目前，交通問題已成為城市發(fā)展的主要制約因素之一。ITS(Intelligent Transportation System)智能交通系統(tǒng)，是指將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等應(yīng)用于交通運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)交通信息管理現(xiàn)代化。目前國內(nèi)外對(duì)ITS已經(jīng)有了較深入的研究和實(shí)踐。近20年的研究表明：實(shí)行ITS，可以使道路的通行能力提高2～3倍，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
　　交通視頻檢測設(shè)備是ITS的重要組成部分，它實(shí)時(shí)地檢測交通參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并傳送至交管中心。傳統(tǒng)的檢測方法是在車道下埋置磁感應(yīng)線圈" title="感應(yīng)線圈">感應(yīng)線圈^[1]，當(dāng)有車輛經(jīng)過時(shí),產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，檢測出這輛車正在感應(yīng)線圈的位置。根據(jù)一輛車通過不同的感應(yīng)線圈的時(shí)間間隔△t和兩個(gè)感應(yīng)線圈之間的距離L,求得車速。
　　本文提出的視頻檢測方法，首先在圖像上設(shè)置虛擬線，虛擬線的作用與上述磁感應(yīng)線圈類似。根據(jù)虛擬線上像素點(diǎn)的數(shù)值變化判斷是否有車經(jīng)過檢測線。如果當(dāng)前檢測線上的數(shù)值大于背景估計(jì)值，則認(rèn)為有車輛經(jīng)過檢測線，從而檢測出車輛。由于背景的變化，必須實(shí)時(shí)更新背景的估計(jì)值，才能夠保證檢測的精度。
1 虛擬線檢測算法
　　視頻車輛檢測" title="車輛檢測">車輛檢測流程如圖1所示，用一個(gè)架設(shè)在車道上方的攝像頭同時(shí)監(jiān)視多個(gè)車道，攝像頭采集的圖像以25幀/秒(PAL)的速率進(jìn)入圖像采集模塊，得到數(shù)字化的圖像(YUV 4:2:2)，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入圖像處理模塊，這個(gè)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像的分析處理，檢測出多項(xiàng)交通信息。圖像處理流程如圖2所示。

1.1 攝像機(jī)的安裝與虛擬線的實(shí)際距離
　　圖3中：Φ為攝像機(jī)的視場" title="視場">視場(FOV)角度；
　　Φ/r為一條檢測線對(duì)應(yīng)的角度；
　　D是一條檢測線對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離；
　　r是圖像的垂直分辨率(一幅圖像的行數(shù))。
　　實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)圖3所示的視場角度(FOV)，攝像機(jī)比較理想的安裝高度應(yīng)該在7.5m～10m的范圍內(nèi)，并且保證監(jiān)視的視場能夠覆蓋1～4條車道。
　　在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，一行掃描線代表的實(shí)際距離與攝像機(jī)的安裝密切相關(guān)，本系統(tǒng)中由三個(gè)參數(shù)確定，分別是攝像機(jī)的安裝高度(h)、光軸與垂直方向的角度及視場(FOV)，各參數(shù)間的關(guān)系如圖3。式(1)為每條檢測線代表的實(shí)際距離^[2]:
　　D=htan[arctan(d/h)+Φ/r]-d　　　　　　　　　　　(1)
　　由圖3所示幾何關(guān)系，容易得到圖像覆蓋的實(shí)際最大" title="最大">最大距離為：
　　d_max=htan[arctan(d_min/h)+Φ]　　　　　　　　　　(2)
　　顯然攝像機(jī)能夠監(jiān)視的最大距離d_max由安裝高度h、最小距離d_mix和FOV角度Φ決定。
1.2 背景估計(jì)和車輛檢測
　　一條道路通常被分為幾條車道，在每條車道上分別設(shè)置如圖4(圖中數(shù)字1,2,3...表示像素點(diǎn))所示的檢測區(qū)。每個(gè)檢測區(qū)由一條車輛存在檢測線和緊跟其后的速度檢測區(qū)構(gòu)成。存在檢測線長度為50pixel/line，速度檢測區(qū)由30條30pixel/line檢測線構(gòu)成。

　　判斷存在檢測線上是否有車通過的基本原理是：如果當(dāng)前幀檢測線上像素點(diǎn)的灰度值明顯大于背景的估計(jì)值，認(rèn)為這一時(shí)刻檢測線上有車輛存在，否則認(rèn)為此刻檢測線上無車輛存在。
　　由于環(huán)境的變化，必須實(shí)時(shí)更新存在檢測線上的背景估計(jì)值。把一條檢測線上對(duì)應(yīng)五個(gè)不同時(shí)刻(相鄰時(shí)刻的間隔是10幀)的像素點(diǎn)的灰度值存入緩沖區(qū),用lineTn(n=1,2...)表示第n時(shí)刻檢測線上的數(shù)據(jù)。這樣連續(xù)5個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)為一組，通過對(duì)連續(xù)兩組數(shù)據(jù)的比較計(jì)算來更新背景的估計(jì)值。例如，當(dāng)前緩沖區(qū)存的是lineT1到lineT5，那么輸入的lineT6與lineT1的間隔是50幀(2s，PAL制)，這樣在車速大于20km/h,車長小于11m的條件下(通常情況下滿足此條件)，不可能有同一輛車既經(jīng)過lineT1又經(jīng)過lineT6。定義一個(gè)變量如(3)式：
　　
　　式(3)中S是lineT(1＋j)的第i個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，S_i是lineT(6＋j)的第i個(gè)像素點(diǎn)的灰度值(j＝0,1,2,3,4)。把第一組數(shù)據(jù)和第二組數(shù)據(jù)比較，即lineT1與6，2與7，3與8，4與9，5與10分別逐像素點(diǎn)地比較，由式(3)得到5個(gè)變量，然后lineT6～10覆蓋lineT1～5存入緩沖區(qū)，用lineT6～10和lineT11～15重復(fù)上述計(jì)算過程。通過比較lineT1～5和lineT6～10 兩組數(shù)據(jù)得到的5個(gè)變量中，第j個(gè)變量Vj最小，令V_min＝V_j，與這個(gè)最小值對(duì)應(yīng)的后一組數(shù)據(jù)中的lineT(6+j)用于存在檢測線的背景估計(jì)。檢測線的背景估計(jì)通過式(4)的經(jīng)驗(yàn)公式^[4]更新：
　　
　　式(4)中R是檢測線上第i點(diǎn)的背景估計(jì)值，R_i是該點(diǎn)上一次的估計(jì)值，Bi是后一組數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)于最小變量值Vmin的檢測線上第i點(diǎn)的值。w是權(quán)系數(shù)，它決定了上一次的背景估計(jì)值對(duì)當(dāng)前背景估計(jì)值的影響，(1－w)決定了對(duì)應(yīng)于V_min的檢測線數(shù)據(jù)對(duì)于背景估計(jì)的影響。如果w＝1，當(dāng)前背景估計(jì)等于上一次背景估計(jì);如果w＝0，當(dāng)前背景估計(jì)完全被對(duì)應(yīng)于V_min的檢測線數(shù)據(jù)代替。為了達(dá)到實(shí)時(shí)更新背景的目的，w的值應(yīng)該較小，但是為了提高抗干擾能力，w的值應(yīng)該較大，綜合兩方面的考慮，實(shí)際系統(tǒng)中取固定值w＝0.8。通過上述計(jì)算過程，檢測線上的背景估計(jì)值每隔2s更新一次，對(duì)于緩慢變化的環(huán)境，能夠得到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的背景估計(jì)。
　　如果一條檢測線上像素點(diǎn)的值比與它比較的檢測線上相應(yīng)點(diǎn)的值高得多(或低得多)，由(3)式得到V′，而兩條檢測線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的值基本相同時(shí)得到V′′，那么V′會(huì)明顯大于V′′，這就是進(jìn)行車輛檢測的基本依據(jù)。定義變量：

　　
　　式(5)中L_i是當(dāng)前時(shí)刻檢測線上第i點(diǎn)的值，R是背景估計(jì)值。
　　當(dāng)V_D大于選定的閾值時(shí)，認(rèn)為檢測線上有車輛存在。式(6)是閾值表達(dá)式：
　　T=kV_min　　　　　　　　　(6)
　　式(6)中V_mim是當(dāng)前最小的變量值，對(duì)應(yīng)于B_i，k是常數(shù)，如果
　　V_D＞T　　　　　　　　　　(7)
　　說明當(dāng)前時(shí)刻檢測線上的值大于背景估計(jì)值，此時(shí)檢測出有車輛經(jīng)過存在檢測線。
1.3 速度檢測
　　如圖4所示，速度檢測區(qū)緊跟在存在檢測線之后，當(dāng)存在檢測線檢測到有車輛經(jīng)過時(shí)，觸發(fā)速度檢測區(qū)工作。為了避免車高的影響，當(dāng)車輛相對(duì)攝像機(jī)的監(jiān)視方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)該按照車頭的位置計(jì)算速度。而當(dāng)車輛運(yùn)動(dòng)方向與攝像機(jī)的監(jiān)視方向相同時(shí)，應(yīng)該按照車尾的位置計(jì)算速度。

　　以前一種情況為例，一旦檢測到車輛進(jìn)入速度檢測區(qū)，速度檢測模塊依次檢測每條虛擬線(從Line0開始)，方法與存在檢測算法相同，當(dāng)檢測到連續(xù)兩條虛擬線都沒有車輛存在時(shí)停止。認(rèn)為這兩條線的前一條就是車頭的位置l0，下一幀的檢測就從這條線開始。一幀一幀重復(fù)上述過程，直到車頭位置超出了速度檢測區(qū)，那么上一幀得到的車頭位置ln就是車頭最后的位置。車速為：
　　
　　式(8)中：l_n為車頭最后位置，第n幀，
　　　　　　　l₀為車頭的開始位置，第0幀，
　　　　　　　n為車頭從l₀到l_n經(jīng)歷的幀數(shù)，
　　　　　　　25 PAL制，25幀/秒。
　　計(jì)算ln-l0是必須的，因?yàn)檐囶^的開始位置和最后位置在每次測量時(shí)并不是固定的。適當(dāng)設(shè)置30條虛擬線組成的速度檢測區(qū)，使ln-l0的最小值是20，則由檢測線引起的最大量化誤差是1/20。
　　由圖3所示的幾何關(guān)系，(8)式的速度值能夠轉(zhuǎn)換成m/s為單位的實(shí)際速度，與ln-l0對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離為：
　　
2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
　　如圖5所示，本系統(tǒng)選用TMS320C6000系列的DSP芯片作為處理器，采用雙處理器的硬件結(jié)構(gòu)，每個(gè)視頻通道處理一路視頻輸入，可以同時(shí)檢測兩個(gè)方向的交通信息。本系統(tǒng)在CCS2.2環(huán)境下開發(fā)系統(tǒng)底層程序，在VC.net環(huán)境下開發(fā)系統(tǒng)上層操作程序，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　用10個(gè)視頻序列(每個(gè)序列3分鐘，25f/s,攝像機(jī)高h(yuǎn)＝7.5m，視場FOV≈40°)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)證明在環(huán)境光線良好的條件下，車輛計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確率在95％以上；在較差的光線條件下，車輛計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確率在90％以上，速度參數(shù)計(jì)算誤差小于5％。表1為對(duì)5個(gè)視頻序列進(jìn)行車輛計(jì)數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；表2為本系統(tǒng)的測速結(jié)果與同類產(chǎn)品著名品牌Autoscope的新型號(hào)Solo NC的檢測結(jié)果的對(duì)比。