基于視頻分析的車輛跟蹤與行為識(shí)別研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙編號(hào)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目基于視頻分析的車輛跟蹤與行為識(shí)別研究

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信承諾書本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（題目：基于視頻分析的車輛跟蹤與行為識(shí)別研究）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。作者簽名：年月日（學(xué)號(hào)）：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙-34-基于視頻分析的車輛跟蹤與行為識(shí)別研究摘要隨著世界科技水平與科學(xué)生產(chǎn)力的普遍提高，汽車已經(jīng)成為最常見的交通工具，道路交通安全的形勢(shì)也愈加嚴(yán)峻。交通安全的保障不僅僅需要駕駛?cè)藛T素質(zhì)的提高，還需要道路交通管理部門的嚴(yán)格監(jiān)督和交通法規(guī)的有效執(zhí)行。目前，基于視頻分析的道路交通管理系統(tǒng)正日益取代人工管理方式，成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域研究的熱門。本文利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，就車輛壓雙黃線行為的檢測(cè)和識(shí)別工作，按步驟進(jìn)行了詳細(xì)論述。首先，利用均值法進(jìn)行背景建模，再用背景差法提取出運(yùn)動(dòng)前景，并通過形態(tài)學(xué)處理技術(shù)對(duì)前景進(jìn)行初步優(yōu)化處理；其次，提出自定義“感興趣區(qū)域”的觀點(diǎn)，將雙黃線區(qū)域標(biāo)記為“感興趣區(qū)域”；最后，對(duì)“感興趣區(qū)域”中的運(yùn)動(dòng)前景部分進(jìn)行檢測(cè)和加框提醒，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓雙黃線車輛的檢測(cè)和識(shí)別。本文提出的算法簡(jiǎn)單可行，且成功實(shí)現(xiàn)對(duì)違規(guī)車輛的識(shí)別，具有重要的實(shí)際意義，對(duì)交通管理事業(yè)也有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：視頻分析，車輛跟蹤，行為識(shí)別，背景建模

ResearchonvehicletrackingandbehaviorrecognitionbasedonvideoanalysisAbstractWiththedevelopmentoftheworld'sscientificandtechnologicallevelandthescientificproductivity,carshavebecomethemostcommonmeansoftransportation.Trafficsafetysituationisevenmoreserious.Toguaranteethetrafficsafety,notonlyneedstheimprovementofdriver’squality,butalsoneedsthestrictsupervisionandeffectiveimplementationoftrafficlawsbytrafficmanagement.Atpresent,thetrafficmanagementsystembasedonvideoanalysis,increasinglyreplacingmanualmanagementmode,hasbecomeahotresearchpointofcomputervisionfield.Inthispaper,byusingthetechnologyofdigitalimageprocessing,thevehicledetectionandrecognitionofthecarswhichpresseddoubleamberlinesarediscussedaccordingtothestepsindetail.Firstly,weusetheaveragemethodforbackgroundmodelingtogetthebackground.Thenusethebackgroundsubtractionmethodtoextractthemovingforegroundandpreliminarilyoptimizetheforegroundthroughmorphologicalprocessing;secondly,presenttheviewpointofthecustom"regionofinterest"andmarkthedoubleamberlinesareaasthe"regionofinterest";finally,detectandframetoremindthemovingobjectsinthe"regionofinterest".Thenthevehicleswhichpresseddoubleamberlineswillbedetectedandrecognized.Inthispaper,theproposedalgorithmissimpleandfeasible.Andtheimplementationofidentificationofillegalvehiclehasimportantpracticalsignificance,alsohassomereferencevaluetothetrafficmanagement.Keywords:videoanalysis;vehicletracking;behaviorrecognition;backgroundmodeling

目錄摘要 iiiAbstract iii目錄 iii第一章緒論 -3-1.1研究背景及意義 -3-1.1.1研究背景 -3-1.1.2研究意義 -3-1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 -3-1.3本文主要研究工作 -3-1.4章節(jié)安排 -3-第二章車輛檢測(cè)技術(shù) -3-2.1常用方法分類 -3-2.2常見背景差分法 -3-2.2.1基于均值法和中值法的背景提取 -3-2.2.2自適應(yīng)背景更新的背景提取 -3-2.2.3基于混合高斯算法的背景建模 -3-2.3本章小結(jié) -3-第三章行為識(shí)別技術(shù) -3-3.1個(gè)體車輛行為識(shí)別 -3-3.1.1軌跡聚類 -3-3.1.2模型建立 -3-3.1.3模型匹配 -3-3.1.4其他方法——基于實(shí)際場(chǎng)景信息的異常檢測(cè) -3-3.2交通流異常檢測(cè) -3-3.3本章小結(jié) -3-第四章基于視頻分析的車輛跟蹤與行為識(shí)別算法設(shè)計(jì) -3-4.1運(yùn)動(dòng)前景提取 -3-4.1.1均值法背景建模 -3-4.1.2背景差法提取前景 -3-4.2車輛前景處理 -3-4.2.1樹枝噪聲濾除 -3-4.2.2車輛分體現(xiàn)象處理 -3-4.2.3行人噪聲干擾處理 -3-4.3車輛行為識(shí)別 -3-4.3.1提取“感興趣區(qū)域” -3-4.3.2利用“感興趣區(qū)域”識(shí)別 -3-4.3.3算法優(yōu)化 -3-4.4本章小結(jié) -3-第五章壓雙黃線行為識(shí)別實(shí)驗(yàn) -3-5.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) -3-5.1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?-3-5.1.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 -3-5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果 -3-5.2.1運(yùn)動(dòng)前景提取 -3-5.2.2車輛前景優(yōu)化 -3-5.2.3壓雙黃線行為識(shí)別 -3-5.3結(jié)果分析 -3-第六章總結(jié)與展望 -3-6.1工作總結(jié) -3-6.2未來展望 -3-參考文獻(xiàn) -3-致謝 -3-第一章緒論1.1研究背景及意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界生產(chǎn)力水平普遍加強(qiáng)，汽車這種本來很奢侈的交通工具也變得隨處可見。誠(chéng)然，汽車給很多人帶來了便捷，但隨之而來的是日益嚴(yán)重的交通擁堵和交通事故問題。城市的道路規(guī)劃有限，而汽車的數(shù)量卻在逐年猛增，用有限的道路去容納不斷增長(zhǎng)的車輛，這就給城市規(guī)劃和交通管理帶來了巨大的壓力。1.1.1研究背景目前我國(guó)的交通狀況主要有以下幾個(gè)問題：車輛過多導(dǎo)致交通堵塞，城市道路設(shè)施無法滿足車輛需求；不恰當(dāng)?shù)牡缆芬?guī)劃，造成資源浪費(fèi)；駕駛員整體素質(zhì)較低，交通違章現(xiàn)象嚴(yán)重；車輛監(jiān)管和懲處力度不夠等。據(jù)交通局發(fā)布的消息，截至2012年6月底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量已超過兩億輛[1]。機(jī)動(dòng)車市場(chǎng)的迅猛發(fā)展造成道路資源迅速消耗殆盡，目前全國(guó)已有多個(gè)城市實(shí)行機(jī)動(dòng)車單雙號(hào)限行，盡管如此，許多城市在上下班高峰期仍然出現(xiàn)嚴(yán)重的擁堵現(xiàn)象。機(jī)動(dòng)車的迅速增加還帶來了交通事故的直線上升，統(tǒng)計(jì)顯示在2001年到2010年這十年里，有近90萬的交通事故，在這些交通事故中，有80%~85%都是因?yàn)檐囕v違章駕駛造成的，這些違反交通規(guī)則的行為統(tǒng)稱為車輛異常行為[2]。車輛異常行為危害極大，必須有效地制止這一問題。智能交通管理系統(tǒng)（IntelligentTransportSystem，ITS）應(yīng)運(yùn)而生，它是一種新型有效的交通管理方式。ITS起源于美國(guó)，早在上世紀(jì)80年代美國(guó)就開始了相關(guān)技術(shù)的開發(fā)和利用。歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家也緊隨其后，相繼投入了大量的資金和人力進(jìn)行研發(fā)，目前全球正在形成新的ITS研究熱潮，ITS產(chǎn)業(yè)也得到迅速發(fā)展。ITS的研究與應(yīng)用離不開交通監(jiān)控，如何有效地對(duì)車輛進(jìn)行檢測(cè)跟蹤與行為識(shí)別是其中的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的交通監(jiān)控手段主要是通過在道路上安裝攝像頭，將拍攝的視頻訊號(hào)傳至監(jiān)控中心，利用人工方式進(jìn)行分析，顯然這種方式工作量大，耗時(shí)費(fèi)力。而利用紅外線、地感線圈等進(jìn)行判斷的方式雖然實(shí)時(shí)性好、準(zhǔn)確性高，但施工力度大、后期維護(hù)復(fù)雜且成本較高，同樣具有很大的局限性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的處理能力逐步提高，智能視頻處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用也成為可能，漸漸有取代車輛檢測(cè)傳統(tǒng)方法的趨勢(shì)。通過對(duì)視頻中車輛進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別[3]，進(jìn)而分析其行為，判斷出交通異常情況，從而對(duì)潛在交通事故發(fā)出預(yù)警，最后利用適當(dāng)?shù)慕煌刂品绞?，可以有效減少和避免交通事故的發(fā)生。并且即使有交通異常發(fā)生，也能快速地自動(dòng)檢測(cè)，使管理人員能及時(shí)采取措施，解決問題從而避免更大范圍的人員及財(cái)產(chǎn)損失。1.1.2研究意義顯然，對(duì)車輛檢測(cè)和異常行為識(shí)別的研究與應(yīng)用不僅能緩解交通壓力，提高道路運(yùn)行效率，而且可以有效避免交通事故產(chǎn)生，對(duì)于促進(jìn)安全社會(huì)、和諧社會(huì)的建設(shè)有著積極的推動(dòng)作用。同時(shí)，對(duì)于與之相關(guān)的技術(shù)也有一定的促進(jìn)作用，尤其是對(duì)計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的其他研究領(lǐng)域，因?yàn)槠渲饕夹g(shù)相關(guān)性大，所以對(duì)車輛跟蹤技術(shù)的研究可以為其他技術(shù)的發(fā)展方向提供引導(dǎo)，同時(shí)也為其他技術(shù)提供了基礎(chǔ)技術(shù)上的保障，使得各種技術(shù)在相互推動(dòng)中共同發(fā)展。現(xiàn)在的車輛跟蹤技術(shù)在車輛上的應(yīng)用其實(shí)只是車速保持，而不是自動(dòng)識(shí)別路面上的車輛情況，也不能自動(dòng)控制車輛的變速和變向[4]。當(dāng)車輛跟蹤和行為識(shí)別技術(shù)成長(zhǎng)到一定階段后，不僅交通局的管理會(huì)變得簡(jiǎn)單，自動(dòng)駕駛也將成為可能，人們的生活質(zhì)量將得到極大的提高。通過基于視頻分析的車輛檢測(cè)和跟蹤技術(shù)，能夠?qū)﹃J紅燈、違章變線、車道逆行等違章駕駛行為進(jìn)行記錄，可以極大地減少交警的工作壓力，讓他們有更多的精力實(shí)施對(duì)這些違章駕駛?cè)耸康膽土P教育。同時(shí)還能帶動(dòng)駕駛?cè)藛T素質(zhì)的提高，對(duì)安全駕駛理念的推廣有著極為重要的作用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀上世紀(jì)90年代初，隨著車輛的逐漸普及，以及車輛普及所帶來的交通堵塞和交通事故問題的加劇，交通管理技術(shù)得到越來越多的重視。加上智能交通系統(tǒng)（ITS）的誕生，使得交通管理愈加趨向自動(dòng)化、智能化。以美國(guó)為代表的各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家和組織都致力于現(xiàn)代交通管理所需技術(shù)的研發(fā)，極大地推動(dòng)了智能交通管理系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。目前國(guó)際上知名的交通系統(tǒng)有：美國(guó)ISS公司的AUTOSCOPE系統(tǒng)、比利時(shí)路暢公司的TRAFICON系統(tǒng)、澳大利亞的最優(yōu)自動(dòng)適應(yīng)交通控制系統(tǒng)（SCATS）以及新加坡的高速公路監(jiān)控和信息誘導(dǎo)系統(tǒng)（EMAS）等[5]。目前美國(guó)AUTOSCOPE系統(tǒng)占據(jù)了大部分市場(chǎng)份額，它能提供交通流量、速度、占有率、車輛分類和排隊(duì)長(zhǎng)度等多種信息。至于國(guó)內(nèi)，雖然交通狀況急劇惡化，但是國(guó)內(nèi)自主研制的智能交通管理系統(tǒng)并沒有完善起來，因此主要還是引進(jìn)國(guó)外的產(chǎn)品，引進(jìn)最多的是澳大利亞的SCATS系統(tǒng)[5]。國(guó)內(nèi)自主創(chuàng)新的產(chǎn)品較少，并且應(yīng)對(duì)復(fù)雜道路能力差，很難廣泛運(yùn)用。目前國(guó)內(nèi)對(duì)基于視頻分析的車輛跟蹤研究還處在實(shí)驗(yàn)的階段，研究成果[2]主要有：基于自適應(yīng)的貝葉斯概率背景更新算法，基于運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)時(shí)空濾波的車輛檢測(cè)算法，小波圖像分析檢測(cè)法，基于混合差分的檢測(cè)法，基于形態(tài)學(xué)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)法等。這些方法有其優(yōu)越的地方，也有一些不足之處需要研究人員去解決。而在車輛異常行為分析方面，成果雖不如車輛跟蹤那么豐碩，但也展現(xiàn)了蓬勃的生命力：北京交通大學(xué)通過車輛軌跡聚類分析對(duì)車輛異常行為進(jìn)行了檢測(cè)分析；中山大學(xué)智能研究中心對(duì)基于視頻的車輛軌跡模型的交通事件自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了研究并制定了合理的檢測(cè)算法[6]；浙江工業(yè)大學(xué)對(duì)基于全景視覺的車輛異常行為檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究[7]，對(duì)闖紅燈等行為進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)[8]，并取得了一定的實(shí)驗(yàn)成果。1.3本文主要研究工作利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)監(jiān)控視頻進(jìn)行幀處理，建模得出背景模型并分割出運(yùn)動(dòng)前景，再利用形態(tài)學(xué)處理技術(shù)方法對(duì)所得前景結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的形態(tài)特征去除行人、樹枝和陰影等噪聲，最后聯(lián)系實(shí)際情況設(shè)定“感興趣區(qū)域”，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行預(yù)初設(shè)定的行為識(shí)別。1.4章節(jié)安排本文將按照算法操作的流程依次在后面的章節(jié)進(jìn)行論述。其中，第二章和第三章將分別論述車輛檢測(cè)和行為識(shí)別技術(shù)的一般方法；而第四章則是本文采用的算法思路的詳細(xì)介紹；第五章將呈現(xiàn)本文算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；第六章是對(duì)本文算法的總結(jié)和展望。

第二章車輛檢測(cè)技術(shù)車輛檢測(cè)是整個(gè)智能交通管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和核心。其中車輛跟蹤依賴于對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛的正確檢測(cè)，而車輛異常行為識(shí)別也是基于檢測(cè)到的結(jié)果進(jìn)行分析的。而目前車輛檢測(cè)方法的研究也是成果最多的，本章將對(duì)這些方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。2.1常用方法分類常用的運(yùn)動(dòng)車輛檢測(cè)方法可以分為：幀差法，光流法，背景差分法，拓展的EM算法，基于形態(tài)學(xué)的場(chǎng)景變化檢測(cè)法和能量運(yùn)動(dòng)檢測(cè)法等。光流法不需要預(yù)知場(chǎng)景的信息就能獨(dú)立檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)物體的信息，故而不受環(huán)境的制約，適應(yīng)性很強(qiáng)。但是光流法的算法都比較發(fā)雜，且抗噪性能低，所以一般很難運(yùn)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。幀間差分法通過將相鄰連續(xù)的三幀圖像兩兩差分，可以實(shí)現(xiàn)從中檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)物體。顯然，這種方法具有較好的自適應(yīng)能力，但是對(duì)于參與運(yùn)算的視頻幀的選取時(shí)機(jī)要求比較苛刻，由于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度變化的影響，這種方法還需要不斷改變最佳閾值來獲取最佳效果，這樣就加大了本身的量化噪聲，降低了魯棒性，不利于車輛的定位跟蹤。運(yùn)動(dòng)能量法能消除背景中抖動(dòng)的像素，如樹枝和水紋，還能凸顯特定方向的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。這種方法適用于各種復(fù)雜的環(huán)境，同樣有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力，但是對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的分割仍然不是很精確。拓展的EM算法主要有基于小波模歷史圖像的檢測(cè)方法[9]。小波模歷史圖像法是為了提高檢測(cè)精確度和穩(wěn)定性而提出來的，它將圖像小波分解后對(duì)低頻和高頻進(jìn)行不同的處理，投影變換后利用EM算法原理，將投影曲線邊緣與原始目標(biāo)通過迭代結(jié)合，從而達(dá)到檢測(cè)的效果。這種方法能有效解決陰影粘滯問題，并且檢測(cè)結(jié)果比較精確。基于形態(tài)學(xué)的場(chǎng)景變換法主要有基于不變矩圖像匹配檢測(cè)法[10]和基于運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)時(shí)空濾波檢測(cè)法[11]等。前者主要是針對(duì)工廠流水線上的工件進(jìn)行判別，對(duì)工件進(jìn)行一系列變換處理后，利用目標(biāo)不變矩陣和模板不變矩陣的相似程度進(jìn)行判別歸類。這種方法對(duì)車輛跟蹤檢測(cè)有很大的借鑒意義。后者結(jié)合了光流場(chǎng)和幀差法的特點(diǎn)，提出在檢測(cè)過程中引入輔助信息的新思維，這種方法利用運(yùn)動(dòng)模式分類和運(yùn)動(dòng)適量場(chǎng)的信息，只需簡(jiǎn)單的運(yùn)算就可以得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的一個(gè)大概信息，只要再結(jié)合實(shí)際地點(diǎn)的先驗(yàn)知識(shí)和輔助設(shè)置，就能很好實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)。該方法既簡(jiǎn)單準(zhǔn)確性又高。背景差分法包括均值法、中值法、混合高斯模型法以及在其基礎(chǔ)上衍生出來的各種方法。背景差分法的基本思想是將圖像中的像素分為前景和背景，前景就是系統(tǒng)想要檢測(cè)的目標(biāo)，其他部分就是背景，只要將背景有效的提取出來，就可以通過求圖片與背景的差值來獲得所需的目標(biāo)信息。背景差分法運(yùn)算簡(jiǎn)單且速度快，其局限是只適用于靜止?fàn)顟B(tài)的攝像機(jī)所獲得的視頻信息。下面主要介紹4種常見的背景差分法。2.2常見背景差分法2.2.1基于均值法和中值法的背景提取均值法和中值法[12]是背景差分法的最基本的方法，是一種基于時(shí)間軸的濾波方法。因?yàn)樘崛”尘皶r(shí)不能保證場(chǎng)景中沒有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的存在，所以將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)當(dāng)作噪聲，均值法就是利用時(shí)間的累積性將噪聲的影響無限減小，通過取長(zhǎng)時(shí)間（相對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)存在場(chǎng)景中的時(shí)間而言）均值即能有效濾去運(yùn)動(dòng)目標(biāo)所帶來的噪聲。中值法是用中值來代替均值，同樣能達(dá)到濾除運(yùn)動(dòng)物體的目的。但是兩者相較而言，均值法計(jì)算更簡(jiǎn)單，而中值法效果更好。兩者同樣有著不可忽視的缺點(diǎn)，那就是他們只適用于攝像機(jī)靜止且外部條件理想的狀況，如果外部擾動(dòng)較大，那么提取出來的背景將會(huì)有很大的噪聲誤差。2.2.2自適應(yīng)背景更新的背景提取目前運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的方法有很多，但大多都存在著受天氣狀況、視野范圍、目標(biāo)復(fù)雜等因素的影響，例如上述均值法和中值法，如果外界條件不穩(wěn)定，那么背景就無法適應(yīng)變化的環(huán)境，產(chǎn)生很強(qiáng)的噪聲干擾。自適應(yīng)背景更新法[13]能有效避免這方面的問題，可以說它是對(duì)上述兩種方法的優(yōu)化。其第一步是用均值法得到一個(gè)初始背景，通過設(shè)定閾值來驗(yàn)證每一像素點(diǎn)是否是背景像素點(diǎn)，通過學(xué)習(xí)和自適應(yīng)不斷改變背景模板，使之適應(yīng)多變的環(huán)境帶來的背景變換問題。而背景自適應(yīng)的條件是有光照的改變或者有交通堵塞的情況。自適應(yīng)背景更新法主要用于復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的提取，具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。但是這種方法在實(shí)際操作中存在透視變形和噪聲污點(diǎn)過大的缺點(diǎn)，仍然需要改進(jìn)。目前存在的一種改進(jìn)方法是基于貝葉斯概率算法[14]的自適應(yīng)背景更新法，它是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理將圖像中的像素進(jìn)行靜態(tài)動(dòng)態(tài)背景分類，并結(jié)合兩種背景實(shí)現(xiàn)背景與前景的分離。由于它還具有很好的學(xué)習(xí)和自適應(yīng)更新能力，能很好地適應(yīng)各種復(fù)雜的場(chǎng)景。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然仍存在著陰影干擾的問題，但該方法抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)準(zhǔn)確率高，具有實(shí)時(shí)性好、魯棒性好的特點(diǎn)，有很大的發(fā)展?jié)摿Α?.2.3基于混合高斯算法的背景建?；诨旌细咚顾惴ǖ谋尘敖Ｊ腔诮y(tǒng)計(jì)模型的一種背景提取方法。因?yàn)樵趹?yīng)對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境時(shí)會(huì)產(chǎn)生多峰分布，而單高斯算法只能處理單峰分布，故此時(shí)需要一種其他方法來替代單高斯算法模型?；旌细咚顾惴ㄊ窃趩胃咚顾惴Ｐ偷幕A(chǔ)上發(fā)展而來的，它使用多個(gè)高斯模型來表達(dá)圖像中的像素點(diǎn)。混合高斯算法背景建模具有實(shí)時(shí)性好、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境變化較大的情況下尤其適用?；旌细咚顾惴ㄓ袃蓚€(gè)重要參數(shù)：QUOTE（滑動(dòng)平均值）和QUOTE（滑動(dòng)方差）。QUOTE是為了構(gòu)建定期更新的背景模型，其計(jì)算公式為：式中：參數(shù)QUOTEptpt是指t時(shí)刻的像素值；QUOTE是學(xué)習(xí)率，反映了滑動(dòng)平均值對(duì)當(dāng)前幀的適應(yīng)速度，值越大，適應(yīng)速度越快。對(duì)每個(gè)像素都計(jì)算出滑動(dòng)平均值，就能構(gòu)建出背景模型。而對(duì)于混合高斯算法，它需要多個(gè)滑動(dòng)平均值，即對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行兩個(gè)模型維護(hù)，這樣就能確定背景像素點(diǎn)灰度值的范圍，若某個(gè)像素灰度值不在該范圍內(nèi)，則認(rèn)為它是前景像素。QUOTE計(jì)算公式如下：QUOTE同QUOTE一起構(gòu)成一個(gè)高斯模型，通過該模型可以判斷某像素屬于它的概率，并制定出合適的閾值?；旌细咚顾惴ㄟ€有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，就是對(duì)上述高斯模型的更新。當(dāng)模型被匹配不夠頻繁，算法會(huì)釋放該背景模型；反之，若某前景像素匹配生成的高斯模型之后被頻繁匹配，該模型會(huì)被判定為背景模型[15]。圖2.1為QUOTE時(shí)混合高斯算法提取出的前景。圖2.1α=0.01時(shí)混合高斯算法提取出的前景另外，混合高斯算法是一種實(shí)時(shí)更新背景的算法，當(dāng)有車輛速度較慢或者停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，該算法會(huì)丟失目標(biāo)，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)跟蹤。目前另有一種針對(duì)混合高斯模型法進(jìn)行優(yōu)化的輪廓提取算法[16]，可以在混合高斯算法的基礎(chǔ)上用數(shù)學(xué)形態(tài)方法進(jìn)行處理并尋找輪廓，用算法擬合輪廓后再用圖形矩提取輪廓質(zhì)心。這種方法能更有效地濾除噪聲和提取目標(biāo)輪廓。2.3本章小結(jié)本章主要介紹了車輛檢測(cè)常用的幾種方法，對(duì)每種方法的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并給出了優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)價(jià)。從本章的論述中可以清晰了解到各種方法的適用條件，這給后期在車輛檢測(cè)的方法選擇上提供一個(gè)參考的依據(jù)。

第三章行為識(shí)別技術(shù)類似于車輛的檢測(cè)技術(shù)的分類，車輛的行為識(shí)別大致可以分為：個(gè)體車輛異常行為識(shí)別和交通流異常檢測(cè)兩個(gè)方面。個(gè)體車輛異常行為識(shí)別一般運(yùn)用軌跡模型的方法，而交通流異常檢測(cè)通常是通過對(duì)交通流參數(shù)進(jìn)行監(jiān)督，設(shè)定閾值判斷異常發(fā)生與否。3.1個(gè)體車輛行為識(shí)別目前，對(duì)個(gè)體車輛的異常行為識(shí)別一般是通過基于軌跡進(jìn)行分析識(shí)別的?；谲壽E的異常行為識(shí)別方法較多，常用的有決策樹、隱馬爾可夫模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、貝葉斯等。Piciarelli等學(xué)者采用決策樹的方法，將運(yùn)動(dòng)車輛軌跡分段作為樹的節(jié)點(diǎn)，用概率匹配區(qū)分異常事件[17]，其特點(diǎn)是可以在線學(xué)習(xí)，但是構(gòu)造精度高、規(guī)模小的決策樹是該方法的核心內(nèi)容，其更適用于小規(guī)模的樣本數(shù)據(jù)集。Kamijo等學(xué)者基于隱馬爾可夫模型的方法創(chuàng)建了交通異常檢測(cè)系統(tǒng)[18]，該系統(tǒng)使用隱馬爾可夫鏈學(xué)習(xí)每個(gè)車輛的行為模型，使用跟蹤系統(tǒng)的輸出來識(shí)別目前的事件。其利用單個(gè)車輛的特征，這種方法相對(duì)有效，并且部分實(shí)時(shí)。但是當(dāng)大量的車輛和行人出現(xiàn)在檢測(cè)區(qū)域時(shí)，跟蹤算法將會(huì)消耗更多的計(jì)算機(jī)資源，從而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。Micheloni等學(xué)者將任意異常事件描述為一組事件單元的時(shí)空關(guān)系組合圖[19]，每個(gè)事件單元可通過一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器進(jìn)行分類，事件分類器是由若干簡(jiǎn)單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成的復(fù)合分類器，如果簡(jiǎn)單分類器過擬合將對(duì)整個(gè)分類效果產(chǎn)生較大影響。Piciarelli等學(xué)者采用支持向量機(jī)檢測(cè)交通異常[20]，但是算法的時(shí)間復(fù)雜性較高，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作，并且需要確定最佳核變換函數(shù)及其相應(yīng)的參數(shù)。傳統(tǒng)軌跡分析方法主要考慮的是軌跡的空間特性，因而對(duì)異常行為識(shí)別的能力較弱，只能識(shí)別較為簡(jiǎn)單的異常行為。胡宏宇等學(xué)者通過軌跡空間分布學(xué)習(xí)提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的典型運(yùn)動(dòng)模式，提出了基于Bayes分類器的軌跡空間運(yùn)動(dòng)模式匹配方法，進(jìn)而檢測(cè)異常交通行為[21]。但在異常行為識(shí)別過程中沒有提出面向更復(fù)雜異常行為的識(shí)別方法，因此異常行為識(shí)別能力受到了限制。李明之等學(xué)者提出了利用目標(biāo)的空間位置、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向和大小尺寸等特征參數(shù)描述軌跡，并基于Bayes最優(yōu)化的方法對(duì)軌跡進(jìn)行聯(lián)合匹配和邊緣匹配，然后根據(jù)匹配情況調(diào)用行為識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)目標(biāo)行為進(jìn)行識(shí)別[22]。該方法采用傳統(tǒng)k-means算法進(jìn)行軌跡聚類，不能解決非凸性聚類問題。3.1.1軌跡聚類在車輛檢測(cè)成功的基礎(chǔ)上，對(duì)個(gè)體車輛行為的識(shí)別主要是通過對(duì)其軌跡的分析完成的。軌跡分析最終的處理結(jié)果是完成對(duì)軌跡的聚類[23]，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：對(duì)檢測(cè)出的車輛進(jìn)行跟蹤并描繪其質(zhì)心，得到目標(biāo)車輛的一系列運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，這些軌跡點(diǎn)中包含車輛的運(yùn)動(dòng)信息和位置信息；對(duì)軌跡的一些特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如方向角等方向特征；根據(jù)軌跡的特征計(jì)算出軌跡的相似性度量；最后由軌跡的相似性度量對(duì)軌跡進(jìn)行聚類；但是初步聚類效果往往不佳，故需要根據(jù)軌跡自身進(jìn)行差值處理或冗余度去除，甚至是二次聚類處理。值得注意的是，聚類方法同樣有很多：劃分聚類、層次聚類、基于密度聚類、基于網(wǎng)格聚類等。要盡量選取合適的方法，以得到最佳效果。經(jīng)過上述四個(gè)步驟的處理，能夠很好地得到聚類軌跡，之后的工作就是運(yùn)動(dòng)模型的建立。3.1.2模型建立模型建立的方法也有很多，但是一般采用典型軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模型描述。典型軌跡能很好地反映該類軌跡的特征，是一類軌跡最鮮明的表現(xiàn)。典型軌跡主要是通過對(duì)該類軌跡樣本的一個(gè)擬合獲得[24]。單一的擬合曲線并不能代表整段的特點(diǎn)，為了能夠獲得較好的典型軌跡，可以對(duì)軌跡樣本進(jìn)行分段擬合，最后再加以合并，就能得到整段軌跡的典型軌跡，且能最大程度的消除誤差。最終優(yōu)化完的典型軌跡并不是一系列的點(diǎn)，而是一個(gè)能反映該類行為特性的曲線，即該類行為的典型模型。而在軌跡模式學(xué)習(xí)方法的設(shè)計(jì)上，目前使用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法主要有三類：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法、基于支持向量機(jī)的方法和基于無監(jiān)督聚類的方法。Johnson等學(xué)者采用自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)軌跡空間模式學(xué)習(xí)進(jìn)行建模[25]，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建較為復(fù)雜，學(xué)習(xí)速度較慢，且在學(xué)習(xí)過程中需要大量的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)參數(shù)，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)權(quán)重。Piciarelli等學(xué)者將軌跡表示成可變長(zhǎng)序列，然后利用支持向量機(jī)的方法進(jìn)行聚類[26]，此方法需要提供較多的樣本數(shù)據(jù)，且聚類的數(shù)目由樣本數(shù)據(jù)的種類決定，不能真實(shí)地反映交通目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)模式?；跓o監(jiān)督聚類的方法在運(yùn)動(dòng)模式學(xué)習(xí)的研究中應(yīng)用最為廣泛。傳統(tǒng)的聚類分析方法受限于非凸形狀的樣本空間，當(dāng)樣本空間不凸時(shí)，傳統(tǒng)聚類算法會(huì)陷入局部最優(yōu)。近年來，譜聚類算法作為一種新穎的聚類方法受到廣泛關(guān)注。Atev等學(xué)者將譜聚類的方法引入目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng)模式學(xué)習(xí)中[27]，由于采用了多特征屬性描述軌跡，使得運(yùn)算復(fù)雜度較高。胡宏宇等學(xué)者利用譜聚類的方法對(duì)軌跡進(jìn)行聚類[28]，能夠做到自動(dòng)獲取聚類數(shù)目。這兩種方法不能充分利用樣本點(diǎn)分布所隱含的先驗(yàn)信息，從而不能構(gòu)造很好的相似矩陣。當(dāng)其面臨復(fù)雜樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)集時(shí)，無法得到理想的聚類結(jié)果。3.1.3模型匹配利用上述典型模型，對(duì)檢測(cè)到的車輛軌跡進(jìn)行模型匹配，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該車輛行為的識(shí)別。模型匹配的原理比較簡(jiǎn)單：首先設(shè)定一個(gè)閾值，觀察檢測(cè)到的軌跡是否在典型模型周圍浮動(dòng)，并且差在設(shè)定的閾值內(nèi)，如果是，則認(rèn)為該模型匹配，這樣就得出了該檢測(cè)軌跡的行為。閾值的類型有兩種：一種是軌跡點(diǎn)與典型模型的位置差，另一種是對(duì)軌跡進(jìn)行概率判斷，閾值設(shè)定為某一概率值。匹配過程的重點(diǎn)是閾值的設(shè)定，需要選取一個(gè)合適的閾值，使匹配結(jié)果既不存在誤判，也沒有漏判。為了保證閾值的有效性，一種比較有效的方法就是對(duì)典型模型進(jìn)行模式學(xué)習(xí)。模型匹配次數(shù)的增多，意味著車輛樣本軌跡也在增加，因此模式學(xué)習(xí)時(shí)間越長(zhǎng)，典型模型越能代表該類行為的特征，匹配結(jié)果也會(huì)更加精確。3.1.4其他方法——基于實(shí)際場(chǎng)景信息的異常檢測(cè)基于實(shí)際場(chǎng)景信息的異常檢測(cè)，適用于對(duì)轉(zhuǎn)向、變向、變道等涉及道路標(biāo)線的行為的識(shí)別。其實(shí)現(xiàn)步驟簡(jiǎn)單，首先是要對(duì)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行處理，將道路的標(biāo)線、邊界提取出來，之后利用3.1.1小節(jié)中得到的車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，將其余道路信息進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別出其位置關(guān)系，從而直觀地辨別出目標(biāo)車輛的行為。3.2交通流異常檢測(cè)交通流異常的檢測(cè)主要是基于感興趣數(shù)據(jù)監(jiān)控的異常檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通擁擠、道路堵塞等現(xiàn)象的檢測(cè)。交通流異常檢測(cè)關(guān)注的數(shù)據(jù)主要是交通流的三個(gè)參數(shù)：交通流量、交通流速度和交通流密度。這三個(gè)數(shù)據(jù)能很好地表征交通流的大部分現(xiàn)象，因此只要監(jiān)控好這三個(gè)數(shù)據(jù)利用一定的算法進(jìn)行比較判斷，就能得到相應(yīng)數(shù)據(jù)下的交通流情況。具體算法可以分為三種：基于模式識(shí)別的算法、基于統(tǒng)計(jì)技術(shù)的算法和基于交通流模型的算法?；谀Ｊ阶R(shí)別的算法是一種比較算法，直接利用測(cè)量值與設(shè)定閾值的比較來判斷最終的交通流情況，當(dāng)某參數(shù)值超出設(shè)定閾值，則判定某種對(duì)應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)生。其結(jié)果較為精確，但是能判斷的情況較少?；诮y(tǒng)計(jì)技術(shù)的算法主要適用于對(duì)突發(fā)狀況的檢測(cè)，因?yàn)橹挥薪煌靼l(fā)生較大的突變，才會(huì)引起統(tǒng)計(jì)算法值的顯著波動(dòng)[29]。該算法思路很好，但是可能會(huì)造成異?，F(xiàn)象的誤判，且能檢測(cè)判斷的現(xiàn)象較少?；诮煌髂Ｐ偷乃惴ㄅc軌跡模型類似，利用預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行匹配，從實(shí)現(xiàn)交通流情況的檢測(cè)[30][31]。顯然，該算法能檢測(cè)的交通流情況較多，但是模型的建立比較復(fù)雜。3.3本章小結(jié)本章以車輛的行為識(shí)別為介紹對(duì)象，將車輛的行為分為個(gè)體車輛行為與交通流行為兩種進(jìn)行分析。簡(jiǎn)要論述了個(gè)體車輛異常行為的一般思路，同時(shí)介紹了交通流異常檢測(cè)的幾種方法，并就每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。為后期車輛行為識(shí)別算法的設(shè)計(jì)提供了參照，有利于后期算法的選擇和優(yōu)化。

第四章基于視頻分析的車輛跟蹤與行為識(shí)別算法設(shè)計(jì)同一般車輛跟蹤和行為識(shí)別算法流程一樣，本文算法流程分三個(gè)步驟：運(yùn)動(dòng)前景提取、車輛前景處理、車輛行為識(shí)別。運(yùn)動(dòng)前景提取是為了得到初始運(yùn)動(dòng)前景，而車輛前景處理則是為了濾除行人、樹枝等噪聲，降低算法復(fù)雜度并使后期車輛行為識(shí)別結(jié)果更加準(zhǔn)確。4.1運(yùn)動(dòng)前景提取本文運(yùn)動(dòng)前景提取采用的方法是背景差分法：首先利用均值法背景建模得到背景，之后利用視頻幀同背景作差即可得到運(yùn)動(dòng)前景。4.1.1均值法背景建模均值法是幾種背景建模方法中最簡(jiǎn)單的一種，它能利用時(shí)間的累積將噪聲的影響無限減小，其算法思想簡(jiǎn)單，處理速度快，雖然對(duì)環(huán)境要求比較高，但當(dāng)環(huán)境變化不復(fù)雜時(shí)，均值法背景建模同樣能獲得比較優(yōu)越的結(jié)果。均值法背景建模，首先，讀取視頻幀序列，其次對(duì)多幅圖像進(jìn)行疊加，然后求取其平均值，該平均值即為所求的背景建模結(jié)果。算法實(shí)現(xiàn)流程如圖4.1所示：圖4.1算法流程4.1.2背景差法提取前景如第二章中所述，混合高斯算法背景建模雖然實(shí)時(shí)性、適應(yīng)性、魯棒性好，但是因?yàn)樗菍?shí)時(shí)更新背景，很容易丟失車速緩慢或暫時(shí)停止的車輛，所以在交通管理系統(tǒng)中不太適用。本文采用均值法背景建模，將得出的背景同視頻幀進(jìn)行背景差法提取前景，該方法簡(jiǎn)單常用，效果主要取決于背景建模的好壞。4.2車輛前景處理車輛前景處理是對(duì)運(yùn)動(dòng)前景的優(yōu)化，去除行人、樹枝等噪聲，從而加快處理速度并使之后的處理更加精確。本文對(duì)運(yùn)動(dòng)前景主要有以下三個(gè)處理：樹枝噪聲濾除、車輛分體現(xiàn)象處理和行人噪聲濾除。4.2.1樹枝噪聲濾除如圖4.2所示，其中(a)圖為二值化處理后的運(yùn)動(dòng)前景，可以看出其中有很多樹枝噪聲，這些噪聲在需要注意的區(qū)域之外，但卻增加了圖像運(yùn)算量，降低了處理速度。為了提高處理速度，降低計(jì)算的復(fù)雜度，可以設(shè)定一片“感興趣區(qū)域”（如圖3.2中(b)圖），實(shí)現(xiàn)“感興趣區(qū)域”外樹枝等雜亂繁多的噪聲的濾除，大大提高運(yùn)算速度。(a)(b)圖4.2樹枝噪聲濾除實(shí)現(xiàn)4.2.2車輛分體現(xiàn)象處理現(xiàn)象描述：車輛分體現(xiàn)象是由于車體外表反光產(chǎn)生倒影以及外界陰影噪聲干擾，使得背景差法獲得的運(yùn)動(dòng)前景并不是連通區(qū)域，這樣在后期進(jìn)行車輛標(biāo)記時(shí)就會(huì)發(fā)生車輛解體現(xiàn)象，如圖4.3所示。圖4.3車輛標(biāo)記解體現(xiàn)象 解決方法：首先通過膨脹操作和腐蝕操作對(duì)二值化運(yùn)動(dòng)前景進(jìn)行處理，去除細(xì)小噪聲，填補(bǔ)細(xì)小縫隙。為了減小開運(yùn)算導(dǎo)致的縫隙變大和閉運(yùn)算導(dǎo)致的細(xì)小物體放大所帶來的影響，應(yīng)合理運(yùn)用開、閉運(yùn)算。 雖然開、閉運(yùn)算對(duì)車輛分體現(xiàn)象有一定的修補(bǔ)效果，但如果車體縫隙過大，即使進(jìn)行多次開、閉運(yùn)算，也不能很好地解決該問題，反而會(huì)產(chǎn)生巨大的失真。此外還需要解決車體內(nèi)部的空洞所造成的影響，所以在上述開運(yùn)算的基礎(chǔ)上，本文對(duì)運(yùn)動(dòng)前景進(jìn)行了以下兩步操作：通過查找輪廓尋找出運(yùn)動(dòng)前景中的所有輪廓。對(duì)查找出的輪廓進(jìn)行繪制，繪制時(shí)填充所繪輪廓。聯(lián)系之前的開運(yùn)算，雖然開運(yùn)算不一定能將縫隙完全填補(bǔ)完整，但卻有很大的幾率將縫隙兩邊連接起來，成為一個(gè)整體連通區(qū)域，再經(jīng)過上述兩個(gè)步驟后，就能很好地填補(bǔ)連通區(qū)域內(nèi)部的空隙，從而達(dá)到解決車輛分體現(xiàn)象的目的。如圖4.4所示：(a)圖為假設(shè)的連通區(qū)域，(b)圖為經(jīng)過上述填充輪廓處理后的結(jié)果。(a)(b)圖4.4查找并填充輪廓后結(jié)果4.2.3行人噪聲干擾處理現(xiàn)象分析：通常在道路上，運(yùn)動(dòng)物體不僅僅只是車輛，還會(huì)夾雜著行人、電動(dòng)車等其他運(yùn)動(dòng)物體，在上一節(jié)所述提取運(yùn)動(dòng)前景時(shí)，不可避免地會(huì)把行人、電動(dòng)車等其他不相關(guān)物體一同提取出來，使行人、電動(dòng)車等成為交通視頻處理分析中的噪聲，如圖4.5所示：圖4.5行人噪聲 解決方法：從圖4.5中能很直觀地看出來，加在行人身上的紅色提示框與加在車輛上的紅色提示框明顯不一樣大，從實(shí)際物體來分析也是一樣，即使是最小型的車輛也比行人、自行車的體積大很多，在視頻中相同位置所占面積也會(huì)較大一些。據(jù)此，本文通過對(duì)所加紅色提示框的面積進(jìn)行判斷過濾，只添加面積符合要求的紅色提示框。具體步驟如下：選擇視頻中最普通最小型的車輛進(jìn)行跟蹤，均勻提取出有該車輛出現(xiàn)的視頻幀。依次對(duì)每一幅圖像中的該目標(biāo)車輛的位置信息進(jìn)行記錄，包括紅色提示框的：上邊線縱坐標(biāo)Y、縱坐標(biāo)高度△Y、橫坐標(biāo)長(zhǎng)度△X、面積S=△X*△Y。作出面積S關(guān)于縱坐標(biāo)Y的擬合曲線，并算出其近似趨勢(shì)線方程。該方程即為所求紅色提示框面積模型，只有面積大于該計(jì)算結(jié)果的輪廓才會(huì)被加紅色提示框。但是為了防止實(shí)際面積的起伏帶來的漏判，通常需要在方程后面減去一定的量以增加魯棒性。 為了后期處理的方便，本文將符合面積要求的提示框區(qū)域標(biāo)記成感興趣區(qū)域，并將它們復(fù)制到另外一張同等大小的全黑圖像中，這樣可屏蔽不符合面積要求的連通區(qū)域，達(dá)到濾除行人、電動(dòng)車等噪聲的目的。 如下圖4.6中所示：(b)圖為(a)圖中濾去加框面積小于4000的輪廓的結(jié)果。(a)(b)圖4.6濾除加框面積小于4000的輪廓的結(jié)果4.3車輛行為識(shí)別本小節(jié)以越雙黃線行為為分析對(duì)象，將分為以下幾點(diǎn)進(jìn)行論述：4.3.1提取“感興趣區(qū)域”車輛越雙黃線行為的判斷屬于個(gè)體車輛的異常行為分析。對(duì)個(gè)體車輛的異常行為分析通常需要鎖定某一目標(biāo)車輛，對(duì)其進(jìn)行跟蹤分析。然而，運(yùn)動(dòng)中的車輛各項(xiàng)特征總是在不斷變化，需要用復(fù)雜的特征匹配才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)跟蹤。而且在越雙黃線行為分析中，由于該行為是小概率事件，對(duì)個(gè)體車輛進(jìn)行跟蹤分析會(huì)浪費(fèi)大量資源，增加算法的復(fù)雜度。本文利用“感興趣區(qū)域”，把關(guān)注的焦點(diǎn)放在靜止的雙黃線上而不是每一個(gè)車輛上，使得算法的復(fù)雜度大大降低。本文將雙黃線定義為“感興趣區(qū)域”，算法只對(duì)“感興趣區(qū)域”內(nèi)的變化起作用，不考慮其他區(qū)域的變化。此“感興趣區(qū)域”與一般感興趣區(qū)域不一樣，一般的感興趣區(qū)域是一個(gè)矩形區(qū)域，或者是行和列連續(xù)序列的范圍，可以通過公式描述出來。然而雙黃線有彎道，用公式表達(dá)比較困難，本文利用圖像運(yùn)算的溢出處理原理進(jìn)行自定義“感興趣區(qū)域”。對(duì)于雙黃線的提取，可以綜合比較ESLRGU（分別為：色調(diào)、飽和度、亮度、紅色、綠色、藍(lán)色）等顏色參數(shù)，從而分離出雙黃線。這種方法適用于非固定場(chǎng)景，但是編程算法比較復(fù)雜，并且會(huì)因?yàn)橥饨缣鞖狻⒐饩€變化，很難找到一個(gè)具備普適性的比較公式。而道路上的監(jiān)控?cái)z像頭一般都是固定的，因此視頻中雙黃線的位置也是固定的。本文假設(shè)攝像頭理想固定，先在背景中標(biāo)記出雙黃線的輪廓，之后再進(jìn)行提取工作。4.3.2利用“感興趣區(qū)域”識(shí)別自定義“感興趣區(qū)域”是利用圖像運(yùn)算對(duì)溢出現(xiàn)象的處理方法進(jìn)行識(shí)別工作的，具體可以表達(dá)為一個(gè)公式：d=a-(a-b)。如圖4.7所示，假設(shè)(a)圖是“感興趣區(qū)域”雙黃線，(b)圖是要分析的運(yùn)動(dòng)前景，(c)圖則是a-b的結(jié)果，(d)圖即為最終識(shí)別結(jié)果。(a)(b)(c)(d)圖4.7“感興趣區(qū)域”原理說明圖4.3.3算法優(yōu)化雖然上述算法已經(jīng)很好地實(shí)現(xiàn)了車輛壓雙黃線行為的識(shí)別，但是問題仍然存在，如圖4.8所示，這是與圖4.7在同一算法下檢測(cè)的結(jié)果，從圖中可以看出，被標(biāo)記的車輛并沒有壓雙黃線，壓到雙黃線的只是它在道路上的影子，但是以上算法并不能分辨出影子和車輛的區(qū)別，所以也就造成了下圖中的誤判。圖4.8車輛陰影影響車輛陰影的消除是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作，目前已經(jīng)有很多種方法，如：零高度假設(shè)法、基于HSI色彩模型、基于HSV色彩模型等方法。但是這些方法也都比較復(fù)雜，不適合應(yīng)用在算法優(yōu)化上。觀察發(fā)現(xiàn)，視頻中車輛影子的縱向高度比車輛本體高度小很多，本文根據(jù)這一現(xiàn)象，設(shè)定了一個(gè)該時(shí)段的高度比較模型，將4.3.2小節(jié)中檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行高度判斷，若不滿足特定高度條件，就不予加紅色提示框處理，這樣能簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)陰影影響的濾除。為了避免漏判的現(xiàn)象，本文選擇最小型車輛進(jìn)行采樣跟蹤，得出高度比較模型。具體步驟如下：選擇視頻中最普通最小型的車輛進(jìn)行跟蹤，均勻提取出有該車輛出現(xiàn)的視頻幀。依次對(duì)每一幅圖像中的該目標(biāo)車輛的位置信息進(jìn)行記錄，包括紅色提示框的：上邊線縱坐標(biāo)Y、縱坐標(biāo)高度△Y。作出高度△Y關(guān)于縱坐標(biāo)Y的擬合曲線，并算出其近似趨勢(shì)線方程，亦即是所求縱向高度比較模型。但是為了防止縱向高度的起伏帶來的漏判，通常需要在方程后面減去一定的量以增加魯棒性。4.4本章小結(jié)本章按照算法的設(shè)計(jì)思路，按步驟對(duì)本文采用的算法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹說明，并就算法過程中會(huì)遇見的問題進(jìn)行了剖析，同時(shí)給出合適的解決方法。詳細(xì)的算法設(shè)計(jì)，不僅僅為程序的編寫提供合理的依據(jù)，同時(shí)也為后期算法的改進(jìn)提供了重要的參照。

第五章壓雙黃線行為識(shí)別實(shí)驗(yàn)5.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)5.1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)旨在檢驗(yàn)第四章算法步驟設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)存在的問題進(jìn)行進(jìn)一步的完善，并就算法未來的展望提出一定的預(yù)見。本實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行的環(huán)境為win8.1下的VS2013及OpenCV2.4.8。5.1.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容正如第四章所述那樣，依照運(yùn)動(dòng)前景提取、車輛前景優(yōu)化、壓雙黃線行為識(shí)別三個(gè)主要步驟進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)壓雙黃線車輛的識(shí)別。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下圖5.1所示：圖5.1實(shí)驗(yàn)流程5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.2.1運(yùn)動(dòng)前景提取按照第四章的設(shè)計(jì)思路，讀取視頻后首先對(duì)視頻幀進(jìn)行了格式轉(zhuǎn)換，由8U轉(zhuǎn)換為32F型的數(shù)據(jù)，之后利用均值法背景建模的思路，疊加求和并求取平均值，成功地得到了背景圖像。如圖5.2所示，為對(duì)前兩分鐘視頻幀背景建模后得到的結(jié)果。圖5.2前2min均值法背景建模之后根據(jù)背景差法的原理，將視頻幀與背景進(jìn)行作相對(duì)差，結(jié)果如圖5.3所示：圖5.3背景差法提取前景5.2.2車輛前景優(yōu)化去除道路外樹枝噪聲結(jié)果：如圖5.4中的a圖所示，是運(yùn)動(dòng)前景先取灰度值再并二值化后的結(jié)果，可以看出樹枝的噪聲很多，本實(shí)驗(yàn)利用第四章中所述的“感興趣區(qū)域”b，成功濾除了道路區(qū)域外樹枝噪聲的影響，如圖c所示。從結(jié)果來看，處理前播放畫面有明顯的延遲與卡幀，但是處理后已經(jīng)沒有卡幀現(xiàn)象了，只有輕微的延遲。(a)(b)(c)圖5.4樹枝噪聲濾除車輛分體現(xiàn)象處理結(jié)果：嘗試對(duì)上述結(jié)果中的車輛進(jìn)行加提示框處理時(shí)，出現(xiàn)了如圖4.3的車輛分體現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)按照4.2.2小節(jié)中所述的方法進(jìn)行處理：先對(duì)圖像進(jìn)行開運(yùn)算，之后查找圖像中輪廓，并在繪制時(shí)采取填充繪制。結(jié)果如圖5.5所示，對(duì)比圖4.3就可以發(fā)現(xiàn)，車輛分體的現(xiàn)象已經(jīng)成功去除。圖5.5消除解體現(xiàn)象后車輛標(biāo)記結(jié)果行人噪聲濾除結(jié)果：本實(shí)驗(yàn)根據(jù)4.2.3小節(jié)中所述步驟，對(duì)一最普通的小型轎車進(jìn)行了跟蹤抽樣，得到該目標(biāo)車輛的位置信息：上邊線縱坐標(biāo)Y、縱坐標(biāo)高度△Y、橫坐標(biāo)長(zhǎng)度△X、面積S=△X*△Y，并記錄在了表格5.1中，具體數(shù)據(jù)參見表5.1。表5.1紅色提示框各參數(shù)信息記錄表Y/pix△X/pix△Y/pixS/pix*pixY/pix△X/pix△Y/pixS/pix*pix25538209013182615002115540220015285645440206043258018092706440316043258020997757275526343270923510480832070695034502731228810736887355401531113896132481137759454335416210717334

對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并作出了面積S關(guān)于縱坐標(biāo)Y的擬合曲線，如圖5.6所示。漸近線方程為，為了增加數(shù)據(jù)的魯棒性，減少數(shù)據(jù)起伏帶來的誤判，經(jīng)過多次嘗試，在實(shí)際編程中，本實(shí)驗(yàn)采用的判斷方程是：。圖5.6加框面積隨縱坐標(biāo)變化曲線利用上式方程對(duì)提示框的面積進(jìn)行比較判斷，面積大于方程結(jié)果的輪廓均標(biāo)記為感興趣區(qū)域，復(fù)制感興趣區(qū)域到新建的全黑圖像上，最終結(jié)果如圖5.7所示，成功實(shí)現(xiàn)了行人噪聲的濾除。圖5.7去除行人噪聲后加框結(jié)果5.2.3壓雙黃線行為識(shí)別雙黃線“感興趣區(qū)域”的提取：如下圖5.8所示，(a)圖是標(biāo)記輪廓后提取出來的雙黃線區(qū)域，(b)圖對(duì)(a)圖處理后的結(jié)果，這樣處理有利于后期對(duì)越雙黃線車輛的檢測(cè)和識(shí)別，同時(shí)也避免再次造成車輛分體現(xiàn)象。(a)(b)圖5.8提取出來的雙黃線區(qū)域雙黃線區(qū)域運(yùn)動(dòng)前景的分離：依據(jù)4.3.2小節(jié)中所述原理，本文將圖4.7中的(b)圖換為圖5.8中的(b)圖，當(dāng)有車輛壓到雙黃線時(shí)，壓住雙黃線的部分被成功地檢測(cè)了出來，再對(duì)檢測(cè)出來的部分進(jìn)行加框提醒處理，并將紅色提醒框添加到原有視頻幀，其結(jié)果如圖5.9所示。雖然沒有給壓雙黃線的車輛整體加框，但是部分的加框已經(jīng)能夠說明車輛的壓雙黃線行為了。圖5.9“感興趣區(qū)域”法檢測(cè)結(jié)果陰影影響的降低：本實(shí)驗(yàn)依據(jù)4.3.2小節(jié)中的處理步驟，對(duì)一最普通的小型轎車進(jìn)行了跟蹤抽樣，目標(biāo)車輛的位置信息（上邊線縱坐標(biāo)Y、縱坐標(biāo)高度△Y）記錄結(jié)果如表5.2所示：對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并作出了高度△Y關(guān)于縱坐標(biāo)Y的擬合曲線，如圖5.10所示，漸近線方程為，此處H即△Y。為了增加數(shù)據(jù)的魯棒性，減少數(shù)據(jù)起伏帶來的誤判，經(jīng)過多次嘗試，在實(shí)際編程中，本實(shí)驗(yàn)采用的判斷方程是：，只有縱向高度大于該計(jì)算結(jié)果的運(yùn)動(dòng)物體才會(huì)被加紅色提示框，最終結(jié)果如圖5.11所示：表5.2紅色提示框各參數(shù)信息記錄表Y/pix△Y/pixY/pix△Y/pix2381316111401526420431807031432097552432358070502738888553119611359354107圖5.10提示框高度與縱坐標(biāo)關(guān)系圖從圖5.11的兩幅圖中可以發(fā)現(xiàn)：(a)圖有陰影在雙黃線上，但是算法并沒有誤判，(b)圖顯示對(duì)車體壓雙黃線的車輛仍能識(shí)別并標(biāo)記出來。說明陰影的影響已經(jīng)被大幅度地去除了，也意味著完成了算法的最終優(yōu)化。(a)(b)圖5.11最終優(yōu)化后檢測(cè)結(jié)果5.3結(jié)果分析從本章實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，第四章的算法設(shè)計(jì)結(jié)果能夠比較好的實(shí)現(xiàn)壓雙黃線車輛的識(shí)別。本文設(shè)計(jì)的算法思路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，且處理效果良好。該算法的缺點(diǎn)是移植性比較差，尤其是在車輛陰影去除上，本文采用的方法結(jié)果不會(huì)特別精確，且方程模型也需要不斷更新。

第六章總結(jié)與展望6.1工作總結(jié)交通安全關(guān)系重大，違規(guī)駕駛不僅給交通管理人員的工作帶來不便，而且危害人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，給人們的精神世界帶來傷害。交通安全的首要因素是駕駛?cè)藛T的素質(zhì)，只有人人都文明駕駛、有序駕駛，才能有效保障道路交通的安全。然而，事故總是在所難免，而且駕駛員的素質(zhì)參差不齊，因此對(duì)道路的監(jiān)控管理措施是非常必要的。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交通管理越來越傾向于視頻監(jiān)控管理，然而國(guó)內(nèi)視頻分析在這方面的應(yīng)用還不完善，主要是引進(jìn)國(guó)外的交通管理系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)高校和研究所在車輛行為識(shí)別方面也基本處于研究階段。本文主要工作是對(duì)基于視頻分析的車輛跟蹤和行為識(shí)別的實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)是行為識(shí)別的研究。本文具體工作完成如下：分析并解決均值法背景建模過程中累積求和溢出處理的問題，同時(shí)與混合高斯算法背景建模進(jìn)行優(yōu)劣比較，對(duì)比分析他們的適用情況。利用背景差法實(shí)現(xiàn)前景的提取，并對(duì)提取出來的運(yùn)動(dòng)前景進(jìn)行一系列的優(yōu)化，包括：“感興趣區(qū)域”去除非關(guān)注區(qū)域樹枝的噪聲、輪廓填充、加框面積濾除行人噪聲等形態(tài)學(xué)處理。實(shí)現(xiàn)并優(yōu)化對(duì)壓雙黃線車輛的行為識(shí)別。提出自定義“感興趣區(qū)域”的觀點(diǎn)，通過“感興趣區(qū)域”實(shí)現(xiàn)檢測(cè)違規(guī)車輛的簡(jiǎn)單算法；利用加框高度大幅度消除車輛陰影的影響。6.2未來展望當(dāng)今世界科技水平高速發(fā)展，而且隨著國(guó)家“低空解禁”政策的發(fā)布，可以預(yù)見未來不僅僅是道路上無人駕駛或自動(dòng)駕駛的出現(xiàn)，甚至?xí)写罅克饺诵⌒惋w機(jī)的誕生，那么對(duì)這些交通工具的管理行駛也將更加嚴(yán)峻，勢(shì)必要發(fā)展新型交通管理系統(tǒng)。雖然本文只是對(duì)當(dāng)前交通管理的一個(gè)最基本的實(shí)現(xiàn)，卻也是在為交通管理系統(tǒng)的進(jìn)步作著自己的貢獻(xiàn)。鑒于本文所采用的自定義“感興趣區(qū)域”的思路以及對(duì)陰影影響的簡(jiǎn)單消除算法的局限，未來可以對(duì)以下方面進(jìn)行深入研究改善：對(duì)自定義“感興趣區(qū)域”應(yīng)用的拓展，不僅僅只是壓雙黃線行為的識(shí)別，可以進(jìn)一步運(yùn)用于車輛的變道、變向等行為的識(shí)別。對(duì)加框提醒算法的優(yōu)化，可以對(duì)檢測(cè)出來的部分違規(guī)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行判斷，得出它所在的車輛整體區(qū)域，將提醒框加在整個(gè)車輛上，甚至是將其牌照也進(jìn)行加框提醒處理并記錄。本文對(duì)于車輛陰影的消除只是一種簡(jiǎn)單的比較算法，而實(shí)際中已經(jīng)有很多車輛陰影消除的算法，未來可以在這方面下一番功夫，找出合適的陰影消除算法，在前景的形態(tài)學(xué)處理中就將陰影消除。對(duì)于雙黃線的提取工作，本文是通過手動(dòng)強(qiáng)化特征和進(jìn)行提取的，未來也可以研究找到一種移植性比較強(qiáng)的雙黃線檢測(cè)算法，減去手工操作的必要。在背景建模方面，均值法太過依賴場(chǎng)景的固定，混合高斯算法又對(duì)靜止車輛及慢速車輛不敏感，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，一定要找到綜合具有前兩種方法有點(diǎn)的背景建模算法。對(duì)于車輛外行人、電動(dòng)車的消除，目前是利用面積進(jìn)行濾除的，但是這樣會(huì)對(duì)遠(yuǎn)距離的車輛與行人不易分辨，可以嘗試結(jié)合車輛特征的算法進(jìn)行行人噪聲的濾除。

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致謝成功沒有偶然，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能迎來現(xiàn)在的圓滿完成，與老師的幫助是分不開的。是沈老師的關(guān)心和信任給了我完成下去的信心和決心，感謝您的信任和理解，感謝您的支持與幫助，感謝您的辛苦選題和細(xì)心指導(dǎo)，是您的心血與汗水凝結(jié)成我今天的成功，在這里，向您致以最誠(chéng)摯的感謝和最衷心的祝福！同時(shí)，我還要感謝李小凡學(xué)長(zhǎng)和我那些最可愛的同學(xué)兼朋友們，謝謝你們的傾力幫助與熱心指導(dǎo)，是你們的給我創(chuàng)造了優(yōu)越的學(xué)習(xí)和生活環(huán)境，是你們給了我智慧的源泉，我的生命因?yàn)槟銈兌泳?，遇見你們是我大學(xué)期間最大的成功，謝謝！回想這5個(gè)月的畢設(shè)經(jīng)歷，有一次次的周報(bào)、例會(huì)，也有那緊張的答辯，有給我經(jīng)驗(yàn)的挫折，也有給我信心的成功，在這段沉起沉浮中，我成長(zhǎng)了很多，也收獲了很多。畢業(yè)設(shè)計(jì)不是終點(diǎn)，而是我走向社會(huì)的新起點(diǎn)。最后，要感謝我的家人以及所有關(guān)心過、幫助過我的老師同學(xué)們，是你們給了我奮斗的不竭動(dòng)力！

畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計(jì)）不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本論文（設(shè)計(jì)）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。作者簽名：日期：畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）授權(quán)使用說明本論文（設(shè)計(jì)）作者完全了解**學(xué)院有關(guān)保留、使用畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的規(guī)定，學(xué)校有權(quán)保留論文（設(shè)計(jì)）并向相關(guān)部門送交論文（設(shè)計(jì)）的電子版和紙質(zhì)版。有權(quán)將論文（設(shè)計(jì)）用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)入學(xué)校圖書館被查閱。學(xué)?？梢怨颊撐模ㄔO(shè)計(jì)）的全部或部分內(nèi)容。保密的論文（設(shè)計(jì)）在解密后適用本規(guī)定。

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