排隊檢測在邢衡高速（衡水段）的應(yīng)用

石家莊泛安科技開發(fā)有限公司 狄亞璞

河北省邢衡高速公路分為邢臺段和衡水段，其中衡水段環(huán)繞衡水市連接大廣高速公路，全長72.2公里，雙向四車道設(shè)計，促成了衡水繞城高速公路的形成。本文結(jié)合高速公路全程信息化綜合管理平臺系統(tǒng)在邢衡高速公路（衡水段）的實施，介紹排隊檢測功能在該項目中的應(yīng)用。

排隊檢測簡介

現(xiàn)有的交通控制手段大多利用微波車檢器、卡口、紅外激光雷達(dá)或高頻雷達(dá)等方式來實現(xiàn)對車輛的檢測功能，而邢衡高速公路實現(xiàn)了基于視頻分析的車輛排隊檢測功能。與既有方法相比，基于視頻分析的智能交通監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：監(jiān)控范圍大、投資少、費(fèi)用低、攝像頭便于安裝調(diào)試、獲得交通信息多。對于高速公路車輛排隊長度的檢測，可通過車輛排隊長度和頻率信息，調(diào)整高速公路收費(fèi)入口數(shù)量以及對路段事故做出及時反應(yīng)，以減少擁堵。排隊檢測主要分為兩步，即車輛有無排隊情況的判斷和隊列長度計算。

日間場景下的車輛排隊檢測

在日間光線充足的情況下，通過攝像頭，路段上車輛的外部輪廓信息和運(yùn)動信息比較容易獲得。對于攝像頭獲取的圖像，有多種方法可進(jìn)行車輛的排隊檢測，在這里我們采用移動檢測窗法對車輛進(jìn)行排隊檢測，其中主要包括形態(tài)學(xué)邊緣車輛存在檢測以及幀間差分法運(yùn)動檢測兩部分。

一般來說常用對車輛運(yùn)動檢測的辦法有以下三種：(1)利用圖像序列中的像素強(qiáng)度數(shù)據(jù)的時域變化和相關(guān)性來確定各自像素位置的“運(yùn)動”的光流法，即研究圖像灰度在時間上的變化與景象中物體結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動的關(guān)系。光流計算方法大致可分為三類：基于匹配的方法、頻域的方法和梯度的方法。光流法通常存在計算復(fù)雜度高以及計算精度欠缺的問題。(2)基于背景的差分法是采用圖像序列中的當(dāng)前幀和背景參考模型比較來檢測運(yùn)動物體的一種方法，但是由于場景的復(fù)雜性、不可預(yù)知性及各種環(huán)境干擾和噪聲的存在，如光照的突然變化、實際背景圖像中有些物體的波動、攝像機(jī)的抖動、運(yùn)動物體進(jìn)出場景對原場景的影響等，使得背景的建模和模擬變得比較困難。(3)幀間差分法是一種通過對視頻圖像序列中相鄰兩幀作差分運(yùn)算來獲得運(yùn)動目標(biāo)輪廓的方法，它可以很好地適用于存在多個運(yùn)動目標(biāo)和攝像機(jī)移動的情況。幀間差分法算法實現(xiàn)簡單，程序設(shè)計復(fù)雜度低，對光線等場景變化不太敏感，能夠適應(yīng)各種動態(tài)環(huán)境，穩(wěn)定性較好。

車輛邊緣檢測是判斷車輛存在與否的重要依據(jù)，車輛的邊緣檢測方法有很多，有基于統(tǒng)計學(xué)方法的也有基于梯度或其他指標(biāo)的，車輛邊緣檢測現(xiàn)在主要存在的問題是對圖像中的噪聲的處理以及對一些圖像中細(xì)小的邊緣的檢測。

車輛排隊檢測通常采用移動檢測窗的算法進(jìn)行實現(xiàn)。原理是利用一個在攝像機(jī)圖像里長度為一輛車長度的動態(tài)檢測窗，從排隊車輛的隊頭向隊尾逐步移動，又由于近大遠(yuǎn)小的透視原理，所以動態(tài)檢測窗的大小會根據(jù)車輛距離攝像機(jī)的距離變化，距離攝像機(jī)越遠(yuǎn)的地方檢測窗的大小越小。

夜晚場景車輛排隊檢測

在夜晚場景下，環(huán)境光線變得微弱，考慮到夜晚行車的車輛都會打開車燈，因此選擇車燈作為特征量對車輛進(jìn)行檢測。對于車燈作為特征量的夜晚車輛檢測的準(zhǔn)確性，過濾掉干擾光源是十分重要的。干擾光源包括路燈、路面反光及路標(biāo)反光等。

夜晚場景下的車輛排隊檢測與日間場景的檢測方法類似，夜晚場景下的排隊檢測采用的也是移動檢測窗的排隊檢測方法。移動檢測窗法的原理是從隊首開始，在當(dāng)前的檢測窗內(nèi)，若連續(xù)幾幀都能通過車燈的檢測判斷檢測窗內(nèi)有車存在，則確定當(dāng)前檢測窗內(nèi)有車輛在排隊，移動檢測窗向隊尾方向移動一個車輛長度位置，排隊隊列變長；當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)幾幀檢測窗內(nèi)都不出現(xiàn)車輛的情況，檢測窗停止移動，排隊檢測結(jié)束。

排隊長度計算

如果想要通過攝像機(jī)計算車輛隊列的實際長度，就需要建立三維空間坐標(biāo)和二維圖像坐標(biāo)之間的關(guān)系，其中的關(guān)鍵是建立攝像機(jī)的透視模型，通過實際測量，標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，從而確定攝像機(jī)從三維空間坐標(biāo)到圖像中二維坐標(biāo)的關(guān)系。

攝像機(jī)的標(biāo)定方法有很多種，利用兩條平行的車道線和車道的寬度對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，這種方法不需要已知攝像機(jī)高度傾斜角等信息，且可以僅通過兩條平行的車道線與實際測量的車道寬度的信息，就可以準(zhǔn)確標(biāo)定出所需攝像機(jī)的參數(shù)。這個標(biāo)定方法簡單實用，操作方便，且具有很高的準(zhǔn)確性。

在對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定后，就建立了三維空間坐標(biāo)到圖像中二維坐標(biāo)的關(guān)系，通過相應(yīng)的計算公式，就可以通過二維圖像里面排隊車輛的長度推算出現(xiàn)實世界中的車輛隊列長度。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

系統(tǒng)實現(xiàn)和應(yīng)用

系統(tǒng)實現(xiàn)排隊檢測的流程主要如下：通過兩條平行的車道線和車道的寬度標(biāo)定路段上的攝像機(jī)，建立三維空間坐標(biāo)和二維圖像坐標(biāo)之間的關(guān)系；判斷外部光照強(qiáng)度，若光照強(qiáng)度達(dá)到日間標(biāo)準(zhǔn)，則啟用日間車輛排隊檢測算法；否則，采用夜間車輛排隊檢測算法；通過移動檢測窗對高清攝像機(jī)圖像進(jìn)行檢測，如出現(xiàn)排隊情況，則計算隊列長度；將排隊信息上傳至綜合監(jiān)控平臺，監(jiān)控平臺通過可變情報板對排隊情況進(jìn)行發(fā)布或者通過語音提醒的方式進(jìn)行排隊事件提醒；將每次排隊的信息，如地點、時間、排隊長度等記錄進(jìn)排隊檢測信息查詢表，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

系統(tǒng)實際應(yīng)用

通過排隊檢測技術(shù)在邢衡高速衡水段項目的實施，經(jīng)過測試能夠達(dá)到預(yù)期效果。以下是系統(tǒng)應(yīng)用能達(dá)到的實際效果：檢測車輛有無排隊的情況；計算排隊車輛隊列的長度；接收排隊檢測的各類報警；能夠進(jìn)行語音事件提醒，并能夠?qū)κ录M(jìn)行確認(rèn)處置，包括確認(rèn)誤報、解除事件等；進(jìn)行排隊事件的記錄與查看。

系統(tǒng)可靠性需求

為了使系統(tǒng)對于排隊檢測中有無車輛排隊情況的判斷、車輛隊列長度的計算，以及對車輛排隊事件的記錄與查詢等功能更加準(zhǔn)確與可靠，需要保證做到以下幾點：攝像機(jī)的精確標(biāo)定。對于車輛排隊長度的計算十分重要，如果攝像機(jī)標(biāo)定不準(zhǔn)，從二維圖像坐標(biāo)到三維世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換就會出現(xiàn)一定的誤差，導(dǎo)致最后的隊列長度計算出現(xiàn)極大的偏差；系統(tǒng)時間同步。由于系統(tǒng)需要對排隊事件進(jìn)行記錄，方便統(tǒng)計、分析和查詢，因此整個系統(tǒng)的時間同步性十分重要，對系統(tǒng)針對排隊情況的統(tǒng)計分析的準(zhǔn)確性有很大影響；系統(tǒng)通訊。攝像頭視頻圖像的數(shù)據(jù)傳輸必須依靠網(wǎng)絡(luò)，所以網(wǎng)絡(luò)的暢通穩(wěn)定可靠是保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的條件。

結(jié)語

邢衡高速公路全程信息化綜合管理平臺引入了排隊檢測系統(tǒng)，通過排隊檢測功能，平臺系統(tǒng)可以通過攝像頭的視頻圖像，檢測當(dāng)前有無車輛排隊并且可以通過標(biāo)定好的攝像頭計算當(dāng)前車輛排隊的長度。系統(tǒng)還可以做到對排隊進(jìn)行語音提醒，同時系統(tǒng)會記錄排隊事件的信息，并對排隊的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，便于邢衡高速公路的管理單位提升高速公路管理水平，為邢衡高速公路的全程信息化綜合管理打下了堅實的基礎(chǔ)。