CN102737247A - 一种柴油车尾气烟度图像识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柴油车尾气烟度图像识别系统，由车辆检测单元、车牌照识别与处理单元、车辆速度和加速度测量单元、车辆尾气监测单元、中心数据处理单元组成。本发明可以获取车道路面车辆行驶的实时状况，准确获取短时间内车道上车辆行驶时的尾气烟度级别、速度、加速度和车牌号。

Description

一种柴油车尾气烟度图像识别系统

技术领域

本发明涉及一种柴油车尾气烟度图像识别系统，属于环境技术领域。

背景技术

传统柴油车烟度测量方法主要包括用林格曼黑度望远镜测量和用烟度计测量。林格曼黑度望远镜采用双目棱镜望远系统，而在望远镜划分板上制有相应林格曼烟度浓度图1-5级的灰度阶梯块，全透明部分则为0级。观测者通过望远镜左侧目镜将烟尘目标与该级灰度梯度块比较，从而测定烟气黑度标准等级。烟度计分为采样部分和测量部分。采样部分是采样气筒抽取尾气管中一定体积的烟气，使它通过一张一定面积的白色滤纸，于是排气中的烟尘颗粒物就粘附在滤纸上而使滤纸变黑，然后利用光电检测装置测量滤纸上烟痕的吸光率来评定为柴油机的排气烟度。

上述方法可以在一定程度上测量柴油车尾气的烟度级别，然而在实践中具有很大的应用局限，或者无法实际应用。例如，（1）用林格曼黑度望远镜虽然可以测量柴油车尾气烟度级别，但是无法记录柴油车尾气黑度级别和车辆的相关信息；（2）林格曼黑度望远镜测量柴油车尾气必须采用人工方法测量。费时费力，交警也不可能24小时用林格曼黑度望远镜对每辆车辆进行观察；（3）采用烟度计只能对静态的柴油车进行测量，无法对行驶的车辆进行测量。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种柴油车尾气烟度图像识别系统，它并不需要黑度望远镜和烟度计测量，只需要通过交通路口摄像机或照相机和图像识别与处理模块就可以对在车道上行驶的机动车尾气排放进行实时遥测与自动监测，识别出行驶车辆是否为污染排放车辆并给出柴油车尾气的黑度级别。

本发明的技术解决方案：一种柴油车尾气烟度图像识别系统，包括车辆检测单元、车牌照识别与处理单元、车辆速度和加速度测量单元、车辆尾气监测单元、中心数据处理单元，其中：

车辆检测单元位于道路两侧两组光发射器和光接收器组成，该单元安装在检测区的始端，当车辆行驶通过检测区域是光发生器发出的光束就会被先后遮挡。为了提高检测的精度，只要两组光发射器其中的一组光束被遮挡，就说明有车辆将行驶通过检测区域。之后将相关信息传送到中心数据处理单元。

车牌照识别与处理单元包括高清工业照相机、图像采集卡、图像识别与处理模块。高清工业照相机安装在车道的上方，图像采集卡和图像识别与处理模块安装在道路两旁的计算机内。当该单元启动时，高清工业照相机采集车辆信息图像，图像采集卡将采集到图像转换成电脑可识别的图像。图像识别与处理模块对图像进行灰度处理、噪声消除、边缘提取等预处理。根据车牌照的特征采用数学形态学的方法准确定位车牌照在图像中的位置。利用车牌照的像素特点与形态特点，分割出合理的车牌区域。将分割的车牌照，进行字符分割、识别、字符归一，还原车完整的车牌信息，将此信息上传到中心数据处理模块。

车辆速度和加速度测量单元由智能抓拍照相机、光测距仪、图像分析处理模块组成。该单元安装在车道的上方，将测试区道路的一边作为坐标轴，以测试器的起点作为坐标的原点，沿着坐标轴的正方向，通过光测距仪，每隔s米设置一个坐标标识点。原点以及坐标表示点都可以通过图像分析处理模块识别处理。当车辆检测单元，识别到有机动车过来。启动车辆速度与加速度测量单元，对行驶的车辆进行拍照，连续拍三张。将图像传给图像分析处理模块，图像分析处理模块在图像中识别出坐标原点，坐标标识点以及车辆车牌照，之后计算车牌照的高度的中心做一条垂直道路的直线。之后计算坐标原点到这条直线的所有标识点，假定有N个点。通过这些数据就可以知道机动车头部距坐标原点距离L=N*s.智能抓拍照相机的频闪周期为T。这样就可以计算出柴油车速度与加速度，并将相关的数据上传给中心数据处理单元。

车辆尾气监测单元由CCD摄像机、图像采集卡、尾气识别与处理模块；CCD摄像机安装在车道的一侧，背景放置在车道的另一侧（背景为白色的挡板），尾气识别与处理模块安装在车道两旁的计算机内。CCD摄像机将路面上的柴油车状态的相关信息通过视频的方式记录下来，并以连续帧图像的形式出给尾气识别与处理模块。尾气识别与处理模块接收来自视频测量部分的连续10帧图像，对图像进行预处理；再根据柴油车尾气的静态、动态、颜色特征将图像中的目标尾气进行检查、分割、提取，选择最佳的五帧图像。其静态特征包括（1）扩散后具有一种“薄纱”效果，可以对背景产生遮蔽和模糊；（2）由于烟雾颗粒不断向四周扩散，在图像中表现为后大前小。其动态特征包括：（1）尾气在排放过程中，是有内部不断翻滚变化的特性，尾气与背景之间还会发生交替变化，图像中变现为灰度值的变化；（2）尾气具有形态不断变化，可以作为区分尾气和一般性运动的物体的一种依据。将提取的最佳五帧图像目标区域分别与背景区域进行相减。对相减后得到的目标进行滤波和填充处理，将处理后目标区域计算其平均灰度值(也可以计算并提取最大、最小灰度值作为参考)。经计算后的结果与标准库中的黑度级别进行对比，给出相应的黑度级别。经相关数据上传给中心数据处理单元。

中心数据处理单元，接收来自车辆检测单元信息，判断是否有车辆进入检测区。当有车辆进入检测区时，给车牌照识别与处理单元、车辆速度与加速度测量单元、车辆尾气监测单元发送启动信号，对车辆进行检测。同时，中心数据处理单元接收来自车牌照识别与处理单元、车辆速度与加速度测量单元、车辆尾气监测单元的检测结果，对这些数据进行分析、处理，并将车辆的相关信息发送到远程数据控制终端进行存储。

附图说明

图1为本发明柴油车尾气烟度图像识别系统的单元示意图；

图2为本发明的柴油车尾气烟度图像识别系统的车辆速度与加速度测量单元功能示意图；

图3为本发明的柴油车尾气烟度图像识别系统的车牌照识别与处理单元的工作原理；

图4为本发明的柴油车尾气烟度图像识别系统的车辆尾气监测单元的工作原理图；

图5本发明的柴油车尾气烟度图像识别系统的示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种置于道路上方对行驶车辆的尾气进行实时遥测的监测系统。本发明采用光发射与接收的方法判断车道上是否有车辆，采用图像识别与处理方法对车道上行驶的车辆的柴油车尾气进行自动监测。

如图1所示，本发明的柴油车尾气烟度图像识别系统由车辆检测单元、车牌照识别与处理单元、车辆速度和加速度测量单元、车辆尾气监测单元、中心数据处理单元组成。

1.车辆检测单元由位于道路两旁的两组光发射器与光接收器组成。可采取激光束或其它光束，发射器可以是发光二极管或其它发射装置，接收器可选用光敏管或其它接收装置。当车辆行驶通过检测区域时，光发射器发出的光束就会被遮挡。如果光速被遮挡，就说明有车进入检测区。为提高检测的精度，只要两组激光发射器其中的一组光束被遮挡，就说明有车辆将行驶通过检测区域。车辆检测单元具有与中心数据处理单元通信的功能。当有车辆进入检测区时，将信号传输给中心数据处理单元。中心数据处理单元将启动车牌照识别与处理单元、车辆速度与加速度测量单元、车辆尾气监测单元，使得被测车辆的各测量数据能够对应起来。

2.车牌照识别与处理单元包括高清工业照相机、图像采集卡、图像识别与处理模块。

高清工业照相机安装在车道的上方，高清工业照相机带有遮雨盖，夜间拍摄时则启动补光灯。高清工业照相机完成对行驶在车道上的被测车辆的车牌图像的获取。高清工业照相机通过光纤、电缆或其他方式与图像采集卡连接，向图像处理与识别模块传输车牌图像。

安装在道路旁的计算机中的图像处理与识别模块对传来的车辆图像进行处理，获取车辆的车牌信息。并将处理结果传送到中心数据处理单元。

3.车辆速度和加速度测量单元：该单元安装在道路的上方，由智能抓拍照相机、激光测距仪、图像分析处理模块组成。将测试区道路的一边作为坐标轴，以测试器的起点作为坐标的原点，沿着坐标轴的正方向，通过激光测距仪，每隔s米设置一个坐标标识点。原点以及坐标表示点都可以通过图像分析处理模块识别处理。当车辆检测单元，识别到有机动车过来。启动车辆速度与加速度测量单元，对行驶的车辆进行拍照，连续拍三张。将图像传给图像分析处理模块，图像分析处理模块在图像中识别出坐标原点，坐标标识点以及车辆车牌照，之后计算车牌照的高度的中心做一条垂直道路的直线。之后计算坐标原点到这条直线的所有标识点的数量，假定数量为N。通过这些数据就可以知道机动车头部距坐标原点距离L=N*s，智能抓拍照相机的频闪周期为T。。这样就可以计算出柴油车速度与加速度。车辆速度和加速度测量单元与中心数据处理单元具有通信的功能，通信的方式可以是无线的也可以是有线的。车辆速度和加速度测量单元将处理的结果传送给中心数据处理单元。

4.车辆尾气监测单元：包括CCD摄像机、图像采集卡、尾气识别与处理模块。CCD摄像机通过视频方式记录道路上柴油车尾气排放的状态信息。为数据的进一步处理提供数据源。图像采集卡就是将CCD摄像机记录的视频数据转换成电脑可识别的数据,白色的背景挡板放在CCD摄像机对面车道的另一侧。

尾气识别与处理模块包括一台处理设备，可以是一台工控机或其它处理器。尾气识别与处理模块接收图像采集卡传来的信息，进行计算处理，得到柴油车尾气的黑度值。尾气识别与处理模块具备与中心数据处理单元的通信功能，通信方式可以是无线或有线方式。信号处理装置将得到的车辆尾气排放数据传送给中心数据处理单元。

5.中心数据处理单元包含一台放置在路边的处理设备，可以是一台配置较高的工控机或其它处理器，并具有至少一个通信接口，通信方式可以是无线或有线方式。

中心数据处理单元接收来自车辆检测单元送来的路况信息，判断检测区是否符合有车辆进入。当有车辆进入检查区时，给车牌照识别与处理单元、车辆速度加速度测量单元、车辆尾气监测单元发送准备工作信号，对车辆进行检测。

同时中心数据处理单元接收来自车牌照识别与处理单元、车辆速与度加速度测量单元、车辆尾气监测单元的各检测结果，进行数据分析、处理、匹配和存储，并通过通信接口将分析处理后的车辆信息发送给远端数据控制中心。

如图1，本发明的工作过程如下，车辆检测单元检测出车道路况信息，并将信息上传至中心数据处理单元，中心数据处理单元判断是否满足有车辆进入监察区，若有车辆进入，则结合车辆速度与加速度测量单元、车辆尾气监测单元、车牌照识别与处理单元发送启动信号，对车辆进行拍照。并将相应的图像传相应给图像处理单元，保存数据，最后各检测单元将检测数据传给中心数据处理单元，进行数据匹配、分析，做进一步处理、保存，发送给远端数据控制中心。

中心数据处理单元为检测数据建立一个数据库，中心数据处理单元向各单元发送准备信号之后，各单元进行检测并将检测数据发送回，中心数据处理单元将所有数据进行格式转换，并作为数据库中的一个字段存储，每条数据作为字段中的一条记录。同时以检测数据为基础，产生可视化监视界面。如图2，将测试区道路的一边作为坐标轴（在图像中我们选取左侧），以测试器的起点作为坐标的原点，沿着坐标轴的正方向，通过激光测距仪，每隔s米设置一个坐标标识点。原点以及坐标表示点都可以通过图像分析处理模块识别处理。当车辆检测单元，识别到有机动车过来。启动车辆速度与加速度测量单元，对行驶的车辆进行拍照，连续拍三张。图2将这三张图像整合在一起。将这三张图像传给图像分析处理模块，图像分析处理模块在图像中识别出坐标原点，坐标标识点以及车辆车牌照。之后计算车牌照的高度，并以牌照的高度的中心做一条垂直道路的直线，三次拍照所作的直线分别是B、C、D。以坐标原点为交点，垂直坐标轴做一条直线A。之后计算坐标原点到这条直线的所有标识点的数量，假定数量为N。通过这些数据就可以知道机动车头部距坐标原点距离L=N*s，智能抓拍照相机的频闪周期为T。智能抓拍照相机的频闪周期为T。S₁=L₂-L₁、S₂=L₃-L₂

$S_1=V_{0}T+\frac{1}{2}{\mathrm{aT}}^2,$ V₁=V₀T+aT $S_2=V_{1}T+\frac{1}{2}{\mathrm{aT}}^2$

L₁：为第一次拍照时车头与原点之间的距离

L₂：为第二次拍照时车头与原点之间的距离

L₃：为第三次拍照时车头与原点之间的距离

S₁：为第一次与第二次拍照之间行驶的距离

S₂：为第一次与第二次拍照之间行驶的距离

T：为智能抓拍照相机的频闪周期

V₀：为第一次拍照时车辆的速度

V₁：为第二次拍照时车辆加速度

a：为拍照期间的加速度

通过上边公式即可求出B、C、D点的的瞬时速度，以及加速度a。

如图3车牌照识别与处理单元，图像识别与处理模块对连续帧图像进行灰度处理、噪声消除、边缘提取等预处理。根据车牌照的特征采用数学形态学的方法准确定位车牌照在图像中的位置。利用车牌照的像素特点与形态特点，分割出合理的车牌区域。将分割的车牌照进行字符分割、识别、字符归一，还原车完整的车牌信息，将此信息上传到中心数据处理模块。

如图4，图像识别与处理模块接收来自图像采集卡传来的连续10帧图像，对连续图像帧进行预处理。预处理的内容包括：（1）将彩色图像转换成灰度图像，在不影响处理效果的情况下加快处理速度。（2）采用中值滤波对原始图像进行滤波，消除或减少噪声对后续处理的影响。

再根据柴油车尾气的静态、动态、颜色特征将图像中的目标尾气进行检查、分割、提取，选取最佳的五帧图像。其静态特征包括（1）扩散后具有一种“薄纱”效果，可以对背景产生遮蔽和模糊；（2）由于烟雾颗粒不断向四周扩散，在图像中表现为后大前小。其动态特征包括：（1）尾气在排放过程中，是有内部不断翻滚变化的特性，尾气与背景之间还会发生交替变化，图像中表现为灰度值的变化；（2）尾气具有形态不断变化，可以作为区分尾气和一般性运动的物体的一种依据。将提取的目标区域与背景区域进行相减。对相减后得到的目标进行滤波和填充处理，将处理后目标区域计算其灰度值。经计算后的结果与标准库中的黑度级别进行对比，给出相应的黑度级别。经相关数据上传给中心数据处理单元。

如图5所示，本发明的高清工业照相机1、CCD摄像机2、智能抓拍照相机3。图像识别与处理模块，即工控机4，中心数据处理单元，即工控机5，图像分析与处理模块，即工控机6，尾气识别与处理模块，即工控机7，工控机4、5、6、7安装在路边或监测车内。车辆检测单元8a和8b，白色背景挡板9。

当有车辆进入检测区内时，车辆检测单元将检测的结果传输给中心数据处理单元.中心数据处理单元将启动车辆速度与加速度测量单元、车辆尾气检测单元、车牌照识别与处理单元。高清工业照相机1、智能抓拍照相机3、CCD摄像机2分别多车辆进行拍照和摄像。之后将所拍得的照片分别传输到安装在工控机4、6、7内的图像采集卡中，将其转化成电脑可识别的图像。然后将相应的图像传送到安装在工控机内的车牌识别与处理模块、图像分析与处理模块、尾气识别与处理模块中进行相应的处理，并将处理的信息传送到修改为中心处理单元，即工控机5中进行处理发送。

Claims (1)

1.一种柴油车尾气烟度图像识别系统，其特征在于：包括车辆检测单元、车牌照识别与处理单元、车辆速度和加速度测量单元、车辆尾气监测单元、中心数据处理单元，其中：

车辆检测单元位于道路两侧两组光发射器和光接收器组成，该单元安装在检测区的始端，当车辆行驶通过检测区域是光发生器发出的光束就会被先后遮挡，为了提高检测的精度，只要两组光发射器其中的一组光束被遮挡，就说明有车辆将行驶通过检测区域，对该车辆进行编码、之后将相关信息传送到中心数据处理单元；

车牌照识别与处理单元包括高清工业照相机、图像采集卡、图像识别与处理模块，高清工业照相机安装在车道的上方，图像采集卡和图像识别与处理模块安装在道路两旁的计算机内，当该单元启动时，高清工业照相机采集车辆信息图像，图像采集卡将采集到图像转换成电脑可识别的图像，图像识别与处理模块对图像进行预处理，包括灰度处理、噪声消除、边缘提取，根据车牌照的特征采用数学形态学的方法准确定位车牌照在图像中的位置，利用车牌照的像素特点与形态特点，分割出合理的车牌区域，将分割的车牌照，进行字符分割、识别、字符归一，还原车完整的车牌信息，将此信息上传到中心数据处理模块；

车辆速度和加速度测量单元由智能抓拍照相机、光测距仪、图像分析处理模块组成，该单元安装在车道的上方，将测试区道路的一边作为坐标轴，以测试器的起点作为坐标的原点，沿着坐标轴的正方向，通过光测距仪，每隔s米设置一个坐标标识点，原点以及坐标表示点都能通过图像分析处理模块识别处理，当车辆检测单元，识别到有机动车过来，启动车辆速度与加速度测量单元，对行驶的车辆进行拍照，连续拍三张，将图像传给图像分析处理模块，图像分析处理模块在图像中识别出坐标原点，坐标标识点以及车辆车牌照，之后计算车牌照的高度的中心做一条垂直道路的直线，之后计算坐标原点到这条直线的所有标识点，假定为N个点;通过这些数据就能知道机动车头部距坐标原点距离L=N*s.智能抓拍照相机的频闪周期为T，这样就能计算出柴油车速度与加速度，并将相关的数据上传给中心数据处理单元；

车辆尾气监测单元由CCD摄像机、图像采集卡、尾气识别与处理模块；CCD摄像机安装在车道的一侧，背景放置在车道的另一侧，背景为白色的挡板，尾气识别与处理模块安装在车道两旁的计算机内，CCD摄像机将路面上的柴油车状态的相关信息通过视频的方式记录下来，并以连续帧图像的形式出给尾气识别与处理模块，尾气识别与检测模块接收来自视频测量部分的连续10帧图像，对图像进行预处理；再根据柴油车尾气的静态、动态、颜色特征将图像中的目标尾气进行检查、分割、提取，选择最佳的五帧图像，其静态特征包括（1）扩散后具有一种“薄纱”效果，对背景产生遮蔽和模糊；（2）由于烟雾颗粒不断向四周扩散，在图像中表现为后大前小，其动态特征包括：（1）尾气在排放过程中，是有内部不断翻滚变化的特性，尾气与背景之间还会发生交替变化，图像中变现为像素的变化；（2）尾气具有形态不断变化，能作为区分尾气和一般性运动的物体的一种依据，将提取的最佳五帧图像目标区域分别与背景区域进行相减，对相减后得到的目标进行滤波和填充处理，将处理后目标区域计算其平均灰度值或计算并提取最大、最小灰度值作为参考，经计算后的结果与标准库中的黑度级别进行对比，给出相应的黑度级别，上传给中心数据处理单元；

中心数据处理单元，接收来自车辆检测单元信息，判断是否有车辆进入检测区，当有车辆进入检测区时，给车牌照识别与处理单元、车辆速度和加速度测量单元、车辆尾气监测单元发送启动信号，对车辆进行检测，同时，中心数据处理单元接收来自车牌照识别与处理单元、车辆速度与加速度测量单元、车辆尾气监测单元的检测结果，对这些数据进行分析、处理，并将车辆的相关信息发送到远程数据控制终端进行存储。

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