CN100430971C - 安装在公交车上的机动车辆违章行为自动抓拍装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及图象处理技术领域、安装在公交车上的违章自动抓拍装置，包括图象采集和控制部分，自动抓拍装置由视频采集和分析单元、通信单元、主控处理单元、人机接口单元、本地存储单元组成。安装在公交车的尾部头部和两侧对3种机动车辆违章行为进行自动抓拍的装置。3种违章行为是：是否有非公交车辆违章行驶在公交专用道，是否有机动车占用自行车道，是否有车辆违章停车。由前端摄像头拍摄图象，在抓拍器中自动辨识出是否有上述3种违章行为。如果有，则把违章车辆的图象记录下来并存储，同时通过GPRS无线传输装置把图象传送到交通管理部门。驾驶员也可以通过按键实现对违章车辆的人工抓拍。
Description
技术领域
本发明涉及图象处理技术领域，特别是一种安装在公交车上的违章自动抓拍装置和方法，通过DSP芯片对图象信号进行处理。
背景技术
目前，为实现公交优先，各大中城市开辟了越来越多的公交专用道，可经常有一些非公交车辆违章占用公交专用道。如何抓拍这些违章行为呢？目前已有的方法有以下两种：1)固定电子警察：在道路一侧安装摄像头，采用基于图象处理的技术抓拍违章车辆；2)移动电子警察：把摄像头安装在移动的巡逻车内，对违章车辆进行抓拍。
这两种方法都存在不足。方法1)需要路面施工，建设周期长。而且在非公交车辆比公交车辆体积小很多时，非公交车辆往往被公交车遮挡，抓拍率不高。方法2)中的移动电子警察主要安装在警用巡逻车上。可由于巡逻车数量较少，抓拍范围比较小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安装在公交车上的机动车辆违章行为自动抓拍装置和方法。
为了解决方法1)和方法2)中的抓拍率不高和抓拍范围小的不足，本发明提供一种安装在公交车上的违章抓拍装置和方法，可自动抓拍或人工抓拍在公交车周围发生的多种违章现象，比如非公交车违章占有公交车道、违章停车、违章换道、违章插车等。由于公交车数量众多，车体高度比较高，因此可同时保证抓拍范围和高抓拍率。
本发明的技术构思在于：通过在公交车的不同部位上安装多个摄像头采集其周围的视频；视频采集和分析单元采集和分析公交专用道中的图象信息，得出是否有各种违章行为的结论，并自动抓拍违章车辆的连续几副图象。比如，非公交车辆在公交车道违章行驶等；存储单元实现对图象和数据的存储；通信单元采用GPRS传输模块向交通管理中心无线传送抓拍的图象和数据，并接收来自交通管理中心的命令；供电单元实现对整个装置的电源管理；人机接口单元是自动抓拍方式的补充，它采用“一键通”的方式。公交车的驾驶员如果发现车的周围有违章车辆，那么只需按一下按键，即可抓拍违章车辆；主控处理单元实现对上述所有单元的协调控制。
通过DSP芯片对图象信号进行处理，可以自动抓拍违章进入公交车专用道的非公交车辆。
技术方案
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在公交车的不同部位(头部、尾部、两个侧面)安装CCD摄像头，摄像头可嵌入安装，也可外侧安装。视频采集和分析单元对采集到的视频流进行图象处理和分析，得出是否违章车辆的结论。如果有，那么把违章车辆的多幅图象连续抓拍下来，并存储在本地存储单元，同时采用GPRS无线传输设备把违章车辆的视频流传送到监控管理中心。驾驶员也可以采用按键实现人工抓拍违章车辆。
视频采集和分析单元用于采集和分析安装在公交车各个部位的视频流。可采用CCD摄像机完成图象的采集。然后通过视频采集和分析单元的A/D转换芯片把CCD采集来的模拟图象转换为数字图象，然后采用视频采集和分析单元的DSP对数字图象进行处理和分析，判断出是否有违章车辆。如果有，那么把违章图象存入缓冲存储器，并通知CPLD逻辑控制器，然后由CPLD逻辑控制器通知主控处理单元取违章图象，再由主控处理单元把违章图象存入本地存储单元。
通信单元采用GPRS模块实现无线传输。GPRS的通信速率为115.2kbps，.通信单元与主控处理单元采用串行口通信，且传输速率为115.2K。因此如果传输一副24位真彩图象，且每副图象的大小为768×576×3＝1327k，那么传输一副图象的时间是1327k/115.2＝11.5s。由于交通管理部门并不需要实时的违章图象传输，因此这个传输速率可以满足要求。而且随着GPRS技术和CDMA技术的应用，以后的无线传输速率完全可以达到实时的要求。
人机接口单元采用按键实现人机交互。驾驶员如果发现周围有违章车辆时，只需按下抓拍按键即可，无需做其他操作，不会干扰驾驶员驾驶。
存储单元分为两块：缓冲存储器和非易失性存储器。缓冲存储器存放违章的图象；非易失性存储器存放程序代码。
主控处理单元完成对视频采集和分析单元、通信单元、存储单元和人机接口单元的逻辑控制。流程如下：视频采集和分析单元把抓拍的图象存入缓冲存储，然后通知CPLD，CPLD通知主控处理单元到缓冲存储取违章图象。主控处理单元把取到的违章图象存入本地存储单元，同时把违章图象通过基于GPRS的无线通信单元发送给远程的监控中心。如果驾驶员按下抓拍按键，主控处理单元此时通知CPLD让图象采集和处理单元进行抓拍。
电源稳压单元采用车载蓄电池加电源稳压器组成，为上述所有单元供电。
一种违章车辆图象的自动抓拍装置，包括图象采集和控制部分，自动抓拍装置由视频采集和分析单元、通信单元、主控处理单元、人机接口单元、本地存储单元组成，视频采集和分析单元实现基于按键的人工抓拍；存储单元实现对违章图片的存储；主控处理单元实现对上述四个单元的协调和控制；其中，视频采集和分析单元和人机接口单元连接于主控处理单元，通信单元和本地存储单元与主控处理单元互联。
图象采集和控制部分由摄像头、GPRS天线、A/D转换器、图象处理器DSP、缓冲存储器、CPLD控制器、主控CPU、人工抓拍按键、非易失性存储器组成。其中，CPLD控制器分别与A/D转换器、图象处理器DSP、缓冲存储器、主控CPU相连，主控CPU与人工抓拍按键、非易失性存储器连接，主控CPU与缓冲存储器和本地存储单元互联。
抓拍装置的摄像头安在公交车辆的尾部、头部和右侧，通过自动图象处理辨识3种违章行为，是否有非公交车辆违章行驶在公交专用道，是否有机动车占用自行车道，是否有违章停车，并把违章车辆的连续几幅图象抓拍并存储。
由A/D和DSP完成对模拟图象的处理，而由另外的CPU完成对人机接口、GPRS通信和存储的协调处理，由CPLD完成对A/D转换模块、缓冲存储、DSP数据处理器和主控CPU的逻辑控制。
由A/D转换模块将模拟数据转换为数字数据，并送入DSP数据处理器，DSP处理器完成都图象数字数据的处理分析并把结果存入缓存。
把存储的本地的违章图象通过GPRS天线传输方式及时传输到管理部门。
可以同时处理放置在车辆不同位置的多路摄像头的信息。
人机接口可以是通过按键的方式，也可以通过按键加液晶屏显示的方式。
一种违章车辆图象的自动抓拍方法，在公交车的不同部位安装CCD摄像头，摄像头可嵌入安装，也可外侧安装，视频采集和分析单元对采集到的视频流进行图象处理和分析，把违章车辆的多幅图象连续抓拍下来，并存储在本地存储单元，同时采用GPRS无线传输设备把违章车辆的视频流传送到监控管理中心，可同时处理3种违章行为，1)是否有非公交车辆违章行驶在公交专用道，2)是否有违章停车，3)是否有机动车占用自行车道。
有益效果
本发明的有益效果是，可有效的抓拍在公交车周围行驶的违章车辆。可实现“全民皆警”，对不足的警力做了充足的社会力量层面的补充。
附图说明
图1是本发明的自动抓拍装置结构示意图。
图2是本发明的自动抓拍装置实施示意图。
图3是本发明的自动抓拍装置总体构成图。
图4是本发明的自动抓拍装置组成图。
图5违章行为1)的图象处理方法流程图。
图6违章行为2)的图象处理方法流程图。
图7违章行为3)的图象处理方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。
图1所示的本发明的抓拍装置结构。共有抓拍器主体、摄像头、GPRS天线、前端按键、车载电源五部分组成。抓拍器主体是整个发明的核心，它完成图象采集、处理、分析、存储和传输的工作。它通过摄像头引入视频，通过GPRS发送图象，通过前端按键实现人工抓拍，车载电源实现对上述所有部分的供电功能。
图2所示的自动抓拍装置实施示意图。抓拍器主体放在车内部即可；前端按键放置在驾驶员的旁边；抓拍装置可同时处理4路摄像头的图象，这4个摄像头可分别放在车辆的尾部、头部和两个侧面，这些摄像头的安装高度需要根据公交车辆的高度做出调整。GPRS天线安装在车顶，位置视具体情况而定。
图3所示本发明的自动抓拍装置总体构成。包括视频采集和分析单元1、通信单元2、主控处理单元3、人机接口单元4、本地存储单元5和稳压单元。视频采集和分析单元1采集并分析有无违章车辆并存储违章车辆的图片；通信单元2传送违章车辆的图片；人机接口单元4实现基于按键的人工抓拍；存储单元5实现对违章图片的存储；主控处理单元3实现对上述四个单元的协调和控制；稳压单元实现对上述所有单元的供电。其中，视频采集和分析单元1和人机接口单元4连接于主控处理单元3，通信单元2和本地存储单元5与主控处理单元3互联。
图4所示的自动抓拍装置组成图。由图象采集和控制部分由摄像头⑥、A/D转换器⑦，图象处理器DSP⑧、缓冲存储器⑨、CPLD控制器(10)、GPRS天线(11)、主控CPU(12)、本地存储单元(13)、非易失性存储器(14)、人工抓拍按键(15)组成，其中，CPLD控制器(10)分别与A/D转换器⑦、图象处理器DSP⑧、缓冲存储器⑨、主控CPU(12)连接，主控CPU(12)与人工按键(15)、非易失性存储器(14)连接，主控CPU(12)与缓冲存储器⑨和本地存储单元(13)互联。
视频采集单元采用CCD采集现场图象并送给A/D芯片进行处理。A/D芯片采用PHILIPIS公司的SAA7111A芯片，7111A芯片有4个模拟通道，通过分时采集4路的图象信号，分时进行处理。可通过编程选择其转换模式，通过I2C总线进行编程，完成其初始化的工作，信号的输出格式也由I2C总线进行控制，采用CCIR601的4:2:2格式。这样，现场图象就从模拟数据转换为数字数据，并通过缓存器，送给DSP芯片进行进一步的数字图象处理。
DSP数据处理器：此芯片是用来专门进行图象数据处理。采用TI公司生产的TMS320C6412芯片。该芯片具有灵活的指令系统和操作性能，支持汇编语言和C语言的单独和混合编程。DSP对放在缓冲存储中的数据进行处理，通过一定的图象处理算法提取违章车辆的信息。
CPLD采用XILINX公司的XC95288XV芯片。编程方式采用原理图和VHDL语言相结合的输入方法，通过专用的下载电缆下载到芯片中。该芯片可以完成整个电路的逻辑关系。
缓冲器采用TDT公司的TDT72V215L。由A/D转换芯片转换而来的视频数据进入TDT72V215L，在其中暂时存放。当DSP对其进行处理是，可通过重复读指令进行读操作，因为重复指令可把一条多到5个周期的指令变为1个周期的指令，所以DSP一次可以读大量的书籍，从而实现缓冲的功能。
非易失性存储器用来存放主控CPU的程序代码，采用INTEL的128兆28F128J3A芯片。
本地存储器用来存放由DSP抓拍下来的违章车辆的图片，采用256兆的CF卡。
主控CPU用来主控管理DSP处理器、键盘接口、GPRS接口的协调工作，采用CIRRUSLOGIC公司的EP9312 ARM9的芯片。
GPRS无线传输模块用来把违章图片传输给管理部门，采用MOTOROLA公司的G20。其特点是：内嵌TCP/IP协议，性能优越，体积极小(24.4×48.2×6.0mm)。
本发明可以同时处理多种违章现象：1)在早高峰和晚高峰的时间内，非公交车使用公交车道；2)在非停车点违章停车；3)机动车非法使用自行车道；4)在交通流拥挤时，违章换道和插车。
尾部和头部的摄像头的作用主要是抓拍违章行为1)；右侧的摄像头的作用主要是抓拍违章行为2)和3)。
图5，对于违章行为1)的图象处理算法流程是：首先判断是否在公交专用的时段时，比如是否在7:00-9:00AM内，否则就不进行违章行为1的处理。如果在这个时段内，判断现在公交车是否行驶在公交专用道内，具体做法就是寻找公交专用道的黄线标志。如果在专用道内，那么对公交车尾部和头部摄像头视野那的车辆进行分析，分析其车型，是否有非公交车车辆。如果有，那么就连续抓拍几幅违章车辆的图象。
步骤S5.1读取时钟并判断，首先读取主控CPU的时钟，然后判断时间否是在公交车专用道的专用时间段内，如果是，那么进入步骤S5.2，否则重复步骤S5.1；
步骤S5.2过滤图象噪声，将公交车尾部和头部的摄像机采集到的图象CB进行基于Kalman的图象滤波，滤去噪声，形成滤波后的图象CBG；
步骤S5.3定位专用道标志及判断公交车位置，在图象C中首先进行边缘提取，然后采用基于边缘组成的区域形状判断法，定位出专用道标志线，因为专用道标志线一般为一条粗的黄线，那么在图象C中表现为细长的长方形，而且经常与图象C的长度相等，如果在图象C中没有发现专用道标志，那么返回S5.1；否则，判断公交车是否在专用道行驶，判断规则是：如果专用道标志在图象的左(右)边缘，那么公交车在专用道行驶，并且进入步骤S5.4；否则返回步骤S5.1；
步骤S5.4判断是否有非公交车在专用道行驶，在图象C中，采用边缘提取，然后采用基于边缘组成的区域形状判断法，判断出是否有车在专用道内，通常小轿车的边缘组成一定面积的矩形J，如果矩形J的面积大于设定置M，那么认为为公交车，否则认为非公交车，如果有非公交车在专用道行驶，并且持续时间超过5秒，那么进入步骤S5.5，否则返回步骤S5.1；
步骤S5.5保存图象，将非公交车的连续三帧的违章图象保存到缓冲存储，然后通知CPLD，CPLD通知主控单元把违章图象从缓冲存储转移到本地存储单元，同时清空缓冲存储。
图6，对于违章行为2)的图象处理算法流程是：首先寻找是否有停止的车辆。如果有，则寻找此车辆周围是否有停车牌的标志？如果有，则不为违章停车，否则，连续抓拍几幅违章车辆的图象。注意，这种违章行为的抓拍只有在公交车在站牌前暂时停下上下乘客时才能使用。
步骤S6.1过滤图象噪声，将公交车右侧摄像机采集到的图象CR进行基于Kalman的图象滤波，滤去噪声，形成滤波后的图象CRG；
步骤S6.2判断公交车是否暂时停止运动，采用基于静止参照物的帧间比较判断公交车是否停止运动，通常，公交车进站时要停靠在站牌的附近，因此，方法采用站牌做为静止参照物，通过连续三帧之间进行比较，如果站牌的位置保持不变，那么公交车暂时停止运动，进入步骤S6.3，否则结束；
步骤S6.3判断是否有停止的车辆，对图象CBG进行边缘提取，然后采用基于边缘组成的区域形状判断法，判断出是否有车停止，如果有，进入步骤S6.4，否则结束；
步骤S6.4判断周围是否有停车牌，对图象CBG进行边缘提取，然后采用基于边缘组成的区域形状判断法，判断是否有停车牌。如果有停车牌，那么结束，否则进入步骤S6.5；
步骤S6.5保存图象，将非法停车的连续三帧的违章图象保存到缓冲存储，然后通知CPLD，CPLD通知主控单元把违章图象从缓冲存储转移到本地存储单元，同时清空缓冲存储。
图7，对于违章行为3)的图象处理算法流程是：首先定位自行车道的标志。关于定位自行车道，由于自行车道的标志不统一，有的路段甚至没有明确标示出来。因此，此处采用的方法也不尽统一。在不同的路段采用不同的方法。可由于抓拍器本身并不知道具体的位置，因此可与公交车的GPS子系统相结合，定位公交车的位置，在不同的路段采取不同自行车道定位的方法。如果在自行车道有机动车在持续行驶，那么就连续抓拍几幅违章车辆的图象。
步骤S7.1过滤图象噪声，将公交车右侧摄像机采集到的图象CR进行基于Kalman的图象滤波，滤去噪声，形成滤波后的图象CRG；
步骤S7.2接收GPS定位信息并调用不同的定位方法，通过安装在公交车的GPS接收器定位当前公交车所处的位置，然后根据不同的位置调用事先存储的多种自行车道定位方法；方法一：通常公交车专用道都在普通机动车道的外侧，与自行车道相邻，因此，如果公交车的右侧摄像机检测到有车辆行驶，那么此车辆肯定行驶在自行车道，而有的自行车的一部分允许机动车行驶，此时就不能采用上述方法了，如何区分这两种情况，采用GPS的定位信息来区分，事先存储不同情况路段的经度和纬度范围，然后根据经度和纬度范围调用相应方法，如果有车辆行驶在自行车道，那么进入步骤S7.3，否则返回S7.1；
步骤S7.3保存图象。将非法行驶在自行车道的连续三帧的违章图象保存到缓冲存储，然后通知CPLD，CPLD通知主控单元把违章图象从缓冲存储转移到本地存储单元，同时清空缓冲存储。
Claims (9)
1.一种违章车辆图象的自动抓拍装置，其特征在于，包括图象采集和控制部分，该图象采集和控制部分由摄像头(6)、A/D转换器(7)，图象处理器DSP(8)、缓冲存储器(9)、CPLD控制器(10)、GPRS天线(11)、主控CPU(12)、本地存储单元(13)、非易失性存储器(14)、人工抓拍按键(15)组成，其中，CPLD控制器(10)分别与A/D转换器(7)、图象处理器DSP(8)、缓冲存储器(9)、主控CPU(12)连接，主控CPU(12)分别与人工抓拍按键(15)、非易失性存储器(14)连接，主控CPU(12)分别与缓冲存储器(9)和本地存储单元(13)互联；所述摄像头(6)按在公交车辆的尾部、头部和右侧，通过自动图象处理辨识3种违章行为，是否有非公交车辆违章行驶在公交专用道，是否有机动车占用自行车道，是否有车辆违章停车，并把违章车辆的连续几幅图象抓拍并存储。
2、根据权利要求1所述的违章车辆图象的自动抓拍装置，其特征在于，由A/D转换器和图象处理器DSP完成对模拟图象的处理，而由主控CPU完成对人机接口、GPRS天线通信和存储的协调处理，由CPLD控制器完成对A/D转换器、缓冲存储器、图象处理器DSP和主控CPU的逻辑控制。
3.根据权利要求1所述的违章车辆图象的自动抓拍装置，其特征在于，由A/D转换器将模拟数据转换为数字数据，并送入图象处理器DSP，图象处理器DSP完成对图象数字数据的处理分析并把处理结果存入缓冲存储器。
4.根据权利要求1所述的违章车辆图象的自动抓拍装置，其特征在于，把存储在本地的违章图象通过GPRS无线传输方式及时传输到管理部门。
5.根据权利要求1所述的违章车辆图象的自动抓拍装置，其特征是，同时处理放置在车辆不同位置的多路摄像头的信息。
6.一种违章车辆图象的自动抓拍方法，其特征是，在公交车的不同部位安装CCD摄像头，摄像头嵌入安装，或外侧安装，视频采集和分析单元对采集到的视频流进行图象处理和分析，把违章车辆的多幅图象连续抓拍下来，并存储在本地存储单元，同时采用GPRS无线传输设备把违章车辆的视频流传送到监控管理中心，同时处理3种违章行为，1)是否有非公交车辆违章行驶在公交专用道，2)是否有违章停车，3)是否有机动车占用自行车道。
7.根据权利要求6所述的违章车辆图象的自动抓拍方法，特征在于：其中是否有非公交车辆违章行驶在公交专用道的判断步骤如下：
步骤S5.1，读取时钟并判断，首先读取主控CPU的时钟，然后判断时间是否在公交车专用道的专用时间段内，如果是，那么进入步骤S5.2，否则重复步骤S5.1；
步骤S5.2，过滤图象噪声，将公交车头部和尾部的摄像机采集到的图象CB进行基于Kalman的图象滤波，滤去噪声，形成滤波后的图象CBG；
步骤S5.3，定位专用道标志及判断公交车位置，在图象CBG中首先进行边缘提取，然后采用基于边缘组成的区域形状判断法，定位出专用道标志线，因为专用道标志线为一条粗的黄线，在图象CBG中表现为细长的长方形，而且经常与图象CBG的长度相等，如果在图象CBG中没有发现专用道标志，那么返回S5.1；否则，判断公交车是否在专用道行驶，判断规则是：如果专用道标志在图象的左或右边缘，那么公交车在专用道行驶，并且进入步骤S5.4；否则返回步骤S5.1；
步骤S5.4，判断是否有非公交车在专用道行驶，在图象CBG中，采用边缘提取，然后采用基于边缘组成的区域形状判断法，判断出是否有车在专用道内，通常小轿车的边缘组成一定面积的矩形J，如果矩形J的面积大于设定置M，那么认为为公交车，否则认为非公交车，如果有非公交车在专用道行驶，并且持续时间超过5秒，那么进入步骤S5.5，否则返回步骤S5.1：
步骤S5.5，保存图象，将非公交车的连续三帧的违章图象保存到缓冲存储，然后通知CPLD，CPLD通知主控单元把违章图象从缓冲存储转移到本地存储单元，同时清空缓冲存储。
8.根据权利要求6所述的违章车辆图象的自动抓拍方法，特征在于：其中是否有违章停车的判断步骤如下：
步骤S6.1过滤图象噪声，将公交车右侧摄像机采集到的图象CR进行基于Kalman的图象滤波，滤去噪声，形成滤波后的图象CRG；
步骤S6.2判断公交车是否暂时停止运动，采用基于静止参照物的帧间比较判断公交车是否停止运动，公交车进站时要停靠在站牌的附近，因此，采用站牌做为静止参照物，通过连续三帧之间进行比较，如果站牌的位置保持不变，那么公交车暂时停止运动，进入步骤S6.3，否则结束；
步骤S6.3判断是否有停止的车辆，对图象CRG进行边缘提取，然后采用基于边缘组成的区域形状判断法，判断出是否有车停止，如果有，进入步骤S6.4，否则结束；
步骤S6.4判断周围是否有停车牌，对图象CRG进行边缘提取，然后采用基于边缘组成的区域形状判断法，判断是否有停车牌，如果有停车牌，那么结束，否则进入步骤S6.5；
步骤S6.5保存图象，将非法停车的连续三帧的违章图象保存到缓冲存储，然后通知CPLD，CPLD通知主控单元把违章图象从缓冲存储转移到本地存储单元，同时清空缓冲存储。
9.根据权利要求6所述的违章车辆图象的自动抓拍方法，特征在于：其中是否有机动车占用自行车道的判断步骤如下：
步骤S7.1过滤图象噪声，将公交车右侧摄像机采集到的图象CR进行基于Kalman的图象滤波，滤去噪声，形成滤波后的图象CRG；
步骤S7.2接收GPS定位信息并调用不同的定位方法，通过安装在公交车的GPS接收器定位当前公交车所处的位置，然后根据不同的位置调用事先存储的多种自行车道定位方法；采用GPS的定位信息来区分，事先存储不同情况路段的经度和纬度范围，然后根据经度和纬度范围调用相应方法，如果有车辆行驶在自行车道，那么进入步骤S7.3，否则返回S7.1；
步骤S7.3保存图象，将非法行驶在自行车道的连续三帧的违章图象保存到缓冲存储，然后通知CPLD，CPLD通知主控单元把违章图象从缓冲存储转移到本地存储单元，同时清空缓冲存储。
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