智能交通系統(tǒng)中的行人檢測與行為分析

賈云飛

本文研究了智能交通系統(tǒng)中的行人檢測與行為分析，以實現(xiàn)交通安全和優(yōu)化交通流量的目標。研究通過采用計算機視覺技術和機器學習算法，對交通場景中的行人進行檢測和行為分析。通過目標檢測和跟蹤算法，能夠成功地識別和定位行人，實現(xiàn)對行人行為的分類和統(tǒng)計。該研究的結果將為智能交通系統(tǒng)的開發(fā)和應用提供重要的數(shù)據(jù)支持，并對交通安全和交通流優(yōu)化產(chǎn)生積極影響。

隨著城市化進程的加速和汽車普及率的提高，城市交通擁堵和交通事故成為一個嚴峻的問題。其中，行人在交通系統(tǒng)中的安全性問題備受關注。行人檢測與行為分析是智能交通系統(tǒng)中的重要研究領域，旨在通過計算機視覺和機器學習等技術，準確地檢測和分析行人的行為，以實現(xiàn)交通系統(tǒng)的智能化和安全性的提升。

（一）行人檢測

行人檢測是指利用計算機視覺技術對圖像或視頻中的行人進行準確、高效地識別和定位。行人檢測技術可應用于交通監(jiān)控系統(tǒng)、自動駕駛汽車、智能城市管理等領域。

（二）行人行為分析

行人行為分析是指對行人在交通環(huán)境中的行為進行監(jiān)測、分析和預測。行人的行為可以包括步行、奔跑、穿越馬路、停留等，這些行為對于交通管理和車輛行駛具有重要的影響。

（一）圖像特征提取方法

在行人檢測中，圖像特征提取是一個關鍵步驟，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）是最受歡迎的深度學習模型之一。首先，需要準備一個大規(guī)模的標注數(shù)據(jù)集，其中包含行人和非行人的圖像。然后，可以使用這個數(shù)據(jù)集來訓練一個行人檢測的CNN模型。在訓練過程中，模型將通過學習圖像的不同特征來區(qū)分行人和非行人。

（二）傳統(tǒng)行人檢測

在行人檢測中，需要首先從圖像或視頻中提取有關行人的特征。一種常見的方法是使用Haar-like特征，根據(jù)某一區(qū)域內像素值的分布情況來描述圖像特征。提取特征后，需要使用一個分類器來判斷這些特征是否屬于行人。傳統(tǒng)的行人檢測方法中常用的分類器是基于積分圖像的AdaBoost級聯(lián)分類器。該分類器通過訓練一系列弱分類器，將其級聯(lián)起來形成一個強分類器，以達到高效的行人檢測性能?；瑒哟翱谑切腥藱z測的一種常用策略。它將一個固定大小的窗口在圖像上以一定的步長進行滑動，并在每個窗口位置上進行特征提取和分類器判斷，以確定是否存在行人。

（三）基于深度學習的行人檢測

基于深度學習的行人檢測是一種利用計算機視覺技術識別和定位圖像中行人的方法。它基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的架構，該網(wǎng)絡模仿了人類大腦對圖像的處理方式。輸入圖像和行人檢測結果。行人檢測結果可以用一個矩陣D表示，其中D（i，j）表示圖像中像素位置（i，j）是否包含行人。如果D（i，j）=1，則表示該位置包含行人，否則為0。

（一）行人姿態(tài)估計

行人姿態(tài)估計是通過智能交通系統(tǒng)中的計算機視覺技術來識別和分析行人的姿態(tài)。①數(shù)據(jù)收集和準備：收集大量包含行人的圖像或視頻數(shù)據(jù)，并進行標注，以提供姿態(tài)標簽。每個姿態(tài)可以使用希臘字母表示。例如，α表示直立的姿勢，β表示蹲下的姿勢。②特征提取：從收集的圖像或視頻數(shù)據(jù)中提取用于行人姿態(tài)估計的特征。③姿態(tài)估計模型訓練：使用帶有標注姿態(tài)的數(shù)據(jù)集來訓練深度學習模型，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）或循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡（RNN）。④姿態(tài)估計：使用訓練好的模型來對新的圖像或視頻數(shù)據(jù)進行姿態(tài)估計。模型將根據(jù)輸入的行人特征和上下文信息，預測行人的姿勢。

（二）行人行為分類

行人行為分類是利用智能交通系統(tǒng)中的計算機視覺技術，對行人在交通場景中的行為進行分類和分析。

1.數(shù)據(jù)采集和特征提取

收集包含行人行為的圖像或視頻數(shù)據(jù)，并進行標注。根據(jù)數(shù)據(jù)進行特征提取，例如行人的運動軌跡、速度、加速度、方向等。

2.行為分類模型訓練

利用帶有標注行為的數(shù)據(jù)集訓練機器學習模型。常用的分類算法包括支持向量機（SVM）和隨機森林（Random Forest）。

3.行為分類

使用訓練好的模型對新的行人數(shù)據(jù)進行行為分類。模型將根據(jù)輸入的特征進行預測，將行人行為預測為特定的行為類別。例如，行人行為可以預測為α、β或γ等。

（三）行人軌跡預測

1.數(shù)據(jù)采集和準備

收集包含行人軌跡的圖像或視頻數(shù)據(jù)，并進行標注。每個行人軌跡可以使用希臘字母表示，如：α，β，γ等（見表1）。

2.軌跡特征提取

通過對行人歷史軌跡進行分析和處理，提取用于軌跡預測的特征。例如，可以計算行人的位移、速度、加速度、行進方向等特征，以及將軌跡表示為時間序列數(shù)據(jù)。

3.軌跡預測模型訓練

使用歷史軌跡數(shù)據(jù)訓練機器學習模型或深度學習模型，來預測行人未來的移動路徑。常用的方法包括循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡（RNN）、長短時記憶網(wǎng)絡（LSTM）等。

4.軌跡預測

利用訓練好的模型，對新的輸入數(shù)據(jù)進行行人軌跡預測。模型將根據(jù)歷史軌跡數(shù)據(jù)和當前狀態(tài)，預測未來行人的位置。

5.結果評估和優(yōu)化

對軌跡預測結果進行評估，可以使用均方根誤差（RMSE）等指標來衡量預測準確性。根據(jù)評估結果，可以對模型進行優(yōu)化和調整，以提高預測性能。

未來位置（P_t+1）=當前位置（P_t）+速度（V_t）x時間間隔（？t）

其中，P_t表示當前時間點的位置，V_t表示當前時間點的速度，？t表示時間間隔。

（四）視頻監(jiān)控中的行為分析

1.視頻采集和預處理

收集包含交通場景的視頻數(shù)據(jù)，并進行預處理，包括視頻去噪、圖像穩(wěn)定化、幀提取等。這些預處理步驟有助于提高后續(xù)分析的準確性和效果。

2.目標檢測和跟蹤

通過目標檢測算法，對視頻圖像中的目標進行識別和定位，例如車輛、行人、自行車等。利用目標跟蹤算法，跟蹤目標在視頻中的運動軌跡。

3.行為分析和分類

基于目標的運動軌跡和其他特征，利用機器學習或深度學習方法，對目標的行為進行分析和分類。例如，利用行人的移動方向和速度，可以判斷行人是否橫穿道路，是否停留在某個區(qū)域。

4.行為統(tǒng)計和異常檢測

通過對不同行為類型的目標進行統(tǒng)計，獲得交通場景中的行為分布情況。還可以利用異常檢測算法，識別不符合正常行為的目標，例如突然變速的車輛或突然改變方向的行人（見表2）。

其中，？d表示行人在兩個連續(xù)時間幀之間的位移，？t表示時間幀之間的時間間隔。

通過使用計算機視覺技術，特別是目標檢測算法，可以在交通場景中準確地檢測行人的位置。這有助于提高交通安全性，監(jiān)測人流密集區(qū)域并預防事故的發(fā)生。通過了解和分析行人在交通場景中的行為，能夠更好地預測可能的風險，制定交通規(guī)則和策略，并為實現(xiàn)智能交通和城市規(guī)劃做出決策。智能交通系統(tǒng)中的行人檢測與行為分析是一項重要而有用的技術，可以提高交通安全性，優(yōu)化交通流量，并為城市規(guī)劃和交通管理提供數(shù)據(jù)支持。

作者單位：浙江吉利技師學院