基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的施工現(xiàn)場(chǎng)車輛監(jiān)管技術(shù)研究

劉云波　黃華

摘要：針對(duì)大型施工工地對(duì)車輛統(tǒng)計(jì)和監(jiān)控的需求，提出一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的施工現(xiàn)場(chǎng)車輛監(jiān)管方法。首先采用高斯背景建模方法得到高精度的監(jiān)管區(qū)域背景；然后運(yùn)用背景差分結(jié)合二值化方法實(shí)時(shí)提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，再根據(jù)車輛尺寸和形狀特征識(shí)別車輛運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并通過(guò)尺寸和形狀濾波等方法對(duì)車輛進(jìn)行分類，識(shí)別出工程大車和小型機(jī)動(dòng)車；另外，對(duì)車輛速度進(jìn)行了基于視覺(jué)的虛擬檢測(cè)線法估計(jì)，當(dāng)有車超速的時(shí)候予以抓拍和警告，即在路中心位置平行設(shè)置兩條虛擬檢測(cè)線，當(dāng)車輛通過(guò)其間時(shí)，對(duì)車輛測(cè)量速度和數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法基本達(dá)到了大型工地現(xiàn)場(chǎng)對(duì)車輛監(jiān)管的需求。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)視覺(jué)；車輛檢測(cè)；車速估計(jì)

中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）04-0161-04

Abstract： Aiming at statistics and monitoring the situation for vehicles in the large-scale construction site，this paper proposes a method of monitoring vehicles in the construction site based on computer vision. First， we use Gaussian background modeling to get a high-precision initial background image of the regulatory region. Second， using background subtraction method combines binary to extract real-time moving target， and then to find the vehicle moving target from all the moving targets based on the size and shape characteristics of the vehicle， and filtering the vehicles into big trucks and small carts by size， shape filtering and other methods. Meanwhile， we estimate the speed of the vehicle through virtual detection line method based on computer vision， and the system will issue a warning and capturing when a car speeding. Finally， two horizontal virtual test lines set in the middle of the road. When the vehicle passing through the virtual test lines， the system statistics the number of vehicles and estimated the vehicles speed. Experimental results demonstrate that this method can basically meet the requirements of vehicle supervision of large construction site.

Key words： computer vision； vehicle detection； speed ??estimate

在大型工地施工現(xiàn)場(chǎng)中出入的施工及其他車輛數(shù)目眾多，施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)車輛的管理直接關(guān)系到施工現(xiàn)場(chǎng)秩序和安全，比如在施工現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)入的車輛數(shù)目不加以控制會(huì)造成施工工地內(nèi)部擁堵，施工現(xiàn)場(chǎng)有過(guò)多非施工車輛進(jìn)入也會(huì)造成一定混亂，諸如此類問(wèn)題都需要通過(guò)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)車輛合理監(jiān)管來(lái)解決。然而，現(xiàn)有的施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)車輛的監(jiān)管還大多依賴于人力，如記錄進(jìn)出的車輛數(shù)、車輛種類、車輛是否超速等，這些監(jiān)管任務(wù)目前大都是依靠值班人員人工進(jìn)行監(jiān)管，這樣不僅耗費(fèi)人力物力也存在很多安全隱患問(wèn)題。針對(duì)大型工地現(xiàn)場(chǎng)對(duì)車輛自動(dòng)高效監(jiān)管需求，該文提出一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的施工現(xiàn)場(chǎng)車輛監(jiān)管方法，能夠智能的對(duì)進(jìn)出施工工地的車輛進(jìn)行監(jiān)管，包括對(duì)進(jìn)出車輛數(shù)量的統(tǒng)計(jì)、車輛類型的區(qū)分、車速的估計(jì)和超速抓拍警告等等。

1 基于視覺(jué)的大型工地現(xiàn)場(chǎng)車輛自動(dòng)監(jiān)管總體方案設(shè)計(jì)

1.1 需求及其分析

在大型施工工地，由于出入現(xiàn)場(chǎng)的車輛繁多，所以需要對(duì)進(jìn)出施工現(xiàn)場(chǎng)的車輛進(jìn)行監(jiān)管。監(jiān)管的需求主要是兩個(gè)部分，一個(gè)部分是對(duì)出入的車輛數(shù)目進(jìn)行監(jiān)控，即對(duì)進(jìn)出的車輛數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并且將大型工程車與小型機(jī)動(dòng)車分類計(jì)數(shù)；另一個(gè)部分就是要控制施工現(xiàn)場(chǎng)車輛的速度，因?yàn)樵谑┕がF(xiàn)場(chǎng)的車速是嚴(yán)格限制的，因此，要對(duì)出入施工現(xiàn)場(chǎng)車輛速度進(jìn)行測(cè)量，并當(dāng)車輛出現(xiàn)超速行為時(shí)對(duì)其給予警告和抓拍。

1.2總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述大型工地自動(dòng)高效監(jiān)管車輛需求，首先采用高斯背景建模方法得到高精度的監(jiān)管區(qū)域背景，然后運(yùn)用背景差分結(jié)合二值化方法實(shí)時(shí)提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，再根據(jù)車輛的尺寸和形狀特征識(shí)別車輛運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并通過(guò)尺寸和形狀濾波等方法對(duì)車輛進(jìn)行分類，識(shí)別出工程大車和小型機(jī)動(dòng)車。另外，對(duì)車輛速度進(jìn)行了基于視覺(jué)的虛擬檢測(cè)線法估計(jì)，當(dāng)有車超速的時(shí)候予以抓拍和警告，即在路中心位置平行設(shè)置兩條檢測(cè)線，當(dāng)車輛通過(guò)其間時(shí)，對(duì)車輛的數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并測(cè)量其速度。

2 車輛目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)與監(jiān)管研究

2.1車輛目標(biāo)檢測(cè)算法研究

對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)車輛進(jìn)行基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的監(jiān)管，首先要獲取車輛目標(biāo)，即在攝像頭所獲取的圖像序列中實(shí)時(shí)地提取出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并判斷其是否為車輛目標(biāo)，然后才能更好地進(jìn)行后續(xù)處理和監(jiān)控。在施工現(xiàn)場(chǎng)的安裝的固定攝像頭監(jiān)管范圍內(nèi)獲得場(chǎng)景中背景相對(duì)位置基本保持不變，則背景圖像的大小和位置在不同幀中將保持不變，同時(shí)背景圖像在視頻序列中變化不大，于是可以考慮使用背景差分法[1-2]即利用當(dāng)前幀與當(dāng)前背景圖像相減提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

背景差法準(zhǔn)確檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)前景的關(guān)鍵在于背景圖像是否準(zhǔn)確，如果背景圖像較為準(zhǔn)確，那么背景差法的精度就較高，因此在系統(tǒng)正式開(kāi)始檢測(cè)前，首先要得到一張精度較高的初始背景?？紤]到高斯背景建模方法獲取背景的方法精度較高，首先使用該方法獲取第一張初始背景。

為了減少圖像中冗余信息的干擾，減小計(jì)算量，首先將獲得攝像機(jī)圖片做灰度化處理，這樣每個(gè)像素點(diǎn)處圖片的信息即為其灰度值一個(gè)值，大大提高了效率。對(duì)于一個(gè)固定的場(chǎng)景，光照變化較為緩慢，可以認(rèn)為場(chǎng)景中各個(gè)像素的灰度值是符合一個(gè)隨機(jī)概率分布的。高斯分布是以某一均值為基線， 在其附近有不超過(guò)一定偏差的隨機(jī)振蕩[4]。對(duì)場(chǎng)景中每個(gè)像素點(diǎn)建立高斯模型， 對(duì)依次進(jìn)入的幀進(jìn)行高斯模型的擬合來(lái)提取背景圖像。即對(duì)每一個(gè)像素利用高斯模板建模， 每一像素點(diǎn)都認(rèn)為服從均值為μ和標(biāo)準(zhǔn)方差為σ的分布， 且每一點(diǎn)的高斯分布是獨(dú)立的[5]。將背景中的每個(gè)像素按照高斯分布模型建模， 通過(guò)一段時(shí)間的訓(xùn)練獲得其參數(shù)并不斷更新其分布參數(shù)， 據(jù)此來(lái)獲取初始背景。

如此得到的二值圖像，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)體現(xiàn)在二值圖上為一塊塊白色區(qū)域，這些區(qū)域就為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)潛在區(qū)域，其中可能存在車輛目標(biāo)。然而由于噪聲的影響，白色區(qū)域也有可能是噪聲點(diǎn)造成的，因此還要對(duì)得到的二值圖像進(jìn)行一些處理，首先對(duì)其進(jìn)行3×3窗口的中值濾波[8]消除椒鹽噪聲，然后對(duì)其進(jìn)行先腐蝕再膨脹的處理以得到更完整的前景運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。經(jīng)過(guò)上述步驟得到的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二值圖像如圖2中（b）的大型白色前景塊所示，圖2中（a）為當(dāng)前幀圖像。得到二值化前景后，再對(duì)它進(jìn)行輪廓搜索并且進(jìn)行尺寸濾波濾除尺寸太小不可能為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的前景輪廓[9]，找出初步確定的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在前景二值圖中的輪廓，并劃出它的外接矩形，圖2（c）為找到的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)及劃出其外接矩形表示。

2.2車輛分類識(shí)別和數(shù)目統(tǒng)計(jì)算法研究

得到的前景目標(biāo)輪廓即為含有車輛目標(biāo)的潛在區(qū)域，對(duì)這些前景目標(biāo)進(jìn)行一些處理以便找到其中車輛目標(biāo)。為了更好地確定前景輪廓中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置和大小，該文用其外接矩形框來(lái)示意運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置和大小。

對(duì)當(dāng)前所有前景目標(biāo)輪廓的外接矩形框進(jìn)行搜索，在其外接矩形框范圍內(nèi)檢測(cè)其面積大小、前景區(qū)域與矩形框區(qū)域面積比例、橫向距離、縱向距離、豎直積分投影圖特性。因?yàn)檫M(jìn)出施工現(xiàn)場(chǎng)的基本上只有行人和車輛兩種目標(biāo)，如圖3所示，其中（a）和（b）是車輛目標(biāo)而（c）是人目標(biāo)，可以很明顯地看出其中車輛目標(biāo)的橫向和縱向距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人，同時(shí)車輛目標(biāo)外接矩形的面積也遠(yuǎn)大于人外接矩形的面積，但是如果出現(xiàn)同時(shí)好幾個(gè)人距離很近的一起行走會(huì)造成目標(biāo)粘連，也就是可能幾個(gè)行人會(huì)被認(rèn)為是一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，即幾個(gè)行人會(huì)被算作一個(gè)目標(biāo)框在一個(gè)矩形框中，此時(shí)該框的橫向距離、縱向距離和總面積都比較大，可能會(huì)被誤判做車輛目標(biāo)，所以這里還要進(jìn)行再判斷。

由于車輛目標(biāo)較為方正的形狀，分布較為集中，而幾個(gè)人并排走導(dǎo)致的粘連目標(biāo)在其外接矩形中是有較大空隙的，分布較為松散。我們用離散度來(lái)表征運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輪廓的聚散程度，車輛輪廓由于較為集中其離散度是小于行人目標(biāo)粘連輪廓離散度的。根據(jù)目標(biāo)前輪廓離散度是否達(dá)到閾值來(lái)判定是否為車。同時(shí)由于人的身體的特殊特征，可以發(fā)現(xiàn)行人目標(biāo)的豎直積分投影圖中有許多的波峰波谷，然而車目標(biāo)的豎直積分投影圖則較為平坦，所以再根據(jù)目標(biāo)的豎直積分投影圖的波峰波谷特征來(lái)附加判斷該目標(biāo)是車輛還是人。

判定目標(biāo)為車輛之后，再根據(jù)其面積、其中前景點(diǎn)數(shù)、離散度來(lái)判斷其是工程大車還是小型機(jī)動(dòng)車。小型機(jī)動(dòng)車面積較小、其中前景點(diǎn)數(shù)也較少且形狀較為規(guī)則近似方形，即離散程度較小。而出入施工現(xiàn)場(chǎng)的工程車都多為大型車，如圖3中所示，（a）為小型機(jī)動(dòng)車，（b）為工程大車，與小型機(jī)動(dòng)車相比工程大車其不僅面積較大、其中前景點(diǎn)數(shù)較多，且因?yàn)楣こ誊囀求w積較大的重型卡車、水泥攪拌車或者是有吊臂等施工器材的施工車輛，導(dǎo)致其形狀不規(guī)則有凹凸和空洞，那么其在圖像中成像前景的離散程度也就大。得到車輛目標(biāo)及其外接矩形后，根據(jù)上述依據(jù)判斷出車輛的類型，為工程大車還是小型機(jī)動(dòng)車。

對(duì)捕捉到的車輛目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并且在車輛目標(biāo)第一次出現(xiàn)時(shí)建立其屬性列表，包括其行進(jìn)方向、面積大小、車輛類型、初始位置等等信息，并在后續(xù)跟蹤過(guò)程中將屬性列表傳遞和完善，其中很重要的一點(diǎn)是根據(jù)其當(dāng)前位置與初始位置的坐標(biāo)關(guān)系來(lái)分析其行進(jìn)方向是進(jìn)入還是出去，并進(jìn)入其屬性列表中。在固定攝像機(jī)視場(chǎng)正對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)出入口得到的攝像機(jī)圖像靠近中間部分劃取兩條平行的水平檢測(cè)虛擬線用以計(jì)數(shù)，當(dāng)非重檢車輛目標(biāo)外接矩形的中心到達(dá)兩條檢測(cè)線中間時(shí)對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，并根據(jù)其屬性列表中方向信息來(lái)區(qū)分其計(jì)入進(jìn)入車輛數(shù)還是出去車輛數(shù)，并將數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)日志中，實(shí)時(shí)顯示。

2.3車輛速度測(cè)量算法研究

在施工現(xiàn)場(chǎng)車輛的速度是被限制的，一般不能超過(guò)20-30km/h，速度過(guò)快會(huì)造成許多安全隱患，在施工現(xiàn)場(chǎng)是不被允許的。在視頻監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)車輛數(shù)目的同時(shí)，也可以通過(guò)得到的視頻初步估計(jì)車輛的速度，以監(jiān)控車輛的速度。

由于路面的顏色是幾乎單一的，呈現(xiàn)一種暗灰色，為路面的像素點(diǎn)的灰度值之間相差很小，當(dāng)檢測(cè)線上的像素均為路面元素時(shí)，整條檢測(cè)線的像素灰度值方差是很小的，然而有車輛通過(guò)時(shí)由于車輛的橫向距離較大且與地面灰度值存在較大差異，所以檢測(cè)線上像素中除了路面元素還有許多車輛元素，其灰度值方差將會(huì)明顯增大。這樣我們可以考察兩條檢測(cè)線上像素灰度值的方差大小，當(dāng)其灰度值方差大于設(shè)定經(jīng)驗(yàn)閾值時(shí)認(rèn)為有車輛到達(dá)檢測(cè)線，計(jì)算其時(shí)間差，使用前述實(shí)際測(cè)得的兩條檢測(cè)線間距離除以該時(shí)間差，得到車輛的速度值。當(dāng)車輛速度值超過(guò)規(guī)定速度時(shí)，系統(tǒng)保存車輛圖片，并實(shí)時(shí)顯示在前端屏幕予以警告。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍的一段視頻來(lái)檢測(cè)本文算法，結(jié)果如表1所示。

該文算法的檢測(cè)正確率達(dá)到百分之88%以上，該方法可以達(dá)到檢測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)出入車輛數(shù)目情況的目的，并且算法簡(jiǎn)單有效，尤其針對(duì)單個(gè)通過(guò)的大型工程車和較為規(guī)則的小型機(jī)動(dòng)車有良好的檢測(cè)效果。但與此同時(shí)，在表格中可以發(fā)現(xiàn)小型機(jī)動(dòng)車有時(shí)會(huì)多檢，是由于實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)中有一些騎著三輪車的人與小型機(jī)動(dòng)車在大小和形狀上難以區(qū)分，使得騎著三輪車的人被誤檢做小型機(jī)動(dòng)車；還有些時(shí)候是由于路面有水而車輛軋過(guò)的車轍眾多導(dǎo)致前景出現(xiàn)大量干擾造成誤檢測(cè)，這還有待以后深入研究和解決。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的施工現(xiàn)場(chǎng)車輛監(jiān)管方法，可以比較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)車輛運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤以及其數(shù)量及速度的檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)。從整體效果來(lái)看，基本滿足應(yīng)用要求。

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