基于視頻分析的機(jī)動(dòng)車斑馬線前未禮讓違法行為檢測(cè)系統(tǒng)

周為鋼， 馮 陽， 徐舒暢

(1．杭州市公安局交通警察支隊(duì)科研所，浙江杭州 310012;2．浙江警察學(xué)院基礎(chǔ)部，浙江杭州 310053;3．杭州師范大學(xué)國(guó)際服務(wù)工程學(xué)院，浙江杭州 310036)

0 引言

被稱為城市“安全線”的人行橫道(斑馬線)上，這幾年發(fā)生的交通事故呈急劇上升勢(shì)頭。在行人擁有優(yōu)先通行權(quán)的斑馬線上，常發(fā)生機(jī)動(dòng)車和行人搶車道的現(xiàn)象。因此，斑馬線上的交通事故概率越來越高。以浙江省為例［1］，根據(jù)省公安廳交通管理局統(tǒng)計(jì)，2009年全省因機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)诉`法行為造成事故19519起，其中，未按規(guī)定讓行導(dǎo)致事故死亡865人，排在致死事故原因之首。2010年，全省機(jī)動(dòng)車交通違法行為排在前五位的分別是影響安全行為(開車打電話、注意力不集中、穿高跟鞋等)、未按規(guī)定讓行、超速行駛、無證駕駛和闖紅燈搶道［2］。其中尤以未按規(guī)定讓行(17.21%)、超速行駛(4.62%)等幾類違法行為引發(fā)事故的比例最高［3］。特別是2009年杭州發(fā)生了幾起人行橫道沖撞行人的交通事故(包括胡斌“70碼事故”、保時(shí)捷卡宴愛心斑馬線撞飛行人等)，引發(fā)了全國(guó)人民的關(guān)注。

由于現(xiàn)有的地感線圈等傳統(tǒng)方法無法有效檢測(cè)此類機(jī)動(dòng)車違法行為，人行橫道上的安全問題治理起來困難很多，目前國(guó)內(nèi)還沒這方面的成功經(jīng)驗(yàn)。雖然浙江杭州在斑馬線前禮讓行人的治理工作取得了一定成效，特別是公交車禮讓行人已經(jīng)較為普遍，但更多的私家車主存在僥幸心理，禮讓行為并未普及。本文將介紹基于視頻檢測(cè)的人行橫道未禮讓行人違法行為自動(dòng)抓拍系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)的布控，可全面監(jiān)控機(jī)動(dòng)車不禮讓行為，成為現(xiàn)有非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法系統(tǒng)的重要補(bǔ)充。

1 執(zhí)法依據(jù)

1.1 違法行為界定

根據(jù)交通法規(guī)，機(jī)動(dòng)車在人行橫道上未禮讓行人屬于違法行為。但在具體界定未禮讓行為時(shí)，存在諸多的不確定性。如行人在路邊等候出租車，并未想過馬路時(shí)，機(jī)動(dòng)車可以不禮讓行人;當(dāng)相鄰兩個(gè)車道的機(jī)動(dòng)車并行時(shí)，由于車輛的阻隔，離行人較遠(yuǎn)的機(jī)動(dòng)車駕駛員并未看見行人時(shí)，也不應(yīng)算未禮讓行為。為此，結(jié)合相關(guān)部門解釋，以單個(gè)監(jiān)控方向?yàn)槔?，定義以下3種典型情況為機(jī)動(dòng)車未禮讓行人行為，并基于此進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

其中，圖1(a)中當(dāng)行人在第二個(gè)車道往前走時(shí)，1、2車道上的機(jī)動(dòng)車應(yīng)該停車讓行。圖1(b)中當(dāng)行人跨越圖中綠化帶虛擬延長(zhǎng)線，2、3車道上的機(jī)動(dòng)車要讓行，1車道可通行。當(dāng)行人未跨越綠化帶虛擬延長(zhǎng)線，3車道上的機(jī)動(dòng)車要讓行，1、2車道可通行。圖1(c)中當(dāng)行人未跨越圖中機(jī)非隔離外緣延長(zhǎng)線，1車道上的機(jī)動(dòng)車應(yīng)停車禮讓。在實(shí)際情況中，當(dāng)人行橫道跨越雙向車道時(shí)，未禮讓行人要比圖1所示的更加復(fù)雜，此時(shí)需要在兩個(gè)方向同時(shí)安裝本系統(tǒng)。

圖1 機(jī)動(dòng)車在人行橫道未禮讓行人示意圖

1.2 違法數(shù)據(jù)采集

一旦檢測(cè)到違法行為，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存違法時(shí)的高清照片和高清視頻。作為取證數(shù)據(jù)，照片需要符合國(guó)標(biāo)GA/T 832—2009《道路交通安全違法行為圖像取證技術(shù)規(guī)范》，高清視頻需要反映行人在人行橫道上行走時(shí)機(jī)動(dòng)車并未讓行的整個(gè)過程。為此，系統(tǒng)在檢測(cè)到違法行為時(shí)將保存3張高清圖像，分別記錄機(jī)動(dòng)車在停車線外(圖2a)、機(jī)動(dòng)車通過人行橫道(圖2b)、機(jī)動(dòng)車過了人行橫道時(shí)的情景(圖2c)，以及當(dāng)時(shí)機(jī)動(dòng)車違法時(shí)的短視頻。這3張一組的圖像可準(zhǔn)確描述在行人橫穿人行道時(shí)，機(jī)動(dòng)車沿著與行人正交的方向搶占人行橫道前進(jìn)。而高清視頻則記錄了違法前后20 s(時(shí)間可調(diào))的事件過程。

圖23張取證圖像示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)如圖3所示，主要包括視頻數(shù)據(jù)獲取模塊、違法行為檢測(cè)模塊和違法數(shù)據(jù)傳輸模塊。視頻數(shù)據(jù)獲取模塊由高清相機(jī)、閃光燈等硬件組成，用于獲取路口實(shí)時(shí)視頻流。違法行為檢測(cè)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，以路口實(shí)時(shí)視頻流作為輸入，分析視頻流中的車流方向以及行人運(yùn)動(dòng)方向，并保存違法行為的相關(guān)數(shù)據(jù)。最后通過違法數(shù)據(jù)傳輸模塊(有線或者無線傳輸)將數(shù)據(jù)傳到指定服務(wù)器。

圖3 系統(tǒng)整體框架圖

鑒于取證有效性的限制，高清相機(jī)必須面向車流方向架設(shè)(這與電子警察抓拍不一樣)。相機(jī)視野內(nèi)必須能看清停車線、斑馬線，并在斑馬線后留有部分空間。在高清相機(jī)的選擇上，綜合考慮相機(jī)的取景范圍和整個(gè)系統(tǒng)的成本，針對(duì)取景范圍內(nèi)不同數(shù)目的車道，將選用不同的相機(jī)。為了保證晚上的效果，還要加裝配有光閥的，能自動(dòng)與相機(jī)同步的閃光燈。檢測(cè)器采用嵌入式工業(yè)控制器，它對(duì)輸入的視頻進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)判斷視頻中的機(jī)動(dòng)車是否存在違法行為。考慮到檢測(cè)器需要實(shí)時(shí)處理路口視頻流，并最終安置在路口，因此必須具有較強(qiáng)處理能力，能在寬溫條件下穩(wěn)定工作。而且具有看門狗功能，能在死機(jī)后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重啟，實(shí)現(xiàn)不間斷運(yùn)行。

2.2 核心算法設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的核心軟件安裝在圖3所示的檢測(cè)器中，涉及的核心算法主要包括兩部分:車輛的實(shí)時(shí)檢測(cè)與跟蹤、行人的實(shí)時(shí)檢測(cè)與跟蹤。由于系統(tǒng)直接以高清視頻數(shù)據(jù)作為輸入，數(shù)據(jù)量較大，幀率較低，而且白天和晚上的亮度差異很大。這種情況下，傳統(tǒng)基于目標(biāo)移動(dòng)連續(xù)性，且假設(shè)相鄰幀之間目標(biāo)移動(dòng)范圍在一定鄰域內(nèi)的算法，例如基于灰度跟蹤、Mean-Shift跟蹤、基于 KLT 跟蹤等［4－7］無法得到理想的效果。系統(tǒng)采用車牌檢測(cè)與特征匹配相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了車輛的實(shí)時(shí)跟蹤。而對(duì)于非剛體的行人，系統(tǒng)則采用了高斯混合模型(GMM:Gaussian Mixture Model)和BRIEF(Binary Robust Independent Elementary Features)特征［8］相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了行人及行進(jìn)方向的檢測(cè)。

3 實(shí)施案例

目前，我們已經(jīng)與杭州新迪數(shù)字工程系統(tǒng)有限公司合作，完成了基于視頻的機(jī)動(dòng)車未禮讓行人檢測(cè)系統(tǒng)研制，并在杭州某路口實(shí)際運(yùn)行測(cè)試。圖4所示為系統(tǒng)獲得的違法行為抓拍案例(鑒于個(gè)人隱私，未對(duì)圖中車輛的車牌進(jìn)行特寫處理)。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的地感線圈方式無法檢測(cè)機(jī)動(dòng)車人行橫道未讓行人的違法行為，而直接利用警力上街擇機(jī)拍照取證?；谌肆Χ讲齑祟愡`法行為非常耗時(shí)，效率低下，本文提出的基于視頻檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)機(jī)動(dòng)車人行橫道未讓行人的行為進(jìn)行抓拍取證，無需人力支持，安裝方便，無需破壞路面，是一種新型的非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法系統(tǒng)。實(shí)際路口實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能全天候有效檢測(cè)機(jī)動(dòng)車未禮讓行人的違法行為，具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。

圖4 違法行為案例圖

［1］法律快車．2009年浙江交通事故死亡5689人［EB/OL］．［2012 －01 －16］．http:∥www．lawtime．cn/info/jiaotong/jtnews/2010073040242．html．

［2］中國(guó)交通技術(shù)網(wǎng)．浙江2010道路交通安全事故統(tǒng)計(jì)與分析［EB/OL］．［2012－01－16］．http:∥www．tranbbs．com/Techarticle/TInformation/Techarticle_77835．shtml．

［3］徐波．“2010年浙江省文明出行”權(quán)威信息發(fā)布［EB/OL］．［2012 －01 － 16］．http:∥n．cztv．com/society/2011/01/2011－01－21579934．htm．

［4］Bascle B，Deriche R．Region tracking through image sequences［C］∥In Proceedings of Fifth International Conference on Computer Vision，1995:302－307．

［5］Comaniciu D，Ramesh V，Meer P．Real-time tracking of non-rigid objects using mean shift［C］∥In Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition，2000:142－149．

［6］Baker S，Matthews L．Lucas-kanade 20 years on:a unifying framework［J］．International Journal of Computer Vision，2004，56(3):221－255．

［7］Comaniciu D，Meer P．Kernel-based object tracking［J］．IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2003，25(5):564 －577．

［8］Calonder M，Lepetit V，Strecha C，et al．BRIEF:binary robust independent elementary features［C］∥In Proceedings of European Conference on Computer Vision，Vol．6314，2010．