基于线阵CCD的交通信息采集和检测系统设计与实现

0 引 言
    与传统的基于面阵CCD的视频检测方法相比，基于线阵CCD的检测方法具有如下优点：
    (1)线阵CCD成像中背景图像相对简单，因此易于后续的目标分割、特征提取和描述，这使得系统在全天候条件下的工作稳定性更易于保证；
    (2)线阵CCD成像的分辨率、像素灰度级和采样速度较高，从而可以实现高精度的检测，特别是车辆存在和车辆速度的检测；
    (3)线阵图像数据量相对较小，便于实现复杂的图像处理和分析算法；
    (4)线阵CCD成像的辅助照明可以采用红外线激光源，能够较好地解决夜问补光问题，而面阵CCD成像需要较大功率大范围的补光照明；
    (5)线阵CCD器件具有灵敏度高，动态范围大和没有图像拖尾的现象。
    本文提出的基于线阵CCD的交通信息采集和检测系统具有成像清晰，牌照识别率高，图像捕获率高，易于安装和维护，测速精确度高等优点，能够实现全天候的、准确的检测车辆及其速度。

1 系统结构与工作原理
1．1 系统结构
    本文提出了一种基于线阵CCD的交通信息采集和检测系统，该系统主要由图像采集与控制、图像处理与分析、车辆数据库管理及系统自动维护等主要功能模块组成，如图1所示。该系统利用线阵CCD连续快速记录通过检测断面的车辆的线阵图像，并从该序列线阵图像中获取各种车辆参数和交通事件。

该系统由硬件和软件两部分组成，主要的设备包括：线阵CCD相机、线激光源、闪光灯、专用高分辨率摄像机和64位工控机。软件主要实现相机及辅助光源控制，图像数据采集，视频录制及回放，图像分割，车辆匹配，车牌识别，车辆数据库管理，车辆数据分析，系统设置和系统容错等功能。

1．2 系统总体框架
    基于线阵CCD的交通信息采集和检测系统的主要设备包括：线阵CCD相机、线激光源、闪光灯、专用高分辨率摄像机和64位工控机，以上设备均安装在路段上。为了达到交通信息实时采集的要求，用户可以根据需要，设立多个检测断面。图2为本系统的一个检测断面。
    图3为一个双向四车道高速公路实验现场某一检测断面的侧视图。

    在该检测断面上主要完成车辆线阵图像采集，以及车辆近景和远景图像的抓拍，然后在道路旁的机柜中进行图像处理和分析，获取车牌号码、车辆存在、车辆速度、车辆平面轮廓、车辆类型、交通占有率和流量等各种交通参数，并由此得到各种其他交通描述参数，进一步实现对道路交通状况的监测评判和对交通事件的实时检测。系统通过TCP／IP协议向监控中心实时传递其所需要的数据信息。
1．3 工作原理
    线阵CCD摄像机1和摄像机2一直处于工作状态，监视路面状况。机柜里的目标识别程序根据摄像机1所采集到的线阵图像，判断是否有车辆经过，当有车辆进入线阵CCD摄像机1的视野范围时，启动计时程序和全景摄像机及目标所在车道的摄像机(如果车辆在两个车道的中间，则启动辅助摄像机)，并对车辆进行自动抓拍，得到一幅近景图片和远景图片；同时，调用牌照识别程序进行牌照识别并将识别结果保存。同理，当车辆进入线阵CCD摄像机2的视野范围时，目标识别程序检测到车辆经过摄像机2，直到车尾离开线阵CCD摄像机2的视野范围时，停止计时。根据线阵CCD摄像机1和2抓拍的图片以及车辆通过检测断面的时间，计算车辆瞬时速度，提取车辆轮廓、类型、交通占有率等交通参数，并将结果存入数据库。对于超速车辆，机柜将自动把其车牌号码、车速等相关信息传到监控中心，便于中心人员进行相应的处理。监控中心也可向路边机柜发出查询请求，路边机柜将把相应的查询结果传送到监控中心。路边机柜中的数据库和图像库将按照用户设定的时间自动清空，防止磁盘空间不足导致现有的数据无法保存。

2 系统功能
    基于线阵CCD的交通信息采集和检测系统具有以下功能：
    (1)视频触发功能
    当车辆进入第一个线阵CCD相机视场范围时，系统能够自动检测到车辆存在，并产生抓拍信号，抓拍车辆牌照的近景图像，并启动牌照识别模块，获得该车辆的车牌号。当车辆离开第一个线阵CCD相机视场范围后，系统能够自动检测到车辆消失，并产生车辆结束信号，启动测速模块，计算该车辆的速度。
    (2)瞬时速度检测功能
    本系统通过检测车辆的断面，计算车辆的瞬时速度。利用车辆前端通过第一个线阵CCD相机和通过第二个线阵CCD相机的时间差计算该车辆的瞬间速度，因为两个线阵CCD之间的距离是固定不变的。这个速度即可作为车辆通过该检测断面的瞬时速度。
    (3)超速实时处罚功能
    本系统的实时处罚功能主要利用安装在收费出口处的牌照识别子系统对通过车辆进行牌照自动识别，当超速车辆通过收费站时，管理子系统根据从测速子系统得到的超速车辆信息和收费出口处的牌照信息进行比对，如果是超速车辆，本系统会自动报警，提醒执法人员对违章车辆进行就地处罚。
    (4)车型识别和交通量统计功能
    本系统可以由线阵CCD相机的成像结果和车速计算出车长，以确定车型(对于本系统，车长=速度×成像线数／1 000)。此外，可以利用数据库对交通量进行分时段或分车型统计。
    (5)车辆通行记录功能
    本系统可实现对过往车辆的记录功能，每条记录包括车辆的牌照号、状态(例如是否超速)、行车道、通过时间等信息，并可通过通行记录界面观看到车辆的远景和近景图片，可以为处罚提供有力的证据。

3 主要关键技术
3．1 基于图像纹理的车辆存在检测算法
    线阵CCD每次成像为道路段面的一条线，为了保证检测结果的实时性，要求对采集数据逐线处理，而常规的视频检测算法都是基于一帧面阵图像的，因此，需要设计出适用于线阵CCD图像的车辆检测算法。
    本系统采用基于图像纹理的车辆存在检测算法，包括基于图像纹理特征的二值化算法和车辆分割算法两部分。其基本思想如下：
    利用小波变换提取路面的纹理特征，然后对采集的每线数据进行二值化，并在此基础上，逐线进行车辆分割。图4(a)所示为白天采集的线阵CCD图像，由于太阳照射的影响，图像中存在车辆阴影。采用基于图像纹理特征的二值化算法处理效果如图4(b)所示，去除了阴影的干扰，图4(c)为车辆分割效果，可见本算法能够有效抑制阴影对车辆分割的影响，具有较好的分割效果。

3．2 测速算法
    在相距2 m的两个道路断面上安装两个线阵CCD摄像机，如图3所示。选用的线阵CCD摄像机线速率为1 000线／s，分辨率为1 024：像素。
    对两个CCD像机的图像序列进行相关匹配分析，从而获得同一个目标在两个图像序列中的时间差，利用该时间差和两个摄像机的距离，根据速度公式v=s／t即可得到目标车辆的行驶速度。

4 工程应用
    为了验证基于线阵CCD的交通信息采集和检测系统的可靠性和实时性，对某省级公路进行检测实验。线阵CCD成像系统放置在道路上方，如图5所示，检测范围为同方向3个车道共11．25 m，对过往车辆能实时正确触发，车牌识别效果较好，测速较为准确，如图6所示。系统在运行过程中稳定可靠，实时性高，软件使用方便。

5 结 语
    设计并实现了一种基于线阵CCD的交通信息采集和检测系统。该系统利用线阵CCD连续快速记录通过检测断面的车辆的线阵图像，并从该序列线阵图像中获取车牌号码、车辆存在、车辆速度、车辆类型、交通占有率和流量等各种交通参数，并向监控中心实时传递其所需要的数据信息。该系统在实际工程中使用效果良好。