數(shù)字圖像處理的混合交叉路口安全預(yù)警系統(tǒng)簡述

邱皓楠

摘要本安全預(yù)警系統(tǒng)針對(duì)生活中混合交叉路口頻發(fā)交通事故這一問題，提出一種基于圖像處理的簡單可靠的智能安全的解決方案。系統(tǒng)利用圖像處理中運(yùn)動(dòng)偵測(cè)技術(shù)，并設(shè)計(jì)一系列有效圖像分析方法，能夠在潛在事故發(fā)生前為行人車輛提供提醒，保障了行人及車輛的出行安全。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，本系統(tǒng)能夠有效快速地作出正確響應(yīng)。

關(guān)鍵詞數(shù)字圖像；安全預(yù)警系統(tǒng)

人車混合交叉路口多出現(xiàn)于各類小區(qū)或校園與城市主要道路的交接處，幾乎所有小區(qū)及校園都有這種交叉路口。其中小區(qū)或者校園道路相對(duì)于城市主干道而言一般較為狹窄，主要用作行人出行使用。而與這些狹窄道路相交的城市主干道，則來往車輛較多，并且車速較快。

城市主干道作為重要的小區(qū)居民或者學(xué)生出入的道路，往往人流量大，車輛出入頻繁。這種混合交叉路口在給人們的出行帶來方便的同時(shí)，也對(duì)行人的生命安全帶來了很大威脅。我們經(jīng)常能看到相關(guān)的交叉事故報(bào)道，這類事故的發(fā)生一方面是由于行人或者司機(jī)的疏忽大意，雖然我國的交叉法明確要求機(jī)車在通過小區(qū)及城市主干道的混合交叉路口應(yīng)當(dāng)減速慢行，并且注意觀察過往行人，但因?yàn)榇蟛糠炙緳C(jī)安全意識(shí)淡薄，并沒有在實(shí)際駕駛中完全遵守這些規(guī)定。另一方面則是因?yàn)檫@種混合交叉路口缺少必要的安全預(yù)警裝置。有些混合交叉路口雖然設(shè)有安全警示牌，但這對(duì)于行人而言，警示效果并不明顯，很多行人甚至并沒有注意到這些交叉警示牌。為了解決混合交叉路口事故頻發(fā)的問題，提高這類路口出行的安全性，我們?cè)O(shè)計(jì)了這種混合交叉路口的安全預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過不斷檢測(cè)過往車輛及行人的動(dòng)態(tài)變化，并對(duì)這些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，能夠?qū)β房谶^往行人車輛提供科學(xué)有效的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)提示，幫助人們規(guī)避這類路口發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。

1設(shè)計(jì)原理

我們的安全預(yù)警系統(tǒng)基于數(shù)字圖像處理中的移動(dòng)物體檢測(cè)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)通過在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行幀抽取，并對(duì)幀圖像進(jìn)行物體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)及運(yùn)動(dòng)情形分析，掌握在有效范圍內(nèi)的合適大小物體（在本系統(tǒng)中即指行人及車輛大?。┑南嚓P(guān)運(yùn)動(dòng)信息。這種技術(shù)又稱為移動(dòng)偵測(cè)技術(shù)。圖1給出了移動(dòng)偵測(cè)技術(shù)的基本原理。

為了檢測(cè)到視頻幀中存在的移動(dòng)物體，技術(shù)人員采用背景減除法，時(shí)間差分法等方法。由于背景減除法對(duì)光照敏感，不適合在復(fù)雜交叉路口使用。我們采用時(shí)間差分法來檢測(cè)到移動(dòng)物體。時(shí)間差分法的主要思想就是利用上一幀來減去下一幀，來判斷是否有移動(dòng)的物體，前一幀與后一幀數(shù)據(jù)都是一個(gè)橢圓，對(duì)比前后兩幀圖像，我們可以知道，圖像中的橢圓其實(shí)是在運(yùn)動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)方向向左。通過對(duì)兩幀圖像的作差，即后一幀減去前一幀，對(duì)應(yīng)位置像素相減，我們可以得到相減后的結(jié)果，如第三幀圖所示。從作差的結(jié)果中我們只能發(fā)現(xiàn)兩幀圖像存在差別，即可以獲知圖像中的運(yùn)動(dòng)發(fā)生了移動(dòng)，但并不能獲取物體的運(yùn)動(dòng)方向。但是我們將相減的結(jié)果與前一幀或者后一幀進(jìn)行對(duì)比，這樣我們就可以獲知圖像中運(yùn)動(dòng)物體的移動(dòng)方向。這就是時(shí)間差分法的基本工作原理。

我們的系統(tǒng)采用時(shí)間差分法，除了實(shí)時(shí)的差分運(yùn)算外，還會(huì)對(duì)物體的大小進(jìn)行估計(jì)。即在兩幀相減的結(jié)果處理中我們加入相減結(jié)果大小的計(jì)算，并在實(shí)際操作中設(shè)置閥值，選擇出圖像中的行人及車輛。

在我們的路口安全預(yù)警系統(tǒng)中，我們會(huì)在交叉路口處設(shè)置2個(gè)監(jiān)控探頭，分別用于監(jiān)測(cè)城市主干道及小區(qū)出入口道路的交叉狀況，并且會(huì)針對(duì)不同路口情景設(shè)置實(shí)際檢測(cè)的閥值，以使最終檢測(cè)的結(jié)果達(dá)到最佳。

2系統(tǒng)構(gòu)成

本安全預(yù)警系統(tǒng)由4個(gè)模塊組成，實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)模塊，圖像數(shù)據(jù)分析模塊，預(yù)警信息顯示模塊及網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)。視頻監(jiān)測(cè)模塊由2個(gè)支持紅外夜視功能的數(shù)字監(jiān)控?cái)z像頭構(gòu)成，這2個(gè)數(shù)字?jǐn)z像頭被放置于混合交叉路口處，分別負(fù)責(zé)采集不同路口的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)，選取的探頭的分辨率為720P，焦距為12mm。這2個(gè)監(jiān)控探頭通過路由器與高性能處理器相連接，視頻流通過局域網(wǎng)被輸入給動(dòng)態(tài)偵測(cè)算法。高性能處理器從視頻流中抽取關(guān)鍵幀，并對(duì)這些幀進(jìn)一步處理，生成圖像中行人及車輛動(dòng)態(tài)信息，這些信息包括是否存在移動(dòng)行人（以及其對(duì)應(yīng)的速度和方向），是否存在運(yùn)動(dòng)車輛。

我們選用的高性能處理器是最新版的第三代樹莓派B型開發(fā)板，即Raspberry Pi 3 Model B，如下圖所示。

該處理器以Linux作為其操作系統(tǒng)，便于開發(fā)和維護(hù)，并且第三代開發(fā)板性能得到很大提升。它的相關(guān)參數(shù)如下：

BCM2837

64位的1.2GHz四核ARM Cortex-A53

1GB內(nèi)存

10/100自適應(yīng)網(wǎng)卡

802.11n WiFi無線網(wǎng)卡

低功耗藍(lán)牙4.1（BLE）

HDMI接口

USB 2.0接口x 4

MicroSD卡插槽

3.5mm音頻輸出接口

40PIN GPIO接口

CSI攝像頭接口

DSI顯不接口

升級(jí)后的電源管理系統(tǒng)

移動(dòng)偵測(cè)算法用python實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行于樹莓派內(nèi)的Linux系統(tǒng)中。

高性能處理器完成相關(guān)的圖像分析處理工作后，根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)信息的輸出。輸出結(jié)果顯示于預(yù)警信息顯示模塊中的動(dòng)態(tài)顯示屏上。我們采用的動(dòng)態(tài)顯示屏是高亮度全彩LED顯示屏。這種顯示屏多用于廣告牌及交通信息顯示牌，具有全天候工作的特點(diǎn)，非常適合我們的安全預(yù)警系統(tǒng)中的預(yù)警信息的顯示。

我們?cè)诮徊婵趦蓷l道路上放置了顯示屏，城市主干道上的顯示屏用于提醒過往車輛小區(qū)出入口的行人動(dòng)態(tài)，以便車輛司機(jī)能夠及時(shí)減速慢行；小區(qū)出入口的顯示屏用于提醒小區(qū)出入口的行人，顯示當(dāng)前城市主干道是否有車輛快速駛近，提醒行人匯入主干道時(shí)注意安全。

3系統(tǒng)性能及評(píng)測(cè)

本系統(tǒng)在實(shí)際小區(qū)、學(xué)校等行人車輛出入較多地方進(jìn)行測(cè)試，能夠達(dá)到良好的測(cè)試結(jié)果。系統(tǒng)響應(yīng)速度快，安裝方便，無需大型施工。在測(cè)試中，系統(tǒng)能夠很快檢測(cè)出移動(dòng)行人及車輛，并且給出安全提示。在沒有行人和車輛時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)顯示屏也可以用作廣告屏，達(dá)到商業(yè)價(jià)值。由于系統(tǒng)采用具有夜視功能的監(jiān)控探頭，整個(gè)系統(tǒng)在夜間也有很好的表現(xiàn)。