CN102682615A - 一种红绿灯控制系统的视频车辆检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红绿灯控制系统的视频车辆检测方法。采用视频车辆检测系统进行车辆检测将检查结果发送到红绿灯控制系统进行相位控制。视频摄像机采集车辆检测图像，一个摄像机覆盖一个方向的所有车道，摄像机通过视频线与车辆检测器相连，车辆检测器根据摄像机采集的视频图片进行跟踪分析，检测出车辆信息，并将检测结果采用无线网络方式发送到红绿灯接入设备，红绿灯接入设备按照红绿灯控制系统要求分为四路生成0、1信号序列，将信号序列输入红绿灯控制系统，完成对红绿灯相位的控制。本发明不需要铺设专用线缆，不切割路面，施工期间不影响道路交通。摄像机直接安装在路旁路灯杆上，减少了设备成本和安装的工程量，稳定性与可靠性好。

Description

一种红绿灯控制系统的视频车辆检测方法

一、技术领域

本发明涉及智能交通红绿灯控制系统，尤其是红绿灯控制系统中的视频车辆检测。

二、背景技术

随着汽车的日益普及，现在城市交通拥堵日趋严重，如何采用有效的方法控制红绿灯系统的相位时间，对缓解交通拥堵非常重要。目前中国城市交通红绿灯相位时间大多还是采用固定时间方式，即在十字路口对各个方向的红绿灯时间采用固定设置。这种设置方法由于没有考虑各路口车辆实时流量，而导致红绿灯时间设置常常不合理，出现某方向车辆排队长，而绿灯时间短，另一方向车辆排队短，而绿灯时间长的现象，导致道路资源利用不合理，驾驶人员出行时间增多。

为了解决以上问题，最有效的办法就是将红绿灯相位时间调整为可变相位时间，红绿灯相位时间的设置自动根据路口各方向车流情况来决定，通过动态检测各方向车流量来动态决定红绿灯相位时间的长短。这一解决方法，目前国内已有部分城市在红绿灯控制系统中采用。目前采用的车辆检测方式是用地感线圈配合车辆检测器来完成。具体方案是一个四方向的十字路口，在每个方向安装一个车辆检测器，在每条车道下安装地感线圈，所有线圈与该方向车辆检测器相连，当有车辆从线圈上经过时，会出现电磁感应现象，车辆检测器检测到某线圈出现电磁感应现象后即判定有车从该线圈所在车道通过，车辆检测器通过专用线缆与红绿灯控制系统相连，当车辆检测器检测到车辆通过信息时，实时将检测结果传输到红绿灯控制系统，红绿灯控制系统根据接收四个方向传来的车辆信息，统计并分析各个方向车流情况，生成红绿灯相位时间，完成对红绿灯相位的动态控制。这种方法虽然有效解决了红绿灯相位时间分配不均衡的问题，但是采用车辆检测方式存在难以克服的缺点和不足：

1）安装地感线圈需要对每个车道都进行安装，安装时需要切割路面，工程量大。

2）安装地感线圈容易对道路造成破坏，影响道路美观，而且在施工期间影响道路交通，目前已有部分城市不再允许通过切割路面埋设地感线圈。

3）地感线圈易受大型车的碾压而导致设备损坏。

4）十字路口各方向的车辆检测器需要专用线缆与红绿灯控制系统相连，安装线缆需要从道路下走线，工程复杂，工作量大。

三、发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种采用视频车辆检测装置及其检测方法对十字路口四个方向车辆进行检测，将检测信息传输到红绿灯控制系统，红绿灯控制系统根据车流情况合理分配红绿灯相位时间。本发明设备简化、工程简化，红绿灯系统的可用性好，推广性强。

本发明的目的是这样达到的：采用一种视频车辆检测系统进行车辆检测，视频摄像机采集车辆检测图像，一个摄像机覆盖一个方向的所有车道，摄像机通过视频线与车辆检测器相连，车辆检测器根据摄像机采集的视频图片进行跟踪分析，检测出车辆信息，并将检测结果采用无线网络方式发送到红绿灯接入设备，红绿灯接入设备按照红绿灯控制系统要求分为四路生成0、1信号序列，将信号序列输入红绿灯控制系统，完成对红绿灯相位的控制。

所述车辆检测器根据摄像机采集的视频图片进行跟踪分析，当运动目标到达虚拟线圈，目标的大小、速度、运动方向符合车辆特征时，即可判断为车辆通过虚拟线圈，检测到车辆；控制程序包括初始化设置和系统工作流程控制。

初始化设置是：捕获图像，画车道、在车道上画虚拟线圈、进行道路标定后退出。

工作流程控制程序是：开始后调入初始参数，获取图像序列，进入动态生成背景图，然后获取目标灰度图，进行目标跟踪，对目标状态进行判断，虚拟线圈中有车还是无车，将生成有车或是无车的信息传输到无线网络，红绿灯接入设备在规定的时间内生成车辆检测信息，以信号序列的方式传送到红绿灯控制系统生成红绿灯相位生成时间。

所述红绿灯接入设备按照红绿灯控制系统要求分为四路生成0、1信号序列，是按照如下程序进行的：

红绿灯接入设备接收到无线车辆信息后，判断是有车信息还是无车信息，若是有车信息，生成序列1，是无车信息，生成序列0，然后判断是哪个方向的信息，按照4个不同的方向进行时间延时校正，按照路口4个方向设定的方向1、方向2、方向3和方向4分别生成序列1、序列2、序列3和序列4输送到红绿灯控制系统，进行相位时间控制。

视频车辆检测的具体步骤是：

1）、系统初始化设置：

画车道：将要检测的十字路口四个方向的各个实际车道重现在视频车辆图像上；画虚拟线圈：采用在视频车辆图像上画虚拟线圈来模拟原地感线圈，当目标车辆经过虚拟线圈后，即触发车辆通过信息；

道路标定：在视频车辆图像道路上画一个矩形区域，通过该矩形区域来对整个道路进行标定，以计算出视频图像上每一像素点表示的实际宽度和长度，通过标定道路后就能根据视频车辆图像判断出目标车辆的大小和速度，排除干扰目标，计算出每个车的瞬时车速与道路的平均车速； 

2）、调入初始参数：检测程序首先调入初始化设置的各种参数；

3）、视频图像的采集：通过摄像机将车辆的视频图像实时采集进车辆检测器，以进行分析检查；

4）、动态生成车道背景图像：在视频车辆图像中，车道的背景图像通常只随外界光照与摄像机参数调整而变化，通常变化很少，因此系统每隔一段时间通过去除车道上的运动车辆，得到车道的背景图像；

5）、获取运动目标灰度图像：将每帧车辆图像灰度值与背景图像灰度值相减，得到运动目标的灰度值图像；

6）、对运动目标进行跟踪：采用卡尔曼滤波对运动目标进行跟踪，并根据目标的大小，方向和速度确定车辆目标；

7）、目标车辆判断：当运动目标到达虚拟线圈，目标的大小、速度、运动方向符合车辆特征时，即可判断为车辆通过虚拟线圈，检测到车辆；

8）、根据检测虚拟线圈处是否有车的结果，在规定的间隔时间内，生成一个车辆检测信息。

红绿灯接入设备在规定的时间内生成车辆检测信息，其规定的间隔时间是0.25秒。 

红绿灯接入设备在生成0、1信号序列程序过程中，按照4个不同的方向进行时间延时校正，是按照间隔0.25秒的时间内生成车辆检测信息来进行时间延时校正。在对道路标定时在视频车辆图像道路上画一个矩形区域，其矩形宽度为3.75米，矩形的长度为8米。

视频车辆检测系统中的视频摄像机、车辆检测器和无线信号发生器安装在摄像机防护罩内，防护罩直接安装在道路旁的路灯杆上，红绿灯接入设备和无线信号接收器安装在红绿灯控制系统中。

本发明具有以下积极效果：

1）采用视频方式检测车辆，不需要切割路面，不会对道路造成破坏，不影响道路美观，不会在施工期间影响道路交通，同时也降低了施工难度，减少了工程量。

2）、不会因受大型货车的碾压导致系统破坏，设备稳定性与可靠性更好。

3）、检测信息采用无线传输，不需要铺设专用线缆。

4）、将摄像机直接安装在路旁路灯杆上，减少了设备成本和安装的工程量。

5）、采用视频检测还可以扩展车辆的视频记录功能。

四、附图说明

  图1是本发明的系统结构图。

图2是视频检测前端设备示意图。

图3是线圈检测前端设备示意图。

图4是在视频图片中初始化设置示意图。图中，1、2、3表示车道，A表示虚拟线圈，H是标定矩形框的长度，W是标定矩形框的宽度。

图5视频车辆检测初始化流程示意图。

图6是视频车辆检测工作流程图。

图7是红绿灯接入设备工作流程图

五、具体实施方式

参见附图。

图1以一个四方向十字路口的车辆检测来进行说明。其中在每个方向上，采用一个模拟相机来采集图像，一个摄像机覆盖一个方向的所有车道，摄像机采集的图像直接送入检测器，检测器通过对视频图像的跟踪分析，对车辆进行检测，检测到车辆后将检测结果通过无线网络发送到红绿灯接入设备，红绿灯接入设备再将检测到的信息输入红绿灯控制系统，完成对红绿灯相位的控制。

从图2与图3的对比可见，线圈车辆检测将地感线圈通过线缆与车辆检测器相连，车辆检测器对通过线圈的车辆进行检测，检测结果通过专用线缆传输到红绿灯控制系统。视频车辆检测将摄像机通过视频线与检测器相连，检测器根据摄像机采集的视频图片进行跟踪分析，检测出车辆，并将检测结果采用无线网络方式传输到红绿灯控制系统。

在本实施例中，由于本系统只是进行车辆检测，不需要进行车辆号牌识别，所以采用模拟摄像机来进行图像采集。采用模拟机有如下优势：1）模拟摄像机帧率可以达到25帧/秒，对车辆检测效果更好；2）模拟摄像机稳定性好，价格便宜，性价比高；3）模拟摄像机夜间对光线适应性好，可以不需要增加补光灯，直接利用路口的路灯和车前灯就可以完成夜间的车辆检测，减少了设备的使用，降低了系统的成本。本发明采用的模拟摄像机为：景阳 SN-582C/R高清晰模拟摄像机，摄像机镜头为TAMRON自动光圈镜头。

视频车辆检测器：视频车辆检测器是一台装有视频车辆检测软件的嵌入式工控机，工控机带视频采集卡，设备小巧，功耗低，检测器采用Linux操作系统，保证系统的稳定性。检测器里面的视频车辆检测软件为本系统的核心，视频车辆检测充分考虑视频倾斜变形情况，检测准确率高。本实施例采用的嵌入式工控机为：博来科技TT2851-00A，CUP为INTEL Core 2 双核，内存为2G。 

无线网络：由于四个检测器分别安装在路口的四个不同方向的道路边，检测器检测到的车辆信息直接通过无线网络直接传输到路口红绿灯控制系统，原有车辆检测器检测的信息一般需要从道路下专门铺设线缆传到路口红绿灯控制系统，铺设线缆不仅设备成本高，而且工程量很大，有些地方需要专门开挖路面才能完成，采用无线网络方式不仅设备成本更低，而且不需要增加工程成本。本发明采用的无线网络为：D-Link无线网卡与无线路由。

摄像机防护罩：为了降低设备成本，本发明将摄像机和视频车辆检测器、无线网卡直接安装到防护罩里面，而防护罩直接安装在道路旁的路灯杆上，减少了单独安装横杆的成本，工程也大为简化。本实施例采用的防护罩为：亚安4718-SHK。

红绿灯接入设备：是一个信号转换器，通过无线网络收集四个方向车道检测器发送来的车辆信息，将信息转换成4路输出时序图，输入到红绿灯控制系统。由于进行视频车辆检测时，不像地感线圈检测直接生成0、1状态的信号序列，为了能将检测到的车辆信息输入到红绿灯控制系统，让红绿灯控制系统能识别输入的车辆信息，因此需要将检测结果模拟生成0、1状态的信号序列，信号的时间间隔为0.25秒，所以红绿灯接入设备根据无线网络收到路口各方向的实时车辆信息，模拟成四路信号序列，输入到红绿灯控制系统。为此，前端车辆检测器根据检查结果，每隔0.25秒需要向红绿灯接入设备发送一次车辆检查状况信息，红绿灯接入设备根据无线网络实时接收的信息，判断为哪个方向的检测器传来的车辆信息，然后根据四个方向，生成四路信号序列，当某方向传来的信息表示该方向虚拟圈上有车时，则序列输出1，无车时序列输出0，序列间隔为0.25秒，该序列完全与线圈检测往红绿灯控制系统的输入的序列一致。参见附图7。图7给出了红绿灯接入设备工作流程：红绿灯接入设备接收到无线车辆信息后，判断是有车信息还是无车信息，若是有车信息，生成序列1，是无车信息，生成序列0，然后判断是哪个方向的信息，按照4个不同的方向进行时间延时校正，按照路口4个方向设定的方向1、方向2、方向3和方向4分别生成序列1、序列2、序列3和序列4输送到红绿灯控制系统，进行相位时间控制。

    视频车辆检测：本发明的关键技术是如何在视频倾斜变形情况下进行车辆检测。传统视频车辆检测是将摄像机直接安装在道路的正上方，车辆在道路上行驶时，反应到图像序列上是车辆从图像的上部往下部移动，而本发明的方案中，摄像机是安装在道路旁边，这样看到的视频图像中车道是倾斜变形的，靠近摄像机的车道在视频中较大，而远离摄像机的车道在视频中较远，而且车道方向也不是从正上方到正下方，而是从左上方往右下方行驶。本发明在进行车辆跟踪检测前，先在图上画出车道，然后根据车道方向来检测车辆的移动，采用卡尔曼滤波跟踪车辆，由于远端车道上的车往往受到近端车道上车的遮挡，导致跟踪时两个车道上车辆目标进行门限分割时当成一个目标，采用画车道的方法，可以很好的解决这个问题。本发明充分根据车道的宽度情况进行判断，判别是一个车还是两个车的情况，本发明对车辆检测白天检测率≥98%，夜间检测率≥95% 。

视频车辆检测分为如下几个步骤：

1）、系统初始化设置：

l  画车道：对检测的十字路口四个方向的各个实际车道重现在车辆视频图像上；

l  画虚拟线圈：采用虚拟线圈来代替原地感线圈，当目标车辆经过虚拟线圈后，即触发车辆通过信息； 

l  对道路进行标定：通过在道路上画一个矩形区域，该矩形区域一般其宽度为一个车道宽，长度一般选择两段白色标线高，然后根据画矩形区域的大小设置矩形区域的宽度和高度，通过该矩形区域来对道路进行标定，同时计算出视频图像上每一像素点表示的实际宽度和高度，判断出目标车辆的大小和速度，排除干扰目标，计算出每个车的瞬时车速与道路的平均车速。

画车道、虚拟线圈和矩形区域见附图3所示，初始化流程图如图4所示。

2）、调入初始参数：检测程序首先调入初始化设置的各种参数。

3）、视频图像的采集：通过摄像机将车辆的视频图像实时采集进车辆检测器，以进行分析检查；

4）、动态生成车道背景图像：在视频车辆图像中，车道的背景图像通常只随外界光照与摄像机参数调整而变化，通常变化很少，因此系统每隔一段时间通过去除车道上的运动车辆，得到车道的背景图像；

5）、获取运动目标灰度图像：将每帧车辆图像灰度值与背景图像灰度值相减，得到运动目标的灰度值图像；

6）、对运动目标进行跟踪：采用卡尔曼滤波对运动目标进行跟踪，并根据目标的大小，方向和速度确定车辆目标；

7）、目标车辆判断：当运动目标到达虚拟线圈，目标的大小、速度、运动方向符合车辆特征时，即可判断为车辆通过虚拟线圈，检测到车辆；

8）、根据检测虚拟线圈处是否有车的结果，在规定的间隔时间内，生成一个车辆检测信息，其规定的间隔时间是0.25秒。

当检测到目标车辆后，系统将检测到的车辆检测信息通过无线网络，传输到红绿灯接入设备。红绿灯接入设备根据无线网络上传的车辆检测信息，按红绿灯控制系统的要求，分为四路生成0、1信号序列，输入红绿灯控制系统。红绿灯控制系统根据接收四个方向传来的车辆信息，统计并分析各个方向车流情况，生成红绿灯相位时间，完成对红绿灯相位的动态控制。

Claims (7)

1.一种红绿灯控制系统的视频车辆检测方法，其特征在于：采用一种视频车辆检测系统进行车辆检测，视频摄像机采集车辆检测图像，一个摄像机覆盖一个方向的所有车道，摄像机通过视频线与车辆检测器相连，车辆检测器根据摄像机采集的视频图片进行跟踪分析，检测出车辆信息，并将检测结果采用无线网络方式发送到红绿灯接入设备，红绿灯接入设备按照红绿灯控制系统要求分为四路生成0、1信号序列，将信号序列输入红绿灯控制系统，完成对红绿灯相位的控制；

所述车辆检测器根据摄像机采集的视频图片进行跟踪分析，当运动目标到达虚拟线圈，目标的大小、速度、运动方向符合车辆特征时，即可判断为车辆通过虚拟线圈，即检测到车辆；控制程序包括初始化设置和系统工作流程控制；

初始化设置是：捕获图像，画车道、在车道上画虚拟线圈、进行道路标定后退出；

工作流程控制程序是：开始后调入初始参数，获取图像序列，进入动态生成背景图，然后获取目标灰度图，进行目标跟踪，对目标状态进行判断，虚拟线圈中有车还是无车，将生成有车或是无车的信息传输到无线网络，红绿灯接入设备在规定的时间内生成车辆检测信息，以信号序列的方式传送到红绿灯控制系统生成红绿灯相位生成时间。

2.如权利要求1所述的视频车辆检测方法，其特征在于：所述红绿灯接入设备按照红绿灯控制系统要求分为四路生成0、1信号序列，是按照如下程序进行的：

红绿灯接入设备接收到无线车辆信息后，判断是有车信息还是无车信息，若是有车信息，生成序列1，是无车信息，生成序列0，然后判断是哪个方向的信息，按照4个不同的方向进行时间延时校正，按照路口4个方向设定的方向1、方向2、方向3和方向4分别生成序列1、序列2、序列3和序列4输送到红绿灯控制系统，进行相位时间控制。

3.如权利要求1所述的视频车辆检测方法，其特征在于：视频车辆检测的具体步骤是：

1）、系统初始化设置：

画车道：将要检测的十字路口四个方向的各个实际车道重现在视频车辆图像上；

画虚拟线圈：采用在视频车辆图像上画虚拟线圈来模拟原地感线圈，当目标车辆经过虚拟线圈后，即触发车辆通过信息；

道路标定：在视频车辆图像道路上画一个矩形区域，通过该矩形区域来对整个道路进行标定，以计算出视频图像上每一像素点表示的实际宽度和长度，通过标定道路后就能根据视频车辆图像判断出目标车辆的大小和速度，排除干扰目标，计算出每个车的瞬时车速与道路的平均车速； 

2）、调入初始参数：检测程序首先调入初始化设置的各种参数；

3）、视频图像的采集：通过摄像机将车辆的视频图像实时采集进车辆检测器，以进行分析检查；

4）、动态生成车道背景图像：在视频车辆图像中，车道的背景图像通常只随外界光照与摄像机参数调整而变化，通常变化很少，因此系统每隔一段时间通过去除车道上的运动车辆，得到车道的背景图像；

5）、获取运动目标灰度图像：将每帧车辆图像灰度值与背景图像灰度值相减，得到运动目标的灰度值图像；

6）、对运动目标进行跟踪：采用卡尔曼滤波对运动目标进行跟踪，并根据目标的大小，方向和速度确定车辆目标；

7）、目标车辆判断：当运动目标到达虚拟线圈，目标的大小、速度、运动方向符合车辆特征时，即可判断为车辆通过虚拟线圈，检测到车辆；

8）、根据检测虚拟线圈处是否有车的结果，在规定的间隔时间内，生成一个车辆检测信息。

4.如权利要求1所述的视频车辆检测方法，其特征在于：所述红绿灯接入设备在规定的时间内生成车辆检测信息，其规定的间隔时间是0.25秒。

5.如权利要求2所述的视频车辆检测方法，其特征在于：所述红绿灯接入设备在生成0、1信号序列程序过程中，按照4个不同的方向进行时间延时校正，是按照间隔0.25秒的时间内生成车辆检测信息来进行时间延时校正。

6.如权利要求3所述的视频车辆检测方法，其特征在于：所述在对道路标定时在视频车辆图像道路上画一个矩形区域，其矩形宽度为3.75米，矩形的长度为8米。

7.如权利要求1所述的视频车辆检测方法，其特征在于：所述视频车辆检测系统中的视频摄像机、车辆检测器和无线信号发生器安装在摄像机防护罩内，防护罩直接安装在道路旁的路灯杆上，红绿灯接入设备和无线信号接收器安装在红绿灯控制系统中。

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