移動偵測在交通燈視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

相關(guān)背景

傳統(tǒng)的視頻交通紅綠燈違章監(jiān)控系統(tǒng)采用地埋感應(yīng)線圈,將車輛通過信息和紅綠燈信息經(jīng)過一個檢測單元處理后再送到拍攝主機(jī)決定是否進(jìn)行拍攝。這種傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)是在道路修好后再建設(shè)紅綠燈交通管理設(shè)備,所以在埋放地埋感應(yīng)線圈時(shí)會對道路造成破壞。特別是當(dāng)?shù)芈窀袘?yīng)線圈故障時(shí),維修、更換都很不方便,也會對道路造成嚴(yán)重?fù)p壞。采用基于計(jì)算機(jī)圖象處理的視頻移動偵測技術(shù),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過攝相機(jī)對道路上的移動物體進(jìn)行車輛識別,而不需要地埋感應(yīng)線圈。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對識別的運(yùn)動車輛結(jié)合信號燈狀態(tài)信號處理后,自動對違章車輛進(jìn)行拍攝取證。在建設(shè)和維修時(shí)都不會對道路造成損害。

交通違章監(jiān)控系統(tǒng)示例一、采用移動偵測技術(shù)的可行性

視頻動態(tài)偵測(VMD)技術(shù)是通過對攝像機(jī)拍錄的圖像序列進(jìn)行自動分析,實(shí)現(xiàn)對動態(tài)場景中運(yùn)動物體的定位、識別和跟蹤,并在此基礎(chǔ)上分析和判斷運(yùn)動物體的行為,來監(jiān)控和確定現(xiàn)場發(fā)生的情況。計(jì)算機(jī)里的MPEG視頻流由3類編碼幀組成,它們分別是關(guān)鍵幀(I幀),預(yù)測幀(P幀)和內(nèi)插雙向幀(B幀)。I幀按JPEG標(biāo)準(zhǔn)編碼,獨(dú)立于其他編碼幀,它是MPEG視頻流中唯一可存取的幀,每12幀出現(xiàn)一次。截取連續(xù)的I幀,經(jīng)過解碼運(yùn)算,以幀為單位連續(xù)存放在內(nèi)存的緩沖區(qū)中,再利用函數(shù)在緩沖區(qū)中將連續(xù)的兩幀轉(zhuǎn)化為位圖形式,存放在另外的內(nèi)存空間以作比較之用,此方法是通過背景差分分析,從而獲取畫面變化信息。目前國產(chǎn)某視頻采集卡用的是背景差分和時(shí)間差分相結(jié)合的一種幀差分的算法。通過計(jì)算兩個有一定時(shí)間間隔的幀的象素差分獲得場景變化。這種算法對用于野外自然環(huán)境,比較合適,可以有效降低自然光線變化的干擾。主要特點(diǎn)如下：

1)可以設(shè)置多個運(yùn)動檢測區(qū)域和速度狀態(tài)等參數(shù)。設(shè)置1-99個有效的矩形區(qū)域,還可以設(shè)置快速和慢速兩種運(yùn)動檢測狀態(tài)?？焖贆z測是對每隔兩幀的兩幀數(shù)據(jù)進(jìn)行差分運(yùn)算,慢速檢測是指對相隔12幀以上的兩幀數(shù)據(jù)進(jìn)行差分運(yùn)算。

2)可以根據(jù)需要設(shè)定閾值量。

因?yàn)榻?jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)的ITu656YUV4∶2∶2格式,而人眼又是對亮度最敏感,為了簡化算法,提高效率,直接對亮度(Y)值進(jìn)行處理。對于某個檢測區(qū)域內(nèi)每個象素點(diǎn)(x,y),T時(shí)刻與T-n時(shí)刻亮度(Y)的差值為Mx,y(T)=||Yx,y(T)-Yx,y(T-n)||,IF||Mx,y(T)-Mx,y(T-n)||≥TaTHENL=TRUE,得到區(qū)域差分系數(shù)IMsum=ΣL

實(shí)際決定是否報(bào)警,可由整個設(shè)置檢測區(qū)域的IMsum值來判斷。報(bào)警=真,IF||ΣIMsum()||≥Tb。報(bào)警=假,ELSETa,Tb為適當(dāng)閾值量。

在CIF格式下,整個畫面的分辨率是352×288(PAL),按16×16像素宏塊大小來劃分整個檢測區(qū)域,宏塊內(nèi)的像素點(diǎn)是逐點(diǎn)從左到右,從上到下進(jìn)行差分運(yùn)算并得到宏塊差分系數(shù)。整個檢測區(qū)域又是按16×16的宏塊從左到右,從上到下進(jìn)行掃描,最后計(jì)算出整個區(qū)域的差分系數(shù)。

3)容易獲取運(yùn)動檢測結(jié)果。

如果整個區(qū)域的差分系數(shù)大于設(shè)定的閾值,置報(bào)警狀態(tài)并實(shí)時(shí)將每個檢測區(qū)域的宏塊差分系數(shù)都返回。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的快速和慢速兩種檢測狀態(tài),對畫面進(jìn)行不間斷的分析處理,并返回結(jié)果,直到停止運(yùn)動檢測。如果整個區(qū)域的差分系數(shù)小于設(shè)定的閾值,復(fù)位報(bào)警狀態(tài)。

二、移動偵測常用方法舉例1、背景減除（BackgroundSubtraction）

背景減除方法是目前運(yùn)動檢測中最常用的一種方法，它是利用當(dāng)前圖像與背景圖像的差分來檢測出運(yùn)動區(qū)域的一種技術(shù)。它一般能夠提供最完全的特征數(shù)據(jù)，但對于動態(tài)場景的變化，如光照和外來無關(guān)事件的干擾等特別敏感。最簡單的背景模型是時(shí)間平均圖像，大部分的研究人員目前都致力于開發(fā)不同的背景模型，以期減少動態(tài)場景變化對于運(yùn)動分割的影響。

2、時(shí)間差分（TemporalDifference）

時(shí)間差分（又稱相鄰幀差）方法是在連續(xù)的圖像序列中兩個或三個相鄰幀間采用基于像素的時(shí)間差分并且閾值化來提取出圖像中的運(yùn)動區(qū)域。時(shí)間差分運(yùn)動檢測方法對于動態(tài)環(huán)境具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，但一般不能完全提取出所有相關(guān)的特征像素點(diǎn)，在運(yùn)動實(shí)體內(nèi)部容易產(chǎn)生空洞現(xiàn)象。

3、光流（OpticalFlow）

基于光流方法的運(yùn)動檢測采用了運(yùn)動目標(biāo)隨時(shí)間變化的光流特性，如Meyer等通過計(jì)算位移向量光流場來初始化基于輪廓的跟蹤算法，從而有效地提取和跟蹤運(yùn)動目標(biāo)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是在攝像機(jī)運(yùn)動存在的前提下也能檢測出獨(dú)立的運(yùn)動目標(biāo)。然而，大多數(shù)的光流計(jì)算方法相當(dāng)復(fù)雜，且抗噪性能差，如果沒有特別的硬件裝置則不能被應(yīng)用于全幀視頻流的實(shí)時(shí)處理。

4、直方圖法幀間差分對照明變化和鏡頭移動非常敏感。視頻幀的直方圖是用于在視頻序列中可鑒別變化的多種樣條,它可以避免這類敏感性,而就有關(guān)圖像的外形提供一個總體描述。直方圖可通過度量全部圖像中象素的概率分布來計(jì)算。

當(dāng)然,在運(yùn)動檢測中還有一些其他的方法,運(yùn)動向量檢測法,適合于多維變化的環(huán)境,能消除背景中的振動像素,使某一方向的運(yùn)動對象更加突出的顯示出來,但運(yùn)動向量檢測法也不能精確地分割出對象三、移動偵測的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

由視頻采集卡上的DSP(數(shù)字信號處理器)上實(shí)現(xiàn)視頻信號的MPEG4/H264實(shí)時(shí)編碼。視頻采集卡的功能模塊如圖所示。

檢測功能模塊

標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號(彩色或黑白)是亮度信號和色度信號通過頻普間置疊加在一起的,經(jīng)過A/D芯片的解碼,將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號,產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的ITU656YUV格式的數(shù)字信號以幀為單位送到編碼卡上的DSP和內(nèi)存中。通過ICP(imagecoprocessor圖象協(xié)處理器)處理模塊后,YUV數(shù)據(jù)在DSP中加上OSD(字符時(shí)間疊加)和LOGO(位圖)等,復(fù)合后通過PCI總線送到顯存中,供視頻實(shí)時(shí)預(yù)覽用,還將復(fù)合后的數(shù)據(jù)送到編碼卡的內(nèi)存中,供編碼使用。由ENCODER(編碼)模塊將編碼卡內(nèi)存中的YUV數(shù)據(jù)送到MPEG4/H264編碼器中,產(chǎn)生壓縮好的碼流,送到主機(jī)內(nèi)存中,供錄像或網(wǎng)絡(luò)傳輸使用。由MOTIONDETECT處理模塊對編碼卡內(nèi)存中的以幀為單YUV數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

在實(shí)際的視頻交通紅綠燈違章監(jiān)控系中,通常是單方向設(shè)置T+1個攝相機(jī),T表示車道數(shù)。一個場景攝相機(jī),T個車道攝相機(jī)。場景攝相畫面包括整個紅燈禁行路面和交通燈,車道攝相畫面僅監(jiān)控對應(yīng)車道的紅燈禁行區(qū)。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中,也是一個車道對應(yīng)一個地埋線圈,靠當(dāng)有車輛經(jīng)過時(shí),線圈給出一個點(diǎn)信號來識別車輛。也有許多其他方法識別車輛,比如有車輛投影陰影分割法等。如果用視頻移動偵測技術(shù)來識別車輛,關(guān)鍵是能讓計(jì)算機(jī)區(qū)別道路上行使的車輛和其他運(yùn)動物體的差別,能找出行使車輛的特征。車輛和道路上其他的運(yùn)動物體(比如人)相比有兩大差別:體積大和速度快。從下圖的現(xiàn)場照片可以看出:除了場景攝相機(jī)畫面(圖a)外,在車道監(jiān)控?cái)z相畫面中,無論是大型車還是小型車,在視頻畫面里都占據(jù)大部分畫面。在運(yùn)動速度上,一般情況下,行使中車輛的運(yùn)動速度和方向上比道路上的人或其他物體的運(yùn)動速度有很明顯差別。因此,可以把體積和速度、運(yùn)動方向作為車輛識別特征。

利用移動偵測技術(shù),將視頻監(jiān)控區(qū)域分割成多個偵測區(qū)域。比如4個,設(shè)置恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)動強(qiáng)度和閾值量。當(dāng)這四個區(qū)域的同時(shí)有運(yùn)動物體出現(xiàn)而且滿足所設(shè)定運(yùn)動強(qiáng)度條件等參數(shù),可以確定運(yùn)動物體是車輛?，F(xiàn)場畫面圖像區(qū)域分割軟件實(shí)現(xiàn)四、結(jié)束語

在實(shí)際應(yīng)用中,為了區(qū)別車輛和其他移動物體,降低光線的影響,選取的運(yùn)動強(qiáng)度和閾值量都為遲鈍級。這樣慢速運(yùn)動的物體不會引發(fā)報(bào)警。在車道監(jiān)控?cái)z相機(jī)拍照違章車輛的兩張照片選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔,才能表現(xiàn)車輛在運(yùn)動。用移動偵測技術(shù),能較好的取代地埋線圈來識別車輛。在夜晚需要補(bǔ)光減低誤識別率。參考文獻(xiàn)1、ZHUBB;YUANC;WANGYDScalableprotectionforMPEG-4finegranularityscalability[外文期刊]2005(02)。2、江東;曾亞光機(jī)動車視頻測速系統(tǒng)及主要問題分析[期刊論文]-中國測試技術(shù)2007(05)。3、王強(qiáng);王友仁;王永明基于場景匹配與可重構(gòu)技術(shù)的自適應(yīng)道路檢測[期刊論文]-傳感器與微系統(tǒng)2006(01)。4、張繼平;劉直芳背景估計(jì)與運(yùn)動目標(biāo)檢測跟蹤[期刊論文]-計(jì)算技術(shù)與自動化2004(04)。5、MANJUNATHBS;OHMJR;VASUDEVANVVColorandtexturedescriptors2001(06)。6、何峻峰運(yùn)動檢測技術(shù)在數(shù)字化監(jiān)控中的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用2008。7、LIUJ;LIB;ZHANGYAnend-to-endadaptationprotocolforlayeredvideomuhicastusingoptimalrateallocation[外文期刊]2004(06)。8、劉肅亮;李勁華違章逆行智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[期刊論文]-計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)2007(0