CN103198531B - 一种多车道自由流车辆图像抓拍的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多车道自由流车辆图像抓拍的方法，该方法的硬件包括：一组激光检测器、一组高清摄像机和抓拍控制器。每个摄像机划分为3个抓拍子视场，利用抓拍控制器来统一协调控制不同摄像机的抓拍，利用激光检测器检测到车辆进入，进行计算，给出车辆中心对应的子视场，即检测车辆位置中点距离哪个子视场中点更近，则选择哪个子视场抓拍。本发明能够解决在多车道自由流状态下的多辆车并发、变线行驶、跨线行驶、高速行驶、拥堵状态下的前后车遮挡等技术难题。

Description

一种多车道自由流车辆图像抓拍的方法

技术领域

本发明涉及智能交通系统(Intelligent Transport System，简称：ITS)领域，具体地说，涉及多车道自由流电子收费系统中车辆图像抓拍的方法。

背景技术

目前，最先进的道路收费技术是多车道自由流电子不停车收费技术，其是指在位于多车道的路段收费站点内不设置任何影响车辆通行的车道隔离设施，让车辆按照正常的行驶车速(0～180km/h)随意通过收费站点，车辆通过收费站点时收费交易全自动完成，司机感觉不到收费过程的发生。这种收费技术可以应用于城市拥堵收费、限流收费和高速公路收费等项目，是道路电子收费技术的发展方向。

对于多车道自由流电子收费系统，通过的车辆可以分成两类：合法车辆和非法车辆。所谓合法车辆，是指通过收费点时，自动完成交易，在后台账户可以自动扣费的车辆；与之相对，非法车辆，是指通过收费点时，未能自动完成交易，需要抓拍车辆特征信息，通过人工追缴，完成扣费。对于合法车辆，自动交易可以多种技术实现，基于DSRC的ETC技术、基于RFID技术、基于GPS定位技术等，均可实现车辆的自动交易；而对于非法车辆，由于是交易异常，需要定位准确的车辆信息，因此通常都需要准确抓拍车辆图像，并采用自动车牌识别技术进行车牌识别，来确定唯一的车辆。

由于，目前的车牌抓拍识别系统都是基于城市卡口的车牌抓拍，不适用于多车道自由流系统中允许车辆在自由状态下骑线、变线行驶、多车近距离并驰、拥堵情况下前后车近距离跟驰等情况抓拍，不能满足多车道自由流电子收费系统中车辆抓拍需求。因此需要设计一套车辆图像的准确抓拍系统，能够适应车辆在多车道自由流行驶状态下的车辆图像抓拍，并自动识别车牌信息，为事后执法、追缴费用提供必要的证据，这是多车道自由流电子收费应用中需要进一步研究、完善的技术难题，该技术难题现有技术中尚未解决。

理论上，在断面上设置很多台摄像机使得每一个抓拍位置都有至少两台抓拍摄像机，则可以满足抓拍需求，但是很浪费资源，

发明内容

为了解决上述技术难题，本发明的目的是提出一种多车道自由流车辆图像抓拍的方法，能够解决在多车道自由流状态下的多辆车并发、变线行驶、跨线行驶、高速行驶、拥堵状态下的前后车遮挡等技术难题；本发明解决另一个技术问题是，充分利用高清摄像机可以划分多个子视场的技术特点，使用较少数量的高清摄像机相互配合，在满足抓拍需求的条件下，最大限度的降低使用摄像机数量。

实现上述发明目的的技术方案是：

一种多车道自由流车辆图像抓拍的方法，该方法的硬件包括：对车辆进行定位的一组激光检测器、具有抓拍控制流程的抓拍控制器和一组高清摄像机，所述一组激光检测器和一组高清摄像机分别在道路的一个断面布置，被安装在相邻的龙门架上；在道路的一个断面布置的一组高清摄像机中，每个摄像机根据高清摄像机的像素数不同划分为相应的多个抓拍子视场；除了断面最边侧区域，同一个抓拍位置有至少两个不同摄像机子视场可以进行抓拍，即子视场有单倍以上的冗余，高清摄像机工作在“快门拍照”模式下，以保证最短和最稳定的抓拍延时，利用激光检测器检测到车辆进入及车辆中心位置，利用抓拍控制器来统一协调控制不同摄像机的抓拍，根据车辆中心位置进行计算，通过统一调配负责抓拍的摄像机及其子视场。

抓拍视场的确定步骤：

1)、根据车辆中心位置计算处于的哪个子视场所属范围，原则上距离哪个子视场中点更近，则选择哪个子视场抓拍；

2)、如果子视场是无冗余的(例如断面边侧子视场，或者方案1的每个摄像机居中子视场)，由于没有相邻摄像机的子视场可以替代，则直接选择对应摄像机子视场进行抓拍；

3)、如果子视场是冗余的(例如方案2、方案3有完全重合子视场，方案1相邻摄像机的C和A子视场)，需要判断子视场相邻摄像机是否空闲：如果相邻摄像机空闲，由于要考虑两台摄像机替补使用管理，需要进行选择，选择居中的摄像机；如果相邻的摄像机被占用，则直接选择子视场所在摄像机。

所述车辆中心位置的中点与候选选择摄像机的关系如下：

$y=\left[\frac{x-(\mathrm{\α}-\mathrm{\β}/2)}{\mathrm{\β}}\right]+1$

其中：y为摄像机子视场编号；x为车辆位置中点，单位为米；α为半子视场宽度；β为相邻子视场间隔；[]表示计算结果取整数；断面所有摄像机子视场按照从断面左边到右边依次编号为1、2、3…，

相邻摄像机子视场所负责的区域为两个摄像机子视场中点两侧。

所述硬件设备按不同的类型分布在三个龙门架上，激光检测器布局在位于其他两个龙门架之间的B龙门架上，车头抓拍高清摄像机布局在C龙门架上，车尾抓拍高清摄像机布局在A龙门架上；硬件设备中的激光检测器正对着地面与地面保持水平安装；抓拍摄像机抓拍角度约40度倾角，车牌抓拍区域在摄像机地面投影点前方7-9米之间，距离B龙门架检测断面8米，以确保拥堵状态下，前后大车、小车不存在遮挡的情况；根据道路宽度布设多台激光检测器，一般为一条车道布设一台激光检测器；在每个高清摄像机的全景视场内，分别划分多子视场，每个子视场的宽度为2米。

抓拍视场的选择步骤具体组成：

分步骤(1)：在每个抓拍周期中，读取激光检测器检测到的当前所有车辆位置，将当前车辆位置，即车辆的中心线与最左侧车道边界线的距离，以及检测时间贮存到车辆信息存储单元中，

分步骤(2)：将当前所有车辆信息存储单元中的当前车辆位置依次取出，进行如下的逻辑运算：先用车辆位置减去(α-β/2)，再用两者差值除以β,然后对所得的商取整数并+1，得到参考计算值，

分步骤(3)：用参考计算值与抓拍控制器的存储器中存储的前排摄像机子视场编号进行比较，将编号与参考计算值相同的子视场作为候选子视场，并进行判断，共分如下情况，

情况1：如果参考计算值所对应的子视场是无冗余的(即无替补子视场)，则直接选择该前排摄像机进行抓拍；然后执行分步骤(4)，

情况2：如果参考计算值所对应的子视场是冗余的(即由多个子视场可选)，需要判断所有候补子视场所在摄像机是否都空闲，如果有候选子视场所在摄像机的其他子视场在同一抓拍周期内被选作为候选子视场，就表明摄像机处于非空闲状态，则直接选择另一摄像机子视场进行抓拍，然后执行分步骤(4)，

情况3：如果参考计算值所对应的子视场是冗余的(即由多个子视场可选)，需要判断所有候补子视场所在摄像机是否都空闲，如果没有候选子视场所在摄像机的其他子视场在同一抓拍周期内被选作为候选子视场，就表明该摄像机处于空闲状态，则选择更居中的摄像机子视场进行抓拍，然后执行分步骤（4），

分步骤（4）：抓拍控制器向前排摄像机子视场提供触发信号时，也同时向与该前排摄像机子视场编号相同的后排摄像机子视场提供触发信号，后排摄像机对应的子视场也进行抓拍，从而车头和车尾摄像机同时进行抓拍，

分步骤（5）：抓拍控制进行自动车牌识别，并将同一辆车的车辆检测位置、抓拍图像、车牌识别汇总，形成一条抓拍记录传输给自由流电子收费系统，供进行后续的非法车辆识别及费用追缴，

分步骤（6）：返回分步骤（1）。

本发明与传统的电子收费方法相比具有如下优点：

（1）本发明中，收费站点的系统设备安装在道路上方的龙门架上，路面无限制车辆通行的设施，如栏杆、收费岛等。

（2）最大限度的节省抓拍摄像机数量，节约系统建设成本。

（3）精确的车辆抓拍，抓拍的图像内只有唯一一辆车，方便后台人工校对。

（4）不同于传统的视频流，能够适应多车道自由流条件下的行车速度（0～180Km/h）要求；适应车辆自由行驶的特点，满足车辆变线、跨道行驶等特点，在收费点断面内可以做到车辆抓拍的无缝覆盖；能够处理多车辆近距离并驰情况下的抓拍。

附图说明

图1是本发明的使用状态示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是本发明硬件设备的布局结构示意图。

图4是前排摄像机全景视场的分布结构示意图。

图5是前排第一个摄像机三个子视场的分布结构示意图。

图6是前排第一、第二个摄像机各个子视场的分布结构示意图。

图7是前排所有摄像机各个子视场的分布结构示意图。

图8是前排所有摄像机各个子视场的编号示意图。

图9是后排所有摄像机各个子视场的编号示意图。

图10是场景1的示意图。

图11是场景2的示意图。

图12是场景3的示意图。

图13是断面摄像机布置及子视场划分实例之二。

图14是是断面摄像机布置及子视场划分实例之三。

具体实施方式

本发明设计的断面摄像机布置及子视场划分可以有多种方式，其中每个摄像机的子视场的划分个数主要取决于高清摄像机的像素数，对于200万像素摄像机可以划分为三个子视场，对于像素更高的摄像机可以划分为更多的子视场，下面以200万像素摄像机为例列举三个典型例子：

1、使用7台摄像，每个摄像全景视场为5米范围，划分为三个子视场，每个子视场宽度为2米，相邻子视场间隔为0.62米，即实际只使用摄像机3.24米的视场宽度，相邻摄像机间隔1.86米（如图5、图6所示）；

2、断面使用8台摄像机，每个摄像全景视场为5米范围，划分为三个子视场，每个子视场宽度为2米，相邻子视场间隔为1米，即实际只使用摄像机4米的视场宽度，相邻摄像机间隔1米（如图13所示）；

3、断面使用10台摄像机，每个摄像全景视场为5米范围，划分为两个子视场，每个子视场宽度为2米，相邻子视场间隔为1米，即实际只使用摄像机4米的视场宽度， 相邻摄像机间隔1米（如图14所示）；

下面以上述的第一种摄像机布局为例描述本发明具体实施方式。

1、系统构成 

本发明设计的车辆图像抓拍系统主要由激光检测器、抓拍摄像机、抓拍补光灯、抓拍控制器构成。其中：激光检测器由断面车道数量决定，一般每条车道布设一台；抓拍摄像机根据断面车道宽度布局，一般标准的城市快速路（3条行车道+1条紧急停车带）布设14台（7台负责抓拍车头，7台负责抓拍车尾），抓拍摄像机选择200万像素高清摄像机（图像分辨率为1600×1200）；抓拍补光灯与抓拍摄像机配合，用于夜间或者光线不足时进行补光，每个抓拍摄像机配置一台抓拍补光灯；抓拍控制器每个收费断面布设一台。

2、设备布局方式

参见图1、图2、图3，系统所有设备分布在三个龙门架上（龙门架高6米），如图所示，激光检测器布局在B龙门架上，车头抓拍摄像机布局在C龙门架上，车尾抓拍摄像机布局与A龙门架上，抓拍控制器安装在控制箱内，布局在B龙门架上。

激光检测器正对着地面与地面保持水平安装，安装高度为6米。

抓拍摄像机安装高度为6米，抓拍角度约40度倾角，车牌抓拍区域在摄像机地面投影点前方7-9米之间（距离第二排龙门架检测断面约8米左右），以确保拥堵状态下，前后大车、小车不存在遮挡的情况。在此安装方式（高度和角度）下，单个摄像机的视场（全景视场）宽度为5米。

3、系统功能 

（1）激光检测器

由于激光检测器L1、L2、L3、L4覆盖的范围有一定的限度，为了实现整个道路断面车辆检测，需要根据道路宽度布设多台激光检测器，一般为一条车道布设一台激光检测器。通常情况下，标准的城市快速路由三条车道和一条紧急停车带，因此需要布设4台激光检测器；4台激光检测器L1、L2、L3、L4一直在连续工作，四台激光检测器L1、L2、L3、L4发射的激光波束形成一道幕墙，横跨在车道上。如果有车辆通过检测区域，车辆前端进入、后端离开的这一段时间内，激光检测器可以检测出车辆的存在及车辆位置坐标。

此外激光检测器也可以检测出车辆的长度、高度、宽度坐标，用于自由流收费系统中自动划分车辆类型。

（2）抓拍摄像机

本发明选用200万像素高清摄像机（图像分辨率为1600×1200），摄像机采用嵌入式技术，将车牌识别模块嵌入到摄像机本身。抓拍摄像机可以划分为多个子视场，根据抓拍控制器要求，触发响应位置摄像机子视场进行抓拍，并自动进行车牌识别。摄像机工作方式可以选择快门抓拍模式和视频流两种模式，对于摄像机工作方式为快门抓拍模式，即与照相机原理，平时摄像机不工作，只有通过快门触发，才进行图像抓拍。如果摄像机被触发用于图像抓拍，则短时间内不能继续抓拍，需要120ms在处理完成上一次抓拍结果后方可继续用于图像抓拍，摄像机用于抓拍及抓拍后120ms期间都是占用状态，其他时段为空闲时段。

如果摄像机不是工作在“快门拍照”，而是工作在“视频流”的模式下，由于受到摄像机场频的限制，从触发到抓拍的时间延时可能会比较长，且并不固定，效果不如“快门拍照”模式更为可靠，但是也不存在相机“空闲”和“占用”的问题。占用仅指工作在快门模式下，快门抓拍后有小于120ms的时间不能再次抓拍。

摄像机的最大视场（全景视场）宽度为5米。为了确保每个抓拍的局部图片中只有 唯一一辆车，便于后期的人工核对自动车牌识别结果的处理，且充分利用现有摄像机资源，对每个摄像机进行视场划分。在每个摄像机的全景视场内，分别划分三子视场，每个子视场的宽度为2米。每个子视场间隔0.62m集中在相机的中央位置；相邻摄像机的两个全景视场之间相互重叠3.24米（亦即，两个全景视场的中心线间距为1.86米）。整视场的抓拍照片可以作为全景照片使用。

对于摄像机工作模式是视频流模式而言，摄像机也可使用划分子视场的模式，具体的划分方式与上述快门抓拍模式相同，后续实施例都以摄像机工作在快门抓拍模式下进行介绍。

（3）抓拍补光灯

由于图像抓拍及自动车牌识别系统对外部光线亮度（照度）的依赖性比较高，而系统又必须做到在各种自然光照条件下的全天候工作，因此需要很好地解决夜间等光线不足情况下的图像抓拍问题。本发明采用的是增加LED频闪灯作为外部补充光源方式，相对节能，基本无光污染，对行车安全影响小。补光灯数量是由摄像机数量确定，每台摄像机配置一台补光灯。

（4）抓拍控制器

抓拍控制器负责整个系统的统筹工作，协调激光检测器和抓拍摄像机的工作，收集、汇总各设备的输出结果，形成抓拍记录。

抓拍控制器可以由工控机构成，负责接收激光检测器提供的车辆位置信息，根据抓拍算法，触发响应位置的抓拍摄像机使用指定子视场进行抓拍，接收摄像机抓拍图像及车牌识别结果。

4、系统工作流程

（1）激光检测器一直处于工作状态，当有车辆进入收费区域时，首先由激光检测器检测到车辆存在及车辆位置，并将车辆位置信息传输给抓拍控制器；

（2）抓拍控制器视车辆所在位置，选择对应的子视场，根据抓拍控制算法，选择对应位置的摄像机，触发摄像机抓拍；

（3）车头和车尾摄像机同时进行抓拍，进行自动车牌识别，并将车辆图像和车牌识别结果传输给抓拍控制器；

（4）抓拍控制将同一辆车的车辆检测位置、抓拍图像、车牌识别汇总，形成一条抓拍记录传输给自由流电子收费系统，供其进行后续的非法车辆识别及费用追缴。

5、抓拍图像要求

从抓拍效果和交通执法经验来考虑，抓拍的图像包括：全景图像、局部图像和车牌图像。

全景图像即车辆的全景图像，可以使用摄像机全景照片。

局部图像即唯一的抓拍车辆图像，要求图像内只有唯一一辆车，并包括车牌，考虑到市面上主流的车辆宽度为1.6m-1.8m，所以局部图像的大小为2米（宽度）*3米（长）。

车牌图像即只包括车牌的图像。

6、抓拍方法 

（1）摄像机子视场划分

摄像机的最大视场（全景视场）宽度为5米。为了确保每个抓拍的局部图片中只有唯一一辆车，且充分利用现有摄像机资源，对每个摄像机进行视场划分。在每个摄像机的全景视场内，分别划分三子视场，每个子视场的宽度为2米，三个子视场间隔0.62m集中在相机的中央位置，单个摄像机子视场宽度及间隔如图5所示。相邻摄像机相邻子视场也间隔0.62米，详见图6，相邻摄像机的两个全景视场之间相互重叠3.24米（亦即，两个全景视场的中心线间距为约1.86米，断面摄像机布局如图4所示，摄像机布局位置 如图7所示）。

每个高清摄像机有设置两个触发信号（编号为1和2），每个触发信号有“1（有）”和“0（无）”两个触发状态。当两个触发信号均为“0”时，表示没有车辆需要抓拍。

多车道自由流电子收费车道系统以激光幕墙车辆检测器获得的车辆的中心位置判决需要发出的触发信号。当车位于A区时，给触发信号1，当车位于B区时，给触发信号1和2，当车位于C区时，给触发信号2，其他高清摄像机由此类推。

由此，可将14.25米的收费断面分隔成21个可独立触发的局部图像抓拍子区域，前排和后排摄像机子视场编号如图8、图9所示。

根据摄像机抓拍全景视场与其中的子视场以及相邻全景视场之间的位置关系，可以得到3条车道+1条紧急停车带收费断面的摄像机安装配置，如图3所示：

根据对市面上常见车辆的车身宽度以及北京市车辆类型的调查分析，常见车辆的平均车身宽度应该为1.6m到1.8m左右，车辆后视镜的宽度各0.1m，为保证车辆的安全行驶，水平方向必须各保留0.1m安全间隔，因此车辆正常行驶的平均最小行驶安全宽度在2.0m左右，上述方案可以满足在极限条件下一个断面7辆车并排行驶。

图3中，考虑两辆1.6米宽的小车在最左侧同一车道近距离并驰的最极端情况（考虑后视镜及最小车间距后，两辆车总宽度约为3.4米），两车的车头时距（激光幕墙车检器给出的两辆车到达的触发信号的时间间隔）小于10ms。虽然两辆车可以位于同一个摄像机（最左侧1号摄像机）的子视场A和子视场C内，但由于两车车头时距小于工作在照相机模式下的抓拍相机的最小触发（连续抓拍）时间间隔120ms，故而无法由1号摄像机完成对两辆车的抓拍。而右侧车辆刚好处在2号摄像机的子视场A的范围内，故而可以由2号摄像机完成相应的抓拍工作。从而很好地解决了并驰车辆抓拍的“并发性”需求。

此外，从上图中抓拍摄像机全景的重叠布局设计来看，即使存在骑线（从两个相机的中间位置通过）行驶的情况，由于高清视野场景较大，能保证100%拍清楚整个行驶车辆的全貌。

（2）抓拍控制算法

如图3所示，在断面共布置7台高清摄像机，每个摄像机划分为3个子视场，合计21个抓拍子视场，理论上如果出现两辆车处于同一个摄像机A和C子视场，如果A子视场已经用于抓拍，则C子视场由相邻摄像机的A子视场来负责（由于每个子视场都相错0.62米，）。系统通过抓拍控制器来统一协调控制不同摄像机的抓拍，抓拍视场的选择原则：

车辆位置中点距离哪个子视场中点更近，则选择哪个子视场抓拍；

如果子视场是最边侧的子视场，则直接选择最边侧的摄像机进行抓拍；

如果子视场是摄像机的B子视场，则直接选择该摄像机进行抓拍；

如果选定的子视场是A或者C（非最边侧），且相邻的摄像机的C或者A子视场也处于空闲抓拍状态，则优先选择靠近断面中间位置摄像机的对应子视场进行抓拍；

所述车辆中心位置的中点与候选选择摄像机的关系如下：

$y=\left[\frac{x-(\mathrm{\α}-\mathrm{\β}/2)}{\mathrm{\β}}\right]+1$

其中：y为摄像机子视场编号；x为车辆位置中点，单位为米；α为半子视场宽度；β为相邻子视场间隔；[]表示计算结果取整数；断面所有摄像机子视场按照从断面左边到右边依次编号为1、2、3…，

相邻摄像机子视场所负责的区域为两个摄像子视场机中点两侧。

下面结合附图对本发明的具体工作方法及步骤进行详细的说明：

本发明包括以下步骤：

步骤1，布置硬件设备，

硬件设备由激光检测器、前排高清摄像机、后排高清摄像机、抓拍控制器以及前、中、后龙门架X1、X2、X3组成，

前、中、后龙门架X1、X2、X3设置在多车道自由流电子收费道路上，道路由有三条车道和一条应急车道组成，每条车道的宽度为3.75米，应急车道的宽度为3米。汽车V以自由流的方式通过收费站点。

前、中、后龙门架X1、X2、X3依次间隔为8米，

前排高清摄像机安装在前龙门架X1上，前排高清摄像机有7台，这些前排高清摄像机D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7由左向右依次排列在前龙门架X1上，相邻两台前排高清摄像机的中心线的间隔为1.86米，前排第一台高清摄像机的中心线距离最左侧车道的左侧边缘F为1.62米，

激光检测器安装在中龙门架X2上，激光检测器有四台，分别是L1、L2、L3、L4，激光检测器的数量与车道的数量相等，

激光检测器L1的安装位置是位于车道1的中心线上， 

激光检测器L2的安装位置是位于车道2的中心线上， 

激光检测器L3的安装位置是位于车道3的中心线上， 

激光检测器L4的安装位置是位于车道4的中心线上， 

后排高清摄像机安装在后龙门架X3上，后排高清摄像机有7台，这些后排高清摄像机由左向右依次排列在后龙门架X2上，相邻两台后排高清摄像机的中心线的间隔为1.86米，后排第一台高清摄像机的中心线距离最左侧车道的左侧边缘为1.62米，

抓拍控制器安装在控制箱E内，控制箱设置在中龙门架上，抓拍控制器通过信号线缆将抓拍控制器与所有的高清摄像机和所有的激光检测器连接;

这样布局的合理性在于：当激光检测器检测到车辆时，车辆恰好位于前、后龙门架之间，前排高清摄像机正好对正车头，后排摄像机正好对正车尾，便于准确抓拍，

步骤2，由抓拍控制器对激光检测器进行软件设置，

抓拍控制器将各台激光检测器的检测基准线设置为最左侧车道的边界线上，

步骤3，由抓拍控制器通过软件对前排摄像机进行设置，

抓拍控制器对每台前排摄像机进行视场划分，在每台前排摄像机的全景视场内，分别划分三子视场，这三个子视场分别是偏左子视场A、居中子视场B、偏右子视场C，每个子视场的宽度为2米，

居中子视场的中心线与本摄像机全景视场的中心线重合，偏左子视场的中心线相对于居中子视场的中心线向左侧偏移0.62米，偏右子视场的中心线相对于居中子视场的中心线向左侧偏移0.62米，也就是说，对于任意一台前排摄像机来说，其偏左子视场、居中子视场、偏右子视场的视野范围都依次错位（相差）0.62米，

由于相邻两台前排摄像机的全景视场的中心线间距离为1.86米，所以，所有的摄像机的子视场呈等间距连续分布,任意相邻的子视场范围都依次错位（相差）0.62米，相邻两台前排摄像机的两个全景视场之间相互重叠3.24米，

步骤4，由抓拍控制器通过软件对后排摄像机进行设置，

抓拍控制器对每台后排摄像机进行视场划分，在每台后排摄像机的全景视场内，分别划分三子视场，这三个子视场分别是偏左子视场、居中子视场、偏右子视场，每个子视场的宽度为2米，

居中子视场的中心线与本摄像机全景视场的中心线重合，偏左子视场的中心线相对 于居中子视场的中心线向左侧偏移0.62米，偏右子视场的中心线相对于居中子视场的中心线向左侧偏移0.62米，也就是说，对于任意一台后排摄像机来说，其偏左子视场、居中子视场、偏右子视场的视野范围都依次错位（相差）0.62米，

由于相邻两台后排摄像机的全景视场的中心线间距离为1.86米，所以，所有的摄像机的子视场呈等间距连续分布,任意相邻的子视场范围都依次错位（相差）0.62米，相邻两台后排摄像机的两个全景视场之间相互重叠3.24米，

步骤5，对前、后排摄像机的子视场进行存储，

在抓拍控制器的存储器中存储前、后排摄像机的子视场，

前排摄像机的子视场存储方式为由左向右以阿拉伯数字连续编号，

第一台前排摄像机D1的偏左、居中、偏右子视场依次编号为1、2、3，

第二台前排摄像机D2的偏左、居中、偏右子视场依次编号为4、5、6，

第三台前排摄像机D3的偏左、居中、偏右子视场依次编号为7、8、9，

第四台前排摄像机D4的偏左、居中、偏右子视场依次编号为10、11、12，

第五台前排摄像机D5的偏左、居中、偏右子视场依次编号为13、14、15，

第六台前排摄像机D6的偏左、居中、偏右子视场依次编号为16、17、18，

第七台前排摄像机D7的偏左、居中、偏右子视场依次编号为19、20、21，

后排摄像机的子视场存储方式为由左向右以阿拉伯数字连续编号，

第一台后排摄像机D8的偏左、居中、偏右子视场依次编号为1、2、3，

第二台后排摄像机D9的偏左、居中、偏右子视场依次编号为4、5、6，

第三台后排摄像机D10的偏左、居中、偏右子视场依次编号为7、8、9，

第四台后排摄像机D11的偏左、居中、偏右子视场依次编号为10、11、12，

第五台后排摄像机D12的偏左、居中、偏右子视场依次编号为13、14、15，

第六台后排摄像机D13的偏左、居中、偏右子视场依次编号为16、17、18，

第七台后排摄像机D14的偏左、居中、偏右子视场依次编号为19、20、21，

前排摄像机的子视场和后排摄像机的子视场存储在不同的存储空间中，

步骤6，设定抓拍控制器工作流程，通过软件对抓拍控制器进行抓拍工作流程设定：抓拍工作流程由以下分步骤组成：

分步骤（1）：在每个抓拍周期中，读取激光检测器检测到的当前所有车辆位置，将当前车辆位置（车辆的中心线与最左侧车道边界线的距离）以及检测时间贮存到车辆信息存储单元中，

分步骤（2）：将当前所有车辆信息存储单元中的当前车辆位置依次取出，进行如下的逻辑运算：先用车辆位置减去0.69，再用两者差值除以0.62,然后对所得的商取整数并+1，得到参考计算值，

分步骤（3）：用参考计算值与抓拍控制器的存储器中存储的前排摄像机子视场编号进行比较，将编号与参考计算值相同的子视场作为候选子视场，并进行判断，共分五种情况（对应五种路况场景）

情况1：如果参考计算值小于最左侧摄像机的子视场范围值2，则直接选择该最左侧的前排摄像机进行抓拍；然后执行分步骤（4），

情况2：如果参考计算值大于最右侧摄像机的子视场范围值20,则直接选择该最右侧的前排摄像机进行抓拍；然后执行分步骤（4），

情况3：如果参考计算值大于等于最左侧摄像机的子视场范围值2且小于等于最右侧摄像机的子视场范围值20，就表明候选子视场不是前排断面摄像机的最左侧子视场，也不是前排断面摄像机最右侧的子视场，就需继续进行判断：如果参考计算值是前排摄像机居中子视场编号2、5、8、11、14、17、20中的一个数值，就表明候选子视场是前 排摄像机的居中子视场，则直接选择该前排摄像机的居中子视场进行抓拍；因为每一台摄像机的居中子视场不会与相邻摄像机偏左或偏右的子视场发生冲突。

然后执行分步骤（4），

情况4：如果参考计算值大于等于最左侧摄像机的子视场范围值2且小于等于最右侧摄像机的子视场范围值20，就表明候选子视场不是前排断面摄像机的最左侧子视场，也不是前排断面摄像机的最右侧子视场，就需继续进行判断：如果参考计算值不是摄像机居中子视场编号2、5、8、11、14、17、20中的一个数值，就表明候选子视场不是前排摄像机的居中子视场，还需继续进行判断：如果与候选子视场相邻子视场所在的摄像机的所有子视场在同一抓拍周期内被选作为候选子视场，（就表明摄像机处于非空闲状态），则直接选择该摄像机子视场进行抓拍，然后执行分步骤（4），

情况5：如果参考计算值大于等于最左侧摄像机的子视场范围值2且小于等于最右侧摄像机的子视场范围值20，就表明候选子视场不是前排断面摄像机的最左侧子视场，也不是前排断面摄像机的最右侧子视场，就需继续进行判断：如果参考计算值不是摄像机居中子视场编号2、5、8、11、14、17、20中的一个数值，就表明候选子视场不是前排摄像机的居中子视场，还需继续进行判断：如果与候选子视场相邻子视场所在摄像机的所有子视场在同一抓拍周期内也没有被选作为候选子视场，（就表明该摄像机处于空闲状态），则按如下原则进行抓拍，

则用与11号摄像机子视场最接近的抓拍参考计算值所在摄像机子视场抓拍，然后执行分步骤（4），

分步骤（4）：抓拍控制器向前排摄像机子视场提供触发信号时，也同时向与该前排摄像机子视场编号相同的后排摄像机子视场提供触发信号，后排摄像机对应的子视场也进行抓拍，从而车头和车尾摄像机同时进行抓拍，

分步骤（5）：抓拍控制进行自动车牌识别，并将同一辆车的车辆检测位置、抓拍图像、车牌识别汇总，形成一条抓拍记录传输给自由流电子收费系统，供进行后续的非法车辆识别及费用追缴，

分步骤（6）：返回分步骤（1）

本发明的车辆图像抓拍的方法的核心是由激光检测器对车辆进行定位，由抓拍控制器根据抓拍控制流程来选择适当的摄像机子视场进行抓拍，可以处理并发过车、前后车遮挡等情况，能够解决在多车道自由流状态下的多辆车并发、变线行驶、跨线行驶、高速行驶、拥堵状态下的前后车遮挡等各种场景。激光检测器检测是否有车辆进入检测区域。当有车辆进入检测区域后，碰到激光检测器发射的激光幕墙后，激光检测器立即检测出车辆位置、生成车辆编号、检测时间，并向抓拍控制器输出检测结果，车辆检测结果包含车辆位置信息、检测时间和车辆编号，可将14.25米的收费断面分隔成21个可独立触发的局部图像抓拍子区域。

根据摄像机抓拍全景视场与其中的子视场以及相邻全景视场之间的位置关系，可以得到3条车道+1条紧急停车带收费断面的摄像机安装配置，如

如果出现两辆车处于同一个摄像机A和C子视场，如果A子视场已经用于抓拍，则C子视场由相邻摄像机的A子视场来负责。

上述的步骤可以适应各种交通路况，下面详述两种路况，以三个场景举例说明有代表性的路况，

分步骤（1）：在每一个抓拍周期中（每个抓拍周期为10毫秒），读取激光检测器检测到的所有当前车辆位置，将所有当前车辆位置（车辆的中心线与最左侧车道边界线的距离）以及检测时间贮存到车辆信息存储单元中，设此时交通路况为场景1，如图10所示，一辆汽车V1由最左侧车道进入收费站点：激光检测器检测结果共有1个，如表格1-1 所示。

表格1-1

分步骤（2）：将车辆信息存储单元中的当前车辆位置取出，进行如下的逻辑运算：先用车辆位置减去0.69，再用两者差值除以0.62,然后对所得的商取整数并+1，得到参考计算值，

由于车辆V1的位置是1.35米，[（1.35-0.69）/0.62]+1=2（其中[]表示计算结果取整数）；

分步骤（3）：用参考计算值与抓拍控制器的存储器中存储的前排摄像机子视场编号进行比较，将编号与参考计算值相同的子视场作为候选子视场，并进行判断，由于参考计算值为2，小于等于最左侧摄像机的子视场范围值3，就表明候选子视场是前龙门架最左侧前排摄像机的子视场（第1台前排摄像机的子视场），而且是居中子视场，且最左侧摄像机的各个子视场都没有被占用，则直接选择该最左侧的前排摄像机进行抓拍；也就是第一台前排摄像机D1的居中子视场P1（2），然后跳过分步骤（4）、（5），直接执行分步骤（6），

分步骤（6）：抓拍控制器向前排摄像机子视场提供触发信号时，也同时向与该前排摄像机子视场编号对应的后排摄像机P8的居中子视场提供触发信号，后排摄像机P8（2）对应的子视场也进行抓拍，从而实现车头和车尾摄像机同时进行抓拍，

分步骤（7）：抓拍控制器进行自动车牌识别，并将同一辆车的车辆检测位置、抓拍图像、车牌识别汇总，形成一条抓拍记录传输给自由流电子收费系统，结果如表格1-2所示，表格1-2：

供进行后续的非法车辆识别及费用追缴，

分步骤（8）：返回分步骤（1）,

场景2：

如图11所示，七辆汽车V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7并排进入收费站点；激光检测器共有七个检测结果，如表格所示。

表格：

抓拍控制器根据车辆位置信息，执行抓拍控制流程，分配抓拍摄像机及其子视场，

首先，车辆V6先被检测到，根据抓拍算法的控制流程，车辆V6的车辆位置中点为11.05米，经判断，车辆V6在6号摄像机的B子视场，为B子视场，所以直接选择6号摄像机B子视场抓拍。

其次，车辆V1也被检测到，根据抓拍算法控制流程，车辆V1的车辆位置中点为0.65米，经判断在1号摄像机A子视场，为断面最边侧子视场，所以直接选择1号摄像机A子视场抓拍。

第三，车辆V4也被检测到，根据抓拍算法控制流程，车辆V4的车辆位置中点为7.30米，经判断在4号摄像机B子视场，为B子视场，所以直接选择4号摄像机B子视场抓拍。 

第四，车辆V5也被检测到，根据抓拍算法控制流程，车辆V5的车辆位置中点为9.15米，经判断在5号摄像机B子视场，为B子视场，所以直接选择5号摄像机B子视场抓拍。 

第五，车辆V2也被检测到，根据抓拍算法控制流程，车辆V2的车辆位置中点为2.6米，经判断在2号摄像机A子视场，相邻的1号摄像机处于抓拍状态，所以直接选择2号摄像机A子视场抓拍。 

第六，车辆V3也被检测到，根据抓拍算法控制流程，车辆V3的车辆位置中点为4.5米，经判断在3号摄像机A子视场，相邻的2号摄像机处于抓拍状态，所以直接选择3号摄像机A子视场抓拍。 

最后，车辆V7也被检测到，根据抓拍算法控制流程，车辆V7的车辆位置中点为13.20米，经判断在7号摄像机C子视场，为最边侧子视场，所以直接选择7号摄像机C子视场抓拍。 

抓拍控制器根据抓拍控制算法运行的结果，车辆V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7分别选择1号摄像的A子视场、2号摄像的A子视场、3号摄像的A子视场、4号摄像的B子视场、5号摄像机的B子视场、6号摄像机的B子视场和7号摄像机的C子视场进行抓拍，

摄像机抓拍，自动识别车牌信息

A和C龙门架的前排和后排对应位置摄像机同时启动开始抓拍，自动进行车牌识别，并将抓拍图像（全景图像、局部图像和车牌图像）、车牌识别结果以及车辆编号传输给抓拍控制器。结果如表格所示

生成抓拍结果记录，上传至自由流电子收费系统。

抓拍控制器将车辆检测结果和抓拍结果合并，形成一条抓拍结果记录（形式如表所示），传输给自由流电子收费系统，用于电子收费系统进行非法车自动识别及通行费追缴 的依据。

场景3：

如图12所示，四辆汽车V1、V2、V3、V4并排进入收费站点；激光检测器共有四个检测结果，如表格所示。

表格：

抓拍控制器根据车辆位置信息，执行抓拍控制流程，分配抓拍摄像机及其子视场，

首先，车辆V1先被检测到，根据抓拍算法的控制流程，车辆V1的车辆位置中点为0.9米，经判断，车辆V1在1号摄像机的A子视场，为最边侧子视场，所以直接选择1号摄像机A子视场抓拍。

其次，车辆V2也被检测到，根据抓拍算法控制流程，车辆V2的车辆位置中点为5.4米，经判断在3号摄像机B子视场，为B视场，所以直接选择3号摄像机B子视场抓拍。 

第三，车辆V3也被检测到，根据抓拍算法控制流程，车辆V3的车辆位置中点为2.9米，经判断在2号摄像机A子视场，其相邻摄像机处于抓拍状态，所以直接选择2号摄像机A子视场抓拍。

最后，车辆V4也被检测到，根据抓拍算法控制流程，车辆V4的车辆位置中点为8.25米，经判断在5号摄像机A子视场，其相邻摄像机处于空闲状态，且相邻摄像机子视场距离11号子视场更近，所以直接选择4号摄像机C子视场抓拍。

抓拍控制器根据抓拍控制算法运行的结果，车辆V1、V2、V3、V4分别选择1号摄像的A子视场、3号摄像的B子视场、2号摄像的A子视场、4号摄像的C子视场进行抓拍，

摄像机抓拍，自动识别车牌信息

A和C龙门架的前排和后排对应位置摄像机同时启动开始抓拍，自动进行车牌识别，并将抓拍图像（全景图像、局部图像和车牌图像）、车牌识别结果以及车辆编号传输给抓拍控制器。结果如表格所示

生成抓拍结果记录，上传至自由流电子收费系统。

抓拍控制器将车辆检测结果和抓拍结果合并，形成一条抓拍结果记录（形式如表所示），传输给自由流电子收费系统，用于电子收费系统进行非法车自动识别及通行费追缴的依据。

Claims (5)

1.一种多车道自由流车辆图像抓拍的方法，其特征在于，该方法的硬件包括：对车辆进行定位的一组激光检测器、具有抓拍控制流程的抓拍控制器和一组高清摄像机，所述一组激光检测器和一组高清摄像机分别在道路的一个断面布置，被安装在相邻的龙门架上；在道路的一个断面布置的一组高清摄像机中，每个摄像机根据高清摄像机的像素数不同划分为相应的多个抓拍子视场；除了断面最边侧区域，同一个抓拍位置有至少两个不同摄像机子视场可以进行抓拍，即子视场有单倍以上的冗余，高清摄像机工作在“快门拍照”模式下，以保证最短和最稳定的抓拍延时，利用激光检测器检测到车辆进入及车辆中心位置，利用抓拍控制器来统一协调控制不同摄像机的抓拍，根据车辆中心位置进行计算，通过统一调配负责抓拍的摄像机及其子视场。

2.根据权利要求1所述的一种多车道自由流车辆图像抓拍的方法，其特征在于，抓拍视场的选择步骤：

1)、根据车辆中心位置计算处于的哪个子视场所属范围，原则上距离哪个子视场中点更近，则选择哪个子视场抓拍；

2)、如果子视场是无冗余的，则直接选择对应摄像机子视场进行抓拍；

3)、如果子视场是冗余的，即有完全重合子视场，需要判断子视场相邻摄像机是否空闲：如果相邻摄像机空闲，由于要考虑两台摄像机替补使用管理，需要进行选择，选择居中的摄像机；如果相邻的摄像机被占用，则直接选择子视场所在摄像机。

3.根据权利要求1所述的一种多车道自由流车辆图像抓拍的方法，其特征在于，所述车辆中心位置的中点与候选选择摄像机的关系如下：

$y=\left[\frac{x-(\mathrm{\α}-\mathrm{\β}/2)}{\mathrm{\β}}\right]+1$

其中：y为摄像机子视场编号；x为车辆位置中点，单位为米；α为半子视场宽度；β为相邻子视场间隔；[]表示计算结果取整数；断面所有摄像机子视场按照从断面左边到右边依次编号为1、2、3…，相邻摄像机子视场所负责的区域为两个摄像机子视场中点两侧。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种多车道自由流车辆图像抓拍的方法，其特征在于，所述硬件设备按不同的类型分布在三个龙门架上，激光检测器布局在位于其他两个龙门架之间的B龙门架上，车头抓拍高清摄像机布局在C龙门架上，车尾抓拍高清摄像机布局在A龙门架上；硬件设备中的激光检测器正对着地面与地面保持水平安装；抓拍摄像机抓拍角度40度倾角，车牌抓拍区域在摄像机地面投影点前方7-9米之间，距离B龙门架检测断面8米，以确保拥堵状态下，前后大车、小车不存在遮挡的情况；根据道路宽度布设多台激光检测器，一条车道布设一台激光检测器；在每个高清摄像机的全景视场内，分别划分多子视场，每个子视场的宽度为2米。

5.根据权利要求1或2所述的一种多车道自由流车辆图像抓拍的方法，其特征在于，抓拍视场的选择步骤具体组成：

分步骤(1)：在每个抓拍周期中，读取激光检测器检测到的当前所有车辆位置，将当前车辆位置，即车辆的中心线与最左侧车道边界线的距离，以及检测时间贮存到车辆信息存储单元中，

分步骤(2)：将当前所有车辆信息存储单元中的当前车辆位置依次取出，进行如下的逻辑运算：先用车辆位置减去(α-β/2)，再用两者差值除以β,然后对所得的商取整数并+1，得到参考计算值，

分步骤(3)：用参考计算值与抓拍控制器的存储器中存储的前排摄像机子视场编号进行比较，将编号与参考计算值相同的子视场作为候选子视场，并进行判断，共分如下情况，

情况1：如果参考计算值所对应的子视场是无冗余的，即无替补子视场，则直接选择该前排摄像机进行抓拍；然后执行分步骤(4)，

情况2：如果参考计算值所对应的子视场是冗余的，即由多个子视场可选，需要判断所有候补子视场所在摄像机是否都空闲，如果有候选子视场所在的摄像机的其他子视场在同一抓拍周期内被选作为候选子视场，就表明摄像机处于非空闲状态，则直接选择另一摄像机子视场进行抓拍，然后执行分步骤(4)，

情况3：如果参考计算值所对应的子视场是冗余的，即由多个子视场可选，需要判断所有候补子视场所在摄像机是否都空闲，如果没有候选子视场所在摄像机的其他子视场在同一抓拍周期内被选作为候选子视场，就表明该摄像机处于空闲状态，则选择更居中的摄像机子视场进行抓拍，然后执行分步骤(4)，

分步骤(4)：抓拍控制器向前排摄像机子视场提供触发信号时，也同时向与该前排摄像机子视场编号相同的后排摄像机子视场提供触发信号，后排摄像机对应的子视场也进行抓拍，从而车头和车尾摄像机同时进行抓拍，

分步骤(5)：抓拍控制进行自动车牌识别，并将同一辆车的车辆检测位置、抓拍图像、车牌识别汇总，形成一条抓拍记录传输给自由流电子收费系统，供进行后续的非法车辆识别及费用追缴，

分步骤(6)：返回分步骤(1)。