采用線陣CCD器件實現車輛采集和檢測系統的設計

引言

與傳統的基于面陣CCD的視頻檢測方法相比，基于線陣CCD的檢測方法具有如下優點：

（1）線陣CCD成像中背景圖像相對簡單，因此易于后續的目標分割、特征提取和描述，這使得系統在全天候條件下的工作穩定性更易于保證；

（2）線陣CCD成像的分辨率、像素灰度級和采樣速度較高，從而可以實現高精度的檢測，特別是車輛存在和車輛速度的檢測；

（3）線陣圖像數據量相對較小，便于實現復雜的圖像處理和分析算法；

（4）線陣CCD成像的輔助照明可以采用紅外線激光源，能夠較好地解決夜問補光問題，而面陣CCD成像需要較大功率大范圍的補光照明；

（5）線陣CCD器件具有靈敏度高，動態范圍大和沒有圖像拖尾的現象。

本文提出的基于線陣CCD的交通信息采集和檢測系統具有成像清晰，牌照識別率高，圖像捕獲率高，易于安裝和維護，測速精確度高等優點，能夠實現全天候的、準確的檢測車輛及其速度。

1 系統結構與工作原理

1．1 系統結構

本文提出了一種基于線陣CCD的交通信息采集和檢測系統，該系統主要由圖像采集與控制、圖像處理與分析、車輛數據庫管理及系統自動維護等主要功能模塊組成，如圖1所示。該系統利用線陣CCD連續快速記錄通過檢測斷面的車輛的線陣圖像，并從該序列線陣圖像中獲取各種車輛參數和交通事件。

采用線陣CCD器件實現車輛采集和檢測系統的設計

該系統由硬件和軟件兩部分組成，主要的設備包括：線陣CCD相機、線激光源、閃光燈、專用高分辨率攝像機和64位工控機。軟件主要實現相機及輔助光源控制，圖像數據采集，視頻錄制及回放，圖像分割，車輛匹配，車牌識別，車輛數據庫管理，車輛數據分析，系統設置和系統容錯等功能。

1．2 系統總體框架

基于線陣CCD的交通信息采集和檢測系統的主要設備包括：線陣CCD相機、線激光源、閃光燈、專用高分辨率攝像機和64位工控機，以上設備均安裝在路段上。為了達到交通信息實時采集的要求，用戶可以根據需要，設立多個檢測斷面。圖2為本系統的一個檢測斷面。

圖3為一個雙向四車道高速公路實驗現場某一檢測斷面的側視圖。

在該檢測斷面上主要完成車輛線陣圖像采集，以及車輛近景和遠景圖像的抓拍，然后在道路旁的機柜中進行圖像處理和分析，獲取車牌號碼、車輛存在、車輛速度、車輛平面輪廓、車輛類型、交通占有率和流量等各種交通參數，并由此得到各種其他交通描述參數，進一步實現對道路交通狀況的監測評判和對交通事件的實時檢測。系統通過TCP／IP協議向監控中心實時傳遞其所需要的數據信息。

1．3 工作原理

線陣CCD攝像機1和攝像機2一直處于工作狀態，監視路面狀況。機柜里的目標識別程序根據攝像機1所采集到的線陣圖像，判斷是否有車輛經過，當有車輛進入線陣CCD攝像機1的視野范圍時，啟動計時程序和全景攝像機及目標所在車道的攝像機（如果車輛在兩個車道的中間，則啟動輔助攝像機），并對車輛進行自動抓拍，得到一幅近景圖片和遠景圖片；同時，調用牌照識別程序進行牌照識別并將識別結果保存。同理，當車輛進入線陣CCD攝像機2的視野范圍時，目標識別程序檢測到車輛經過攝像機2，直到車尾離開線陣CCD攝像機2的視野范圍時，停止計時。根據線陣CCD攝像機1和2抓拍的圖片以及車輛通過檢測斷面的時間，計算車輛瞬時速度，提取車輛輪廓、類型、交通占有率等交通參數，并將結果存入數據庫。對于超速車輛，機柜將自動把其車牌號碼、車速等相關信息傳到監控中心，便于中心人員進行相應的處理。監控中心也可向路邊機柜發出查詢請求，路邊機柜將把相應的查詢結果傳送到監控中心。路邊機柜中的數據庫和圖像庫將按照用戶設定的時間自動清空，防止磁盤空間不足導致現有的數據無法保存。

2 系統功能

基于線陣CCD的交通信息采集和檢測系統具有以下功能：

（1）視頻觸發功能

當車輛進入第一個線陣CCD相機視場范圍時，系統能夠自動檢測到車輛存在，并產生抓拍信號，抓拍車輛牌照的近景圖像，并啟動牌照識別模塊，獲得該車輛的車牌號。當車輛離開第一個線陣CCD相機視場范圍后，系統能夠自動檢測到車輛消失，并產生車輛結束信號，啟動測速模塊，計算該車輛的速度。

（2）瞬時速度檢測功能

本系統通過檢測車輛的斷面，計算車輛的瞬時速度。利用車輛前端通過第一個線陣CCD相機和通過第二個線陣CCD相機的時間差計算該車輛的瞬間速度，因為兩個線陣CCD之間的距離是固定不變的。這個速度即可作為車輛通過該檢測斷面的瞬時速度。

（3）超速實時處罰功能

本系統的實時處罰功能主要利用安裝在收費出口處的牌照識別子系統對通過車輛進行牌照自動識別，當超速車輛通過收費站時，管理子系統根據從測速子系統得到的超速車輛信息和收費出口處的牌照信息進行比對，如果是超速車輛，本系統會自動報警，提醒執法人員對違章車輛進行就地處罰。

（4）車型識別和交通量統計功能

本系統可以由線陣CCD相機的成像結果和車速計算出車長，以確定車型（對于本系統，車長=速度×成像線數／1 000）。此外，可以利用數據庫對交通量進行分時段或分車型統計。

（5）車輛通行記錄功能

本系統可實現對過往車輛的記錄功能，每條記錄包括車輛的牌照號、狀態（例如是否超速）、行車道、通過時間等信息，并可通過通行記錄界面觀看到車輛的遠景和近景圖片，可以為處罰提供有力的證據。

3 主要關鍵技術

3．1 基于圖像紋理的車輛存在檢測算法

線陣CCD每次成像為道路段面的一條線，為了保證檢測結果的實時性，要求對采集數據逐線處理，而常規的視頻檢測算法都是基于一幀面陣圖像的，因此，需要設計出適用于線陣CCD圖像的車輛檢測算法。

本系統采用基于圖像紋理的車輛存在檢測算法，包括基于圖像紋理特征的二值化算法和車輛分割算法兩部分。其基本思想如下：

利用小波變換提取路面的紋理特征，然后對采集的每線數據進行二值化，并在此基礎上，逐線進行車輛分割。圖4（a）所示為白天采集的線陣CCD圖像，由于太陽照射的影響，圖像中存在車輛陰影。采用基于圖像紋理特征的二值化算法處理效果如圖4（b）所示，去除了陰影的干擾，圖4（c）為車輛分割效果，可見本算法能夠有效抑制陰影對車輛分割的影響，具有較好的分割效果。