[发明专利]一种基于虚拟线圈的高速公路视频测速方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及高速公路测速技术领域，更具体地，涉及一种基于虚拟线圈的高速公路视频测速方法及系统。

背景技术

传统的高速公路超速监测采用地感线圈测速，激光测速和雷达测速。以上三种测速方法均有各自的不足之处。地感线圈测速是在公路地面预先埋设一对具有车辆通过感应能力的线圈，记录目标车辆相继通过两个线圈的时间，进而根据时间差与线圈间距计算出速。但是地感线圈的安装会破坏高速公路的路面，而且对于沿非直线轨迹行驶的车辆测速精度较低。激光测速利用激光脉冲对驶来车辆多次进行测距，进而计算车速。但激光测速要求仪器正对来车，与车辆行驶方向的偏差角度不能超过10度，安装位置条件比较苛刻，而且对于在测速区内行驶轨迹变化的车辆同样存在测量误差大的问题。雷达测速是利用多普勒原理进行测速，但是与激光测速类似，同样存在与车辆行驶方向的偏差角度要保持在10度以内的问题，给其适用范围带来很大的局限性。

随着高速摄像和图像处理识别技术的进步，可以从高速公路监控摄像机拍摄的各帧视频画面中定位目标车辆，并根据其行驶轨迹以及各帧视频画面的拍摄时间计算车速。基于这一原理的高速公路测速技术被称之为视频测速。相比上面介绍的传统测速技术，视频测速以下几个方面能够表现出明显的优势。首先，只需要具有较高分辨率的高速摄像机即可以实现高速公路及相关车辆画面的拍摄，信号采集过程和设备均得到简化，对高速公路的路面和其它设施没有不利影响，易于改造施工；其次，相比于雷达和激光测速对于偏差角度的敏感性来说，视频测速对于拍摄角度的要求非常宽松；第三，通过对视频测速相关算法的改进，对于车辆行驶轨迹的适应性大大提高，对于车辆变道甚至转弯行驶的情况也能够实现准确测速；第四，不论是地感线圈、激光还是雷达测速，都必须附加摄像以便识别车牌和取证，而视频测速可以将测速、车牌识别、记录取证等步骤集中完成，系统的集成化和反应速度得到了很大提升。

视频测速技术的核心在于对视频画面的处理、识别和分析计算，因此其算法决定了整个系统的精确性和实时性。视频测速算法的基础是视频画面中特定目标车辆的识别抽取，目标是将视频画面中代表特定目标车辆的部分识别抽取出来而区别于视频画面中的其余部分。特定目标车辆识别抽取方法包括光流法、帧间差分法、背景差分法、车灯区域定位法、车牌定位法等。对于所抽取的表示特定目标车辆的部分，还要进行必要的处理而去除阴影等杂质。

在此基础上，对特定目标车辆执行测速的算法可分为定位追踪法和虚拟线圈法两种类型。

定位追踪法通过定位所述特定目标车辆在连续若干帧视频画面中所处的位置，计算该特定目标车辆在视频画面中的运动速度，进而换算车辆的实际速度。定位追踪法测速精确度更高，对于复杂车辆行驶轨迹的适应性更好，但是算法非常复杂，实时运算性能比较差，在实际应用中面对大流量状况下的多车辆实时测速问题时会遇到瓶颈。

虚拟线圈法是将视频画面预定区域设定为虚拟线圈，作为虚拟线圈的画面区域对应高速公路当中的某一位置，当车辆通过高速公路的所述位置时，会引起视频画面中虚拟线圈处的图像信号变化，这被称为触发虚拟线圈。两个虚拟线圈对应的公路位置之间的真实间距L可以通过实地测量或者计算而事先获得。因而，通过所述特定目标车辆触发两个虚拟线圈的时间差△t，可以计算该特定目标车辆的车速v＝L/△t；其中，△t通常用确定该特定目标车辆触发各虚拟线圈的前、后两个视频画面的帧间差来表示。虚拟线圈法的算法更为简单、运行速度更快、有效监控区域大于定位追踪法，因而在实际应用中也更为普遍。

虚拟线圈法在实际应用中需要解决的重要问题是建立可靠的虚拟线圈触发检测机制。虚拟线圈触发的标志是视频画面虚拟线圈区域内像素的图像信号发生幅度在阈值以上的阶梯性变化。用于触发判定的图像信号一般采用像素的灰度差分信号，计算方法是将当前视频画面中虚拟线圈区域的像素灰度信号与预设背景画面中该区域的灰度信号进行减法运算，进而判断灰度差分信号值是否大于所述阈值，在大于该阈值的情况下则认为虚拟线圈被触发。

然而，上述触发检测机制的可靠性是比较低的，易于发生误触发的情况。影响检测可靠性的因素除了视频画面拍摄过程中常见的噪声信号外，还包括公路实际环境中的各种因素，例如：白天日照和阴影变化会对触发检测产生干扰；夜晚车灯光束对路面照射带来图像信号灰度突变，会导致虚拟线圈在车辆实际经过之前被提早触发；在特定光照状态下，某些浅黄色或浅绿色汽车对虚拟线圈区域像素灰度的影响不足以引起触发。