ES2665939B2 - Procedimiento para la medición puntual de velocidad de vehículos a motor en tramo corto con geometría de mínimo error - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la medición puntual de velocidad de vehículos a motor en tramo corto con geometría de mínimo error.#La invención se refiere a un procedimiento para la medición puntual de la velocidad (2) de vehículos a motor (3), mediante al menos dos cámaras (4), (5) en un punto (1), apuntando a dos regiones (6), (7) diferentes de la vía (8), calculando distancias relativas (10), (11) del vehículo respecto de las cámaras mediante la detección de matrícula (9) y sus elementos internos, almacenando marcas de tiempo, calculando la velocidad para lo das las combinaciones posibles de distancias (12) entre cámaras que estén a la distancia óptima que genera mínimo error en el cálculo de la velocidad, y calculando la velocidad media de todas las medidas de velocidad obtenidas para distancias óptimas de mínimo error. La geometría de mínimo error implica configurar altura, orientación y distancia focal de las cámaras, para fijando una primera región, calcular la distancia de la segunda región que minimizar el error en velocidad.

Description

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DESCRIPCION

PROCEDIMIENTO PARA LA MEDICION PUNTUAL DE VELQCIDAD DE VEHICULOS A MOTOR EN TRAMP CORTO CON GEOMETRIA DE MINIMO

ERROR

SECTOR DE LA TECNICA

La presente invencion se enmarca dentro de los sistemas de medicion de velocidad de vehiculos a motor o cinemometros, y mas concretamente, dentro de los sistemas de medicion puntual de velocidad basados en sistemas opticos o de vision artificial.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

En funcion de la metodologia usada para medir la velocidad y en funcion de los diversos sistemas comerciales disponibles, los cinemometros se suelen categorizar en dos grupos principales: puntuales y de tramo o velocidad media. Por un lado, los cinemometros puntuales miden la velocidad de un vehiculo a motor desde un punto fijo. Para ello se usan tecnologias basadas en radar (a partir del efecto Doppler), basadas en laser (a partir de la medicion del tiempo de vuelo, por ejemplo US6160492) o basadas en sensores integrados en el firme de la carretera de tipo inductivo o piezoelectrico. Estos cinemometros suelen llevar una o varias camaras integradas para poder tomar una fotografia del vehiculo que comete una infraccion e incluso detectar de forma automatica la matrfcula de dicho vehiculo. Sin embargo estas camaras no se usan para obtener ningun tipo de medida para la deteccion de la velocidad del vehiculo. Por otro lado, los cinemometros de tramo o de velocidad media (por ejemplo, EP 2360647, EP 2220634, US 8189048) se basan en el uso de dos o mas camaras ubicadas en puntos diferentes de una misma carretera, con una separacion conocida del orden de varios cientos de metros o kilometros, de manera que mediante la identificacion del codigo de mathcula en ubicaciones diferentes, el tiempo global de captura de ambas imagenes y el dato conocido de la distancia, se calcula la velocidad media del vehiculo a motor a lo largo del tramo, Para estos casos, cuanto mayor sea la longitud del tramo, menor sera el error cometido en el calculo de la velocidad media, y menor sera el impacto del error en la medicion de la distancia

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relativa del vehiculo a cada una de las c&maras. En la practica, para tramos mayores a un kilonnetro, dicha distancia ni siquiera es estimada.

Para lo que compete a la presente patente de invencion, el estado de la tecnica mas relevante es el directamente relacionado con sistemas basados en el uso de camaras para la deteccion de la velocidad de los vehlculos a motor desde un punto fijo (no en tramos separados por kilometros o cientos de metros). Esta idea se ha presentado de forma generica en, por ejemplo, US 20040054513, V WO/2004/100102, pero sin tener en cuenta ningun requerimiento de precision en la medida de velocidad del sistema, es decir, sin poder ser de aplicacidn directa para su uso como cinemometro de precision. En casi todos los casos previos los sistemas se han disenado a partir del uso de una camara apuntando a una region especifica de uno o varios carriles, calculando la velocidad a partir de medidas de distancia entre imagenes sin tener en cuenta ningun requisito relacionado con las distancias que producen un error mlnimo en el calculo de la velocidad. En US-8964031 se utiliza algun tipo de caracteristica conocida del vehiculo para calcular la distancia relativa a las camaras. Para ello inicialmente se lleva a cabo una calibracion y se almacenan en una tabla las distancias conocidas en funcion del tamano en pixeles de alguna caracteristica del vehiculo. En el modo normal, se calculan las distancias a partir de la tabla previamente calibrada. En ningun caso se presenta ningun requisito entre las medidas de distancia usadas para calcular la velocidad. En general, casi todos los sistemas requieren de un proceso de calibracion previo para poder calcular la homografia a partir de elementos conocidos en la carretera (conos, lineas, etc.). Una vez calibrado el sistema, se detectan los vehiculos en las imagenes de las camaras, normalmente con tecnicas de substraccion de fondo o flujo optico, y se calcula su posicion en el espacio metrico dado por la homografia (por ejemplo, US 8184863, US 2010/0158321). Pero de nuevo, no existe ni se aplica ningun mecanismo que garantice que las medidas de distancia usadas para calcular la velocidad de los vehiculos cumplen con un requisito de minimo error en el calculo de la velocidad. De todas las patentes existentes hasta la fecha, solo se dispone de una que haya generado en un sistema comercial presentado como cinemometro de precision, US 7982634 (sistema T-EXSPEED de KRIA S. R. L.
http://www.kria.biz/traffic/texspeed/). Se trata de un sistema que combina dos camaras sensibles al infrarrojo y dos camaras RGB, dispuestas para ser usadas en modo estereoscopico, y apuntando en todo caso hacia una sola region que cubre varios

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carriles de la via sin ningun tipo de restriccion que filtre las medidas de distancia entre imagenes que no cumplan con una geometn'a de minimo error en el calculo de la velocidad. En este caso se aplican tecnicas de localizacion de matrlcula, tecnicas estereoscopicas, de estructura a partir de movimiento, y de flujo optico, para de forma combinada calcular si ha habido un exceso de velocidad en el tramo de medicion. De la descripcion y las reivindicaciones de la patente US 7982634 es imposible extraer conclusiones claras acerca del metodo especifico usado para calcular la velocidad y de la precision obtenida.

De todo el estado de la tecnica conocido queda perfectamente claro que no hay hasta la fecha ningun sistema de medicion puntual de velocidad de vehiculos a motor a partir de camaras que tenga en cuenta la distancia optima entre medidas de distancia relativa a las camaras para proporcionar medidas de velocidad con error minimo, que permita el uso de la tecnologla como cinemometro de alta precision.

EXPLICACION DE LA INVENCION

La invencion se refiere a un procedimiento para la medicion puntual, esto es, desde un punto fijo de la velocidad de los vehiculos a motor que transitan por los carriles de una via, mediante el uso de al menos dos camaras, ubicadas en el mismo punto ya sea sobre un poste o sobre un portico, apuntando cada una de ellas a dos regiones diferentes de un mismo carril. Los rangos de distancia entre ambas regiones deben cumplir con un criterio especifico de error minimo de velocidad. Para ello, la altura, la orientacion y la distancia focal de las camaras deberan configurarse de forma concreta, siendo los adecuados a dicha restriccion geomdtrica que garantiza errores mlnimos en el calculo de la velocidad. La geometn'a de minimo error en velocidad se consigue de la siguiente forma: supongamos que una o varias camaras toman imagenes de un vehlculo en diversos instantes de tiempo T, y T2 y calculan la distancia relativa del vehlculo a la/s camara/s. Para el c&lculo de la distancia relativa se pueden seguir diversos procedimientos (punto de contacto de las ruedas con el suelo, anchura del coche conocida, etc.), pero vamos a considerar en este caso el calculo de la distancia a partir de la localizacion precisa de las esquinas de la matrlcula, con conocimiento previo de las dimensiones reales de esta. Es decir, para cada instante de tiempo las camaras son capaces de obtener las distancias relativas

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z, y Z2 , que configuran un tramo de dimensibn S = Z2-Z, , La velocidad media del vehiculo a lo largo de dicho tramo vendra dada por la expresion:

v=(z2-z1}/(r2-r1}=s/zir

siendo 4T=T2-r, . Ahora bien, teniendo en cuenta los errores de localizacion o errores en la estimacion de la distancia Zlerr y Z2err , propios de un sistema basado en camaras, en el peor de los casos se tendra una estimacion erronea de la velocidad v '=\S+Z2err+ZUrr\l\T2-7\) , siendo el error en velocidad igual a:

imagen1

7 +7

^lerr^lerr

siendo el error de velocidad relativo:

v lv—

err’

7 +7

^2err ^le

A modo de ejemplo, podemos considerar que para un tramo de S=lkm , aun teniendo errores en la estimacion de distancia de 15m en cada uno de los puntos, el error relativo de velocidad seria del 3%. Esta es una de las razones por las que los cinemometros de tramo no requieren de una gran precision a la hora de estimar la distancia relativa de los vehiculos a las camaras en cada uno de los puntos de medicion, siempre que los tramos sean del orden de varios kilpmetros. El problema viene en los casos de medicion puntual donde los tramos son muy pequenos. Asi, por ejemplo, para un tramo de S-6m , los errores de estimacion de distancia deberian ser menores a 9cm para poder obtener un error relativo de velocidad inferior al 3%. Este hecho pone en tela de juicio la precisiPn de los sistemas de medicion de velocidad basados en una sola camara (por ejemplo, US 8184863, US 2010/0158321) ya que el rango de medicion que puede cubrir una sola camara es limitado. El caso mas extremo es el de los sistemas basados en el cPIculo instantaneo de velocidad, es decir, en el calculo de la velocidad utilizando para ello imagenes consecutivas. En estos casos, la distancia del tramo sobre el que se esta midiendo, que dependera de la

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velocidad del vehiculo y del numero de imageries por segundo que se este tomando por la camara, sera una distancia muy pequena que en algunos casos puede ser del mismo orden de magnitud que los propios errores de estimacion de distancia relativa. Estas metodologias son, por lo tanto, poco adecuadas para ser usadas como cinemometros de precision.

Para poder definir una geometria de minimo error, necesitamos obtener la distancia optima del tramo S que proporcione el error minimo en la estimacion de la velocidad. Para ello, es necesario estudiar los errores de estimacion de la distancia. Para el caso concreto de las camaras, es conocido que el error crece al cuadrado con la distancia. En este caso partimos del calculo de la distancia relativa usando para ello dimensiones conocidas de la matricula, por ejemplo, su ancho. Para un eje de coordenadas con eje Z paralelo al sentido de avance del vehiculo, sea X2 la coordenada X de, por ejemplo, la esquina superior derecha de la matricula, y Xx la coordenada X de la esquina superior izquierda. El ancho de la matricula en coordenadas 3D vendra dado por AX=X2—X1. Tras la calibration intrinseca de la camara se conoce la distancia focal en pixeles fx=f/dx {siendo f la distancia focal en milimetros, y dx el tamaho del pixel del sensor CCD o CMOS de la camara). Tras aplicar un metodo de localizacion de matricula (por ejemplo, [H. Bai et al, “A fast license plate extraction method on complex background", IEEE Intell. Trans. Sys. 2003]) se calcula el ancho en pixeles de la matricula en la imagen Au=u2— u,. Considerando el caso simple en el que el vector normal de la matricula se mueve paralelo al eje Z de la camara, la distancia relativa de la matricula y por ende del vehiculo, a la camara sera Z=fx\AX/Au . En el caso de que el error de localizacion de los limites de la matricula en la imagen fuera de valor cero, el propio proceso de discretization de la imagen supone un error de localizacion que viene dado por el tamaho de cada pixel a la distancia especifica, esto es, Dx=\Z/f dx=Zlfx. Si tomamos n como el error pixelico de localizacion de un punto en la imagen (siendo n= 1 para el caso de error cero), la estimacion de la distancia relativa mas alejada del valor real vendra dada por

la expresion Z '=fx\AX+nDx)IAu . De esta forma, el error relativo en la estimacion de distancia sera:

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z -z'-z-f n^>x=—-

err ' * Ziu Au

nZ~ f x AX

Si tenemos en cuenta que los errores pixelicos en la localization de los puntos en las imagenes son n, y n2 para las distancias Z, y Z, respectivamente, el error en la estimacion de la velocidad vendra dado por la siguiente expresion:

imagen2

Esta ecuacion puede adaptarse para el caso en el que las distancias Z, y Z2 sean estimadas cada una con una camara diferente, con distancias focales fxl y fx2. esto es:

imagen3

Si observamos la representacibn del error en la estimacion de velocidad usando la ecuacion anterior, para un caso hipotetico en el que se fija la distancia del primer punto (por ejemplo, Zj=3m), para diversos valores de velocidad real, en funcion de la distancia del segundo punto Z2, se obtienen las curvas que representan la geometria de mlnirno error. Lo que sucede en esta geometria para el calculo de la velocidad y el analisis de su error es que, por un lado se tiene que el error en velocidad decrece linealmente con la longitud del tramo (Z2-Z,) . Pero por otro lado, el error crece al cuadrado con la distancia de cada uno de los puntos del tramo. Por ejemplo, para el caso de Z, = 3m para valores de 3m<Z2<6m el error en velocidad decrece al cuadrado hasta un mlnirno a partir del cual el error crece practicamente de forma lineal con la distancia Z2. Dichas curvas describirlan, por lo tanto, la geometria de mlnirno error en velocidad para distintos valores de velocidad. En efecto, si bien el error en velocidad crece linealmente con la misma velocidad, el valor mlnirno de error (para Z[=3m dicho valor esta en torno a Z2=8m) es independiente de esta. El valor optimo de distancia se puede obtener derivando la expresion del error en velocidad

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respecto del valor de Z2, igualando dicha expresion a cero y resolviendo. Para el caso de una sola camara se tiene que la distancia optima seria:

imagen4

Para el caso de dos camaras con distinta distancia focal, la distancia optima seria:

imagen5

Dado que el error en la estimacion de la distancia a partir de camaras decrece linealmente con la distancia focal en pixeles, es importante que la distancia focal de las camaras para estos sistemas sea lo mds alta posible. Sin embargo, a mayor distancia focal, menor angulo de apertura. Esto implica que, en la practica, es casi imposible disenar un sistema de medicion de velocidad de vehiculos a motor de alta precision a partir de una sola camara apuntando a una region, y cumpliendo con el requisito de distancia optima entre medidas para la minimizacion del error en el calculo de velocidad. Es decir, la region maxima abarcable por una sola camara de gran distancia focal no seria lo suficientemente grande, y si se usan distancias focales mas bajas, el error se veria incrementado linealmente. La solucion planteada en esta patente de invencion, se basa en el uso de al menos dos camaras apuntando a dos regiones distintas de la via con el mayor numero de pares optimos de distancias posibles entre ambas regiones, esto es, distancias entre ambas regiones que sean optimas para la minimizacion del error en la estimacion de velocidad. De esta forma, cada camara puede disponer de una distancia focal lo mas elevada posible, minimizando el error en el calculo de la distancia y la velocidad.

La geometria planteada entre las camaras y el piano de la via, y usada para obtener las ecuaciones anteriores, se puede generalizar para el caso en el que las camaras esten a una altura superior y con un angulo de elevacion especifico, introduciendo las matrices de rotacion y traslacion que relacionan el origen de coordenadas de las camaras respecto del piano principal de la carretera. Si bien las expresiones son mas

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complejas, la forma de las curvas que definen el error en velocidad son equivalentes, de manera que es posible calcular igualmente el punto Z2 optimo y poder configurar una geometria de minimo error para el calculo de la velocidad.

Para poder llevar a cabo mediciones de alta precision es necesario que las camaras sean camaras de alta resolution, y que las opticas sean de distancia focal lo mas larga posible de manera que la proyeccion del vehlculo en el piano imagen sea lo mas grande posible, siempre y cuando el vehiculo se capture y sea visible de forma completa. El procedimiento es igualmente valido para medir velocidades de vehiculos a partir de elementos traseros, (vehiculos que se alejan), que para el caso de velocidades de vehiculos a partir de elementos obtenidos de su parte delantera (vehiculos que se acercan), debido a que existen elementos estructurales, como son las matriculas, que aparecen tanto en la parte delantera como en la parte trasera del vehiculo. La geometria de minimo error en velocidad es valida independientemente del sentido de la marcha de los vehiculos respecto de las camaras.

En condiciones de baja iluminacion, se activaran uno o varios sistemas de iluminacion artificial que puede ser de espectro visible y/o infrarrojo para mejorar el contraste de las imagenes, en especial para mejorar el contraste de las matriculas, cuya superficie es altamente reflectante. Tanto las camaras como la iluminacion artificial estan sincronizadas gracias a una tarjeta electronica de sincronismo. Tanto la captura como el procesamiento de las imagenes y el almacenamiento de estas y los resultados obtenidos, son tareas llevadas a cabo en el procesador. El procesador se adapta para proporcionar la orden de captura al hardware de sincronismo, para capturar imagenes de las camaras, para procesarlas y para almacenar las imagenes y los resultados. Cada imagen dispondrb de una marca de tiempo de alta precision gracias al uso de sistemas GPS con proceso GPSD.

Para poder resolver el problema de la estimacion de distancia relativa a las camaras a partir de elementos estructurales conocidos del vehiculo, en este caso a partir de las dimensiones de la matricula, y teniendo en cuenta que las cbmaras tienen distinta distancia focal y que deben estar ubicadas a alturas y orientaciones diferentes entre si, es necesario aplicar un proceso previo de calibration. Este proceso se puede hacer en gran medida en entorno de laboratorio para obtener los parametros intrinsecos de las

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camaras, asi como la orientacion de estas respecto de un piano principal horizontal y la relacion extrinseca entre ellas (rotacion y traslacion). Para ello las camaras deben mantener la misma estructura en el laboratorio y en el punto de funcionamiento real. En la instalacion del sistema unicamente sera necesario aportar el dato de la altura final a la que se instalen las camaras y calcular de forma automatica el angulo de direccion a partir del calculo mediante flujo optico o similar de la direccibn principal de avance de los vehiculos. Si es posible parar el trafico de forma momentanea, tambien se puede hacer uso de patrones de calibracion especfficos tipo tablero de ajedrez, o de cualquier otra indole, para obtener los parametros extrinsecos (rotacion y traslacion) de las camaras respecto del piano principal de la via, y siempre con el angulo de direccion definido por el sentido de avance de los vehiculos.

El error en la localizacion de los elementos estructuras del vehiculo en la imagen, como por ejemplo en la localizacion de la matricula, conlleva errores en la estimacion de la velocidad. A menor resolucion de la imagen, mayor error se comete por cada error pixelico en la localizacion. Es decir, las camaras deberan ser de alta resolucion para reducir al maximo los errores. Asi tambien, los procedimientos de localizacion de elementos estructurales, en este caso de la matricula deberan ser exactos y precisos. Una vez detectada la posicion de los puntos pertenecientes a los limites de la matricula e incluso los puntos que definen los limites de los caracteres alfanumericos en la matricula, se aplica un procedimiento para estimar la distancia relativa de la matricula a cada una de las camaras. Para ello se puede formular el problema a partir de la resolucion de un sistema de ecuaciones en la que se conoce las dimensiones en el piano de la matricula de los puntos pertenecientes a ella, o mediante la estimacion de la homografia formada entre los puntos de la matricula relativos a un origen de coordenadas situado en la propia matricula con eje Z normal a la matricula, y dichos puntos proyectados en el piano imagen, A partir de la homografia se puede obtener la rotacion y la traslacion del origen de coordenadas situado en la matricula respecto de las camaras (ver por ejemplo, [R. Hartley & A. Zisserman, "Multiple View Geometry in Computer Vision", Cambridge University Press 2004]). Estos vaiores se pueden utilizar para calcular la distancia relativa de algun punto de la matricula con respecto a las camaras.

Para cada una de las imagenes capturada por las camaras, se estima la distancia

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relativa de la matricula respecto de la posicion de las camaras, y se asocia una marca de tiempo de alta precision. Para ello se utiliza la marca de tiempo generada por el propio procesador estando este sincronizado con un servicio de tiempo GPSD (Global Positioning System Daemon) a partir de un servidor NTP (Network Time Protocol) que recibe una serial precisa de 1 PPS (1 Pulse Per Second) de un GPS conectado al procesador. Todas las distancias relativas y su correspondiente marca de tiempo se almacenan para ser filtradas en un proceso posterior. El proceso de filtrado hace uso de la geometria de mfnimo error. Se combinan todas las medidas de distancia relativa de ambas camaras que cumplan con la distancia optima previamente calculada para obtener un error minimo en la estimacion de la velocidad del vehiculo a motor. En este caso, cumplir con la distancia optima implica que la distancia del vehiculo a motor o su matricula respecto de la camara que apunta a la region mas alejada del punto de medicion menos la distancia del vehiculo a motor o su matricula de la camara que apunta a la region mas cercana del punto de medicion, sea igual a la distancia optima de minimo error mas-menos un porcentaje que no debe ser mayor al 20%. Todas las medidas que cumplan con dicho criterio se utilizaran para, en una ultima fase, estimar la velocidad del vehiculo calculando para ello la media de todas las velocidades calculadas a partir de las medidas de distancia que hayan pasado el proceso de filtrado de minimo error y sus correspondientes marcas de tiempo.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 muestra una vista lateral del esquema general de funcionamiento. En esta figura los dos vehiculos (3) se corresponden con el mismo vehiculo en dos instantes de tiempo diferentes.

La Figura 2 muestra una vista lateral de una geometria simplificada en la que solo se usa una camara situada a la misma altura que la propia matricula del vehiculo. De igual forma, los dos vehiculos (3) se corresponden con el mismo vehiculo en dos instantes de tiempo diferentes. Esta figura se utiliza para ilustrar la explicacion de la geometria de minimo error para el calculo de la velocidad.

La Figura 3 muestra una vista desde arriba o vista de pajaro (en este caso, del piano XZ) de una camara y la matricula de un vehiculo. En este caso se muestra el detalle y

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la nomenclatura de la proyeccion en la imagen de los puntos que conforman las esquinas superiores izquierda y derecha de la matri'cula. Esta figura se utiliza para ilustrar la explication de la geometria de minimo error para el calculo de la velocidad.

La Figura 4 muestra la representation de las curvas de error en la estimacion de velocidad en funcion de la distancia a la que se obtienen la segunda medida Z2, considerando que la primera medida Z, se ha tornado a 3m respecto de las camaras, para diferentes velocidades.

La Figura 5 muestra los elementos fundamentales necesarios para poder estimar la velocidad de los vehiculos a motor.

La Figura 6 muestra el procedimiento general para estimar la velocidad de los vehiculos a motor.

La Figura 7 ilustra un esquema generico para el calculo de la distancia relativa de la matricula a cada una de las camaras para dos instantes de tiempo diferentes. Esta figura se utiliza para exponer la nomenclatura y los elementos necesarios para exponer un modo concreto de realizacion para el calculo de la distancia relativa del vehiculo a las camaras, asi' como para el calculo de la velocidad.

La Figura 8 muestra, a modo de ejemplo, los diversos puntos de una matricula, que pueden ser utilizados para el calculo de la distancia relativa de esta respecto de las camaras.

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

El dispositivo necesario para implementar el procedimiento para la medicion puntual (1) de velocidad (2) de vehiculos a motor (3) en tramo corto (12) con geometria de minimo error consta de al menos dos camaras digitales (4), (5) integradas sobre una misma estructura mecanizada que mantenga fija la position relativa de las camaras, e instaladas en portico, poste o pared. Las camaras pueden ser en color o monocromo, con una resolucion minima de 1280x960, siendo la resolucion recomendable de al menos 1900x1200, de alta velocidad, con al menos capacidad para capturar 60

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imageries por segundo, siendo recomendable una velocidad de entre 120-160 imageries por segundo. Las camaras llevan incorporadas unas opticas con una distancia focal que habra que configurar de manera que los rangos de distancia relativa entre las regiones de las camaras donde apareceran los vehlculos a motor 5 capturados por estas, se encuentren a una distancia optima que minimice el error en el calculo de la velocidad. Teniendo en cuenta que las camaras se ubican en el mismo punto, ya sea paralelas entre si a la misma altura, o una encima de otra, pero orientadas de forma diferente, y que en la geometrla de mmimo error habrd una camara (5) apuntando a una region mas alejada que la otra camara (4), la distancia to focal de la camara (5) que apunta a la region mas alejada sera superior a la de la camara (4) que apunta a la region mas cercana. Una posible instalacion que cumple con los criterios de geometria de minimo error dispone de una optica de 75mm para la Ccimara (5) y otra de 50mm para la camara (4), a una altura de 4m respecto del suelo y con distintos angulos de orientacion. Las camaras pueden contener sensores de 15 estado solido tanto CCD como CMOS. Para condiciones de baja iluminacion el dispositive incorpora uno o varios iluminadores infrarrojos o visibles (13) ya sea en estructura tipo anillo alrededor de las opticas de las camaras, o como iluminador independiente tipo Raymax o similar. Los iluminadores vienen dispuestos con celula fotosensible para encendido automatico. Tanto los iluminadores infrarrojos o visibles 20 (13) como las camaras (4), (5) estan sincronizados mediante una tarjeta electronica de

sincronismo (14). El modo de captura y disparo de las camaras se lleva a cabo via disparo externo mediante serial de hardware, incluyendo el tiempo de exposicion. Esta serial viene proporcionada por la tarjeta hardware de sincronismo (14) y sera tambien esta serial la encargada de accionar la iluminacion infrarroja o visible (13). Las 25 camaras (4), (5) se conectan con el procesador (15) a traves de interfaz tipo USB 3.0, o Firewire, o GigE Vision. El procesador (15) tambien esta conectado con la tarjeta de sincronismo (14) para poder configurar tanto el tiempo de exposicion de las camaras como la velocidad de captura de las estas. La conexion se llevara a cabo cada segundo de forma sincronizada con una serial 1PPS proveniente de un GPS (16) 30 conectado al procesador (15). El GPS (16) soporta el protocolo NMEA-0183 y mediante una conexion serie con el procesador (15) proporciona una serial de alta precision de un pulso por segundo que permite configurar un servidor NTP (Network Time Protocol) en el procesador (15) mediante la correccion proporcionada por un servicio GPSD (GPS daemon). De esta forma, la marca de tiempo (timestamp) del

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procesador (15) sera de una precision de nivel 1 (stratum 1). Todas las imagenes provenientes de las camaras (4), (5) y capturadas por el procesador (15) tendran almacenada la marca de tiempo precisa en la que dichas imagenes fueron tomadas. Estas marcas de tiempo permiten medir el tiempo entre imagenes con una gran precision.

El proceso de instalacion implica conocer la geometria de minimo error en el calculo de la velocidad. Para ello es necesario formular el error en velocidad en funcion de las distancias focales y las distancias relativas de la posicion del vehiculo respecto a ambas camaras. Para el caso simplificado en el que el eje optico de las camaras es paralelo al piano de la carretera y paralelo al sentido de avance del vehiculo (ver Figura 2) y la distancia del vehiculo a las camaras se calcula a partir de la detection de la matricula y la medicion del ancho de esta en pixeles (Figura 3) dicho error serfa el siguiente:

imagen6

Para el caso generico en el que las camaras no se encuentran orientadas de forma paralela al piano de la via (Figura 1), la expresion anterior Nevada incorporados los elementos de las matrices de rotation y traslacion de las camaras relativas al piano de la via. Estas matrices deben calcularse mediante algun proceso de calibracion (17), que puede llevarse a cabo en el mismo escenario de aplicacion mediante el uso de patrones de calibracion tipo tablero de ajedrez o mediante un proceso mixto en el que se calculen los angulos de elevation (pitch) y alabeo o escora (roll) en laboratorio y midiendo la traslacion (altura) en el escenario de aplicacion, y obteniendo un angulo de direction (yaw) adaptativo segun el paso de cada vehiculo mediante tecnicas de flujo optico o similar. Una vez definida la expresion del error de la velocidad, se debe fijar la primera zona de medicion mas cercana, camara (4), lo que define un rango de posiciones (6) para la variable Z,. Derivando la expresion general del error en velocidad respecto de la posicion tomada Z2 por la segunda camara (5) e igualando a cero, para los valores previos de la variable Z, se obtiene el rango de posiciones (7) para la variable Z2 que optimizan el error en el calculo de la velocidad. Asi, por

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ejemplo, para el caso simplificado (Figura 2) con unas distancias focales de 50mm para la camara (4) y de 75mm para la camara (5), para un rango de posiciones (6) relativo a la camara (4) entre 2-4m, el rango de posiciones optimas (7) relativos a la camara (5) para obtener medidas con mfnimo error en velocidad debera hallarse entre 5-10m aproximadamente (en funcion del tamano de pixel del sensor), siguiendo la expresion siguiente:

imagen7

n2f*i+nlf2x\+nin2f xlf x2)

nJ* i

Para poder calcular la distancia (20) del vehfculo al punto de referencia donde se situan las camaras se puede optar por varios procedimientos. Una posible solucion consiste en utilizar elementos estructurales del vehfculo de los cuales se conoce de forma previa variables tales como el tamano, posiciones relativas, etc. El elemento mas estandar es la propia matrlcula. Tanto su ancho (Figura 3) como la posicion relativa de los caracteres (Figura 8) puede ser conocida de forma previa. Para obtener estas posiciones es necesario implementar un mecanismo de localizacion precisa de matrfcula (19), incluyendo tambien la localizacion de los caracteres. Para ello existen multiples tecnologfas ya disponibles para la localizacion y el reconocimiento de los caracteres de las matrfculas denominadas sistemas LPR (License Plate Recognition Systems). Consideremos que se ha implementado un mecanismo de localizacion de matrfcula (ver por ejemplo, [H. Bai et al. “A fast license plate extraction method on complex background", IEEE Intell. Trans. Sys. 2003]), y que se dispone de, por ejemplo, tal y como se muestra en la Figura 7, de la localizacion en las imagenes de las esquinas izquierda y derecha de la matrfcula (ya sean las superiores o las inferiores) para las dos camaras. Tras el proceso de calibracion, se conocen fas matrices de rotacion y los vectores de traslacion para las dos camaras respecto de dos

sistemas localizados en el piano de la via [flj.Tj] siendo el fndice “i" el indicativo de la primera camara o la segunda camara ("B” y "A" siguiendo la nomenclatura de la Figura 7). El proceso de calibracion se lleva a cabo asegurandose que la rotacion entre ambos sistemas de referencia en la vfa es la matriz identidad. Siguiendo el esquema de la Figura 7, consideramos que se han detectado las esquinas inferiores de la

matrfcula del mismo vehfculo en la imagen en los puntos p*=(u-, v*,l izquierdo y

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pf=[uf, vf, 11 derecho, en coordenadas homogeneas. Consideramos que la altura de

estos puntos respecto del piano de la via es la misma Ywi, y que ademas se conoce la anchura de la matrlcula respecto del eje de coordenadas colocado en el piano de la

via, esto es AX=X2w-Xlwi. Por otro lado, tras el proceso de calibration (17) se conocen los parametros intrlnsecos de las camaras incluyendo la distancia focal en los dos ejes, y el centro optico, y por lo tanto se puede formar la matriz de intrlnsecos Kj de la camara. Usando coordenadas homogeneas, la proyeccion de cada punto 3D Pwl relativo al origen de coordenadas situado en el piano de la via, en el piano imagen viene dado por la siguiente expresion:

imagen8

z...

=MiPvi

A partir de esta expresion se puede generar el siguiente sistema de ecuaciones:

15

sp‘=M,P'wl

spf=M:P2wi

AX=X2wl-Xli

que puede ordenarse en una forma lineal de tipo Ax = b siendo A una matriz de 5x5,

20 b un vector de 5x1, y x=i zV,Z^.|. Dado que la matriz A es cuadrada

y tiene rango completo, el sistema tiene una unica solucion dada por x=A~' b ■ Para utilizar un unico punto, se calcula el punto medio ubicado en el centro de la matrlcula, esto es, el punto final sera:

25 P-=(l^+^]/2,y„,(z>z:,)/2)

Finalmente, las coordenadas de los puntos capturadas por las dos camaras se trasladan al eje de coordenadas de las camaras, el punto fijo de medicion, pero

5

10

15

20

25

30

manteniendo la orientacion relativa dada por los ejes de coordenadas situados en el piano de la via, esto es:

P cB — PwB+Rb Tr

P'ca-Pwa+Ra Ta

La distancia final D entre los puntos se corresponde con la distancia final recorrida por el vehiculo (12) y vendra dada por la expresion:

Este valor DJ se calcula y se almacena (21) para todas las combinaciones posibles entre imagenes provenientes de la primera camara (4) y la segunda camara (5) y se le asocia la correspondiente marca de tiempo t1 (22). Posteriormente, en una etapa de filtrado (23) se calculan para todas las distancias relativas obtenidas en la primera camara (4) P'JcB las distancias optimas relativas que se requeririan en la segunda

camara (5) P'cA , esto es, DJ=\\P '^-P '^B|| segun la expresion de la geometria de minimo error en velocidad, En esta etapa de filtrado (23) solo se aceptan aquellas

distancias DJ que sean igual a la correspondiente distancia optima DJ mas-menos un porcentaje que no debe ser mayor al 20%. Si consideramos j=l...N el numero de medidas de distancia que han pasado la etapa de filtrado (23), en la etapa final (24) se estima la velocidad media del vehiculo como la media de todas las velocidades que han pasado por la etapa de filtrado y que son, por lo tanto, estimaciones de velocidad de error minimo, esto es:

V=

J_y D>

j

B

Para comprobar la precision del sistema se equipa un vehiculo con un GPS diferencial

de gama alta (alta precision y frecuencia de 20Hz), que proporciona medidas de

posicion con errores menores a los 2.5cm (para un tramo de 6m implica errores de

velocidad relativos menores a 0.83%). Los datos del GPS diferencial se sincronizan de

17

igual forma a partir de un servicio GPSD con un cliente NTP ejecutado en un procesador embarcado en el vehiculo. De esta forma se pueden asociar las medidas de posicion absolutas dadas por el GPS diferencial con las medidas obtenidas desde las camaras. Se pide a un conductor experimentado que pase cuatro veces por el 5 punto de medtcion, a unas velocidades de {10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80} kilometros por hora aproximadamente. Se calculan los errores de velocidad tras aplicar el procedimiento anteriormente descrito, y comparandolos con las velocidades calculadas usando para ello el GPS diferencial de alta precision. Los resultados para todas las velocidades se muestran en la Tabla I.

10

TABLAI

Velocidad aproximada (km/h)

Error medio absoluto (km/h) Desviacion estandar (km/h) Error maximo (km/h)

10

0.90 0.31 1.24

20

1.28 0.27 1.51

30

1.76 0.16 1.92

40

1.63 0.27 2.01

50

1.66 0.50 2.17

60

1.70 0.81 2.62

70

0.45 0.17 0.63

80

2.13 0.41 2.52

Como se puede observar los errores maximos siempre estan por debajo de los 3 km/h, requisito imprescindible para poder obtener el certificado de examen de modelo por el 15 Centro Espanol de Metrologia. Asi tambien el error medio absoluto es de l,44km/h.

Aplicacion industrial

La patente objeto de esta invencion tiene su campo de aplicacion en la industria de los 20 sistemas inteligentes de transporte, y mas concretamente, en las empresas encargadas de la comercializacion y mantenimiento de cinemometros de precision para la deteccion de velocidad de vehiculos a motor en distintos tipos de vias. La ventaja fundamental de la tecnologia propuesta viene dada por el coste asociado que es mucho menor que el coste relativo de los cinemometros puntuales basados en 25 radar o laser.

Claims (4)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   REIVINDICACIQNES

   1. Procedimiento para la deteccion puntual de velocidad de vehiculos a motor caracterizado por:

   a. Comprender al menos dos camaras ubicadas en un mismo punto de medicion, con distinta distancia focal, y distinta orientacion respecto del piano de la via, para capturar imagenes de vehiculos a motor en al menos dos regiones diferentes de un mismo carril separadas una distancia optima para proporcionar medidas de velocidad de error mlnimo.

   b. Calcular la distancia optima entre dichas regiones fijando las distancias de la region mas cercana al punto de medicion y derivando la ecuacion del error de velocidad respecto de las distancias mas lejanas, igualandola a cero y resoiviendo para dichas distancias.

   c. Calcular los parametros intrinsecos de las camaras, asi como la rotacion y traslacion de estas respecto del piano de la via mediante un proceso de calibracion.

   d. Calcular para cada imagen tomada por cada camara la distancia relativa del vehiculo al punto de medicion a partir de la localizacion precisa en las imagenes de la matricula, el conocimiento previo de sus dimensiones, segun las ecuaciones de proyeccion de las camaras.

   e. Almacenar para un mismo vehiculo todas las distancias relativas calculadas por las dos camaras, y asociarles una marca de tiempo precisa.

   f. Asociar todas las combinaciones posibles de distancias relativas entre las dos camaras a partir de todas las imagenes disponibles y calcular para cada combinacion la distancia recorrida por el vehiculo.

   g. Eliminar aquellas combinaciones en las que la distancia recorrida por el vehiculo se aleje mas de un 20% de la distancia optima requerida en cada caso para obtener un error minimo en el calculo de la velocidad.

   h. Calcular la velocidad para todas las combinaciones de distancia entre imagenes de ambas camaras que se encuentren a la distancia optima mas- menos un 20%, como la division entre la distancia y el tiempo transcurrido entre cada par de imagenes concreto.

   i. Calcular la velocidad final del vehiculo a motor como la media de todas las velocidades previamente calculadas, esto es, como la media de todas las

   medidas de velocidad obtenidas a partir de distancias cercanas al punto optimo de la curva que relaciona el error en velocidad respecto de la distancia del tramo en el que se esta midiendo.

   5 2. Procedimiento para fa deteccion puntual de velocidad de vehiculos a motor

   segun la revindication [1] caracterizado porque la distancia relativa de los vehiculos a las camaras se calcula a partir de la homografia definida por el piano de la matricula y sus puntos caracteristicos, esto es, las esquinas que definen los limites de la matricula asi como las esquinas de las regiones que encuadran los caracteres alfanumericos de to la matricula, respecto de la esquina superior izquierda de la matricula.
2. 3. Procedimiento para la deteccion puntual de velocidad de vehiculos a motor

   segun las reivindicaciones [1] y [2] caracterizado porque comprende un sistema de

   iluminacion artificial en el espectro infrarrojo o visible para condiciones nocturnas de

   15 visibilidad, activado de forma automatica mediante celula fotosensible, y pulsado mediante un hardware de sincronismo a la misma velocidad que las camaras y con un tiempo de encendido tgual al tiempo de exposition de estas.
3. 4. Procedimiento para la deteccion puntual de velocidad de vehiculos a motor

   20 segun las reivindicaciones [l]-[3] caracterizado porque las camaras pueden

   configurarse de manera que capturen imagenes de mas de un carril.
4. 5. Procedimiento para la deteccion puntual de velocidad de vehiculos a motor

   segun las reivindicaciones [l]-[4] caracterizado porque las camaras pueden

   25 configurarse para medir la velocidad de vehiculos en ambos sentidos, esto es, vehiculos que se acerquen al punto de medicion o se alejen de este.