CN102129779A - 路口交通信号安全和效率监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种路口交通信号安全和效率监测系统，该系统在路口每个方向安装一台彩色摄像机，在视频板上本地运行图像处理算法，智能检测识别交通信号灯和车辆行驶状况，监测路口交通信号的安全和效率；该系统从视频图像中识别交通信号灯状态，监测交通信号控制或交通信号灯是否出现异常；从视频图像中检测车辆闯红灯，判断黄灯时间是否设得太短，是否应该安装电子警察来减少车辆闯红灯事件；从视频图像中检测在路口等待绿灯或驶向路口的车辆，评价红绿灯的时间分配是否合理、交通信号控制是否高效。该系统获得的信息既能在路口现场被路口机使用，如监测到交通信号异常时立即启动信号灯黄闪，又能通过网络将信息远程上传到交通管理中心。

Description

路口交通信号安全和效率监测系统

技术领域

本发明涉及视频图像处理和交通工程技术领域，特别是一种路口交通信号安全和效率监测系统，用视频手段现场监测交通信号灯的运行情况。

背景技术

路口交通信号控制机(以下简称路口机)在现代城市中发挥着重要作用。路口机通过控制交通信号灯的亮灭，指示车辆通行或停止，协调不同方向上车流和人流的秩序。随着城市人口和车辆的不断增多，人们对交通信号灯的要求越来越高，主要体现在安全、效率两个方面。“安全”是指决不允许交通信号灯出现可能引发重大交通事故的异常情况，特别是绿灯冲突或者冲突方向红灯不亮的情况。一旦出现这些情况，应立即将路口所有方向的交通信号灯降级为黄闪，提醒车辆和行人注意，并派技术人员到现场查除故障，使交通信号灯尽快恢复正常。另外，车辆闯红灯是一项安全隐患，容易引发车辆碰撞事故。实践证明，适当延长黄灯时间能够避免车辆无意识闯红灯，安装电子警察等执法设备也能够大量减少车辆闯红灯事件。“效率”是指使路口车辆和行人的通行达到最高效率，最大限度地利用绿灯时间，减少延误时间和停车次数。自适应地控制交通信号是提高路口通行效率的有效手段。近年来，许多城市引进了SCATS、SCOOT控制系统，显著提高了城市交通的运行效率。然而，目前仍然缺乏有效手段衡量路口交通信号的控制效果。

交通信号灯异常检测已经成为路口机的必备功能之一。故障检测板实时检测信号灯的负载电压和电流，如果负载电压和电流超过阈值，则识别信号灯为亮，否则为灭，从而判断是否出现绿灯冲突或者冲突方向红灯不亮等异常情况。这种检测方式本质上是间接检测，有可能误检测。如果信号灯电路受到附近高压线的电磁干扰而产生电压和电流，虽然干扰电压不足以点亮信号灯，但是由于信号灯电路存在一定的电压和电流，故障检测板有可能将信号灯的灭状态错误识别为亮状态，从而错误判断发生了绿灯冲突异常而降级为信号灯黄闪。

发明内容

为了综合解决上述问题，本发明的目的是利用纯视频检测方式构建一种路口交通信号安全和效率监测系统。视频检测是最直接的检测方式，它以视频图像处理和模式识别学科为基础，获取与人类视觉相一致的世界信息。该系统在路口现场智能检测识别交通信号灯状态、停驶车辆和运动车辆，获取现场的第一手信息，监测交通信号的安全和效率。为了用视频手段现场监测交通信号灯的运行情况，本发明提出一种路口交通信号安全和效率监测系统。

为了达到上述目的，本发明提供一种路口交通信号安全和效率监测系统，该系统的技术解决方案是由多台彩色摄像机、多块视频板和一块通信板组成，其中：

在路口每个方向安装一台彩色摄像机，彩色摄像机获取交通视频图像；

每块视频板与一台彩色摄像机连接，视频板接收彩色摄像机获取的交通视频图像；在视频板上本地运行图像处理算法，并由视频板智能检测识别并输出交通信号灯状态、停驶车辆和运动车辆，为交通信号安全和效率监测提供低层信息；

通信板通过局域网与多块视频板连接，通信板接收每块视频板输出的检测信息，并对这些信息做综合分析，获得更高层的关于路口交通信号安全监测和效率监测的信息，所述路口交通信号安全监测包括对交通信号异常和车辆闯红灯违章两种危险情况的监测，所述路口交通信号效率监测是对车辆通行效率的监测；通信板根据路口各个方向的交通信号灯状态，判断是否出现绿灯冲突或者冲突方向红灯不亮的情况，实现交通信号异常监测；通信板根据红灯相位方向的运动车辆，实现车辆闯红灯违章监测；

路口机和交通管理中心通过网络分别与通信板连接，路口机和交通管理中心接收通信板输出的路口交通信号安全和效率信息，路口机和交通管理中心利用路口交通信号安全和效率监测信息，实施有效的交通管理与控制策略。

其中，所述彩色摄像机安装在停车线后侧10～15米远、7～10米高的横杆上，朝向路口，视野中包含停车线、路口对面交通信号灯，以及相对方向的一段道路，所述彩色摄像机输出彩色视频信号。

其中，所述交通信号异常监测含有：从交通视频图像中智能检测交通信号灯，识别红灯、黄灯和绿灯的亮灭状态，监测交通信号控制是否出现异常以及交通信号灯是否出现异常；如果交通信号出现异常，即出现绿灯冲突或者冲突方向红灯不亮的情况，立即启动信号灯黄闪。

其中，所述车辆闯红灯违章监测含有：在交通视频图像中设置虚拟线圈，从交通视频图像中检测车辆闯红灯，如果频繁发生车辆闯红灯，则需要适当延长黄灯时间来减少车辆无意识闯红灯事件，甚至通过安装电子警察来增强执法力度。

其中，所述交通信号效率监测含有：在交通视频图像中设置虚拟线圈，从交通视频图像中检测相对方向道路上是否有停驶等待绿灯或驶向路口的车辆，如果频繁出现红灯方向有车辆排队等待绿灯，而绿灯方向没有车辆驶来，这说明路口红绿灯时间分配不合理，需要优化交通信号控制方案。

其中，所述识别交通信号灯状态是在HSV色彩空间检测交通信号灯，首先分割红灯、黄灯和绿灯的候选连通区域，然后利用红灯、黄灯和绿灯的空间分布关系和时间序列关系，识别并跟踪交通信号灯的亮灭状态。

其中，所述检测车辆闯红灯，是在视频图像的停车线前面设置虚拟线圈，利用虚拟线圈内的前景面积、纹理变化和像素运动等特征来检测车辆，这时必须考虑车辆的运动方向，因为车辆闯红灯时沿道路方向，而行人过街时垂直于道路方向。

其中，所述检测相对方向道路上的车辆，是在视频图像中的停驶检测和提前检测位置设置虚拟线圈，利用虚拟线圈内的前景面积和纹理变化特征来检测车辆，这时不必考虑车辆的运动方向。

其中，所述利用路口交通信号安全和效率监测信息，是通信板输出的信息能在路口现场被路口机使用，如果监测到交通信号异常，路口机主控板立即启动信号灯黄闪，如果监测到车辆闯红灯，路口机电子警察启动闯红灯抓拍，如果监测到红绿灯时间分配不合理，路口机主控板优化交通信号控制，又能通过网络将信息远程上传到交通管理中心，进行区域交通的协调管理和控制。

本发明的有益效果：本发明的路口交通信号安全和效率监测系统采用纯视频检测方式检测识别交通信号灯状态、停驶车辆和运动车辆，获得路口现场的第一手信息，监测交通信号的安全和效率；采用视频手段监测交通信号异常，避免了路口机故障检测板错误地将交通信号灯电路的干扰电压和电流识别为信号灯亮状态，有利于增强现有的交通信号异常监测技术；纯视频检测方式将交通信号灯状态识别和车辆检测合而为一，同时解决了路口交通信号安全监测问题和路口交通信号效率监测问题，避免了多种检测方式的重复施工，有利于节省设备安装成本。本发明能够促进道路交通管理与控制的发展。

附图说明

图1是本发明的硬件结构图。

图2是本发明的彩色摄像机安装位置俯视图。

图3是摄像机视频图像及检测区域设置图。

图4是交通信号灯的空间分布关系图。

图5是三种常见的交通信号相位循环。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应当指出的是，所描述的实施方式旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1示出本发明的硬件结构图。本发明所述的路口交通信号安全和效率监测系统由多台彩色摄像机1、多块视频板2和一块通信板3组成，其中：

在路口每个方向安装一台彩色摄像机1，视频信号经同轴电缆传送给本地视频板2，在视频板2上运行图像处理算法，智能检测识别交通信号灯和车辆行驶状况，通信板3接收每块视频板2输出的检测信息，并对这些信息做综合分析，获得更高层的关于路口交通信号安全和效率的信息；获得的信息既能在路口现场被路口机4使用，本发明又能通过网络将信息远程上传到交通管理中心5。

本发明系统具有三种功能：(a)从视频图像中识别交通信号灯状态，监测交通信号控制或交通信号灯是否出现异常；(b)从视频图像中检测车辆闯红灯，判断黄灯时间是否设得太短，是否应该安装电子警察来减少车辆闯红灯事件；(c)从视频图像中检测在路口等待绿灯或驶向路口的车辆，评价红绿灯的时间分配是否合理、交通信号控制是否高效。

本发明系统的(a)功能，从视频图像中检测识别交通信号灯，提取红灯、黄灯和绿灯的亮灭状态，监测交通信号是否出现异常，即是否出现绿灯冲突或者冲突方向红灯不亮的情况，如果监测到异常应立即启动信号灯黄闪。

本发明系统的(b)功能，在视频图像中设置虚拟线圈，检测车辆闯红灯，如果频繁发生车辆闯红灯，则需要适当延长黄灯时间来减少车辆无意识闯红灯事件，甚至通过安装电子警察来增强执法力度。

本发明系统的(c)功能，在视频图像中设置虚拟线圈，检测相对方向道路上是否有停驶等待绿灯或驶向路口的车辆，如果频繁出现红灯方向有车辆排队等待绿灯，而绿灯方向没有车辆驶来，这说明路口红绿灯时间分配不合理，需要优化交通信号控制方案。

图1中的彩色摄像机1输出的彩色视频信号经同轴电缆输送给视频板2。由于视频图像质量影响检测精度，应当选择合适的彩色摄像机型号，要求彩色摄像机在环境亮度较高时视频图像清晰度很高，夜晚低照度下有较高的成像质量，有出色的背光补偿和强光抑制功能。

彩色摄像机1安装在停车线后侧10～15米远、7～10米高的横杆上，朝向路口。只要视频图像清晰，彩色摄像机1安装越高越好，并尽可能固定在直行车道的中间位置。彩色摄像机1安装时应尽可能地避免遮挡问题，防止车辆或静态背景物体遮挡有效检测区域。另外，彩色摄像机1要安装稳固，因为彩色摄像机1晃动会降低检测精度。彩色摄像机1视野中包含停车线、路口对面交通信号灯，以及相对方向的一段道路。彩色摄像机1视域取决于它的安装高度和镜头，彩色摄像机1的有效检测距离最远为其安装高度的17倍。在路口每个方向安装一台彩色摄像机1。以典型的四方向路口为例，彩色摄像机1安装位置和视野如图2所示，彩色摄像机1拍摄的视频图像如图3所示(原图为彩色)。

视频板2接收彩色摄像机1拍摄的彩色视频信号，捕获、处理并分析视频图像，智能检测识别交通信号灯状态、停驶车辆和运动车辆。视频板2采用嵌入式结构，以DSP或ARM芯片为核心，是本发明系统的关键设备。每块视频板2只处理一路视频信号，即四方向路口需要四块视频板2。视频板2具有网络接口，将视频检测信息通过局域网发送给通信板3。

为了识别交通信号灯状态，预先在视频图像中设置矩形检测区域(即感兴趣区域)，如图3的白色矩形框所示，交通信号灯必定位于感兴趣区域内部。只处理感兴趣区域内的图像，能够大大减少计算量，同时提高检测精度。首先将感兴趣区域内的图像转换到HSV色彩空间，然后采用三个步骤识别交通信号灯状态：

步骤1：按照红灯、黄灯、绿灯的顺序，获取交通信号灯的候选连通区域。分析视频图像序列，根据像素的色调和亮度值依次分割出符合红灯、黄灯、绿灯特征的候选连通区域。

步骤2：利用红灯、黄灯、绿灯的空间分布关系和时间序列关系，准确定位交通信号灯。图4包括(a)和(b)，示出了交通信号灯的空间分布关系，交通信号灯可能垂直分布，也可能水平分布，但是都满足红灯、黄灯、绿灯的空间排列顺序。另外从时间序列上，交通信号灯都满足红灯→绿灯→黄灯→红灯的顺序。利用这些先验知识，可以从候选连通区域准确检测出交通信号灯。

步骤3：分析视频图像序列，计算每帧视频图像中红灯、黄灯、绿灯区域像素的平均亮度，绘制平均亮度随时间的变化曲线，识别交通信号灯的亮灭状态。交通信号灯在亮状态和灭状态交替下，平均亮度曲线随时间近似于阶跃波形，因此根据最近一段时间的平均亮度变化曲线，很容易识别出当前交通信号灯的亮灭状态。

为了检测车辆闯红灯，预先在视频图像中停车线前面设置四边形虚拟线圈，虚拟线圈的宽度略小于车道宽度，长度近似为轿车长度，如图3的白色虚线四边形所示。这里只处理虚拟线圈内的像素，利用虚拟线圈内的前景面积、纹理变化和像素运动三种特征来检测车辆。由于闯红灯车辆的像素特征是前景面积较大、纹理变化较大、沿道路方向运动，而过街行人的像素特征是前景面积较大、纹理变化较大、垂直于道路方向运动，因此必须考虑车辆的运动方向，才能有效区分车辆闯红灯和行人过街。如果车辆驶入和驶出虚拟线圈时交通信号灯都是红灯，则检测到一次车辆闯红灯。

为了检测相对方向道路上的车辆，预先在视频图像中的停驶检测和提前检测位置设置虚拟线圈，提前检测虚拟线圈的宽度略小于车道宽度，长度近似为轿车长度，停驶检测虚拟线圈的尺寸可以稍大，确保覆盖停驶车辆，如图3的黑色四边形所示。这里也是只处理虚拟线圈内的像素，利用虚拟线圈内的前景面积和纹理变化两种特征来检测车辆。由于虚拟线圈位于停车线后面，只可能被车辆占有，因此不必考虑车辆的运动方向。

通信板3通过局域网与多块视频板2连接，接收每块视频板的检测信息，包括交通信号灯状态、停驶车辆和运动车辆等，然后对这些低层信息做综合分析，获得更高层的关于路口交通信号安全和效率的信息。通信板3采用嵌入式结构，以ARM芯片为核心，是本发明系统的关键设备。通信板3通过网络连接到路口机4和交通管理中心5，于是通信板3获得的信息既能在路口现场被路口机4使用，如果监测到交通信号异常，路口机主控板立即启动信号灯黄闪，如果监测到车辆闯红灯，路口机电子警察启动闯红灯抓拍，如果监测到红绿灯时间分配不合理，路口机主控板优化交通信号控制，又能通过网络将信息远程上传到交通管理中心5，进行区域交通的协调管理和控制。

为了监测交通信号灯异常，首先要明确冲突相位。由于路口的复杂程度不同，可能有不同的信号相位循环，这决定了不同方向信号灯的组合状态。图5包括(a)(b)(c)描述了三种常见的信号相位循环。图5中的(a)是两相位循环，即南北方向和东西方向轮流放行，车辆在路口自由右转，但不允许左转，这时相位1和相位2是冲突相位。图5中的(b)是四相位循环，适用于左转交通量比较大的路口，除了南北方向和东西方向直行相位，还有左转专用相位，这时任一相位都与其它相位冲突。图5中的(c)也是两相位循环，它将直行相位和左转相位合并，适用于交通量比较小的路口，这时相位1和相位2是冲突相位。明确了冲突相位，通信板3就可以判断交通信号是否出现异常，即是否出现绿灯冲突或者冲突方向红灯不亮的情况，从而监测交通信号的安全。

为了监测车辆闯红灯的安全隐患，首先要衡量车辆闯红灯事件的频率。这里采用每万辆车的闯红灯车辆数作为衡量指标，如果车辆闯红灯事件发生较为频繁，则需要适当延长黄灯时间来减少车辆无意识闯红灯事件，甚至通过安装电子警察来增强执法力度。

为了监测交通信号效率，首先要衡量路口通行效率。这是一项非常困难的任务，这里提供一种简便易行的解决方法。如果红灯方向有车辆排队等待绿灯，而绿灯方向没有车辆驶来，说明正在浪费有效的绿灯时间，计算这种情况的发生时间占全部时间的百分比。如果这个比值较大，证明红绿灯时间分配不合理，路口通行效率较低，需要优化交通信号控制方案。

再次强调，本发明所述的路口交通信号安全和效率监测系统由多台彩色摄像机1、多块视频板2和一块通信板3组成。本发明用于监测路口交通信号的安全和效率，但是不对路口交通信号采取任何控制措施。通信板3通过网络连接到路口机4和交通管理中心5，为交通管理与控制提供路口现场信息。

以上所述仅为本发明中的一些具体实施方式说明，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种路口交通信号安全和效率监测系统，其特征在于，该系统由多台彩色摄像机、多块视频板和一块通信板组成，其中：

在路口每个方向安装一台彩色摄像机，彩色摄像机获取交通视频图像；

每块视频板与一台彩色摄像机连接，视频板接收彩色摄像机获取的交通视频图像；在视频板上本地运行图像处理算法，并由视频板智能检测识别并输出交通信号灯状态、停驶车辆和运动车辆，为交通信号安全和效率监测提供低层信息；

通信板通过局域网与多块视频板连接，通信板接收每块视频板输出的检测信息，并对这些信息做综合分析，获得更高层的关于路口交通信号安全监测和效率监测的信息，所述路口交通信号安全监测包括对交通信号异常和车辆闯红灯违章两种危险情况的监测，所述路口交通信号效率监测是对车辆通行效率的监测；通信板根据路口各个方向的交通信号灯状态，判断是否出现绿灯冲突或者冲突方向红灯不亮的情况，实现交通信号异常监测；通信板根据红灯相位方向的运动车辆，实现车辆闯红灯违章监测；

路口机和交通管理中心通过网络分别与通信板连接，路口机和交通管理中心接收通信板输出的路口交通信号安全和效率信息，路口机和交通管理中心利用路口交通信号安全和效率监测信息，实施有效的交通管理与控制策略。

2.根据权利要求1所述的路口交通信号安全和效率监测系统，其特征在于，所述彩色摄像机安装在停车线后侧10～15米远、7～10米高的横杆上，朝向路口，视野中包含停车线、路口对面交通信号灯，以及相对方向的一段道路，所述彩色摄像机输出彩色视频信号。

3.根据权利要求1所述的路口交通信号安全和效率监测系统，其特征在于，所述交通信号异常监测含有：从交通视频图像中智能检测交通信号灯，识别红灯、黄灯和绿灯的亮灭状态，监测交通信号控制是否出现异常以及交通信号灯是否出现异常；如果交通信号出现异常，即出现绿灯冲突或者冲突方向红灯不亮的情况，立即启动信号灯黄闪。

4.根据权利要求1所述的路口交通信号安全和效率监测系统，其特征在于，所述车辆闯红灯违章监测含有：在交通视频图像中设置虚拟线圈，从交通视频图像中检测车辆闯红灯，如果频繁发生车辆闯红灯，则需要适当延长黄灯时间来减少车辆无意识闯红灯事件，甚至通过安装电子警察来增强执法力度。

5.根据权利要求1所述的路口交通信号安全和效率监测系统，其特征在于，所述交通信号效率监测含有：在交通视频图像中设置虚拟线圈，从交通视频图像中检测相对方向道路上是否有停驶等待绿灯或驶向路口的车辆，如果频繁出现红灯方向有车辆排队等待绿灯，而绿灯方向没有车辆驶来，这说明路口红绿灯时间分配不合理，需要优化交通信号控制方案。

6.根据权利要求1所述的路口交通信号安全和效率监测系统，其特征在于，所述识别交通信号灯状态是在HSV色彩空间检测交通信号灯，首先分割红灯、黄灯和绿灯的候选连通区域，然后利用红灯、黄灯和绿灯的空间分布关系和时间序列关系，识别并跟踪交通信号灯的亮灭状态。

7.根据权利要求4所述的路口交通信号安全和效率监测系统，其特征在于，所述检测车辆闯红灯，是在视频图像的停车线前面设置虚拟线圈，利用虚拟线圈内的前景面积、纹理变化和像素运动等特征来检测车辆，这时必须考虑车辆的运动方向，因为车辆闯红灯时沿道路方向，而行人过街时垂直于道路方向。

8.根据权利要求5所述的路口交通信号安全和效率监测系统，其特征在于，所述检测相对方向道路上的车辆，是在视频图像中的停驶检测和提前检测位置设置虚拟线圈，利用虚拟线圈内的前景面积和纹理变化特征来检测车辆，这时不必考虑车辆的运动方向。

9.根据权利要求1所述的路口交通信号安全和效率监测系统，其特征在于，所述利用路口交通信号安全和效率监测信息，是通信板输出的信息能在路口现场被路口机使用，如果监测到交通信号异常，路口机主控板立即启动信号灯黄闪，如果监测到车辆闯红灯，路口机电子警察启动闯红灯抓拍，如果监测到红绿灯时间分配不合理，路口机主控板优化交通信号控制，又能通过网络将信息远程上传到交通管理中心，进行区域交通的协调管理和控制。

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