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基于视频的高速公路测速系统董桂菊，徐杰（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨150030）摘要：文章介绍了基于视频的车辆测速管理系统，并提出了一种车辆的测速方法。车辆测速管理是智能交通系统（ITS）中的一个重要组成部分，它集牌照识别、测速检测、流量监控、费用收取等多项功能于一体，主要用于对高速公路超速违章车辆的监控。在车辆的测速原理中，指出从相邻视频帧图像中获取车辆的“像速度”，并间接获取车辆实际速度的方法。从而为高速公路测速管理系统的关键点提出了一种切实可行的解决办法。关键词：高速公路；视频；测速管理系统；测速中图分类号：文献标识码：A文章编号：0引言国家发展离不开道路建设，伴随着高速公路的大规模建设，车辆的超速现象也频繁发生。为了查处治理违规车辆，车辆的测速成为交管部门越来越重视的问题。而基于高速公路的智能管理，机动车辆的测速管理也是其中一个重要的组成【1】。1车辆测速技术简述目前，智能交通系统中对车辆进行测速主要有线圈测速、激光测速、雷达测速、视频测速等几种方式。线圈测速一般采用埋设式，车辆通过线圈，会引起线圈磁场的变化，输出触发信号，因此可以在公路路面一定距离设置两个线圈，检测器通过检测车辆通过两个线圈的时间差计算出车辆的速度，但线圈在安装时必须直接埋入车道，使路面受损，并且在安装过程中会阻碍交通，线圈在地下也易受到冰冻、路基下沉等外界因素影响。当车流量过大时，检测精度也会大大降低。激光测速的工作原理建立在光波测距的基础上，利用多次测得的距离差与时间差的比，测得车辆的速度，与地感线圈有着类似的计算方式。雷达测速的工作原理是利用多普勒效应，当发射方与接收方之间有相对径向运动时，接收到的信号频率就会放生变化，利用这种频移的特点计算车辆的行驶速度。但雷达测速系统和激光测速系统对于测量角度都有很高的要求，测速系统需正对车辆运动方向，测量偏差角要很小，有一定局限性。不带车牌识别的雷达测速系统对违章车辆处罚时由于缺少证据，所以不太实用。人们为解决这个问题，利用高速存储的数码相机采集车辆视频图像，对车牌进行识别，但此系统价格昂贵。此系统测速准确、速度快，可移动测速等方面优点，得到普遍应用，但成本较高，不能用于多车测速，抗电子干扰能力较弱。视频测速系统原理是利用图像中车辆的二维位置以及预先测定的一系列参数从而确定车辆的实际三维位置，在一个固定时间间隔内拍摄两幅图像，就可以根据两幅图像得来的车辆的实际三维位置确定这个时间段内的位移，从而得出车辆的行驶速度。在此测速方法中，主要需解决的问题是从图像序列中获取车辆的位移，即找到两帧图像中车辆位置的匹配关系。其优点是系统结构简单、稳定性强、成本低，抗电子干扰，可用于移动和固定场合，不仅能够测速，而且能够利用视频对车辆进行监控。缺点是测速精度低，并且需预先对测速系统中参数（如摄像机到被测测量间的距离）进行测量。由于视频处理的独特优势，在交通智能管理系统中已被广泛使用，并成为现代智能交通的发展方向和趋势。本文通过对图像序列中车尾位置识别，进行图像匹配，获得车辆在图像中移动的像素差，把相机坐标转换为世界坐标，能够在实时环境下对车辆进行测速。2视频测速管理系统介绍为了满足现代化高速公路管理的需要，实现系统低成本、易操作、便管理的要求、我们将视频测速管理系统划分为视频测速系统和收费系统两个方面。CCC场景图2.1视频测速系统视频测速系统主要有监控单元、数据传输单元、中心管理单元三部分组成。前段监控单元包括闪关灯、摄像机以及前段管理工控机等设备，负责采集车辆信息；数据传输单元主要包括CDMA传输模块，负责前段监控单元到中心管理单元的信息传输；中心管理单元主要包括系统的管理软件及其存储设备，负责对传回的数据进行处理并将其存入数据库，从而实现了对海量信息的存储和管理，便于以后车辆信息的汇总与调取。闪关灯摄像机工控机CDMA模块中心服务器打印机数据库车辆识别测速系统结构图当车辆驶入监控区域，前端监控单元采集车辆通过的时间、速度等信息，并存入本机数据库中，当检测到车辆超速时，将启动抓拍模块，对违法车辆进行拍摄，并将违章车辆违章时间、违章地点、车牌号码和车牌图像存入工业控制计算机的本机数据库中。开始车辆图像抓取、拍摄视频车辆检测车辆超速车辆超速？将违章信息存储在本地数据库中测速流程图否是前端监控单元获取的车辆行驶记录以及违法车辆的图片通过CDMA无线网络发送给中心服务器进行保存。CDMA无线网络单元作为该系统的自动传输单元，当网络堵塞或出现故障时，自动传输单元循环等待网络的恢复，当网络恢复后，自动传输单元自动启动数据传输。中心服务器负责处理前端传回的车辆记录和图片信息。服务器中的车牌识别模块首先识别违法车辆图片中的车牌，然后由图片处理模块采用特定技术附加车辆相应时间、相应地点、车辆行驶速度，并将该车辆违章信息发送给终端服务器，作为以后交警执法的依据。测速系统的测速流程如图所示。2.2测速原理图1视频中截取的两帧图像车牌第一帧图像第二帧图像车车（a）t0时刻（b）t1时刻S0位置S1位置车辆移动距离s1-s0车牌监控摄像机车辆移动距离d1-d0t0t1监测点距摄像机水平距离d俯角θ视距c路面测速原理图高度h本系统使用视频检测车辆车速，依据以下公式：)/()(/0101ttddtdv（1）在此系统中，通过视频信号的固定帧间时间可直接得到t，再通过其他方法间接的得到d，此时，我们采用公式：)/()(/0101ttddtdv)/())()((0101ttsfsf（2）)(sf是一个表示路程的函数，s值表示位置，假设知道函数)(sf的表达式，则通过)(sf，有1s、0s计算得到1d、0d的值，相减即可得到d，实际测量中可得到1`t和0t的值，从而可有（2）式计算出v值。图1是从监控视频信号中连续截取的两帧图像。由图像可知，摄像机的拍摄是由远及近拍摄，车辆与摄像机为正对方向。可以找到车辆在两帧图像中的对应点，由于摄像机是固定不动的，这样就具有了对比性，对应点分别对应到图像中1s（1t时刻帧图像）和0s（0t时刻帧图像）位置，相减即可得到对应点t(01tt)时刻在图像中移动的像素距离s(01ss)，从而得到车辆在图像中的移动速度，单位为“像素/秒”。然而，我们要获得的是车辆的行驶速度，速度单位应该是“公里/小时”，因此，我们必须找到s与实际距离d的关系。考虑到摄像机安装的安全性和效果较好的视觉俯仰角，一般不小于060，我们选取060，此时的视距c和检测点距摄像机的距离d一般比较大，当t很小时，d相对于d非常小，因此可以忽略图中的变化量。假设视频信号中截取的图像高宽分别为1920像素和1080像素，车辆监控视频视野宽刚好为一个车道宽为3.5米，如图所示：t0车牌位置t1车牌位置∆ss0位置s1位置1920像素，实际道宽3.5米1080像素实际距离x米车牌在两帧图像中移动的位图设视野范围内可以看到mx路面长度，也就是图像高度所对应的路面长度为mx，此时有，cos1080351920x而此刻我们不考虑视觉透视效果，则有，xds1080因此，10801cos19205.310801080sxsd此时，t为获取的两帧图像时间差，s为车辆在两幅图像的像素距离，而由公式（1），即可得出车辆的移动速度v。3.总结文章的最终目的是对高速公路车辆速度的监控及其测量，设计了高速公路车速监控系统，并提出了一种车速的测量方法，通过与图像识别技术相结合，进行模拟实验。实验结果表明，此测速方法已初步实现了视频测速的基本要求。参考文献：[1]袁河洋.基于视频的车辆速度检测方法研究[D].大连：大连海事大学,2013.6[2]陈媛媛,柴治.基于视频检测的车辆测速方法[J].现代电子技术,2009,23:185-187.[3]袁丁.基于视频和DSP的车辆识别测速系统[D].浙江：浙江大学,2004.2[4]王命延,朱明峰,王昊.机动车视频测速中关键技术的研究与实现[J].计算机工程,2006,32(5):198-200.[5]张重德,张崇薇.一种提高视频车速检测精度的方法[J].上海交通大学学报,2010,44(10):1440-1442.[6]童剑军,邹明福.基于监控视频图像的车辆测速[J].中国图像图形学报,2005,10(2):192-193.HighwayVehicleSpeedMeasurementSystemBasedonVideoDongGuiju，XuJie（CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Haerbin150030,China）Abstract:Thisarticledescribesahighwayvehiclespeedmeasurementsystembasedonvideo,andproposedamethodforvehiclespeed.VehiclespeedmanagementplaysanimportantroleinIntelligentTransportationSystem(ITS),Itcontainslicenseplaterecognition、speeddetection、trafficmonitoring、feeschargedandsoonmanyfunctionsinonebody,Mainlyusedforvehiclemonitoringhighwayspeedingviolation.Intheprincipleofvehiclespeedmeasured,pointedoutamethodthatobtainthevehicle’s“pixelspeed”fromtheadjacentframeimages,andindirectgettheactualspeedofthevehicle.Thuspresentsapracticalsolutiontothecriticalpointofthehighwayspeedmanagementsystem.Keywords:highway;video;speedmanagementsystem;speed