基于圖像處理車(chē)流量檢測(cè)的智能交通燈控制

.年度2016年編號(hào)科學(xué)研究項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)項(xiàng)目類(lèi)別：重大項(xiàng)目（ ）（勾選）重點(diǎn)項(xiàng)目（ ）一般項(xiàng)目（）青年項(xiàng)目（ ）項(xiàng)目名稱(chēng)：基于圖像處理車(chē)流量檢測(cè)的智能交通燈控制申請(qǐng)者：承擔(dān)單位：申請(qǐng)時(shí)間：2016年 3 月 2016年科學(xué)研究項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)活頁(yè)論證表填表說(shuō)明：本表供匿名評(píng)審使用。填寫(xiě)時(shí)，不得出現(xiàn)課題申請(qǐng)人和課題組成員的姓名、單位名稱(chēng)、職務(wù)等信息（或用*符號(hào)代替），否則一律不得進(jìn)入評(píng)審程序。項(xiàng)目名稱(chēng)： 基于圖像處理車(chē)流量檢測(cè)的智能交通燈控制 （限4000字左右）1.本項(xiàng)目研究現(xiàn)狀述評(píng)，選題意義和研究?jī)r(jià)值。2.本項(xiàng)目研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容、主要觀點(diǎn)及創(chuàng)新之處。3.本項(xiàng)目的研究思路、研究方法、技術(shù)路線和實(shí)施步驟。4.預(yù)期成果。5.項(xiàng)目研究基礎(chǔ)。1.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀基于圖像處理車(chē)流量檢測(cè)的智能交通燈控制是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，目前世界上應(yīng)用較普遍的智能交通系統(tǒng)都是科技比較發(fā)達(dá)的地區(qū)和國(guó)家，如日本的VICS系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，歐洲、美國(guó)和其他一些地區(qū)應(yīng)用也比較廣泛1。很多發(fā)達(dá)國(guó)家都不惜投入了大量的人力和資金研究ITS系統(tǒng)，并且都取得了較滿(mǎn)意的效果。我國(guó)相對(duì)于國(guó)外發(fā)展較晚，90年代初期才開(kāi)始進(jìn)行研究探索。隨后ITS系統(tǒng)的研究便一發(fā)不可收拾，慢慢步入正軌，2007年在北京召開(kāi)的第十四屆以ITS為主題的國(guó)際會(huì)議，我國(guó)ITS研究水平得到了進(jìn)一步提高。上海、北京、廣東等比較發(fā)達(dá)的城市也已經(jīng)引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的ITS技術(shù)和設(shè)備，各大城市也相繼有ITS的重大項(xiàng)目上馬。一方面，一些公司看到了ITS在我國(guó)的發(fā)展前景和經(jīng)濟(jì)效益，不惜投入大量的人力和資金研究ITS技術(shù)，另一方面，國(guó)家有關(guān)部門(mén)大力支持并鼓勵(lì)學(xué)者、技術(shù)專(zhuān)家積極研究ITS技術(shù)，爭(zhēng)取研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ITS系統(tǒng)。得益于這些因素，我國(guó)的ITS系統(tǒng)的研究正處于方興未艾階段，并正逐步走向成熟。車(chē)流量檢測(cè)是智能交通燈控制的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前比較流行的車(chē)輛檢測(cè)方法包括波頻檢測(cè)法、地感線圈檢測(cè)法、智能視頻檢測(cè)法等。波頻檢測(cè)方法利用紅外線、超聲波或微波等專(zhuān)用設(shè)備對(duì)通過(guò)的車(chē)輛發(fā)出電磁波，并接收感應(yīng)信息進(jìn)行檢測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)氣溫的變化不敏感，且架構(gòu)較為簡(jiǎn)單。但它也有很多缺陷，比如靈敏度不夠高，也存在一定的錯(cuò)誤率。地感線圈檢測(cè)屬于一種被動(dòng)接觸式的檢測(cè)技術(shù)。這種方法在檢測(cè)交通流量、交通占有率等方面準(zhǔn)確率高，而且氣候條件影響極小，使用成本也比較低。但此方法施工復(fù)雜，維護(hù)成本高，在安裝設(shè)備時(shí)要求將線圈埋入道路下，需要中斷交通，挖路維修或更換設(shè)備，不僅影響正常的交通，還損壞道路。智能視頻圖像檢測(cè)法屬于一種非接觸式檢測(cè)技術(shù)，車(chē)輛視頻圖像是通過(guò)安裝在道路上的探頭、攝像機(jī)或圖像采集卡等裝置采集獲取。當(dāng)視頻裝置檢測(cè)到有車(chē)輛進(jìn)入較好的拍照范圍時(shí)，立即觸發(fā)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行抓拍，并將視頻圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至終端進(jìn)行相應(yīng)的處理和分析，從而獲取車(chē)輛的相關(guān)信息。采用智能視頻圖像檢測(cè)法與其他檢測(cè)方法相比，有如下優(yōu)點(diǎn)2：（1）硬件安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單方便，不會(huì)損壞路面，便于更換設(shè)備，不會(huì)影響正常交通，硬件安裝費(fèi)用和維護(hù)的成本低；（2）道路交通情況的監(jiān)測(cè)畫(huà)面便于存儲(chǔ)，必要時(shí)可以離線分析處理；（3）通過(guò)視頻裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)控交通情況，實(shí)時(shí)掌握交通信息；（4）采集的車(chē)輛信息比較豐富、直觀，方便交通管理人員的管理；（5）兩個(gè)相鄰監(jiān)控點(diǎn)之間的信號(hào)不會(huì)相互干擾；（6）可以調(diào)整擴(kuò)大監(jiān)控范圍。但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)，采集裝置采集的圖像質(zhì)量與天氣、光照等外界因素有很大的關(guān)系，當(dāng)天氣、光照不佳時(shí)，采集到的圖像質(zhì)量較差，清晰度下降，不便于進(jìn)行后續(xù)的分析處理，極大的影響系統(tǒng)的性能，目前基于圖像處理的車(chē)輛檢測(cè)較為常用的方法主要包括：背景差分法3，幀間差分法4，光流法5，高斯混合模型法6,7等。這些方法的難點(diǎn)是背景的消除，而且當(dāng)攝像機(jī)的抖動(dòng)、光照變化較大、存在陰影時(shí)，檢測(cè)結(jié)果會(huì)受到很大影響。而基于圖像車(chē)輛檢測(cè)方法主要有基于車(chē)輛對(duì)稱(chēng)性的定位8，基于車(chē)輛顏色和紋理的定位9，基于車(chē)輛邊緣的定位10等，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但效果不佳且魯棒性較差。此外，慕永云等人11采用結(jié)合車(chē)輛陰影特征、邊緣特征、紋理特征和對(duì)稱(chēng)性的車(chē)輛檢測(cè)算法，文獻(xiàn)12提出一種基于車(chē)牌照模型的車(chē)輛檢測(cè)方法，連捷等人13利用車(chē)輛輪廓對(duì)稱(chēng)性及車(chē)牌定位信息融合檢測(cè)車(chē)輛。但在復(fù)雜條件下，這些方法的檢測(cè)效果還不是很理想，需要進(jìn)一步的研究。2.選題意義和研究?jī)r(jià)值交通運(yùn)輸是人類(lèi)文明進(jìn)步的一個(gè)重大推力。經(jīng)濟(jì)社會(huì)越發(fā)展，交通運(yùn)輸就顯得越來(lái)越重要14。改革開(kāi)放以后，隨著城市化進(jìn)程不斷加快，汽車(chē)保有量也快速增長(zhǎng)，使得城市交通問(wèn)題日益突現(xiàn)，交通擁堵，車(chē)流不暢，交通污染等問(wèn)題大大影響了人們的出行效率與安全。傳統(tǒng)的交通解決方案例如拓寬道路、加大路網(wǎng)密度、建立立體交通等越來(lái)越顯示出其局限性，只有利用高科技手段才能改善日趨嚴(yán)重的交通問(wèn)題，因此，智能交通的引進(jìn)和發(fā)展成為交通發(fā)展的必然趨勢(shì)。交通路口處交通燈的智能控制正是其中一個(gè)重要組成部分。目前我國(guó)絕大部分城市交通信號(hào)燈都采用固定周期的方式，也就是紅綠燈的周期是固定不變的，而少數(shù)城市的交通信號(hào)燈時(shí)間可以讓交通管理員利用遙控控制。交通信號(hào)燈周期固定不變帶來(lái)幾個(gè)問(wèn)題15:(1)浪費(fèi)時(shí)間，一個(gè)方向有車(chē)或是車(chē)輛很多而當(dāng)前是紅燈，致使車(chē)輛無(wú)法通行,而另一個(gè)方向沒(méi)有車(chē)或者是車(chē)輛相對(duì)很少而當(dāng)前是綠燈,致使這些車(chē)輛通行后路面上沒(méi)有車(chē)輛通行而另一個(gè)方向的車(chē)輛需要通行而必須要等待綠燈到來(lái),造成時(shí)間浪費(fèi)。(2)經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，上述情況造成時(shí)間浪費(fèi)的同時(shí),也造成經(jīng)濟(jì)損失,因?yàn)槠?chē)不能行走而發(fā)動(dòng)機(jī)又不能關(guān)閉，汽車(chē)在待速的情況下也消耗油量，造成經(jīng)濟(jì)白白損失。(3)某一時(shí)刻車(chē)流量很大時(shí)(如上下班時(shí)間)，因?yàn)榻煌ㄐ盘?hào)燈時(shí)間是固定的而不能延長(zhǎng)交通信號(hào)燈時(shí)間，造成交通信號(hào)燈切換過(guò)快，使十字路口的車(chē)輛通行效率低下。因此，如何將智能交通系統(tǒng)應(yīng)用到交通路口，如何將交通燈控制系統(tǒng)智能化，將成為解決交通路口擁堵問(wèn)題的關(guān)鍵。智能交通燈的高效控制依賴(lài)于對(duì)周?chē)煌顩r的實(shí)時(shí)掌握，即各個(gè)方向的車(chē)流量信息。而如上所述，基于圖像處理的車(chē)流量檢測(cè)相對(duì)于波頻檢測(cè)法、地感線圈檢測(cè)法等方法具有硬件安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單方便，不會(huì)損壞路面，便于更換設(shè)備，不會(huì)影響正常交通，硬件安裝費(fèi)用和維護(hù)的成本低等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)，采集裝置采集的圖像質(zhì)量與天氣、光照等外界因素有很大的關(guān)系，當(dāng)天氣、光照不佳時(shí)，采集到的圖像質(zhì)量較差，清晰度下降，不便于進(jìn)行后續(xù)的分析處理，極大的影響系統(tǒng)的性能。因此在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行車(chē)輛檢測(cè)是有相當(dāng)難度的，目前還未達(dá)到滿(mǎn)意的效果。但不可否認(rèn)，隨著各國(guó)學(xué)者、技術(shù)專(zhuān)家的不斷研究，車(chē)型識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵難點(diǎn)問(wèn)題遲早會(huì)被一一攻克。因此本選題具有較高研究?jī)r(jià)值及應(yīng)用前景。3.研究目標(biāo) 本課題利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像處理等相關(guān)技術(shù)，研究設(shè)計(jì)基于圖像處理車(chē)流量檢測(cè)的智能交通燈控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)各方向的交通狀況進(jìn)行圖像采集，研究并應(yīng)用相關(guān)車(chē)流量算法對(duì)各方向車(chē)流量進(jìn)行分析，根據(jù)車(chē)流量的信息來(lái)控制交通信號(hào)燈紅綠燈的亮滅時(shí)間，達(dá)到緩解城市交通擁堵，提高交通效率的目的。4.研究?jī)?nèi)容本課題主要的研究?jī)?nèi)容有：（1） 道路交通狀況圖像采集研究，包括對(duì)圖像采集位置、采集方法以及采集速率等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；（2） 對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，針對(duì)下雨天、霧天、夜晚等條件下對(duì)采集到的圖像進(jìn)行初步處理，消除噪聲干擾，為后續(xù)的車(chē)輛檢測(cè)做鋪墊；（3） 通過(guò)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)比，改進(jìn)相關(guān)算法等方法，研究有效的、具有魯棒性的車(chē)輛檢測(cè)方法；（4） 統(tǒng)計(jì)交通各方向的車(chē)流量，檢測(cè)到的車(chē)輛可能存在車(chē)輛粘連等現(xiàn)象，研究相關(guān)算法，準(zhǔn)確獲取道路交通車(chē)流量；（5） 根據(jù)車(chē)流量信息，控制交通燈各方向紅綠燈周期；（6） 測(cè)試與分析控制系統(tǒng)功能和性能進(jìn)行，包括系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、響應(yīng)時(shí)間以及可控性。5.主要觀點(diǎn)及創(chuàng)新之處（1） 目前交通信號(hào)燈的控制普遍采用固定周期的方式，或人為的進(jìn)行修改，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)智能化，因此本課題提出利用各方向車(chē)流量信息來(lái)控制交通燈的周期，提高交通運(yùn)輸效率；（2） 目前車(chē)流量的檢測(cè)普遍基于波頻檢測(cè)法、地感線圈檢測(cè)法等，但波頻檢測(cè)法對(duì)氣溫變化敏感、靈敏度不高，地感線圈檢測(cè)法施工復(fù)雜（線圈埋入道路下），維護(hù)成本高，損壞道路。因此本課題提出采用基于圖像處理的方法進(jìn)行車(chē)流量的檢測(cè)；（3） 目前，在復(fù)雜條件下，如雨天、霧天、交通擁堵等，很多基于圖像處理的車(chē)輛檢測(cè)算法檢測(cè)效果不理想，容易出現(xiàn)車(chē)輛粘連等漏檢情況。因此本課題著重研究突破車(chē)輛粘連等重點(diǎn)問(wèn)題。6.研究思路、研究方法、技術(shù)路線和實(shí)施步驟本課題擬采取文獻(xiàn)研究法和仿真實(shí)驗(yàn)法相接合的研究方法。在研究的開(kāi)始階段，主要采用文獻(xiàn)研究法，通過(guò)大量閱讀相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)獲得車(chē)流量檢測(cè)、交通燈控制等相關(guān)資料，全面地、正確地了解掌握國(guó)內(nèi)外本研究問(wèn)題的最近發(fā)展動(dòng)態(tài)，結(jié)合本課題的特點(diǎn)，確定最好設(shè)計(jì)方案。在研究中期，為了降低設(shè)計(jì)成本和縮短研發(fā)周期，在設(shè)計(jì)實(shí)際電路之前，采用仿真實(shí)驗(yàn)法，對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，通過(guò)不斷對(duì)相關(guān)算法的分析比較，研究核心算法的改進(jìn)等，確定本課題最佳的算法。本項(xiàng)目擬采取的技術(shù)路線如下圖：文獻(xiàn)分析方案比較初步方案相關(guān)算法研究與改進(jìn)最終方案系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具體實(shí)施步驟如下：（1）根據(jù)實(shí)地調(diào)查，閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)，方案比較等方法確定智能交通燈控制的初步方案； （2）到有交通信號(hào)燈的路口采集本項(xiàng)目算法研究、分析比較所用到的原始圖像，包括車(chē)輛擁堵、霧天、雨天等條件下的圖像； （3）對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行相關(guān)算法的分析和比較，確定本項(xiàng)目采用的圖像預(yù)處理方法，并對(duì)車(chē)輛檢測(cè)效果還不理想的算法進(jìn)行改進(jìn)，直至達(dá)到滿(mǎn)意的效果；（4）確定最佳方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能并調(diào)試，直至滿(mǎn)足要求為止。（5）開(kāi)始試點(diǎn)，了解本系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。（6）分析試點(diǎn)過(guò)程中本系統(tǒng)的不足之處，并對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)；（7）發(fā)表論文及結(jié)題。7.項(xiàng)目預(yù)期成果 本項(xiàng)目的研究成果為公開(kāi)發(fā)表2-3篇文章，其中至少一篇為北大中文核心期刊，并撰寫(xiě)研究報(bào)告。8.項(xiàng)目研究基礎(chǔ) 8.1項(xiàng)目成員基礎(chǔ)（1） *，本項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。碩士研究生期間，主要研究基于圖像處理的智能交通系統(tǒng)，曾參與廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目，同時(shí)，參與導(dǎo)師主持的關(guān)于信號(hào)處理的國(guó)家自然基金項(xiàng)目，近兩年擬發(fā)表中文核心期刊3篇（已錄用）；（2） *，本項(xiàng)目的方案論證指導(dǎo)人。主要從事微機(jī)測(cè)量與控制和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，曾參加廣西自然科學(xué)基金1項(xiàng)，主持科研項(xiàng)目3項(xiàng)，其中教育廳科研項(xiàng)目2項(xiàng)，（2項(xiàng)已結(jié)題）， 院級(jí)科研項(xiàng)目2項(xiàng)，現(xiàn)已結(jié)題，近2年來(lái)，已發(fā)表或已錄用的科研論文20多篇，其中，中文核心期刊7篇，中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)期刊1篇，科技核心期刊5篇，正在申報(bào)的國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)，國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利2項(xiàng)；（3） *，本項(xiàng)目的理論分析。主要從事圖像處理，近三年曾主持2013廣西高校科研年立項(xiàng)項(xiàng)目，發(fā)表了1篇關(guān)于圖像處理的文章；（4） *，本項(xiàng)目負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要從事電路與系統(tǒng)方向的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，硬件設(shè)計(jì)等。 8.2其他研究基礎(chǔ)（1） 本項(xiàng)目主持人在碩士研究生期間，一直研究圖像處理的相關(guān)算法，包括車(chē)牌自動(dòng)識(shí) 別、車(chē)型自動(dòng)識(shí)別等，積累了不少經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，為本項(xiàng)目的順利完成做好鋪墊。（2） 研究本項(xiàng)目所需的研究資料可到我校圖書(shū)館查閱、我校購(gòu)買(mǎi)的數(shù)據(jù)庫(kù)下載及購(gòu)買(mǎi)一些研究資料；（3） 項(xiàng)目完全可以在我系的