基于视频的车流量检测算法研究

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1、西 南 交 通 大 学 毕业设计（论文） 基于视频的车流量检测算法研究 年 级: 2006级 学 号: 20062225 姓 名: 安伟 专 业: 自动化 指导老师: 侯进 二零一零年六月 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 I 页 院 系 信息科学与技术学院 专 业 自动化 年 级 2006 级 姓 名 安伟 题 目 基于视频的车流量检测算法研究 指导教师 评 语 指导教师 (签章) 评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章) 成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 II 页 毕 业 设 计 任 务 书 班 级 自动化 2 班 学生姓名 安伟 学

2、号 2006 专 业 自动化 发题日期：2010 年 1 月 1 日 完成日期：2010 年 6 月 15 日 题 目 基于视频的车流量检测算法研究 题目类型： 工程设计 技术专题研究 理论研究 软硬件产品开发 一、 设计任务及要求 车流量信息是交通控制中的重要信息，其检测在智能交通系统中占有重要地位。基于视频 图像处理技术的车流量检测系统，通过安装在道路旁边或者中间隔离带的支架上的摄像机和图 像采集设备将实时的视频信息采入，经过对视频图像的处理分析可以进行车流量的实时检测。 基于视频的车流量检测系统有易安装、维护及实现方便等明显的优势，非常有利于交通系统的 管理及控制。具体要求如下： 1.

3、对图像进行预处理 2. 进行车流量的统计 3. 人机界面简单清楚友好 二、 应完成的硬件或软件实验 采集视频图像，对图像进行分析处理，完成车流量的统计，与实际通过车辆数目比较，分 析本系统的正确检测率。 三、 应交出的设计文件及实物（包括设计论文、程序清单或磁盘、实验装置或产品等） 1. 毕业设计论文（必须完全符合学校规范，内容严禁有丝毫的抄袭剽窃） 2. CD-R（含论文，程序，程序使用说明书，演示视频，盘面注明姓名，专业，日期） 3. 英文翻译按学校规定，导师无特殊要求 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 III 页 四、 指导教师提供的设计资料 1. 研究介绍（包括课题背景、动机、内容

4、、意义） 2. 计划说明书 3. 部分英文文献资料 五、 要求学生搜集的技术资料（指出搜集资料的技术领域） 1. 本课题相关领域国内外重要论文及资料 2. 图像处理知识与 VC+编程学习指南 六、 设计进度安排 第一部分 查阅资料，学习相关编程语言 （ 4 周） 第二部分 编制程序并进行调试 （ 10 周） 第三部分 撰写毕业论文 （ 2 周） 评阅及答辩 毕业论文修改和参加答辩 （ 1 周） 指导教师： 年 月 日 系主任审查意见： 审 批 人： 年 月 日 注：设计任务书审查合格后，发到学生手上。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 IV 页 西南交通大学信息科学与技术学院 2009 年

5、制 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 V 页 摘 要 在智能交通管理系统中，实时的交通流参数检测起着越来越重要的作用。交通 流参数包括车流量、车速、车道占有率等，参数检测的方式也有多种，但基于图像 处理的视频车辆检测技术以其检测区域大、系统设置灵活等突出的优点，成为智能 交通系统领域的一个研究热点。因此，基于视频的交通流量检测技术成为其研究领 域的重要方面和基础。 本文是在阅读和学习国际国内智能交通系统基础上，首先介绍了智能交通系统 的背景和意义,视频检测技术的优越性,智能交通系统在国内外研究的现状。经过多 年的不断发展,目前已经提出了很多相关的算法和解决方案.本文在学习和理解这些 成果的

6、基础上,采用设置虚拟线的方法来实现车流量统计的算法。本文在研究过程中 主要采用了图像数字化,图像锐化,图像分割,背景相减,虚拟线圈更新,虚拟线圈内车 辆的检测等算法。其中图像分割,背景相减,虚拟线圈的更新是本文的核心内容并作 了详细的介绍。其中背景相减介绍了四种常用的算法,并分析了各种算法的优缺点, 结合各种的算法的优缺点,最后本文采用自适应背景相减法,该算法能够很好的提取 出目标图像,不过由于外界各种因素比较敏感,同时会出现许多伪运动目标点，不利 于目标的准确检测,影响检测准确度,这有待于日后进一步的研究和学习。本文设计 了一种实时可靠的基于虚拟检测线的交通流量检测算法,该算法能够一定的程度

7、上的 在复杂路况条件下精确的对车流量进行检测。 关键词：视频检测技术； 车流量统计； 虚拟线圈更新； 自适应背景相减法 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 VI 页 Abstract In the Intelligent Traffie System，parameter measurement of real-time traffic flow is becoming more and more important.Traffic flow parameter includes vehicle flow, vehicle velocity, road-occupied rate and so

8、 on. There are many kinds of ways to measure parameters, but the technology of video vehicle detection based on image processing has been a hot field in Intelligent Traffic System, because it has prominent advantage that the detectiong field is extensive and the system setting is flexible .Therefore

9、, the detection technology of traffic flow based on video becomes an importance of aspect and foundation. Based on reading and learning the Intelligent Traffic System of home and abroad, the background of the Intelligent Traffic System, the advantages of video detection technolog and the studing sit

10、uation of the Intelligent Traffic System in national and international are introduced firstly. After years of constant development, it has made a lot of relevant algorithms and solutions. Based on learning and uderstanding these results, those methods are used to set the virtual line to achieve the

11、algorithm of traffic volume statistic. In this paper, the main course of the study is to use the algorithms of digital image, image enhancement, image segmentation, background subtraction, virtual loop update, virtual loop detection within the vehicle. Image segmentation, background subtraction, vir

12、tual loop update are the core of this paper and described in detail. Background subtraction introduces four common algorithms, and analyzes the advantages and disadvantages of each algorithm, combines with the advantages and disadvantages of various algorithms. Finally, in this paper, we use an adap

13、tived-background subtraction. The algorithm can extract a good target image, but it is more sensitive to the external factors, while the emergence of many pseudo-moving target, which is not conducive to the precise of target detection and effect the accuracy of detection, so it is subject for furthe

14、r research and study. This paper presents a reliable real-time traffic flow algorithm based on virtual test line detection. To some extend, this algorithm can detect the traffic flow precisly under the condition of complexity. Keywords: video detection technolog; traffic flow statistics; virtual loo

15、ps update; adaptived-background subtraction 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 VII 页 目 录 摘 要 .IV ABSTRACT.V 第 1章 绪 论 .1 1.1 本论文的背景和意义 .1 1.2 国内外研究现状 .3 1.3 本论文研究内容和方法 .5 1.3.1 研究内容 .5 1.3.2 研究方法 .5 1.4 本论文的结构安排 .6 第 2章 系统总体设计 .7 2.1 总体设计 .7 2.2 系统开发环境 .8 2.2.1 Visual Studio 2008 介绍 .8 2.2.2 OpenCV1.1 介绍 .9 2.2.3 Wi

16、nAVI Video Converter 介绍 .10 2.3 系统环境配置 .11 2.4 本章小节 .15 第 3章 基于视频车流量的算法研究 .16 3.1 算法综述 .16 3.2 算法的详细实现 .16 3.2.1 图像数字化 .16 3.2.2 图像锐化 .19 3.2.3 像素分类 .20 3.2.4 图像分割 .20 3.2.5 背景相减 .22 3.2.6 虚拟线的更新 .24 3.2.7 虚拟线的车流量检测 .25 3.3 本章小节 .27 第 4章 软件的实现 .28 4.1 软件的实现 .28 4.2 本章小节 .34 结 论 .35 西南交通大学本科毕业设计（论文）

17、第 VIII 页 致 谢 .36 参考文献 .37 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 1 页 第 1章 绪 论 1.1 本论文的背景和意义 随着社会的发展和科技的进步,人民的生活水平得到很大的提升,汽车的拥有量 大幅提升,交通需求日益增加,城市交通拥堵,交通事故频繁发生,交通环境日益恶化 以及能源短缺成为当今世界面临的共同问题。在这种情况下,无论是发达国家还是发 展中国家,都毫无例外地承受着不断加剧的城市交通问题的困扰。尤其在我国,由于 我国人口基数大,城市规模发展迅速,迫切需要大量的准确的交通流信息,我国面临的 问题尤为严重。解决交通问题的传统办法是修建和扩建道路,提高网路的通行能力,

18、但随着人口的增长,特别是城市人口的急速增长,城市人均占有面积日益减少,可供修 建道路的面积也越来越少,同时扩大网路的速度也远远不能满足交通需求增长的速度。 同时交通系统是一个十分复杂的综合性十分强的系统,单从某一方面考虑,都很难解 决交通问题。在这种复杂的背景下,怎样高效的对交通进行管理,就显的十分重要,由 此智能交通就成为研究的热点问题 6, 使用科学的方法对现有的道路进行管理，可 以最大限度的挖掘道路的承载能力，在相当大的程度上改善交通环境。此时智能交 通系统 ITS（Intelligent Transportation System）应运而生，它把车辆和道路综合起来 系统地解决交通问题，

19、从而极大地提高了现有道路的利用率。智能交通系统是各国 交通领域竞相研究和开发的热点,它将先进的信息,电子通讯、自动控制、计算机以 及网络等技术有效,综合的运用于整个交通运输管理体系中。从而建立起一种在大范 围内全方位发挥作用的,实时、准确、高效的交通运输综合管理和控制系统。 同时智能交通管理系统覆盖范围很广,在交通系统管理方面包括:自适应的交通 信号、自动事故检测、电子收税系统、电子警察等。在行人系统方面包括:行程规划、 乘车人信息、动态路径指导等。在与安全有关的管理系统方面包括:智能巡查控制、 防撞等。在其他方面包括:救援管理等。 ITS 强调的是系统性、实时性、信息交流的交互性以及服务的广

20、泛性。它是由 若干子系统所组成的，通过系统集成将道路、驾驶员和车辆有机地结合在一起加强 了三者之间的联系。ITS 的系统组成大致分为先进的交通管理系统 ATMS(Advaneed Taffie Management System)、先进的交通信息系统 ATIS(Advaneed Traffie Information System)、先进的公共交通系统 APTS(Advaneed Publie Traffie System)、先进的车辆 控制系统 AVCS(Advaneed Vehiele Control System)、先进的车辆收费系统 AETCS(Advaneed Eleetronie

21、Toll Colleetion System)、紧急事件管理与救援系统 EAMSS(Emergent Affair Management and Succor System)。在这些系统中交通流信息 的获取是一个核心，交通流信息包括多个方面，比如车流量、车型、车速、车流密 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 2 页 度以及道路占有率、排队长度等等 1。 TIS 通过对道路交通流信息进行实时检测，了解道路交通的运行情况，根据交 通流的动态变化，迅速做出交通诱导控制，减轻道路拥挤程度，减小车辆行车延误， 降低发生交通事故的概率，保证行车安全，并使交通设施得到充分利用，实现交通 运输的集约式发展，

22、最终达到智能运输系统(ITS)的目的，使现有宏观交通设施(道路、 桥梁、隧道等) 具有更大的交通运输能力和更高的交通运输安全性。由此可见，道路 交通流信息的实时采集与处理方法研究无论对城市的交通控制、交通管理、交通规 划、路网建设，还是对未来智能运输系统功能的实现都具有重要的理论意义和实用 价值。 由于 ITS 能够显著的缓解日趋紧张的交通拥阻,提高交通效率,越来越受有关部 门的重视。作为 ITS 的基础部分,车流量控制系统在 ITS 中占有很重要的地位。目前 基于视频的检测法是最有前途的一种方法,它是通过图像数字的方法获得交通流量信 息,主要有以下优点： 1. 能够提供高质量的图像信息,能高

23、效、准确、安全可靠地完成道路交通的监 视和控制工作。 2. 安装视频摄像机破坏性低、方便、经济。现在我国许多城市已经安装了视频 摄像机,用于交通监视和控制。 3. 由计算机视觉得到的交通信息便于联网工作,有利于实现道路交通网的监视 和控制。 4. 随着计算机技术和图像处理技术的发展,满足了系统实时性、安全性和可靠 性的要求。交通流量统计是合理建设和管理交通系统的依据,通过对公路通行能力与 公路交通量的适应性分析,从而确定公路建设的合理规模,通过实时的车流量监控数 据,可以及时疏导交通。 车辆检测是一切公路交通管理的基础,它可以用于检测公路主线车流量、车型、 车速、占有率等交通数据，是控制公路的

24、车流出入，确保道路安全畅通的重要手段。 同时它也为交通管理统计有关数据，为管理者、决策者提供有效的数字依据。目前 交通检测广泛应用于交通疏导、道路资源配置、道路建设评估等领域。 目前，交通流量检测技术大致可分为三类 2: 第一类为基于压电回路的永久埋入式系统，如环形地埋式线圈检测，这类系统 虽然可靠，但费用较高。因为需将传感器永久性埋入地下，其设立和维护都需挖掘 路面，费时费力且影响交通。 第二类为近年来兴起的悬挂式系统，如基于闭路电视、微波、雷达、红外线或 超声波传感器的检测系统。比如超声波检测，容易受车辆遮挡和行人的影响，检测 的精度不高，检测距离短;红外线检测受到车辆本身热源的影响，抗噪

25、声的能力不强， 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页 检测精度也不高。 第三类为基于图像处理技术的交通流量视频检测系统。现在大部分基于视频处 理的车流检测技术，也只能处理比较简单情况，如高速路上的车流量统计。 工程中普遍使用的虚拟线圈的方法，也因为提取的车辆运动状态信息太少而解 决不了人车分类等关键问题。而城市路口的交通情况非常复杂，如：车和行人构成 的混合交通流，大规模的遮挡，红灯期间车辆停下变成背景，复杂天气，昼夜变换 等因素，这些都是一个实用的路口流量统计系统必须解决的问题。完全基于视频处 理的、高效的路口车流量统计系统对我国城市交通的发展具有重要的意义。视频交 通流检测系统是一

26、种利用图像处理技术实现对交通目标检测的计算机处理系统。视 频交通流量检测系统利用图像处理与识别技术，通过视频信号检测道路交通流量。 利用视频采集卡获取视频信号，由图像处理设备将视频信号转换成数字图像;通过对 道路交通状况信息与交通目标的各种行为(如违章超速，停车，超车等等)的实时检 测，实现自动统计交通路段上行驶的机动车的数量、计算行驶车辆的速度等各种有 关交通参数，达到监测道路交通状况信息的作用。同时，将检测到的交通信息存储 起来，为分析和交通管理提供依据，因此它也是一个交通信息的管理系统。 目前在世界上主要形成了美国、日本、欧盟三大 ITS 研究基地，此外亚洲的韩 国、新加坡和我国的香港特

27、区发展水平较高。我国是世界上经济持续发展较快的发 展中国家，随着经济的快速发展和社会的不断进步，对智能交通系统的研究正在轰 轰烈烈之时，很多专家和学者都投入了大量的精力、时间，大大推动了我国 ITS 的 发展。随着中国智能交通系统的发展，可以肯定的是基于计算机视觉和图像处理技 术的道路视频监测系统将在 ITS 中扮演着越来越重要的角色。因此，对相关问题的 研究具有很大的现实意义和应用价值。 1.2 国内外研究现状 智能交通系统已经成为国内外共同关注的热点问题,在国际上有许多研究机构在 钻研着这个课题,也提出了许多解决方法和算法。人们在 20 世纪 80 年代，就开始了 对交通车辆视频检测系统的

28、研究。近年来，交通监视控制系统越来越广泛地采用计 算机视觉和图像处理技术。该研究涉及的领域也越来越多，其中包括有没有车辆的 到来、车流量的大小、车速的快慢、道路的占有率以及车牌的识别等，这些参数的 分析涉及到运动目标跟踪、模式识别、网络技术等领域。视频检测技术就是一种结 合视频图像和电脑模式识别技术而应用于交通领域的新兴技术。 它通过视频摄像机 和计算机模仿人眼的功能，将连续的模拟图像转换成离散的数字图像后，在成熟的 物理模型和数学模型的基础上编制软件进行分析处理，模拟各种其它形式的车辆检 测器获取交通信息，为交通领域的多种实际应用提供了工作平台。目前这方面的难 西南交通大学本科毕业设计（论文

29、） 第 4 页 点很多，特别是视频图像处理和识别是相当尖端的科技，世界各国的学者为此做了 大量的工作，也取得了不少的成果。例如: S.Takab7等提出处理样本点的方法来检测车辆 :在车道中取特定的样本点，在样 本点上求取图像帧差，通过样本点的状态来检测车辆是否出现。然后通过确定样本 点在每个车道中的位置来进行车辆计数;再测量每个车道中车辆第一次触发和第二次 触发样本点的相差时间，以及两样本点间的距离来求解车辆的速度。此方法应用在 东京大学开发的交通监控系统中，其车辆的计数误差小于 5%，速度的误差小于 10%。 T.Abramczuk8在检测线上应用图像帧差的方法来检测车辆:每个车道上设置平

30、行 于道路的一条检测线，每条检测线为 3 个像素宽，根据车辆沿车道线的长度方向移 动状况，分割出运动车辆，通过跟踪这些分割出来的运动车辆，得到车辆计数、求 解车辆速度。此方法应用于瑞典皇家技术院开发的道路交通监视控制系统中，并取 得了满意的效果。 Bristo1910大学先进计算研究中心研究人员应用图像帧差的方法处理复杂路口上 的多车道车辆统计、车速检测和车辆跟踪，即通过跟踪图像序列上分割出来的车辆 运动区域来完成车辆的路径、速度和进/出点的监视控制。研究人员提出了减少灯光 变化对运动检测的影响和确保运动检测可靠的图像帧差方法。车辆检测算法具有较 强的泛化能力，并可采用专用视觉传输硬件和可编程

31、硬件来提高处理速度。 M.Fathy 和 M.Y.Siyal11提出了排队状态、排队长度、占有周期和占有率检测方 法。此方法在由轮廓围成的小区域上应用图像帧差方法。每一个轮廓仅有一个像素 宽并且沿车道的中心线延伸。排队检测时，首先确定轮廓区有没有运动，然后基于 边缘的车辆检测算法检测车辆是否出现，如果车辆一旦出现且没有运动，则可确定 为排队状况，沿轮廓以一定的间隔来检测车辆，得到用时间表示的排队长度函数关 系式的值，即排队长度。占有周期和占有率同样可根据排队长度表达式的值计算出 来。 NEWCAST 大学的 Rourke.ABell MGH 和运输工作研究小组提出了用多窗口技 术来检测二值图像

32、中的车辆。二值图像由灰度直方图分割产生，O 像素表示道路和 阴影，1 像素表示出现的车辆，在车道的交通场景中设置上游和下游两个窗口，两 个窗口的位置由操作员在图像中简单地移动光标来确定，通过统计两窗口的车辆运 动规律来自动计数车辆和检测车辆的速度。此方法应用在“用低价图像处理进行交 通分析”系统中，车辆计数器精度为 95%，车辆平均速度检测误差为 5%至 10%。 除此之外在此方面还有很多的研究成果,用于实际的车流量检测系统中。 通过 以上综述可以看出:目前世界上基于视频的车辆检测技术算法主要是根据图像的帧差 法、背景差法、边缘检测法来检测车辆信息，具体实现是在摄取的图像中的车道上 西南交通大

33、学本科毕业设计（论文） 第 5 页 作标记，根据标记上的灰度值的改变来统计车辆信息。各国各个机构都在努力通过 各种途径来解决基于视频图像处理的车辆检测法中的各种问题，但目前还没有一个 能普遍应用、权威的算法。 1.3 本论文研究内容和方法 1.3.1 研究内容 在对视频图像进行分析研究中，车辆的实时检测与分割是最基础的部分，其他 的功能都是建立在车辆检测与分割算法的基础上的。本设计是通过学习和总结前人 经验的基础上完成的。 本设计以实现计算视频中的车流量为主要目的；以如何更新虚拟线、提取车辆 信息为主要设计内容。但是提取车辆信息是最困难的。当有车辆经过虚拟线的时候， 由于车窗的颜色与车辆本身的

34、颜色不同，也会导致虚拟线的变化，所以采用了合并 算法来解决这个问题。本设计研究的主要内容有: 1. 交互式交通场景初始化:提供友好的用户界面，用户可以根据不同的实际的 交通情况进行针对性地设置虚拟线位置等其他信息。 2. 动态虚拟区域更新算法:由于系统会在不同的环境下长时间的使用，如果仅 仅根据初始化的区域信息是无法满足光线、天气等变化环境的需要，由此提出一种 自适应光线和天气等变化的动态虚拟区域更新算法。我们可以通过切换不同算法来 提取不同天气状态下的虚拟线变化情况。 3. 基于虚拟区域的车流计数算法:此算法用于提高检测系统的准确性。 1.3.2 研究方法 本设计通过对前人研究的学习和借鉴,

35、采用通过视频中灰度的变化来检测车流 量,从而达到车流量的计数统计。 基于视频的车流统计系统的工作原理是通过不断检测虚拟线的色度与当前视频 帧的色度差异判断是否有车辆经过，并统计出车辆的数目。该系统一般包括虚拟线 设置、设定变化量、计算车流量、显示车流量和导出车辆信息如图 1-1 所示。首先 我们在视频的第一帧上设置一条虚拟线，设定好变化量后开始计算车流量，按任意 键结束统计时显示从开始到结束的这段时间内经过的车流量。最后将统计中的每辆 车的信息导出到指定文件中。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 6 页 设定变化量 设定虚拟线 计算车流量 检测车流量 导出车辆信息 图 1-1 车流量检测系

36、统工作图 1.4 本论文的结构安排 本论文全篇分为四个部分结构安排如下: 第 1 章主要介绍视频车流量检测的背景意义,现状以及研究的主要内容和方法。 第 2 章首先介绍了本设计的设计思路，基本思想，同时还介绍了本设计的开发 工具，开发环境。 第 3 章主要介绍算法研究同时还介绍了设计中运用到的相关技术知识。 第 4 章主要讲解如何实现车流量计数的功能。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 7 页 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 8 页 第 2章 系统总体设计 基于视频的车流统计系统是一种实用化的系统，它的工作原理是从在视频的第 一帧上设置虚拟线 34开始统计车流量，结束统计后在 MFC

37、 界面上显示统计结果， 并且可以将每辆车的车辆信息导出到指定文件中。 2.1 总体设计 使用 MFC 等界面库编写用户操作界面，方便视频的输入、显示、操作以及输出, 用户通过界面选择视频，通过界面在视频的第一帧上操作，设定虚拟线，系统对虚 拟线进行初始化。使用累积的方法更新虚拟线，通过不断检测虚拟线的色度与当前 视频帧的色度差异判断是否有车辆经过，并统计出车辆的数目；提供一些额外的人 性化功能，比如把不同车辆的视频帧以图片的形式保存到文件中。该系统主要包括 以下几个方面: 1.设置虚拟线 在视频的第一帧上设定虚拟线,就是设置一条直线,以该直线一定 区域内作为一个检测矩形区域,判断该区域内的灰度

38、变化从而达到车流量检测的目的。 在此基础上并设置相关的阈值及播放速度。 2.图像数字化 因为视频图像是模拟信号,计算机不能处理,所以要通过模数转换 将其转换成数字信号,再送入到计算机中进行处理。其目的在于改善图像的质量，将 输入的质量低的图像，运用各种方法如图像增强、复原、编码、压缩等进行改善， 使得处理后的图像更适合后续的分析。 3.图像锐化 图像锐化就是补偿图像的轮廓,增强图像的边缘及灰度跳变的部分, 使图像变得清晰。 4.像素的分类 就是将视频图片中虚拟线矩阵区域的像素从背景图像或者移动物 体中区分出来。为以后其他环节做好准备工作。 5.图像分割 把视频中人们关注的感兴趣的部分分离出来。

39、 6.车流量的统计 此环节是进行车流量的统计工作。 7.背景实时更新 这也是该设计的核心内容,其目的在于将现在的图像与背景图 像进行比较,从而确定虚拟线框区域内是否有变化,从而可以确定是否有车辆通过。 8.导出车流量信息 将统计的车辆导出到指定的地方。 具体流程工作图如图 2-1 所示: 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 9 页 开始 打开读取视频文件 图像锐化 图像数字化 在视频文件第一帧设置虚拟线并置 阈值及播放速度 图像分割 车流量统计 导出车辆信息 背景更新 结束 图 2-1 系统工作流程图 2.2 系统开发环境 本设计主要使用了三种开发工具:Visual Studio 2008,

40、OpenCV1.1 以及 WinAVI Video Converter 视频格式转换工具。 2.2.1 Visual Studio 2008 介绍 Visual Studio 2008 是微软公司推出的开发环境。是目前最流行的 Windows 平台 应用程序开发环境。V isual Studio 可 以 用 来 创 建 Windows 平 台 下 的 Windows 应 用 程 序 和 网 络 应 用 程 序 ， 也 可 以 用 来 创 建 网 络 服 务 、 智 能 设 备 应 用 程 序 和 Office 插 件 。 使用 Visual Studio 2008 可以高效开发 Windows

41、 应用。设计中可以实 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 10 页 时反映变更，Xml 中的智能感知功能可以提高开发效率。同时 Visual Studio 2008 支 持项目模版、调试器和部署程序。Visual Studio 2008 可以高效开发 Web 应用，集成 了 ajax 1.0 包含了 ajax 项目模板，它还可以高效开发 Office 应用和 Mobile 应用。 Visual Studio 2008 在三个方面为开发人员提供了关键改进:快速的应用程序开 发,高效的团队协作,突破性的用户体验。 Visual Studio 2008 提供了高级开发工具、调试功能、数据库功能和创

42、新功能， 帮助在各种平台上快速创建当前最先进的应用程序。 Visual Studio 2008 包括各种增强功能，例如可视化设计器（使用 NET Framework 3.5 加速开发） 、对 Web 开发工具的大量改进，以及能够加速开发和处理 所有类型数据的语言增强功能。Visual Studio 2008 为开发人员提供了所有相关的工 具和框架支持，帮助创建引人注目的、令人印象深刻并支持 AJAX 的 Web 应用程。 开发人员能够利用这些丰富的客户端和服务器端框架轻松构建以客户为中心的 Web 应用程序，这些应用程序可以集成任何后端数据提供程序、在任何当前浏览器 内运行并完成访问 ASP.

43、NET 应用程序服务和 Microsoft 平台。 为了帮助开发人员迅速创建先进的软件，Visual Studio 2008 提供了改进的语言 和数据功能，例如语言集成的查询(LINQ)，各个编程人员可以利用这些功能更轻松 地构建解决方案以分析和处理信息。Visual Studio 2008 还能使开发人员能够从同一 个开发环境中创建多个 NET Framework 版本的应用程序。开发人员能够构建面向 NET Framework 2.0、3.0 或 3.5 的应用程序，意味他们可以在同一环境中支持各种各 样的项目。 Visual Studio 2008 为开发人员提供了在最新平台上加速创建紧

44、密联系的应用程 序的新工具，这些平台包括 Web、Windows Vista、Office 2007、SQL Server 2008 和 Windows Server 2008。对于 Web，ASP.NET AJAX 及其他新技术使开发人员能够 迅速创建更高效、交互式更强和更个性化的新一代 Web 体验。 Visual Studio 2008 提供了帮助开发团队改进协作的扩展的和改进的服务项目， 包括帮助将数据库专业人员和图形设计人员加入到开发流程的工具。 2.2.2 OpenC V1.1 介绍 OpenCV 的全称是：Open Source Computer Vision Library。O

45、penCV 是 Intel 公司 支持的开源计算机视觉库。它轻量级而且高效由一系列 C 函数和少量 C+ 类 构成，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。 它包括 300 多个 C/C+函数的跨平台的中、高层 API。它不依赖于其他的外部 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 11 页 库，但是也可以使用某些外部库。 OpenCV 有以下特征： 1. 开源计算机视觉库采用 C/C+编写； 2. 使用目的是开发实施应用程序； 3. 独立于操作系统、硬件和图形管理器； 4. 具有通用的图像/视频载入、保存和获取模块； 5. 具有底层和高层的应用开发包。 OpenCV 能够实现以下功能： 1

46、. 对图像数据的操作，包括分配、释放、复制、设置和转换数据； 2. 图像和视频的输入输出，指文件和摄像头座位输入，图像和视频文件作为输 出； 3. 具有对矩阵和向量的操作以及线性代数的算法程序，包括矩阵积、解方程、 特征值以及奇异值等； 5. 具有基本的数字图像处理能力，如可进行滤波、边缘检测、采样与差值、色 彩转换、形态操作、直方图和图像金字塔等操作； 6. 可对各种结构进行分析，包括连接部件分析、轮廓处理、距离变换、各种距 地计算、模版匹配、Hough 变换、多边形逼近、直线你和、椭圆拟合和 Delaunay 三 角划分等； 7. 对摄像头的定标，包括发现与跟踪定标模式、定标、基本矩阵估计

47、、齐次矩 阵故居和立体对应； 8. 对运动的分析，如对光流、运动分割和跟踪的分析； 9. 对目标的识别，可采用特征法和隐马尔可夫模型； 10. 具有基本的功能，包括图像与视频显示、键盘和鼠标事件处理及滚动条等。 11. 可对图像进行标注，如对线、二次曲线和多边形进行标注，还可以字（目 前只支持中文） 。 OpenCV 包括以下几个模块，其具体功能是： 1. CV 主要的 OpenCV 函数； 2. CVAUX 辅助的（实验性的）OpenCV 函数 ； 3. CXCORE 数据结构与线性代数支持； 4. HIGHGUI 图像界面函数； 5. ML 机器学习，包括模式分类和回归分析等； 6. CV

48、CAM 负责读取摄像头数据的模块。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 12 页 2.2.3 WinAVI Video Converter介绍 WinAVI Video Converter 是 一 款 影 片 格 式 转 换 软 体 ， 从 此 ， 使 用 者 再 也 不 会 因 各 种 影 片 格 式 的 限 制 ， 导 致 放 映 和 传 输 等 困 难 ； 它 支 持 几 乎 所 有 的 视 讯 格 式 的 转 换 ， 包 括 AVI， MPEG1/2/4， VCD/SVCD/DVD， DivX， XVid， ASF， WMV， RM， Quic kTime MOV， Flash SW

49、F， 并 支 持 烧 录 VCD/SVCD/DVD。 透 过 先 进 的 影 像 压 缩 引 擎 ， 即 可 达 到 在 一 小 时 内 完 成 转 换 整 补 AVI 电 影 至 DVD 烧 录 碟 片 ， 而 且 影 音 质 量 完 美 ， 您 可 在 任 何 的 家 用 影 碟 机 或 者 硬 驱 上 欣 赏 影 片 。 产 品 性 能 AVI 至 DVD； AVI 至 MPEG； AVI 至 VCD； AVI 至 MPG； 支 持 Flash SWF 的 转 换 ； 支 持 所 有 的 视 讯 格 式 转 换 至 DVD/VCD/SVCD/MPEG1/MPEG2； 支 持 所 有 的

50、视 讯 格 式 转 换 至 AVI/WMV/RM/ASF/DivX/XVid； 支 持 Quicktime MOV 的 转 换 ； 内 置 真 正 的 Real Dolby AC3 音 频 解 码 ； 内 置 真 正 的 Real DVD 导 航 器 ； 支 持 Direct AC3 技 术 ； 支 持 杜 比 AC3 5.1， 转 换 包 含 AC3 的 AVI 影 片 比 同 类 产 品 提 速 20%， 此 项 技 术 属 全 球 领 先 ； 支 持 烧 录 VCD/SVCD/DVD 影 碟 ； 无 以 伦 比 的 完 美 影 像 画 质 ； 人 性 化 程 式 界 面 ， 使 用 者

51、一 目 了 然 ； 可 设 置 实 时 转 换 预 览 ； 可 设 置 转 换 完 成 后 自 动 关 机 功 能 ； 支 持 烧 录 VCD/SVCD/DVD。 2.3系统环境配置 本设计采用 Visual Studio 2008 开发环境 1. 下载 Visual Studio 2008 软件： 官方下载地址:http:/ 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 13 页 的是 OpenCV1.1 版本,到 OpenCV 官方网站下载 OpenCV_1.1pre1a.exe。官方下载地 址： http:/ ij ijijijDFtDk (3-9) , ,().()1.()ijij ijBka

52、IaB 公式 3-7 中， ，表示（i,j）位置第 帧的像素值， 表示（i ,j）位,ij k,()ijIk 置的第 帧的像素值，第 帧与第 相差了 帧，当两个像素值的差值小于()k() 等于给定阈值 时，表示这个点的像素值变化比较小，表示没车辆经过；当两个值Tf 的差值大于 时，表示有车辆经过。公式 3-8 中，当 的值不断变化时，表示,()ijFt 背景不断被更新，每当背景更新一次， 就减 1，直到 的值变为固定值,()ijDk,ijDk 。公式 3-9 表示背景更新， 为当前像素值， 为变化量，,ijI ,(1)B 通过两个值的结合不断进行背景更新 17。 西南交通大学本科毕业设计（论文

53、） 第 26 页 图 3-5 虚拟线设置 如 3-5 所示,虚拟是由两个点连接的一条直线确定的,这两个点的位置是由设置 人随意设定的,这条直线是设置在车辆必经的地方十分重要的地方或者交通十分复杂 的路面用来检测车流量信息。能够及时准确的检测出道路路况,并及时反映出来,给 决策人解决问题提供重要的信息。 3.2.7 虚拟线的车流量检测 基于视频的车流量统计系统，采用的方案有多种多样，有的采用基于视频目标 的识别和跟踪的方案；有的采用基于视频目标的分割以及求分割外接包围盒再加跟 踪的方案，还有一类简单的方案是采用虚拟线圈的方法。由于前面两类方法算法很 复杂，程序的速度也很慢，我们采用的是虚拟线圈方

54、法 18。 当车辆经过某区域时，必然引起该区域的视觉信息变化，只要能检测到该区域 的视觉信息变化具有车辆运动的特征，即可判定有车辆存在。因此抓住视觉信息变 化这一特点，只观测车道的某一断面，就可进行车辆记数。目前有一种设置虚拟线 的的方法,检测线方法,检测线是基于像素的分析,计算速度快,本设计在车辆必经之 地或者重要的车道位置设置一条虚拟线来检测通过的车辆,从而统计车流量。 这类方法的好处是算法比较简单易懂，程序的运行速度快，而且在一般的场景 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 27 页 中，这类方法也能取得比较准确的统计结果。基于视频虚拟线圈 19的方案中，最关 键的部分涉及如何设置虚拟线

55、圈、如何对虚拟线圈进行更新、如何根据虚拟线圈判 别是否有车辆经过、在此基础上如何区分多辆车辆获得正确的统计结果。 有很多的方法能判断车辆信息，本课题提出的方法是在车道上划定一条虚拟线， 每当车辆经过虚拟线的时候，都会使虚拟线的颜色发生变化，通过这样就可以知道 是否有车辆经过。虚拟线的定义如下，在视频上设置两个点，像素在这两个点中得 出一个均值。 设定好虚拟线之后，将会触发一个函数，使程序可以设置变化量。如图 3-6 所 示： 图 3-6 变量设定的操作界面 该设计的基本工作原理如下： 1. 系统初始化：对系统中的参数进行设定,其中主要是先确定虚拟线的位置,对 阈值的取值进行设定以及播放视频动画

56、的速度进行设置。虚拟线的位置可以任意设 定。 2. 视频采集: 首先将摄像机采集到的图像,按照采集的先后顺序连续捕捉下来 进行数字化。 并存入内存或帧缓存中，每新到一帧就把这一帧图像送到算法子系统 中进行工作。 3. 图像预处理: 将这些采集到的序列数字图像进行预处理如图像锐化等。 4. 车辆检测: 将当前帧的图像与设置的背景图像进行比较,也即是将设置的虚 拟线中的像素进行比较。同时进行背景刷新,将获得的车辆数据存入到数据库中。 5. 车辆计数: 当有车辆通过时就开始计数，并将数据存入到数据库中。 最后对数据库里的数据进行统计分析，并导出相关车辆的图片。达到车流量检测 的目的。 其基本思想如下

57、:首先通过用户界面指定虚拟检测线 20的放置位置。当系统采集 到一帧数据后，将图像进行相关的预处理,将当前帧的图像与背景图像进行比较,虚 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 28 页 拟线中的像素是否有变化,分析当前车道是否有车辆经过.从而获取车流量信息。该 系统的总体流程框图如图 3-7 所示: 采集图像 虚拟线的设置 播放速度设置及阈值的 设置 图像预处理 车流量统计 背景更新 开始 结束 图 3-7 总体系统流程图 3.3 本章小节 在本章中主要介绍基于视频车流量检测的算法研究以及本设计中运用到的一些 相关技术知识,图像数字化,图像锐化,像素分类,图像分割,背景相减技术的基本思想 和基

58、本算法。虚拟线更新算法,虚拟线的车流量检测技术。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 29 页 第 4章 软件的实现 本算法采用软件编程语言在计算机上进行了验证，操作系统平台为 WindowsXP，应用程序开发环境为 Visual studio 2008，本视频来源于一车流量较复 杂的路段。本章节主要介绍如何使用该软件。 4.1 软件的实现 软件操作流程如下： 1. 点击生成的 EXE 文件 CV.exe 开始软件的操作，打开 exe 文件后弹出操作界 面，如图 4-1 所示。 图 4-1 操作界面 2. 点击文件打开 AVI 格式的视频文件。 3. 打开文件后将视频文件导入到软件中,然后点

59、击工具设置虚拟线就出现如下 界面，如图 4-2 所示。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 30 页 图 4-2 虚拟线设置界面 4. 此时就可以自由的设置虚拟线的位置如图 4-3，4-4 所示： 图 4-3 虚拟线的设置 虚拟线可以根据不同的时间,不同的地点,不同的情况,以及不同的需求任意的设 置,灵活性较强，给用户带来方便。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 31 页 图 4-4 虚拟线的设置 5. 点击工具自定义视频分析弹出一个设置阈值的对话框。如下图 4-5 所示： 图 4-5 设置阈值对话框 其中第一项中输入变化阀值的数值可以根据实际的情况而定,取出最优的变化阀 值达到精确的车

60、流量计数的优点。第二项动画速度的设置也可以根据视频播放速度 的快慢自由设定,灵活性较强。设置完成之后点击确定按钮。此时弹出一个提示对话 框。如图 4-6 所示： 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 32 页 图 4-6 车流量计数开始界面 6. 点击确定按钮就弹出 Video 界面进入到车流量计数的状态。如图 4-7 所示： 图 4-7 车流量计数 同时可以点击工具中的显示变化检测动画视频,就会弹出另外的两个界面一个是 Background 如图 4-8 所示，另一个是 Foreground 如图 4-9 所示。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 33 页 图 4-8 Backgroun

61、d 界面 Background 界面此时的界面是静止不动的 图 4-9 Foreground 界面 此界面是连续运动的,实时的更新。按任意键弹出下图界面,此时就停止车流量 计数。并显示出车辆的数目，如图 4-10 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 34 页 图 4-10 显示车辆数目 7. 点击工具中的将车导出文件按钮，就可以将检测到的车量保存到指定的地方。 导出图像如图 4-11,4-12,4-13 所示。 图 4-11 第一辆车 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 35 页 图 4-12 第二辆车 图 4-13 第三辆车 4.2 本章小节 在本章节中主要介绍了软件是如何实现的,如何操

62、作软件来实现车流量计数,统 计。通过此软件可以实现车流量精确的统计，为决策者提供准确的信息，通过此数 据决策者可以作出最优的决策。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 36 页 结 论 作为一个有着广泛应用背景的研究领域，智能交通系统中交通流参数的获取研 究所涉及到的内容是很广泛的，而且目前基于视频的车辆检测是该领域的热点问题。 本文正是针对这种研究背景，以基于图像处理技术的车流量视频检测为目标,采用视 频文件为研究对象进行了探讨。 本设计通过对前人研究的学习和借鉴,采用设置虚拟线的方法, 通过用户界面指 定虚拟检测线的放置位置。当系统采集到一帧数据后，将图像进行相关的预处理,将 当前帧的图

63、像与背景图像进行比较,虚拟线中的像素是否有变化,分析当前车道是否 有车辆经过,获取车流量信息。从而达到车流量的计数统计目的。 在对视频车流量检测的研究中,首先介绍了智能交通系统的背景和研究意义。通 过运用图像数字化,图像锐化,图像分割,背景相减等技术实现了对复杂交通环境情况 下的车流量统计。通过对前人提出的传统算法的学习和研究,根据现有的算法的基础 上采用自适应背景修正方法,并在此基础上有所改进,使得检测数据更加精确真实,可 靠,对智能交通系统的研究有一定的意义。 本设计基本能够达到任务书上的要求实现车流量的计数统计。 但由于本人时间、 水平、知识和经验有限，在车流量检测的准确度上还是一定的误

64、差,有时会出现计数 不准确的效果。这一点有待于以后的研究和改进。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 37 页 致 谢 在大学四年的时光里,首先要感谢西南交通大学对我的培养和教育.在这四年里 我学到了很多的知识,各方面素质都得到了很大的提升。 这一次自己完成毕业设计的过程我学到了很多的东西,在独立思考,自学能力方 面,以及动手设计方面有了很大的提高。当完成毕业设计时自己也很有成就感,增强 了动手能力,在以后的工作中有了充足的信心，这次毕业设计可以说时受益颇多。自 己的综合素质得到了极大的提升,在此首先要感谢我们尊敬的侯进老师的关心和指导,以 及研究生导师的帮助。他们对我耐心负责的指导使我十分

65、的感动，在此十分感谢你 们! 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 38 页 参考文献 1 史其信， 陆化普. 中国 ITS 发展战略构想R. 公路交通科技. 1998，15(3): 13-16 2 徐晓夏， 陈泉林. 视频交通监控系统J. 现代电子技术. 2003，(9):72-74 3 宫兴斌， 张毅. 基于单线圈的速度估计混合模型D. 计算机仿真. 2005,22(8): 83-86 4 张绍满， 盛翊智， 李炳基. 一种基于虚拟线圈运动矢量的车速检测方法 N. 华中科技大学学报. 2002，3(1):76-78 5 袁基炜， 史忠科. 一种快速运动目标的背景提取 M. 计算机应用研究.

66、 2004，5(8)：128-129 6 K. Aikawa. Introduetion of Intelligent Vehiele Deteetion Sensors. Proeeedings of the 5th World Congresson Intelligent M. TransPortation Systems. Korea. 1998. 7 S. Takabaetal. Measurement of Traffie Flow UsingRea-time Processing of Moving Pictures J. Conf on Vehicular Technology. 1982. 8 T. Abnamezuk. A Mieroeomputer Based TV Deteetor for Road Traffie R. Symposium on Road Researeh Program, Tokyo. 1984. 9 J. Bulas-Cruz. A Tempral Smoothing Technique for Real-time Motion Dete