèi)容出發(fā)，所需實(shí)現(xiàn)的功能包括對(duì)違規(guī)占用非機(jī)動(dòng)車道、逆向行駛、隨意變更車道、壓線、違法停車、違規(guī)使用遠(yuǎn)光燈等違章行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，需應(yīng)用到機(jī)器視覺、圖像處理和智能視頻分析技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，且在具體交通應(yīng)用場(chǎng)景中還需硬件設(shè)備配合才能完成，其基本研究思路和技術(shù)路線如圖1所示。

2 軟件程序?qū)崿F(xiàn)

針對(duì)所要進(jìn)行的違規(guī)占用非機(jī)動(dòng)車道、逆向行駛、隨意變更車道、壓線、違法停車、違規(guī)使用遠(yuǎn)光燈等違章行為進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，都需通過機(jī)器視覺、圖像處理和智能視頻分析技術(shù)等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行程序編程開發(fā)實(shí)現(xiàn)，對(duì)所監(jiān)控的視頻圖像中出現(xiàn)的違章行為進(jìn)行檢測(cè)分析，判斷是不是違章行為，結(jié)合相關(guān)整個(gè)硬件設(shè)備完成交通車輛違章行為的智能監(jiān)控。

3 硬件設(shè)備系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要通過兩種方式，一是對(duì)現(xiàn)有交通硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)現(xiàn)功能需示進(jìn)行改造，二是針對(duì)項(xiàng)目功能實(shí)現(xiàn)自行研究實(shí)現(xiàn)設(shè)備儀器。于此下面介紹的是自行研究交通車輛違章行為智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備儀器介紹。

系統(tǒng)包括視頻圖像采集設(shè)備、機(jī)器視覺設(shè)備和信息存儲(chǔ)和傳輸設(shè)備。圖像采集設(shè)備與機(jī)器視覺設(shè)備通過數(shù)據(jù)傳輸線相連，機(jī)器視覺設(shè)備通過信號(hào)傳輸設(shè)備以有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)與監(jiān)控中心連接。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2。

4 系統(tǒng)研究重點(diǎn)難點(diǎn)分析

本文所設(shè)計(jì)思路分析，從當(dāng)前研究現(xiàn)狀優(yōu)劣分析，所實(shí)施的對(duì)象車輛日常情況下許多是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，如違規(guī)占用非機(jī)動(dòng)車道、逆向行駛、隨意變更車道、壓線等都涉及到運(yùn)動(dòng)車輛目標(biāo)跟蹤問題，在本文所提監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中由于場(chǎng)景中各種不確定的外界干擾因素，導(dǎo)致目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域仍然有幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有待改進(jìn)和完善[4]。

（1）運(yùn)動(dòng)車輛目標(biāo)檢測(cè)

要想把運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)出來，需要克服各種外界因素的干擾[5]。這些外界因素包括：目標(biāo)和背景同色干擾、光照變化的干擾、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)陰影、遮擋問題以及天氣變化等。一個(gè)好的目標(biāo)檢測(cè)算法必須兼顧到這些外界因素的干擾。如目標(biāo)陰影可能會(huì)誤判為場(chǎng)景中的另一個(gè)目標(biāo)，這時(shí)可以采用對(duì)稱的幀間差分算法來提取目標(biāo)輪廓來濾除陰影的干擾。

（2）車輛間遮擋問題

運(yùn)動(dòng)車輛目標(biāo)跟蹤過程中遮擋是一個(gè)不可遇見的過程。遮擋處理的好壞直接影響跟蹤的效果，特別是車輛進(jìn)行違規(guī)變道時(shí)[6]。一個(gè)魯棒性能好的跟蹤算法應(yīng)該滿足：能夠準(zhǔn)確的判斷目標(biāo)被遮擋；遮擋發(fā)生時(shí)能夠利用剩余的目標(biāo)特征信息和先驗(yàn)知識(shí)識(shí)別目標(biāo)；在完全遮擋的情況下不會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)車輛被跟丟的現(xiàn)象；遮擋結(jié)束后，能夠?qū)崟r(shí)的恢復(fù)跟蹤。

（3）交通場(chǎng)景的復(fù)雜性

因?yàn)榇蠖鄶?shù)視頻監(jiān)控都安裝在繁忙的交通路口，這種場(chǎng)景中，對(duì)象眾多，除了我們要檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)車輛目標(biāo)外，還有行人、小型車輛：摩托車、電動(dòng)車等。而且多個(gè)對(duì)象間又會(huì)出現(xiàn)相互干擾。這時(shí)如何排除行人及小型車輛等不必要的干擾而成功的檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)車輛也是整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤的關(guān)鍵。比如我們可以通過目標(biāo)外界矩形的長(zhǎng)寬比來排除行人和小型車輛。因?yàn)橥ǔＧ闆r下，行人和小型車輛的長(zhǎng)寬比要比一般的普通車輛要大，這時(shí)可以預(yù)先設(shè)置一個(gè)閥值，當(dāng)外接矩形的長(zhǎng)寬比大于這個(gè)閥值時(shí)，就認(rèn)為其為行人或目標(biāo)并將其成功濾除。

5 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)創(chuàng)新點(diǎn)分析

目前，觸發(fā)抓拍式電子眼系統(tǒng)的缺點(diǎn)如：1.檢測(cè)機(jī)動(dòng)車違章行為需安裝的相關(guān)觸發(fā)設(shè)備受環(huán)境影響較大。2.監(jiān)控范圍小效率低。3.硬件成本高。

這些缺點(diǎn)嚴(yán)重的影響對(duì)機(jī)動(dòng)車違章行為監(jiān)控的效果。針對(duì)這些缺點(diǎn)，本文將機(jī)器視覺技術(shù)、圖像處理等技術(shù)與智能交通相結(jié)合，發(fā)揮了機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)時(shí)性好、魯棒性好的特點(diǎn)，克服了觸發(fā)設(shè)備受環(huán)境影響較大的缺點(diǎn)。

通過各種調(diào)研和對(duì)現(xiàn)有交通車輛違章行為監(jiān)控的方式相比，本文所提出的交通車輛違章行為智能監(jiān)控系統(tǒng)至少可總結(jié)有以下三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）監(jiān)控模式上創(chuàng)新，革新了傳統(tǒng)監(jiān)控模式，克服了傳統(tǒng)監(jiān)控模式中所存在的破壞公路埋線圈，抗干擾性干擾性弱等問題，是當(dāng)前城市智能交通的重要分去發(fā)展方向。

（2）監(jiān)控實(shí)現(xiàn)方式和系統(tǒng)軟件開發(fā)靈活創(chuàng)新，根據(jù)監(jiān)控目標(biāo)內(nèi)容和在不同的監(jiān)控場(chǎng)景下，利用不同的監(jiān)控系統(tǒng)。且具體可根據(jù)監(jiān)控目標(biāo)需要，在特殊路段只進(jìn)行應(yīng)急車道等方面單一功能實(shí)現(xiàn)專項(xiàng)監(jiān)控，另一方面，在一些特殊交通路段，也可以實(shí)現(xiàn)多種交通違章行為同時(shí)監(jiān)控。

（3）實(shí)現(xiàn)功能路經(jīng)上創(chuàng)新，在硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，可根據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能不同，監(jiān)控內(nèi)容的復(fù)雜性不同，進(jìn)行相應(yīng)核心設(shè)備開發(fā)。同時(shí)，也可在現(xiàn)在有監(jiān)控設(shè)備條件下進(jìn)行改造，對(duì)能夠適合監(jiān)控視頻內(nèi)容采集、傳輸?shù)脑O(shè)備直接加以利用。能夠降低監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本。

綜上所述，這些優(yōu)勢(shì)都有效的提高監(jiān)控效率并降低了硬件設(shè)備的復(fù)雜度、監(jiān)控系統(tǒng)硬件成本，有利于推廣監(jiān)控系統(tǒng)，增強(qiáng)對(duì)違章行為的監(jiān)控力度。這些都為城市智能交通發(fā)展，交通車輛違章行為監(jiān)控等都有重要的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。

基金項(xiàng)目：2017年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201710616039）

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