CN113706859B - 一种基于三帧差分法的道路交叉口路况预警系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三帧差分法的道路交叉口路况预警系统及方法，包括外设装置和移动接收端，外设装置设置于路口，包括图像采集器，设置于路口红绿灯一侧，用以对路口车辆、车辆的车牌、行人的运动状态进行采集；数据分析装置，设于安装红绿灯的支撑柱上，以分析路口车辆和行人的运行轨迹；无线传输装置，设置在支撑柱上，以将数据分析装置分析的结果，以无线信号的形式传输到移动接收端；能源装置，设置于支撑柱的上端，以储存电源并向其余各个装置提供电源；移动接收端包括车载接收器和手机接收端，以根据不同的信号选择是否对驾驶员和/或行人提供报警信号。本发明节能环保，且报警的精确率高，针对性强，可以有效的减少事故的发生。

Description

一种基于三帧差分法的道路交叉口路况预警系统及方法
技术领域
本发明涉及路况预警系统技术领域，尤其是一种基于三帧差分法的道路交叉口路况预警系统及方法。
背景技术
近年来，国家不断完善交通规则，加大城市道路基础设施建设力度，安装交通信号灯，设立交通隔离装置，实行人车分流等措施，城市中的交通事故数目明显下降，人车的安全出行得到了较好的保障。但是，城市中车辆和行人的基数较大，行人和车辆的矛盾与日俱增，交通事故依然频发。据国家统计局公布的数据，城市道路中的行人与车辆发生的交通事故主要集中在十字路口和斑马线上，尤其是在无交通信号灯的路口。
究其主要原因，一方面由于行车盲区、夜间行车，雨雪雾等天气原因导致司机视线不佳，不能及时采取正确的处理方法。另一方面行人无法准确判断人与车之间的安全距离，部分行人安全意识淡薄，过马路注意力不够集中，甚至低头玩手机。在交通事故中，人是主体，只有当行人和司机第一时间获取对方的信息，及时采取相应的措施，才能有效解决斑马线上的交通安全问题。显然，传统的道路交通设施无法实现上述功能。
专利(CN 112509344 A)中公开了一种智慧道路安全预警方法，包括：分别对欲过马路的行人及欲穿过斑马线的车辆进行检测；当检测到有行人准备过马路时点亮发光预警装置以做出预警；当检测到有行人过马路，且在斑马线安全距离内有车辆的车速超出阈值时，点亮发光预警装置同时向所述斑马线上行人的手机发送预警信息并处罚预警程序。虽然此专利也可以同时对司机和行人进行预警，达到双重警示的作用，但是其通过斑马线上亮灯的方式，提醒范围较为大，在那一段时间内，所有通过路口的车辆都会收到警示信号，从而会增大驾驶员的疲劳程度和紧张程度，针对性较弱。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供可以减少交通事故，为驾驶员和行人均提供危险预警的一种基于三帧差分法的道路交叉口路况预警系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于三帧差分法的道路交叉口路况预警方法，预警系统包括外设装置和通过无线信号与外设装置连接的移动接收端，所述外设装置设置于路口，包括图像采集器，设置于路口红绿灯一侧，所述图像采集器为高清摄像头，且具体为四个，分别安装于交叉路口的四个方向，用以对路口车辆、车辆的车牌、行人的运动状态进行采集；
数据分析装置，设置于安装红绿灯的支撑柱上，与所述图像采集器之间电连接，用以分析路口车辆和行人的运行轨迹；
无线传输装置，同样设置在支撑柱上，用以将所述数据分析装置预测分析的车辆和行人的运动轨迹，以无线信号的形式传输到移动接收端；
能源装置，设置于支撑柱的上端，用以储存电源并向其余各个装置提供电源；
移动接收端包括车载接收器和手机接收端，所述车载接收器包括显示器和声音播放模块，所述手机接收端具体为安装于手机内的APP程序，用以根据不同的信号选择是否对驾驶员和/或行人提供报警信号；
所述基于三帧差分法的道路交叉口路况预警方法，其包括如下步骤：
步骤一、通过图像采集器，采集路口车辆的运动状态、车牌信息及行人的运动状态，并将采集到的信息以电信号的方式传输到数据分析装置；
步骤二、数据分析装置将接收到的信号，通过三帧差分法来对车辆及行人进行轨迹分析，预测车辆和行人的运动轨迹是否有碰撞的风险；
步骤三、将数据分析装置的分析结果，通过无线传输装置分别传输到车辆上的车载接收器和行人的手机接收端，若有碰撞风险，则控制对应车辆的车载接收器和行人的手机接收端发出报警信号，提醒驾驶员及行人注意，若没有碰撞风险，则不发出报警信号；
所述步骤二中所述三帧差分法的具体算法步骤如下：
(1)摄像机摄取连续三帧相邻的图像为Ik-1，Ik，Ik+1，随后进行灰度化处理；
(2)对相邻两帧图像进行差分计算，计算公式如下：
D1(x，y)＝Ik-Ik-1；
D2(x，y)＝Ik+1-Ik；
(3)根据设定好的阈值对差分图像进行二值化处理，计算公式如下：
Figure GDA0003931439440000031
其中，k＝1，2，Th为设定的阈值，dk(x，y)为二值化处理结果；
(4)与运算提取二值化图像交集，计算公式如下；
Figure GDA0003931439440000032
Figure GDA0003931439440000033
为与运算；
(5)根据摄像机成像图可知：摄像机高度H；
图像坐标中心对应的世界坐标点与摄像头在Y轴上的距离O3N；
镜头中心点的图像坐标为O1；
测量像素点的图像坐标D1，D2；
实际像素的长度xpix；
实际像素的宽度ypix；
差分计算后，二值化图像d1(x，y)对应的位置为p1；
差分计算后，二值化图像d2(x，y)对应的位置为p2；
摄像头焦距为f；
待求：实地距离为D′1D′2，算法步骤如下：
1)求O3D′1；
①
Figure GDA0003931439440000041
②
Figure GDA0003931439440000042
③β＝α-γ；
④
Figure GDA0003931439440000043
2)求O3D′2；
①β＝α-γ；
②
Figure GDA0003931439440000044
③θ＝β-δ；
④
Figure GDA0003931439440000045
3)求D′1D′2；
Figure GDA0003931439440000046
(6)根据采集到的图像可知时间间隔为t1，t2，然后根据实地距离D′1D′2计算瞬时速度v1，v2，计算公式如下：
Figure GDA0003931439440000051
Figure GDA0003931439440000052
(7)根据相邻瞬时速度计算瞬时加速度，计算公式如下：
Figure GDA0003931439440000053
当有了物体的瞬时速度、加速度，即可预测运动物体短时间内运动轨迹，若某一运动物体的运动预测轨迹，与所驾车辆的轨迹在同一时间发生交汇，则认为存在碰撞风险，触发车载装置中的声音报警器向司机报警。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述能源装置包括安装于所述支撑柱的顶端的太阳能板和位于所述支撑柱内腔的蓄电池。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述车载接收器与车辆的车牌一一对应，以便于将报警信号发送到对应的车辆，所述显示器具体为可移动式液晶显示屏，所述声音播放模块具体为可移动式喇叭。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述图像采集器、数据分析装置、无线传输装置与所述能源装置之间电性连接，所述数据分析装置和所述无线传输装置之间电性连接。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明中的能源装置具体为太阳能板和蓄电池，利用太阳能供电，并可向蓄电池内存储电能，节能环保，且在停电时也能使用，提高使用率和使用效果。
车载接收器包括显示器和声音播放模块，采用两种报警模块，可以在司机无法顾及显示器的情况下，接收到声音播放模块发出的报警信号；并且，显示器具体为可移动式液晶显示屏，驾驶员可以根据自己的需求，将显示器放置到适合自己的位置，从而便于观察显示器，从而减少事故的发生。
此外，车载接收器还与车辆的车牌号绑定，从而可以将报警信号发送到对应的有碰撞危险的车辆，针对性强，从而可以极大的减少事故的发生。
本发明中的数据分析装置采用三帧差分法来进行车辆及行人运动轨迹的预测，采用三帧差分法可以使轨迹分析更加准确，对行人及车辆的运动动态更加精确，从而可以使报警的精确率更高，避免错误报警，以减少车辆与行人之间事故的发生。
附图说明
图1是本发明原理示意图；
图2是本发明三帧差分法的系统原理图；
图3是本发明三帧差分法过程中的摄像机成像图；
其中，1、图像采集器，2、数据分析装置，3、无线传输装置，4、太阳能板，5、蓄电池，6、支撑柱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，一种基于三帧差分法的道路交叉口路况预警系统，包括外设装置和通过无线信号与外设装置连接的移动接收端，外设装置设置于路口，包括图像采集器1，设置于路口红绿灯一侧，用以对路口车辆、车辆的车牌、行人的运动状态进行采集，优选的，图像采集器1为高清摄像头，且具体为四个，分别安装于交叉路口的四个方向，以对路口四个方向的车辆和行人的动态信息进行采集和分析。
数据分析装置2，设置于安装红绿灯的支撑柱6上，与图像采集器1之间电连接，用以分析路口车辆和行人的运行轨迹。
无线传输装置3，同样设置在支撑柱6上，用以将数据分析装置2预测分析的车辆和行人的运动轨迹，以无线信号的形式传输到移动接收端。
能源装置，设置于支撑柱6的上端，用以储存电源并向其余各个装置提供电源，能源装置主要包括安装于支撑柱6的顶端的太阳能板4和位于支撑柱6内腔的蓄电池5，利用太阳能供电，并可向蓄电池5内存储电能，节能环保，且在停电时也能使用，提高使用率和使用效果。
移动接收端包括车载接收器和手机接收端，其中，每辆车的车载接收器安装时形成特定编码，并与车辆牌照进行绑定，路口架设的摄像头对车辆牌照进行识别，装置将结合识别出的车辆牌照与该车的车载接收器锁定，定向将报警信息发送给对应的有碰撞危险的车辆，针对性强，从而可以极大的减少事故的发生；
并且，车载接收器包括显示器和声音播放模块，显示器具体为可移动式液晶显示屏，声音播放模块具体为可移动式喇叭，采用两种报警模块，可以在司机无法顾及显示器的情况下，接收到声音播放模块发出的报警信号；
另外，车载接收器的显示器具体为可移动式液晶显示屏，声音播放模块具体为可移动式喇叭，驾驶员可以根据自己的需求，将显示器和声音播放模块放置到适合自己的位置，从而便于观察显示器和接听报警信号，从而减少事故的发生；手机接收端具体为安装于手机内的APP程序，用以根据数据分析装置2分析的不同的信号，从而选择是否对驾驶员和/或行人提供报警信号。
图像采集器1、数据分析装置2、无线传输装置3与能源装置之间电性连接，所述数据分析装置2和所述无线传输装置3之间电性连接。
一种基于三帧差分法的道路交叉口路况预警方法，其包括如下步骤：
步骤一、
通过图像采集器1，采集路口车辆的运动状态、车牌信息及行人的运动状态，并将采集到的信息以电信号的方式传输到数据分析装置2；
步骤二、
数据分析装置2将接收到的信号，通过三帧差分法来对车辆及行人进行轨迹分析，预测车辆和行人的运动轨迹是否有碰撞的风险；
步骤三、
将数据分析装置2的分析结果，通过无线传输装置3分别传输到车辆上的车载接收器和行人的手机接收端，若有碰撞风险，则控制对应车辆的车载接收器和行人的手机接收端发出报警信号，提醒驾驶员及行人注意，若没有碰撞风险，则不发出报警信号。
三帧差分法过程：
将摄像头捕捉到的视频图像序列中连续三帧图像进行灰度处理，并传送到数据分析装置2中，之后对相邻两帧图像分别进行差分计算，根据设定好的阈值对差分图像进行二值化处理，最后对二值化图像进行与运算。将进行运算后的图像通过换算，计算出实地距离，再除以邻帧时间间隔，即为运动物体的瞬时速度，像素平移方向为运动方向。将所得两个相邻瞬时速度差除以邻帧时间间隔，即求运动物体的瞬时加速度。
具体算法步骤如下：
(1)摄像机摄取连续三帧相邻的图像为Ik-1，Ik，Ik+1，随后进行灰度化处理；
(2)对相邻两帧图像进行差分计算，计算公式如下：
D1(x，y)＝Ik-Ik-1；
D2(x，y)＝Ik+1-Ik；
(3)根据设定好的阈值对差分图像进行二值化处理，计算公式如下：
Figure GDA0003931439440000081
其中，k＝1，2，Th为设定的阈值，dk(x，y)为二值化处理结果；
(4)与运算提取二值化图像交集，计算公式如下；
Figure GDA0003931439440000082
Figure GDA0003931439440000091
为与运算；
(5)如图三所示为摄像机成像图：
可知：摄像机高度H；
图像坐标中心对应的世界坐标点与摄像头在Y轴上的距离O3N；
镜头中心点的图像坐标为O1；
测量像素点的图像坐标D1，D2；
实际像素的长度xpix；
实际像素的宽度ypix；
差分计算后，二值化图像d1(x，y)对应的位置为p1；
差分计算后，二值化图像d2(x，y)对应的位置为p2；
摄像头焦距为f；
待求：实地距离为D′1D′2，算法步骤如下：
1)求O3D′1；
①
Figure GDA0003931439440000092
②
Figure GDA0003931439440000093
③β＝α-γ；
④
Figure GDA0003931439440000094
2)求O3D′2；
①β＝α-γ；
②
Figure GDA0003931439440000101
③θ＝β-δ；
④
Figure GDA0003931439440000102
2)求D′1D′2；
Figure GDA0003931439440000103
(6)根据采集到的图像可知时间间隔为t1，t2，然后根据实地距离D′1D′2计算瞬时速度v1，v2，计算公式如下：
Figure GDA0003931439440000104
Figure GDA0003931439440000105
(7)根据相邻瞬时速度计算瞬时加速度，计算公式如下：
Figure GDA0003931439440000106
当有了物体的瞬时速度、加速度，即可预测运动物体短时间内运动轨迹，若某一运动物体的运动预测轨迹，与所驾车辆的轨迹在同一时间发生交汇，则认为存在碰撞风险，触发车载装置中的声音报警器向司机报警。此时，通过无线传输装置3将数据分析装置2分析的信号以无线信号的形式传送到移动接收端，触发移动接收端的报警系统报警，从而提醒司机和行人小心慢行。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于三帧差分法的道路交叉口路况预警方法，其特征在于：预警系统包括外设装置和通过无线信号与外设装置连接的移动接收端，所述外设装置设置于路口，包括图像采集器(1)，设置于路口红绿灯一侧，所述图像采集器(1)为高清摄像头，且具体为四个，分别安装于交叉路口的四个方向，用以对路口车辆、车辆的车牌、行人的运动状态进行采集；
数据分析装置(2)，设置于安装红绿灯的支撑柱(6)上，与所述图像采集器(1)之间电连接，用三帧差分法来分析路口车辆和行人的运行轨迹；
无线传输装置(3)，同样设置在支撑柱(6)上，用以将所述数据分析装置(2)预测分析的车辆和行人的运动轨迹，以无线信号的形式传输到移动接收端；
能源装置，设置于支撑柱(6)的上端，用以储存电源并向其余各个装置提供电源；
移动接收端包括车载接收器和手机接收端，所述车载接收器包括显示器和声音播放模块，所述手机接收端具体为安装于手机内的APP程序，用以根据不同的信号选择是否对驾驶员和/或行人提供报警信号；
基于三帧差分法的道路交叉口路况预警方法，包括如下步骤：
步骤一、通过图像采集器(1)，采集路口车辆的运动状态、车牌信息及行人的运动状态，并将采集到的信息以电信号的方式传输到数据分析装置(2)；
步骤二、数据分析装置(2)将接收到的信号，通过三帧差分法来对车辆及行人进行轨迹分析，预测车辆和行人的运动轨迹是否有碰撞的风险；
步骤三、将数据分析装置(2)的分析结果，通过无线传输装置(3)分别传输到车辆上的车载接收器和行人的手机接收端，若有碰撞风险，则控制对应车辆的车载接收器和行人的手机接收端发出报警信号，提醒驾驶员及行人注意，若没有碰撞风险，则不发出报警信号；
所述步骤二中所述三帧差分法的具体算法步骤如下：
(1)摄像机摄取连续三帧相邻的图像为Ik-1，Ik，Ik+1，随后进行灰度化处理；
(2)对相邻两帧图像进行差分计算，计算公式如下：
D1(x，y)＝Ik-Ik-1；
D2(x，y)＝Ik+1-Ik；
(3)根据设定好的阈值对差分图像进行二值化处理，计算公式如下：
Figure FDA0003931439430000021
其中，k＝1，2，Th为设定的阈值，dk(x，y)为二值化处理结果；
(4)与运算提取二值化图像交集，计算公式如下；
Figure FDA0003931439430000022
Figure FDA0003931439430000023
为与运算；
(5)根据摄像机成像图可知：摄像机高度H；
图像坐标中心对应的世界坐标点与摄像头在Y轴上的距离O3N；
镜头中心点的图像坐标为O1；
测量像素点的图像坐标D1，D2；
实际像素的长度xpix；
实际像素的宽度ypix；
差分计算后，二值化图像d1(x，y)对应的位置为p1；
差分计算后，二值化图像d2(x，y)对应的位置为p2；
摄像头焦距为f；
待求：实地距离为D′1D′2，算法步骤如下：
1)求O3D′1；
①
Figure FDA0003931439430000031
②
Figure FDA0003931439430000032
③β＝α-γ；
④
Figure FDA0003931439430000033
2)求O3D′2；
①β＝α-γ；
②
Figure FDA0003931439430000034
③θ＝β-δ；
④
Figure FDA0003931439430000035
3)求D′1D′2；
Figure FDA0003931439430000036
(6)根据采集到的图像可知时间间隔为t1，t2，然后根据实地距离D′1D′2计算瞬时速度v1，v2，计算公式如下：
Figure FDA0003931439430000037
Figure FDA0003931439430000038
(7)根据相邻瞬时速度计算瞬时加速度，计算公式如下：
Figure FDA0003931439430000041
当有了物体的瞬时速度、加速度，即可预测运动物体短时间内运动轨迹，若某一运动物体的运动预测轨迹，与所驾车辆的轨迹在同一时间发生交汇，则认为存在碰撞风险，触发车载装置中的声音报警器向司机报警。
2.根据权利要求1所述的一种基于三帧差分法的道路交叉口路况预警方法，其特征在于：所述能源装置包括安装于所述支撑柱(6)的顶端的太阳能板(4)、位于所述支撑柱(6)内腔的蓄电池(5)和用以稳定电流的控制器。
3.根据权利要求1所述的一种基于三帧差分法的道路交叉口路况预警方法，其特征在于：所述车载接收器与车辆的车牌一一对应，以便于将报警信号发送到对应的车辆，所述显示器具体为可移动式液晶显示屏，所述声音播放模块具体为可移动式喇叭。
4.根据权利要求1所述的一种基于三帧差分法的道路交叉口路况预警方法，其特征在于：所述图像采集器(1)、数据分析装置(2)、无线传输装置(3)与所述能源装置之间电性连接，所述数据分析装置(2)和所述无线传输装置(3)之间电性连接。
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