[发明专利]基于有限状态机的道路车辆拥堵判别方法

权利要求书

1.一种基于有限状态机的道路拥堵判别方法，其特征在于具体步骤为：

步骤一、建立有限状态机模型

有限状态机模型包括三种可能状态，分别是畅通、缓行及拥堵，具体为：

（1）畅通，表示道路车辆稀疏，行驶速度不受前方车辆影响；

（2）缓行，表示道路占有率较高，车辆行驶速度受一定程度的影响；

（3）拥堵，表示道路占有率极高，车辆的行驶速度受到严重影响；

有限状态机的状态转换中，根据车流长度和车流速度定义状态转换函数；如果检测到当前车流长度达到上限且估算速度为0，则判定整个车道处于拥堵状态；如果当前车流长度达到上限而速度不为0，则车流处于缓行状态；而如果检测出车流长度未到限，判定此时车道处于畅通状态。

步骤二、估计车流长度

（1）在由高清摄像头拍摄的道路图像中，将某区域                                                的彩色图像转换到灰度空间；转换的公式为：

                                                                       

其中，、、分别表示对应每个像素点的通道强度值，是转换后灰度空间对应的强度值；

（2）对灰度图像提取边缘强度，

定义一种的边缘算子：

                                 

其中，、分别是计算、方向梯度算子；定义图像为，其中、是像素坐标，则各方向的梯度表示为：

                                                           

                                                           

梯度大小表示为：

                                                                             

（3）将图像的边缘大小向平行于路道方向累加投影，设道路方向垂直于轴，则利用公式（6）进行垂直累加：

                                                                                                     

其中width表示道路的宽度

（4）求出道路上车流的长度,

设定一个阈值，求解：

                                                                                                                   

选取解集中的最小值：

                                                                                                           

就是当前道路车流的尾部纵坐标，计算车流测量起始纵坐标与的差，即可获得车流长度。

步骤三、估计车流速度

       这里利用相邻帧图像像素的变化来估计区域运动特征，首先定义若干参考块（patch），预存上一帧中patch标定的区域图像像素；利用图像模板匹配技术，在下一帧图像中搜索patch的位置；patch的移动利用区域的运动特征来表示，运动速度的大小表示该区域车辆的行驶速度，运动方向表示该区域车辆的移动方向；具体步骤为：

（1）、设置参考块的位置，参考块记为patch，在车道区域设置大量patch，用于保存上一帧patch区域的图像；  

（2）、利用模板匹配的方式计算patch的移动，对每一个patch设定其移动的最大范围，称之为搜索窗体，采用SSD式：

                                               

其中，、、、分别表示patch的宽、patch的高、搜索窗体的图像像素和patch的像素； 

（3）、统计一系列patch的整体移动，计算空间余弦评估吻合度：

                                           

其中、分别表示道路的方向和patch移动的方向，过滤掉有噪声的patch；

 （4）、计算车流移动速度，计算patch移动的平均值：

                                                                                                             

这里，代表区域整体移动向量，为有效patch的数量； 

 步骤四、判别当前道路状态

利用前面计算的道路车流长度和车流速度，在已建立的有限状态机模型中，进行当前道路状态的判别；设定两个阈值：（1），表示道路能容纳的车流长度上限；（2），表示道路容忍的车流速度下限：

根据当前检测出的参数、，和上一帧的状态，有限状态机进行状态维持或转换。假如之前道路处于缓行状态，且此时检测到 、，则触发“长度极大，速度极小”条件，将状态换转成道路拥堵；而如果、，则触发“长度极大，速度较快”条件，状态维持；如果，则触发“队列长度较短”条件发生，将状态换转成道路畅通；如果之前道路处于畅通状态，并此时检测出、，则触发“长度极大，速度较快”条件，将状态换转成道路缓行，而当时，触发“车队长度较短”条件，道路将保持为畅通状态。