（控制理论与控制工程专业论文）基于图像处理技术的视频交通流信息检测系统的研制.pdf

青粕科披大学研究生学位论文 基予图像处理技术的视频交通流僖息检测系统的番开制 摘要 交通拣铜麓与每个入怠怠相关的大豢，交通流信怠采集的准确与否影响着整 个城泰交逶智黢 蔓瓣实蠛，可以说交逶滚信息熬捡溅跫实现智貔交遴系统鹣蘩 石，无论是多么先进的交通系统，都必须建立在对交通滤信息正确采集的基础上。 目前交通流信息检测的方法很多，其中视频检测投术以检测交通场景面积大，投 瓷少，费鞠低，税额图像设备易于安装和调试等优点越来越受重视。 本文程售鉴国悫乡 提关技术载蒸磋生，缝合对图像疆终平台裙图像楚理算法 的理解和分析，设计了一个经济、实用的视频交通流信息检测系统，该系统采用 “视频采集设备+ 3 2 控机+ 应用软件”的模式，具有工程量小、安装方便、信息检 测丰鬻等优点。通过c c d 摄像头和采集卡采集交通流视频图像，并经过灰度线 燃变羧、滤波除噪、图像锐化等手段黠鬻像遴季亍联处理，在凝频强豫缝瑾投术煞 旗础之上，本文提出了一种基于虚拟检测器法的车流量、车速的检测冀法。该方 法通过检测虚拟检测区域内像素的获度变化来判断车辆的存在，进而检测出车流 鬃、车速等稻关交通流信患。 关键词：锼能交通系统；交邋流；图像处理；滤波除噪；虚擞检测器 基于图像处理技术的视频交通流信息检测系统的研制 d e v e l o p m e n to fv i d e 0t r a f n cf l o w i n f o r m a t i o nd e t e c t i o ns y s r m b a s e d o nd i g i 1 1 a li 蛐g e sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t r a f f i cc o n t r o li sm o s ti m p o r t a n tt oa uo fu s t r a f f i cf l o wi n f o r m a t i o nd e t e c t i o n a f f e c t st h er e a l i z a t i o no fi t s w ec a ns a yt r a f f i cf l o wi n f o r m a t i o nd e t e c t i o ni st h ek e y s t e po fr e a l i z i n gi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，n o m a t t e rw h a ta d v a n c e d t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m sa l lm u s tb a s eo nt r a f f i cf l o wi n f o r m a t i o nr e l i a b l ec o l l e c t i o n b e c a u s eo fw i d es c o p eo fi n f o r m a t i o nd e t e c t i o n ，f e wc h a r g ea n dl o w e rc o s t ，e a s i l yb e i n s t a l l e da n dd e b u g ，t h ev i d e od e t e c t i o nt e c h n o l o g yi sr e c o g n i z e d ，a l t h o u g ht h e r ea r e m a n yd e t e c t i o nm e t h o d sp r e s e n t l y b a s e do i lt h ed o m e s t i c & o v e r s e a st e c h n o l o g ya n dt h eu n d e r s t a n d i n go ft h e h a r d w a r ea n da l g o r i t h mo ft h ei m a g es y s t e m ，t h et h e s i sg i v e sae c o n o m i c a lv i d e o d e t e c t i o ns y s t e md e s i g n ，a d o p t i n gv i d e oc a p t u r ee q u i p m e n t s i p c & a p p l i c a t i o n s o f t w a r e ，w h i c h i s p r o v i d e d w i t h m a n y m e r i t ss u c h a se a s y i n s t a l l a t i o n ，s m a l l p r o j e c t ， w i d es c o p eo fi n f o r m a t i o ns u p p l ya n ds oo n b yv i d e oc a l q l e l aa n dv i d e oc a p t u r e c a r d ，t h ev i d e oi m a g ea r ed i g i t i z e dt od i g i t a li m a g ew h i c hc o u l db ep r o c e s s e db y c o m p u t e r a f t e rg r a y - d e g r e et r a n s f o r m a t i o n ，f d t e r i n g e l i m i n a t i n gn o i s ea n di m a g e e n h a n c e m e n t ，t h i st h e s i sp r e s e n t sam e t h o do f v e h i c l ef l u xa n dv e h i c l es p e e dd e t e c t i o n b a s eo nv i r t u a ld e t e c t o r t h em e t h o dj u d g e sw h e t h e rv e h i c l e se x i s tt h r o u g hd e t e c t i n g t h ev a r i e t yo fp i x e l sg r a y - d e g r e ei nd e t e c t e da r e a s ，a sar e s u l t ，e d u c i n gt r a n s p o r t a t i o n i n f o r m a t i o ns u c ha sv e h i c l ef l u x ，v e h i d es p e e da n ds oo n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ；t r a f f i cf l o w ：i m a g ep r o c e s s i n g f i l t e r i n ga n de l i m i n a t i n gn o i s e ：v i r t u a ld e t e c t o r i i 青岛科技大学研究生学位论文 本文所用的缩写词语 i t s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m 智能交通系统 i p c ：i n d u s t r yp e r s o n a lc o m p u t e r 工控机 v e h ：v e h i c l e s 车辆数 v e h d ：v e h i c l e s d a y 车辆数天 v e h m ：v e h i c l e s m o n t h车辆数月 v e h h ：v e h i c l e s h o u r车辆数小时 s v e h ：s e c o n d s v e h i c l e 秒数车辆( 车头时距单位) s ：s e c o n d 秒 ：h o u r 小时 m ：m e t e r 米( 长度单位) 五锄：k i l o m e t e r 千米 k m h ：k i l o m e t e r h o u r 千米, b 时 v e h h n ：v e h i c l e s 门n l o m e t e r车辆数千米 c c d ：c h a r g e dc o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件 s o l ：s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e 结构化查询语言 a d ta n a l o gt od i g i t a l 模拟转数字 b m p ：b i t m a pf i l e 位图文件 m b ：m i l l i o nb y t e 兆字节 c t ： c o m p u t e dt o m o g r a p h y计算机( 电脑) 断层摄影 a g v ：a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e 自动导向车辆 n 也：p h a s ea l t e r a t i o nl i n e逐行倒相 n t s c ：n a 垃o n a l t e l e v i f i o ns y s t e mc o m m i t t e e 美国国家电视系统委员会 p c i ：p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t 外设部件互连标准 基予图像娃理技术的巍频交通寝信息检测系统的蚜制 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 智能交通系统( i t s ) 简介“” 近2 0 年来，煎界各国先后建立了蹭通，达静交逶运输黼络，僵交通工具的 增长速度远远蔫予遂鼹拳l 其继交遥没藏豹增长，因此戆之弓 起交通撼接、环境污 染、交通漤故铃一系列交通问题，也造成了臣大的物质与经济损失。这些情况表 明，单纯依靠修建道路弓交通设施和传统的管理方式来解决交通问题，不仅成本 昂贵、环境污染严重，而且其解决交通拥堵、提商交道运输静效架氇十分有限。 为此旱在3 0 多年蘸久饲麓提壅7 餐钱交透豹概念，但对磐戆交邋系绞( 1 t s ) 进行系统的研究则鲶于2 0 世纪8 0 年代。i t s 是将驾驶员、交通工具和道路、环 境三位一体来考虑的。广义上i t s 应包括交通系统的规划、设计、实施与运营的 管理实现智能化；而狭义上i t s 莉主要楚指交通运输管理和组织静智雒亿。其实 质裁是采麓现代高新技本对搀统熬交通运埝系绫进行浚遵嚣形成毂一秽叛型骥 代化交通强绞。 也就是说i t s 是指将先进的信息技术、数据通信传输技术、自动控制技术、 计算机网络技术等应用予交通运输，实蕊各种运输方式静蕊代化。i t s 它指凼了 来采交透发溪懿方嗣，怒耨瓣饯下秘鼓、社会发晟窝信息孳套接动下靛产物。i t s 主要以下七个大的予系缝组成： ( 1 ) 先进的交通管理系统a t m s ( a d v a n c c dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，厢于检 测控制、管理公路交通，在道路、车辆和驾驶员之间涟供通信联系。 国先遴虢驾驶燹穰怒系缴t d i s ( a d v a n c e dd r i v e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，以个体 驾驶昃为殿务对象，驾驶员可以通过其车载路径诱导系统，在与控制中心的双向 信息传递中使自己始终行驶在最短路径上。 r 3 1 先进的车辆控箭系统a v c s ( a d v a n c c dv e m d e c o n t r o ls y s t e m ) ，其醴静是开 发帮萌骜驻虽实行车辍控裁憝荟黪技术，双蠢使汽车行蠖受安全、惑效。趣挺对 驾驶员的警告、帮助和避障等自动驾驶技术。 ( 4 ) 商用车辆调度系统c v o m ( c o m m e r c i a lv e r d eo p e r a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e m ) ，运输企监应用管能车辆道路系统i v h s ( i n t e l l i g e n tv e h i c l eh i g h w a y s y s t e m ) 技术柬获褥最大效益黪一耱调发系绞。裂耀车辚自动识别技术，车辆自动 定位技术，车辆自动分类技术等，提商企业内部劳动生产攀，提高安全度，改进 对突发事件的反应能力，改静车队管理和交通状况。 ( 5 ) 先进的公共交通系统a p t s ( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s o r t a t i o ns y s t e m ) ，稠舔 青岛科技火学研究生学位论文 各种智能技术、计算机技术、视频技术等向用户；提供 妊行时间、方式、路线棚车 次遥铎等咨诲，绘舞l 户箍筷实霹瓣车辆运行落惑。 先进的乡村交通系- e j l a r t s ( a d v a n c e dr u r a lt r a n s p o r ts y s t e m ) ，提供给用户 无线紧急呼救系统，道路和环境的实时警告系统，旅游路线、景点、服务设施等 信息系统。 ( 7 ) 鲁渤高速公路系统a h s ( a u t o m a t e dh i g h w a ys y s t e m ) ，包括车辆自动导航与 控制，交通管理自动化，事故处理自动化等。 r r s 利用系统工程的思想，综合考虑传统交邋工程中的各莘申因素，旨在建立 一薅纯瓣、多耱运羧方式综合熬，菠骞对天们密抒方式选择静琴 导，邀有霹孬疆 中的路径诱导；既有对车辆的管理，也有对道路撼础设施的管理。可以说，i t s 是实现城市交通可持续发展的关键和保证。 1 1 。2 基于视频技术蠹擘竣遗滚信息捻测 随着辩学技术魏飞跃发展，各种捡溺技术氆不断产生窥发餍，如遣理线圈检 测、微波检测、声光学枪测、视频检测等。而在众多的交通参数检测方法中，视 频检测具省成本低、检测范围广、检测信息量大、无需破坏地诫、功能全蕊、提 供豹售感冒戳避嚣进一疹瓣分辑等後点，代表了交逶滚售惑捡 9 l | | 熬方彝翻。瓣忿 其必然会逐步取代目前常用的线圈、微波等检测嚣。通过对摄像机拍摄到的图像 信号进行嶷时的处理，可以得到许多有用的交通俗息，如交通流跫，车辆的速度， 车道占有率，摊队情况、交通事件耪搠接程度信患等。嚣翦，霹家i t s 中心已耀 凌叛霞豫聚集 擘为三瑗煎点发矮静交遥检灞技术之一。视频采集技术穆在i t s 中 发挥越来越重要的作用，占据着十分鼹著的位置1 4 】。 车牌识别是视频技术在i t s 中一个重要应用，对汽车车牌的正确识别，既可 实瑰在交道路霹、毫遴公鼹、军事嚣塞、援关门翌慰过茬车赣瓣实时登专迂、浚羹 统计和对潞卫茸标的安全警备，对肇零车辆、被盗车辆、犯罪车辆进行辨议和拦 截；又可在停车场对进出的车辆进行髓记、统计和奁询，以保障安全防盗，并可 协助自动计赞。这无疑节省了人力、资金，同时掇赢了交通管联和效率，是建设 智戆交遴系统不可缺少黪部分强。 车牌识别系统通过引入数字摄像披术和计算机信息管理技术，采用先进的图 像处理以及模式识别和人工智能技术，通过对图像的采集和处理，获得更多的信 惑，从焉逸裂鑫智能戆篱理程度澜。疑薅，车薅识销系统已经f “泛寂爨至毯錾褥 能交通系统违章监控管理、高速公潞不停车收费、车辆检测良投停车场监控与管 理等系统中。 基r 图像处理技术的视频变通流信息检测系统的研制 1 1 , 3 交通流信息检测的其它技术 交递滚信惠检溺是在瓣定建点，晷定时瓣段遗懿车辆数量、遮凄、车遵占有 率等数据采集。目前已有的采集方法有人工观测法、试验车移动调查法、摄影法 和车辆感应嚣潦定法。根据交透信惠检澜静鸯韵纯程度来捌分可分为基动佬检溯 技术和非自动化检测技术【6 】n 1 交通流信息非自动化检测 交通漉信息人工鼹测采集法、试验车移动调查法釉摄影法都不具有囱动检测 的功能，属于非自动化检测技术。 人工残溅法是在选定遗点及瓣闽，趱测量人员计溺彝避装实测疆段憨交通数 据，此方法简单易行、不需要复杂设备，但需要较多的人力；试验车移动调奄法 楚逶过在测定区闯内驾车菠复行装测量求褥嚣阂内交通数摄戆一秘方法；摄影法 是在测定路面j 二作标记后，对其作定时摄影，然后对照片进行处理可得出交通数 据，此方法成本高，资辩处理工作量大。人工溯量方法适藤于作缒期内的调查， 不宣于道路交通的实时控制和交通流的诱导。 2 交通流信息自动能检测 车滋量、车速发等参数是交邋控制_ 孝珏交通流诱导的重要指标，它的趣动化捻 测技术已经有了很大的笈展与应用。目前广泛应用采集技术有环形线圈检测器、 怒声波检测嚣、瑟努线检测器程徽波检溯器等。 环形线网检测器 环形线圈检溅器是磊葡使餍袋秀广泛盼交遴数据检测装置，s c o o t 系统藏怒 利用它进行交通数搌采集的。它是利用埋设在车道下豹环形线圈对通过线圈或存 在于线圈上的车辆s l 超f 程磁感应的变化进行处理而达至4 检测目的。当车辆通过线 圈时产生电感量的变化引起相位的变化，通过相位比较器凝褥一个槌应的信号， 它可用来检测交通流量、占有率和点速度等。 钱点：逡馀较低、捡澳l 精废较毫、魅髓稳定，抗于魏憝力强。 缺点：修理或安装需中断交通、影响路面海命、易被重型车辆、路丽修理簿 狻坏、施工笺杂。 超声波梭测器 越声波榆涮器鼹通遥接收由越声波发生器发射的超声波束并蠢车辆反射的 回波来检测车辆，它由车道上方的超声波探头向下反射一束超声波，车辆通过遮 些波束时，弓i 起波束反射阐发送部件，通过判断信号与原反射回波信号在时间上 豹差男采检测车辆数、车髓类型、占有搴和搂以长度信息，如果周双探头则可以 检测车速。 傻点：啄全天绦_ i 终、体积小，棼子安装等。 青岛科技大学研究生学位论文 缺点：容菸受行人耱遮搂甥的影嚷、捡测距离较短，瞧麓麓巧壤温度秘气流 影响而降低。 红外线检测器 红矫线检灞器一般采用蔽射式和阻断式检测技术。反射式红外检测器使用反 刳接收器，用卷反射光窳和接牧反射光窳，逶过避录鼹瑟黧车臻反射率靛交 皂对 车辆进行检测。阻断式红外检测器由位于道路一侧的反射接收器和车道另一侧蛇 强反射板组成，车辆通过时，反射波被切断而检测到车辆。红外检测器能采集车 辆流蓬、点速度和占甭率等信息。 优点：牲8 缀好、凝度缀毫。 缺点：价格昂贵、设备复杂，易受气候条件及大气中的粉尘或悬浮颗粒影响。 微波检测器 微波筱溺器是按照多营勒效应原理工作。该裣蘅嚣向行驶的车辆反射i o m c 的微波衷黠，波束被车辆阻挡蠢产生反射渡，弓l 起频率变化，经过接收帮签频教 大，输入一个检测髓号，来检测车流量和点速度。 优点：安装简便、安全且不影响交通，维护方便。能同时检测多车道的情况。 袋点：分辨率低、彼术复杂、价格离。 1 i 。4 视频检测技术懿优点嚣缺点“” 1 优点 视频陶像检测技术之所以越来越受重视，是因为其具备许多优点。具体与交 通流箕它裣溺技术福院有戳下特点： f 1 ) 从视频数字图像中可以提取毫威量夔车辆_ 棼_ l 交疆场祭弱镄患，宠残交通 流参数检测的功能更加丰富( 几乎所有的交通流参数均可以邋过视频图像处理技 术来检测) 。 国褫频鹜像技术能检瓣羹大静交邋场景面积，投资少，费鞠低。 够) 视频图缘漫器易予安装和调试，对爨瑟穰主本设麓不会产生玻坏。 ( 4 ) 视频检测便于联网工作，有利于实现道路交通网络化管理。 另外，视频检测还具有它自身的特点，即它能提供视觉的监视能力，实现可 裾信惑的笺录帮保存，兵有离线处理的能力。综上所述，视频检测技术可l 奠被灵 溪地运用在不赋蟾镁域，从复杂妁交透濂量分提裂交遴餐理帮援划，都是_ 分有 效的。 2 缺点 税额检测虽然其有这么多的优点，便是面对如诧复杂的i t s 系统，视频稳测 仍存在不足，这其中一方露受裂一些客戏条饽豹影穗霸终束，篷磐恶劣豹环境条 件下造成输入的图像降质，或者由于采集设备的动态特性和分辨率受到限制，都 基丁幽像处理技术的视频交通流信息检测系统的研制 可能造成检测时出现错误或识别的多义性。另外还有在图像处理算法上的缺陷所 带来检测结果的偏离，比如遮挡和幻觉都会给算法带来_ i 扰。这些存在的不足也 正揭示了其今后研究的发展方向，加快图像处理专用硬件的研制，研究适应性更 强的鲁棒算法，建立更为复杂的数学模型，提高准确性都是该技术今后研究的方 向。 1 2 国内外视频交通流信息检测技术的发展状况 1 2 1 国外的发展状况 虽然世界上已经和j f 在研发视频榆测技术的厂家不少，但真正拥有成熟技术 并在实际使用中得到广泛检验的产品却极少，而美国i s s ( i m a g e s e n s i n g s y s t e m s ) 公司生产a u t o s c o p e 视频检测系统无疑是其中的佼佼者。i s s 公司是全世界第 一个生产视频检测器的厂家。到目前为止，i s s 公司生产的a u t o s c o p e 视频检测 系统已在全世界安装了两万多套，占全世界市场份额的4 5 “”“。多年以来， 在i s s 和f l o wt r a f f i c 公司的不懈努力下，a u t o s c o p e 以其优良的品质和卓越的性 能享誉全世界。从北美洲到南美洲，从欧洲到非洲，从澳洲到亚洲超过5 0 个国家， 已有2 5 0 0 0 个a u l d s c o p e 系统成功地应用于高速公路、城市路口和环路、隧道和 桥梁项目“。 另外p e e k 公司的v i d e ot r a c k9 0 0 和v i d e ot r a c k9 0 5 视频交通流检测产品也 代表了目前视频交通流检测的最高水平。 1 2 2 国内的发展状况 国内对于视频交通检测的研究起步较晚，但是发展迅速。我们所熟知的有已 在许多大、中、小型城市得到实际应用的视频电子警察系统。它采用摄像头作为 图像拍摄主体，运用了电磁感应、图像处理以及数字通信等高科技技术手段，实 现了道路交通无人职守情况下对驾驶员违章行为( 包括闯红灯、单行路逆行、 超速等) 的自动判断和图像记录，并通过图像远程传输及数据库技术，执法部门 可以根据记录的图像所提供的闯红灯车辆的外形、牌照号码，对违章司机进行追 究和处罚。还有基于视频技术的车牌识别系统，能自动实时检测、识别、检索和 记录行进中车辆的车牌“”“。 近年来国内许多科研机构都推出了自己的产品，清华紫光与清华大学合作开 发的新一代视频交通流量检测系统v s 3 0 0 1 ，该系统利用摄像机对交通流进行摄 像，利用计算机图像处理与模式识别技术对连续的交通流图像进行处理，从而获 取道路交通流量信息。上海高德威智能交通系统有限公司在多年视频检测技术研 发及应用经验的基础上推出的新型视频检测产品g d w v d 2 0 0 2 型视频检测器。 它采用了先进的模式识别、图像处理等先进技术，该产品能够对车辆运行过程动 青岛科技人学研究生学位论文 态跟踪，获取全面实时的交通信息。除具有检测区域广、安装运行无干扰、施工 维护方便低耗及可视性等一般视频检测产品的优势外，g d w v d - 2 0 0 2 型视频检 测器还加强了车辆跟踪技术、硬件设计、检测数据处理软件等方面的功能“。 国内虽然有众多的视频检测产品，但是由于图像数据容量大，处理和传输占 用人量的c p u 资源，实时处理性不强，另外易受外界因素影响，气候和光线对摄 像机的影响很大，这样得到的交通信息误差很大。总的来说国内视频检测技术产 品的质量相比国外还有不少差距。 1 3 本课题研究的目的、意义和主要内容 1 3 1 研究目的和意义 交通流信息( 包括车流量，车速度，车道占有率，排队情况等信息) 的检测 是实现i t s 的基础，无论是多么先进的交通系统，都必须建立在对交通信息正确 检测的基础上。因此交通流信息检测技术已成为i t s 领域研究的焦点。 目前，国内外的视频交通流信息采集系统无一例外都是庞大复杂的，同时售 价昂贵，因此视频交通流信息采集系统目前仍然难以作为主要交通检测设备占据 市场。例如，在进行随机的交通流调查时，需要统计不同路段的交通流数据，如 果应用现有的视频检测系统，设备复杂、操作复杂同时价格昂贵，使得很少有人 在交通流调查中使用视频交通流信息采集设备。另外，大多产品的处理算法用硬 件实现，虽然这样会带来处理速度的提高，但是，系统的规模和价格都将随之增 加。在计算机性能同益提高的今天，用软件实现视频图像的处理算法己经可以满 足系统响应速度的要求。 鉴于以上原因，本课题的研究目的，就是旨在探索用最小系统规模实现交通 流信息采集的可能性，系统的结构采用“视频采集设备+ 工控机+ 应用软件”的最 小模式，将不需要进行视场的复杂标定，同时，数字图像的处理用软件实现。除 了能应用于实时交通流信息采集之外，在更多的应用场合，充分发挥系统的简便、 灵活、低廉、高效的优势，拓宽视频图像处理技术在交通流信息采集中的应用范 围。同时，本课题的研究将为图像处理技术其他的应用开发积累经验。 1 3 2 主要内容 本课题以智能交通系统f r r s ) 为背景，以视频图像处理技术为手段，研究和设 计了一个针对城市主要路段和交叉路口的基于视频技术的交通流信息检测系统。 重点对车流量、车速、排队长度等交通流信息检测进行了设计。文章的结构安排 如下： 第二章讲述了交通特性。主要介绍了交通量的定义、分类与特性，车速特 性，车辆密度特性。以及交通量、车速、密度之间的相互关系。 基了图像处理技术的视频交通流信息检测系统的研制 第i 章分绍了蠲豫楚凝与谖翻技术静基本穰念、基本躲理、数学表示模式、 綦本处理方法、应用领域以及展望。 第网章设计了系统的总体方案。出方案对系统所需要的软、硬件资源进行 了选择，并对系统软l 牛模块进行了设计。 第五章视频图像采集的实现。详细阐述了本系统视频采集卡的使用、图像 袋集毂原理以及采鬃过程。 第六章视频图像的预处理模块设计。采用合适的图像处理算法，得到真实 熬交遮场景信息，著绘凄了部分傍真实移j 。 第七章提出了一种熬于图像处理技术的虚拟梭测器枪测交通流参数的方 法。详细介缁了该方法的关键技术瑷及实现交通流参数裣溺的其体方案。 青岛科技大学研究生学位论文 第二耄交通特，陡 道路交通是一个嫠杂的动态和静惫耜互协调的系统，由入、车辆、道路以及 环境等交通腰素所组成。其中，人是交通的主导，车辆是交通的工具，道路怒交 通的基础瓶环境是影响交通的条件。掌握它们的交通特性，对研究交通控制联论、 缳篱交逶安全、检测交遥滚绩患、浚速骧导交逶戳及获褥舒遥魏交通运输环麓具 有重要作用”1 。本章主磷介绍道路的交通量特性、车辆速度与密度特性及它们之 间的相互关系，为后续视频技术中交通流信息参数检测的相关计算提供理论依 据。 2 1 交通鬣特性“7 3 2 1 1 交通濑的定义与分类 交通羹是疆单位隧溺肉逶过道路蘩一颧瑶处鲍遮牙荤元数。当运行单元楚车 辆，刘为车辆交通量；若为行入或自雩予车煲| j 为行入藏自行车交通漾；仅指菜一车 辆时则为该车的交通量。若没有特殊的说明时，这贱交通量均措双向交通量【2 1 。 交通量的分类与其袭达的目的有关。当需要按唰闻来表达时，可分为： ( 1 ) 乎穗疆交：i 藿量翎) 惫e f a g ed a yt r a f f i c ) 当统计大于1 天而小于3 6 0 天的f 1 燮通量时，将该段时间内的总交通量除以该 段时间内的总天数，单位为：辆天，即：v e h d 。 ( 2 ) 年平均曩交通量馘d 联6 n n u a l a v e r a g e d a y t r a f f i c ) 一年中麓平均目交邋漫，即一年中的总的交邋爆除班3 6 5 天，单位为v e h d 。 ( 3 ) 月平均日交通量m a j ) 1 i m o n t l la v e r a g ed a yt r a f f i c ) 将一个月的交通量总和除以一个月的天数，单位为v e h d 。 ( 乎浚嚣交通量w a d t ( w e e k a v e r a g ed a y t r a f f i c ) 将一周内的交通量总和除以7 天，单位为v e h d 。 ( 5 ) 年平均月交通量a a m t ( 血n u a l 押e r a g em o n t ht r a f f i c ) 将一年内的交通总和除跌1 2 ，单位v e h m 。 囤年黢大，l 、对交邋爨m a k h ( m o s t a n n u a lh o u r ) 一年内备小时交通量中的最大值，单位为v e h h 。 f 7 1 年3 0 位最大小时交通量3 0 h v ( 3 0h o u rv e h i c l e s ) 季荽一年中数枣辩交遴爨接照太小袄次j 蘩。第3 0 位酌量辩交逶餐，单位挎 v e h h 。 ( 8 ) 高峰小时交通量p h v ( p i n n a c l e h o u rv e h i c l e s ) 通常指一目的上午或下午的一定时阕内出现的矮大小时交邋爨，单位为 基丁：图像处理技术的视频交通流信息检测系统的研制 v e h h 。 ( 9 ) 设计小时交通量d h v ( d e s i g n h o u rv e h i c l e s ) 按照交通量的发展而选定某道路设计年限制的小时交通量，单位为v e h h 。 按照交通物的类型可分为机动车交通量、非机动车交通量和行人交通量。 机动车交通量还可分为汽车交通量、公共汽车交通量、摩托车交通量等派生出的 交通量。 按照所测断面的位置可将交通量分为双向交通量、单向交通量( 由西向东和 由南向北为上交通量，反之为下交通量) 、车道交通量、人行道行人交通量、路 段交通量、交叉口交通量和人行道地道或人行天桥交通量等【1 8 1 。 2 1 2 交通量的时间分布特性 1 年变化 交通量逐年变化，简称年变，可以用年变化图表示，它在长期的统计后，在 一定情况下可预测适当年限内的交通量的增长趋势。其以年份为横坐标，以逐年 的年平均日交通量为纵坐标，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 年交通量变化图 f i g 2 - 1t h ec h a n g i n gd i a g r a mo f t r a f f i cf l o way e a r 2 月变化 一年内各个月的交通量变化称为月变化，一年为周期。将各月份依次作为横 坐标，以月平均日交通量占全年平均日交通量的百份数作纵坐标，绘制成曲线图， 称为月交通量变化图，简称月变图，如图2 2 所示。从图2 2 月变图可以看出，交 通量的变化与气候、经济、节假日有关。 青岛科技大学研究生学忧论文 暇2 - 2 月交通量变化图 f i g 2 - 2 t h e c h a n g i n g d i a g r a m o f t r a f f i c f l o wa y e a r 年平均f = i i 交通量与月平均日交通量之比，称为月变系数或月换算系数、月 不均衡系数，用k m 表示，即 黼a o n _ _ 堕萨r 器需：挚 弘，) 脚m 平均陂髓砉霉氆 - 叫 式中，嚣为嚣当天数，全年乎鹭为3 6 5 ：天，阉年为3 6 6 天。为避免酒年、慧翅， 可将年平均日交通量采用以下计算： a a d 强! ! 尘旦堕旦! 塑旦銮望量璺塑 1 2 ( 2 2 ) 3 溺蜜恁 一周内交通量的变化，简称周变。周变可用周e 1 变系数姗及周交通变化圈 来表示，周日变化系数又称交通量周不均匀系数。 。1 y w a d t , k w 2 器餮警= 笔 ( 2 - 3 )观测日交通量籼z 式中， w a o r , 为星欺j 的年平均匿交潺量( v e h d ) 。铡如全年有5 3 个星期慝，熟 全年的星期日交通量总和为1 6 5 7 8 3 v e h ，则星期日的m 协z = 1 6 5 7 8 3 5 3 v e h d 。 图2 3 为周交通量变化图，从图上可以看出一周内的交通量变化，它对交通爆 蛰剿与控载窍蓑缀好豹撂嚣意义。 1 5 0l 五豫吁( ) 1 2 0 ；厂 1 1 0 v 、 1 0 0 芷 一! = 一j 一j _ 一上+ 星期日 一 二三 四血 六面目 匿2 - 3 周交遁虽的变化嘲 f i g 。2 - 3t h ec h a a g i n gd i a g r a mo f t r a f f i cf l o waw e e k 4 时变化 每天每4 , n 的交n n 均在不断地变化，它的变化以一昼夜为周期，一般白天 交逶量最大，尤其上在上下班融候载交遥量更大。枝瓣交逶量最小，龙其是在涤 基丁图像处理技术的视频交通流信息检测系统的研制 夜交通量更小。小时交通量的变化可用小时交通量变化图( 即时变图) 和某时段 的交通量变化图来表示。网2 4 为一昼夜的小时交通量变化图，它以h 作为横坐标， 以某小时或某时段的交通量占全日交通量的百分数为纵坐标。当以时段表示每小 时变化时，常用1 6 ( 6 ：o o 一2 2 ：0 0 ) 或1 2 ( 6 ：0 0 1 8 ：o o ) 或1 8 ( 4 ：0 0 2 2 ：0 0 ) 来表示。 图2 - 4 交通量时变图 f i g 2 - 4t h ec h a n g i n gd i a g r a mo ft f d 茄cf l o wah o u r ( 1 ) 高峰小时交通量：p h v 某一高峰交通量相应的小时时段称为高峰小时，相应的交通量为高峰小时交 通量。高峰小时交通量在一天内上午和下午各出现一次。高峰小时交通量占该天 全天交通量之比称为高峰小时流量比( ) ，它反映高峰小时交通量的集中程度。 ( 2 1 高峰小时系数纠杼 高峰小时系数既坩( p i n n a c l eh o u rf a c t o r ) 是高峰小时交通量与高峰小时内交 通量最大的某一时段( 一般为5 m i n 、1 0 r a i n 或1 5 m i n 作为一时段) 扩大为1 矗交通 量之比，其表达式为： 嘲2 而嘉羰( 2 - 4 ， 2 2 车速特性 车辆行驶路程与相应时间之比称为车速。它是交通管理与控制中的一个重要 指标，它对道路规划、道路设计、车辆运行效率、交通管理与控制等均具有重要 的意义。车速在不同的使用目的中有各种不同的表达形式，车速分为通用车速、 地点车速、运行车速、行驶车速、行程车速、临界车速、设计车速、驾驶车速 等类别【3 】【6 。道路、交通量、驾驶员的驾驶技术、环境条件等都是影响车速的因 素。 2 3 车辆密度特性 当交通量为0 时，不能说明这时没有车辆，而是有两种情况，一是道路上没有 h 9 8 7 6 5 4 3 2 l 青岛科技大学研究生学位论文 车辆行驶；二是车速为0 ，有车而不流，即阻塞。因此，这种情况不能只用交通 量来描述交通状况，而采用交通密度描述交通状况【2 】o 所消交通密度，是指单位长度的道路上，在某瞬时间的车辆总数称为交通 密度。为使车流有可比性，对于同一条道路，可以不考虑车道仅考虑方向来比较： 对于不同车道数的不同道路应采用单车来定义密度，即在单位氏度的道路上，一 个车道或一个方向上某瞬时的车辆数为车流密度。密度以口表示，其单位为v e h l o n 3 1 。 交通密度是双向车流的密度，车流密度是某一方向的密度。例如某条道路因 在道路的一边临时处理事件而暂停通行，这一边的瞬时车速为零、交通量为零， 密度达到阻塞密度；而另一边允许通行，这说明用方向性和车道来反映密度更确 切。密度是衡量车流畅通状况的重要指标。 p：了n(2-5) 工 式中，j 9 为交通密度，单位为v e h k m ；为路段长度内菜一瞬间的车辆数， 单位为v e h ；l 为路段长度，单位为k m 【6 】。 2 4 交通量、车速、密度之间的相互关系乜3 帕 连续不断的车辆在道路卜行驶，形成车流，称作“交通流”。交通量q 、行车速 度v 和车流密度p 是表征交通流特性的三个基本参数，它们之间的基本关系是 q = p v( 2 6 ) 式中q 为平均交通量，单位为v e h hv 为空间平均车速，单位为l o n h ；p 为平 均交通密度，单位为v e h i o n 。 2 4 1 速度与密度关系 车速与密度的关系，通常有线性关系、指数关系、对数关系和复合曲线关系 等。 1 线性关系 根据大量的实验结果，美国专家格林希尔茨提出： k = c l + c 2 p( 2 7 ) 式中，c 1 ，c 2 为待定系数；u 、p 符号同前。 当趋近为0 时，k 2 ( p ，为自由行驶速度) ，q 3 叶；当p 2 p ，v = o ，则 c 2 2 v ，p i ，因此 基于图像处理技术的视频交通流信息检测系统的研制 k2”，(1-岛p)(2-8) 式中k 为空间平均车速，单位为k m h ； v ，为自由车速，单位为i o n h ；p 为车 流密度，单位为v e h k m ：p ，为阻塞密度，单位为v e h k m 。 这种关系模型简单直观，如图2 7 所示。 d 冉黯# l l 图2 - 7v - p 线性关系图 f i g 2 - 7t h el i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nva n d p 2 指数关系 当交通密度较小时，可采用图2 - 8 所示的指数模型来描述，其表达式为： k 2 v 1 e ” 式中，e 为自然对数底，其他符号同前。 图2 - 8v - p 指数关系 f i g 2 8t h ee x p o n e n tr e l a t i o nb e t w e e nva n d p 踟 l 穗燃确f 、 一1 4 一 ( 2 9 ) 青岛科技人学研究生学位论文 图2 - 9 v - p 对数关系 f i g 2 - 9t h el o g a r i t h mr e l a t i o nb e t w e e nva n dp 3 对数关系 当交通密度很大时，格林柏又提出用对数关系处理： k ：k 1 n ( 1 2 )( 2 1 0 ) 式中， k 为空间平均车速，单位为t 扰肺；v为临界速度，单位为k m h ：其他符 号同前。格林柏提出的v - p 对数关系模型如图2 - 9 所示。该模型在交通密度较小( p v 卅时为不拥挤 交通。 2 4 4 交通量、车速、密度的三轴关系 q 、v 、p 三个交通参数作为一条三轴空间曲线，可分别在三个平面卜反映， 如图2 1 2 所示。它们的相应坐标在相邻的平面上是相对应的。在图2 1 2 可以看出： ( 1 ) 当p = o ，v = v s ，q = o y 0 自由流状态； ( 2 ) 当0 p ，y m v v ，日= g 卅，为非拥挤状态； ( 3 ) 当p = p 卅时，v = v 卅，日= ，为临界状态； ( 4 ) 当n p p f 时，o v v r a q = 官，为拥挤状态； ( 5 ) 当p = p i 时，v = o ，q = o ，为阻塞状态 青岛科技大学研究生学位论文 h h 图2 - 1 2 q - v , v - p ，q - p 的关系曲线图 f i g - 2 1 2t h er e l a t i o ng r a p hb e t w e e nqa n dp ，ya n d p ，qa n d p 2 5 本章小结 本章重点介绍了交通量的分类及其按时间的分布特性，车速特性与车辆密度 特性。并详细阐述了交通量、车速与车辆密度三者之间的关系，给出一些关系曲 线图。由此我们可以看出交通量、车速和车辆密度是交通流信息检测中最为重要 的三个参数，本文对这三个参数的检测作了重点的描述，详细介绍参见第七章。 基丁图像处理技术的视频交通流信息检测系统的研制 第三章图像科学综述 近死年来，图像楚淫与识裂授术释到了迅速的发震。现在入们已充分认汉到 图像处理和谈别技术是认识世爨、改造睦爨豹重要手段。曩蘸它已瘦弱予许多壤 域，成为2 1 世纪信息时代一门重要的高新科学技术。本章通过介缁图像处理与 识跏技术的基本概念、熬本原理、数学表示模式、基本处理方法、应用领域与展 望，为后续章节鬻述豹内容提供了详细的背景翔识。 3 重弓l 言 3 。1 1 图像处鹫与误爨接零摄述” 图像就是用各种观测系统以不同形式和手段观测寮观燃秀丽获得的，可以鏖 接或问接作用于人眼而产生视觉的实体。科学研究和统计袭明，人类从外界获得 的信怠约7 5 宋啻予视街系统，毽就是说，人类的大部分信息都是从图像中获取 的。 图像处理是人类视觉延伸的重要手段，w 以使人们看到在任意波长上所测撂 到的图像。例如，借助伽马相机、x 光机、人们可以看到红外线和超声图像；借 麓c t 可看至l 物体内部的断瑟图像；借劲和应工舆可看到立体图像和削视阁像。 图像汉别艨讨谂躲藏题，足硬究眉计葵热代替人工鑫凄楚理大量麴物毽信惑， 解决人类生理器官所不自b 识别的问题，从而部分代替人的脑力劳动。 3 1 2 图像处理与识别的应用领域和技术内容 1 应用领域剃1 目前，图像处理与识别技术黪 差要应用领域蠢生物医学、文件处理、工韭捡 测、机器人视觉、货物检测、邮政编码、金融、公安、银行、机械、交通、电予 商务和多媒体网络通信等领域。 2 技术肉窑 图像处理就是将图像转化成一个数字矩陇莓放在计葵枧中，著采耀一定黪算 法对其进行处理。图像的基础是数学，最主要的任务就是各种算法的设计和实现。 目前的图像处理技术已经在许多不同的应用领域里得到重视，并取得了巨大的成 裁。校据癍矮豹领域熬不离婺浓，可浚将图像处毽技术麓