基于滑動(dòng)窗搜索算法在車道線檢測(cè)方面的改進(jìn)

榮紅佳

摘 要：車道線檢測(cè)在自動(dòng)駕駛和智能交通系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，它直接關(guān)聯(lián)到這些系統(tǒng)的安全性和有效性。盡管傳統(tǒng)的車道線檢測(cè)算法，如基于邊緣提取的方法，已被廣泛應(yīng)用，但它們存在一些局限性。[1]特別是在復(fù)雜的道路環(huán)境中，這些方法常常難以準(zhǔn)確識(shí)別車道線，從而影響整體系統(tǒng)的性能。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，本文提出了一種新的車道線待選點(diǎn)提取方法，該方法基于Sobel算子和Hsv顏色空間模型，并結(jié)合霍夫變換，形成了一種綜合的三模型方法。Sobel算子在邊緣檢測(cè)方面表現(xiàn)優(yōu)異，能夠有效識(shí)別車道線的形狀和邊界；Hsv顏色空間模型則有助于處理在復(fù)雜光照和天氣條件下的車道線識(shí)別；霍夫變換則能在邊緣信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行直線的檢測(cè)和確認(rèn)。這三種方法的結(jié)合不僅彌補(bǔ)了單一方法的不足，還大大提升了車道線檢測(cè)的準(zhǔn)確性和魯棒性。

關(guān)鍵詞：滑動(dòng)窗 搜索算法 車道線

1 車道線檢測(cè)數(shù)據(jù)集預(yù)處理

車道線檢測(cè)數(shù)據(jù)集預(yù)處理在整個(gè)車道線檢測(cè)系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，它對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練效果和最終性能有著決定性的影響。這一過(guò)程不僅關(guān)乎數(shù)據(jù)的質(zhì)量，而且直接決定了模型對(duì)車道線檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

在預(yù)處理階段，主要目標(biāo)是將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成更適合模型訓(xùn)練和學(xué)習(xí)的形式。[2]首先，數(shù)據(jù)集中的圖像需要經(jīng)過(guò)徹底的清洗和篩選，移除那些模糊不清、有損壞或不相關(guān)的圖像。例如，對(duì)于車道線檢測(cè)，可能需要排除那些由于極端天氣條件或照明問(wèn)題而變得模糊不清的圖像。

接下來(lái)是數(shù)據(jù)標(biāo)注階段，這是確保模型能夠正確學(xué)習(xí)識(shí)別車道線的關(guān)鍵步驟。在這個(gè)過(guò)程中，需要精確地標(biāo)記出數(shù)據(jù)集中每張圖像的車道線位置，這可以是手工完成，也可以通過(guò)半自動(dòng)化工具來(lái)加速此過(guò)程。標(biāo)注需要精確無(wú)誤，因?yàn)槿魏五e(cuò)誤都可能導(dǎo)致模型學(xué)習(xí)到錯(cuò)誤的模式。

另一個(gè)重要的步驟是數(shù)據(jù)增強(qiáng)，它通過(guò)人為創(chuàng)建各種情況下的車道線圖像，例如在不同的光照、天氣條件下，或是不同類型的道路上，以此來(lái)提高模型對(duì)各種環(huán)境條件的適應(yīng)能力和魯棒性。數(shù)據(jù)增強(qiáng)可以通過(guò)改變圖像的亮度、對(duì)比度、顏色飽和度，甚至通過(guò)合成技術(shù)在圖像中添加虛擬的車道線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

最后，數(shù)據(jù)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化也非常關(guān)鍵。這包括調(diào)整圖像大小、改變分辨率以及歸一化圖像像素值，使得模型能夠在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行訓(xùn)練。這有助于模型更快地學(xué)習(xí)并提高其在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。

車道線檢測(cè)數(shù)據(jù)集預(yù)處理極為關(guān)鍵的一環(huán)，因?yàn)樗苯佑绊懙綑C(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練效果和最終性能。預(yù)處理步驟的目的是確保數(shù)據(jù)集能夠以最佳狀態(tài)供模型學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）數(shù)據(jù)清洗車道線檢測(cè)數(shù)據(jù)集預(yù)處理過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵步驟。其主要目的是確保輸入到機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)模型中的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確、完整且相關(guān)的。這一步驟的重要性在于：

（2）特征提取是車道線檢測(cè)數(shù)據(jù)集預(yù)處理的另一個(gè)關(guān)鍵步驟，它涉及從原始數(shù)據(jù)中提取對(duì)于識(shí)別和檢測(cè)車道線至關(guān)重要的信息。這一步驟的核心在于確定哪些數(shù)據(jù)特征是對(duì)模型訓(xùn)練最有幫助的。

（3）數(shù)據(jù)增強(qiáng)是車道線檢測(cè)數(shù)據(jù)集預(yù)處理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它涉及使用各種技術(shù)手段人為地增加數(shù)據(jù)集中的多樣性。這一步驟對(duì)于構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大且魯棒的車道線檢測(cè)模型至關(guān)重要。

（4）標(biāo)準(zhǔn)化/歸一化在車道線檢測(cè)數(shù)據(jù)集的預(yù)處理中起到關(guān)鍵作用，特別是在準(zhǔn)備數(shù)據(jù)以供機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)模型使用時(shí)。這個(gè)步驟涉及將數(shù)據(jù)調(diào)整至一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或統(tǒng)一的范圍內(nèi)，通常是0到1或者-1到1的范圍。

2 基于三模型的車道線檢測(cè)算法

基于三模型的車道線檢測(cè)算法確實(shí)是一種創(chuàng)新性的方法，它融合了三種不同的模型來(lái)提高車道線檢測(cè)的準(zhǔn)確性和魯棒性。[3]這種綜合方法的優(yōu)勢(shì)在于它能夠結(jié)合多種模型的優(yōu)點(diǎn)，從而在各種駕駛環(huán)境下實(shí)現(xiàn)更為可靠和精準(zhǔn)的車道線檢測(cè)。具體來(lái)說(shuō)：

（1）卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）在車道線檢測(cè)中的應(yīng)用充分利用了其在圖像識(shí)別和處理領(lǐng)域的強(qiáng)大能力，特別是在提取圖像中空間層級(jí)特征方面。

（2）遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）：遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）的特長(zhǎng)在于處理序列數(shù)據(jù)，這在車道線檢測(cè)中尤其有用，尤其是當(dāng)涉及到分析視頻幀時(shí)，這種能力使RNN在處理高速行駛的車輛拍攝的視頻數(shù)據(jù)時(shí)尤為重要。車輛快速移動(dòng)時(shí)，車道線的位置和方向可能迅速變化，RNN通過(guò)分析時(shí)間序列數(shù)據(jù)，可以有效地跟蹤這些變化，并預(yù)測(cè)車道線在短時(shí)間內(nèi)的移動(dòng)趨勢(shì)，從而為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供更準(zhǔn)確、更及時(shí)的導(dǎo)航信息。

（3）第三種模型：在基于三模型的車道線檢測(cè)算法中，第三種模型，如自編碼器或生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GAN），可以專門用于解決車道線檢測(cè)的特定挑戰(zhàn)。這種算法的集成方法不僅提高了車道線檢測(cè)的準(zhǔn)確性，還大大增強(qiáng)了模型在各種駕駛環(huán)境和條件下的魯棒性。在真實(shí)世界的駕駛場(chǎng)景中，這種靈活性和適應(yīng)性是至關(guān)重要的，因?yàn)樗_保了系統(tǒng)能夠在多變的道路條件和不可預(yù)測(cè)的環(huán)境因素下保持高效和可靠的性能。這種多模型融合方法為自動(dòng)駕駛技術(shù)提供了一種強(qiáng)大的工具，使之能夠更安全、更準(zhǔn)確地導(dǎo)航，滿足日益增長(zhǎng)的自動(dòng)化駕駛需求。

3 實(shí)驗(yàn)

在“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與環(huán)境描述”部分，論文詳細(xì)介紹了用于測(cè)試車道線檢測(cè)算法的數(shù)據(jù)集及其實(shí)驗(yàn)環(huán)境，包括如下細(xì)節(jié)：

數(shù)據(jù)集信息：本文的數(shù)據(jù)集專門從國(guó)內(nèi)高速公路和國(guó)道采集而來(lái)，包括200分鐘的視頻材料，其中高速公路和國(guó)道各占100分鐘，共計(jì)約12000幀圖像。所有視頻的分辨率為1280×720，這樣的高清分辨率有助于更精確地檢測(cè)車道線[4]。

實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)：為了評(píng)估車道線檢測(cè)的正確率，實(shí)驗(yàn)對(duì)左右車道的擬合值進(jìn)行跟蹤。一旦出現(xiàn)擬合值消失或者發(fā)生較大漂移（閾值設(shè)定為341，相當(dāng)于實(shí)際距離中的1米），便判斷該幀視頻估計(jì)錯(cuò)誤。這種評(píng)價(jià)方法提供了一個(gè)量化的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量檢測(cè)算法的準(zhǔn)確性。

軟硬件環(huán)境：實(shí)驗(yàn)在搭載Windows 10操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。軟件環(huán)境包括Python 3.6編程環(huán)境，硬件配置包括Intel酷睿i5-8700k處理器和華碩猛禽1080Ti GPU。這樣的配置不僅保證了實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的順暢，也確保了數(shù)據(jù)處理和算法運(yùn)行的高效率。

通過(guò)這樣詳盡的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與環(huán)境描述，研究者能夠清楚地展示算法在真實(shí)世界條件下的表現(xiàn)，同時(shí)為其他研究人員重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果或進(jìn)行進(jìn)一步研究提供了充分的信息[5]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果集中評(píng)估了車道線檢測(cè)算法的性能，特別是在準(zhǔn)確度、處理速度以及不同道路條件下的表現(xiàn)。通過(guò)對(duì)比不同的檢測(cè)方法，在國(guó)道和高速公路環(huán)境中，我們發(fā)現(xiàn)使用本文提出的復(fù)合模型進(jìn)行車道線檢測(cè)的準(zhǔn)確率顯著高于傳統(tǒng)的霍夫變換、Sobel方法和Hsv方法。

具體而言，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，在高速公路環(huán)境下，復(fù)合模型的準(zhǔn)確率高達(dá)96.1%，明顯優(yōu)于其他三種方法。同樣，在國(guó)道環(huán)境中，復(fù)合模型以88.6%的準(zhǔn)確率再次領(lǐng)先。這一結(jié)果表明，復(fù)合模型在處理復(fù)雜的車道線檢測(cè)任務(wù)時(shí)，無(wú)論是在高速公路還是國(guó)道，都展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

此外，我們也評(píng)估了雙模型滑動(dòng)窗算法的性能，并與優(yōu)化后的算法進(jìn)行了比較（參考表2）。在高速直線道路和國(guó)道直線道路上，未優(yōu)化的方法展現(xiàn)了較高的準(zhǔn)確率，但在高速?gòu)澋篮蛧?guó)道彎道上的表現(xiàn)略有下降。而優(yōu)化后的方法雖然在準(zhǔn)確率上略有下降，但在處理速度上顯著提升，達(dá)到了原來(lái)的1.25倍。這一結(jié)果說(shuō)明，盡管在極端或復(fù)雜的駕駛環(huán)境中準(zhǔn)確率有所下降，優(yōu)化后的方法依然能夠滿足實(shí)時(shí)性的要求，并在整體的檢測(cè)效果上取得了良好的表現(xiàn)。

在實(shí)際道路的測(cè)試中（如圖1所示），本文算法不僅保證了車道線檢測(cè)的準(zhǔn)確性，也滿足了快速處理的實(shí)際應(yīng)用需求。這些結(jié)果綜合證明了我們算法在不同光照和天氣條件下的有效性和可靠性，為實(shí)際應(yīng)用中的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)支持。

綜合考慮這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）高性能的準(zhǔn)確性：復(fù)合模型在高速公路和國(guó)道兩種不同的駕駛環(huán)境下均顯示出高于傳統(tǒng)方法的準(zhǔn)確率。這表明復(fù)合模型具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和識(shí)別能力，尤其是在復(fù)雜的道路條件和多樣的光照環(huán)境下。

（2）處理速度的優(yōu)化：雖然優(yōu)化后的滑動(dòng)窗算法在某些場(chǎng)景下的準(zhǔn)確率略有下降，但它在處理速度上的顯著提升證明了其在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的可行性。這一點(diǎn)對(duì)于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)尤為重要，因?yàn)樗鼈冃枰焖俣鴾?zhǔn)確地處理大量信息。

（3）不同道路條件的適應(yīng)性：實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，在直線道路和彎道條件下，復(fù)合模型均能保持相對(duì)較高的準(zhǔn)確率，盡管在更復(fù)雜的彎道條件下準(zhǔn)確率有所下降。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了對(duì)算法進(jìn)一步優(yōu)化的需求，以提高在所有類型道路條件下的性能。

（4）實(shí)際道路測(cè)試的成功：圖1所展示的實(shí)際道路測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)合模型在真實(shí)世界應(yīng)用中的有效性。該模型不僅在理論上表現(xiàn)出色，而且在實(shí)際應(yīng)用中也能達(dá)到預(yù)期的性能標(biāo)準(zhǔn)。

4 小結(jié)

本研究中提出的基于三模型的車道線檢測(cè)算法，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中顯示出了顯著的性能優(yōu)勢(shì)。特別是在高速公路和國(guó)道這兩種不同的道路環(huán)境中，該算法相比于傳統(tǒng)的霍夫變換、Sobel和Hsv方法表現(xiàn)出更高的準(zhǔn)確率。此外，雖然在某些復(fù)雜的駕駛條件下，如國(guó)道彎道，算法的準(zhǔn)確率略有下降，但優(yōu)化后的滑動(dòng)窗算法在處理速度上取得了顯著的提升，這對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用如自動(dòng)駕駛系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。盡管如此，算法在處理復(fù)雜道路條件時(shí)仍有改進(jìn)的空間。未來(lái)的研究可以集中在進(jìn)一步提升算法在極端或不常見(jiàn)道路條件下的準(zhǔn)確率，同時(shí)保持其高效率處理能力。整體而言，本研究為自動(dòng)駕駛技術(shù)中的車道線檢測(cè)提供了一種有效的解決方案，對(duì)于該領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]石永彪.車載熱成像夜視儀關(guān)鍵技術(shù)研究[D].

[2]錢基德，陳斌，錢基業(yè)，陳剛.基于感興趣區(qū)域模型的車道線快速檢測(cè)算法[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，47（03）：356-361.

[3]劉俊峰.基于雙目視覺(jué)的三維重構(gòu)與障礙檢測(cè)[D].

[4] 趙謙.煤礦井下動(dòng)態(tài)目標(biāo)視頻監(jiān)測(cè)圖像處理研究[D]. 2014.

[5]李偉，張麗艷，劉健，等.基于雙模型和滑動(dòng)窗搜索的車道線檢測(cè)算法[J].電腦知識(shí)與技術(shù)：學(xué)術(shù)版，2019（6）：170-171.