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高速公路视频超速临控系统的实现
摘要：介绍了一种高速公路视频超速监控系统的硬件构成、软件功能和动目标检测、动目标跟踪与速度测量、车牌自动定位以及车牌字符自动识别等关键技术的实现方法。该系统可广泛应用于高速公路管理、卡口管理、巡逻执勤、逃逸车辆抓捕等场合，具有很好的应用前景。随着国民经济的迅猛发展，我国的高速公路建立发生了翻天覆地的变化。公路上行驶的车辆越来越多、速度也越来越快，与车辆交通有关的案件也呈不断上升势头，交通肈事逃逸等案件时有发生。如何运用科学的手段帮助公安部门有效控制高速公路上超速违章现象、抓捕逃逸车辆，已成为公安交通部门急待解决的问题。目前能完成超速监控功能的成熟系统有：基于微波雷达和基于激光的超速监控系统。它在车辆经过时，利用反射波的频率变化监控在车辆信息，不能提供超速汽车类型、车牌号码等全面的交通信息，无法及时进行违章处理及抓捕逃逸车辆。
本高速公路视频超速监控系统利用视频图像处理技术，对高速公路车道上的汽车进行非接触式监控，获得超速车辆车速、车牌号码、违章照片等运行状态信息，可应用于高速公路管理、逃逸车辆抓捕等场合。
1 系统结构
高速公路视频超速监控系统的硬件结构如图1所示。它由超速监控摄像头和现场计算机等部分组成。在高速公路上安装监控摄像头（一个彩色全景摄像机、n个车道级彩色摄像机）及超速监控计算机，24小时实时监控高速公路上所有通过车辆的车速信息。系统软件包含超速车辆检测和自动车牌识别两部门。超速监控计算机通过实时视频采集卡首先采集高速公路的全景图像，并利用全景图像进行超速车辆检测；如检测到违章车辆，启动相应车道的摄像机工作，采集近景图像并用利近景图像自动车牌识别，其识别结果可分车牌号码字符、车牌号码照片、汽车违章照片分别修配存到超速违章车辆数据库，以供事后处理；如需要，还可通过无线、有线或光纤通信网自动向高速公路收费站的违章处理服务器传送违章车辆的车牌号码、违章照片信息，以实时进行违章处理。软件系统功能框图如图2所示。
2 软件功能实现
2.1 动目标分割[1][2]
理想情况下，从视频图像进行超速车辆检测时，可以直接用帧间差的方法比较前后两帧图像，去除静止的区域，保留运动区域，判定视场中是否存在着汽车，判断汽车的运动轨迹及速度。但是在实际的成像过程中，场景中的诸多因素，包括照明情况、场景中物体的几体形状和物理性质（特别是表面的反射性质）、成像系统的特性以及光源、物休和成像系统之间的空间关系等，都被综合为单一图像中像素点的灰度值；由于空间的强辐射、光照的变化和传感器本身的光学特性等原因，会在每一帧图像中产生较强的干扰和噪声。因此，在进行图像检查前对图像进行基于平均法去噪的初始背景获得和基于Kalman滤波[3]的实时背景更新等预处理；然后采用提取函数[4]分割目标与背景。
设Ck={ck(x,y)}代表当前图像，Rk={rk(x,y)}代表参考图像，其中(x,y)为像素点的坐标，ck(x,y)≥0,rk(x,y)≤255,则提取函数Ek=(ck(x,y),rk(x,y))定义如下：
容易知道，式中0≤Ek(ck(x,y),rk(x,y)) ≤1。
用提取函数对在公路上采集到的实际运动车辆的图像做动目标检测，其实验结构如图3所示。
2.2 动目标跟踪及速度测量[5]
在目标跟踪的同时，需要判断计算目标的运动速度，所以采用特征点匹配的方法进行动目标跟踪，以便利用特征点的视差计算车速。其要点是：在一帧图像的活动目标窗口中选择一组具有不变性质的特征点，与下一帧图像中的同类特征点作匹配，从而求得视差。这就是特征点匹配的方法。
采用Moravac[6]算子作为点特征提取算子。它基于一个理想的特征点，在其四周所有方向上灰度具有很大的方差。
特征点提取的步骤为：首先，在5х5的窗口计算
式中，i=n-2,...,n 2;j=m-2,...,m 2;m,n为窗口中心像元的行、列序列，gij为（i,j）处图像的灰度值。
然后，确定备选特征点，若像元的有利值M大于经验阈值，则该像元为备选特征点；否则，该像元不是特征点。
最后，用抑制局部非最大M值的方法，确定特征点。检验每个备选特征点的M值是否为一定大小（5х5，7х7，9х9）窗口内的最大值，如果在窗口内有几个备选特征点，则取M值最大的像元作为特征点，其余均去掉。
为保证匹配的正确率，采用协方差最大与差的绝对值之和最小作为双重判据，决定匹配点的取舒畅，以增强匹配结果的可靠性。
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