智能交通行業(yè)中車輛檢測(cè)技術(shù)那些事

近日，騰訊11.73億入股四圖維新的消息無疑又是給智能交通行業(yè)帶來了一股新生力量。智能交通作為解決城市交通擁堵的有效突進(jìn)，近兩年快速發(fā)展，在全國(guó)范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，對(duì)我國(guó)城市發(fā)展有很大促進(jìn)作用。

車輛檢測(cè)技術(shù)是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，交通智能化管理需要通過車輛檢測(cè)方式采集客觀、有效的道路交通信息，獲得交通流量、車速、道路占有率、車間距、車輛類型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而有目的地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、控制、分析、決策、調(diào)度和疏導(dǎo)等智能化手段。

目前，國(guó)內(nèi)外誕生的車輛檢測(cè)器產(chǎn)品的種類很多，技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)方式各不相同，如有線圈檢測(cè)、視頻檢測(cè)、微波檢測(cè)、激光檢測(cè)、聲波檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、磁力檢測(cè)、紅外線檢測(cè)等。我國(guó)幅員遼闊，道路里程長(zhǎng)，車多人多，交通狀況比較復(fù)雜，各地交通管理部門對(duì)于車輛檢測(cè)方式的要求具有多樣性，從性能指標(biāo)、產(chǎn)品成本、安裝方式、天氣路況、管理政策等方面都有諸多不同。

本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)智能交通系統(tǒng)應(yīng)用情況的調(diào)研，結(jié)合筆者所在企業(yè)多年來在智能交通領(lǐng)域?qū)嵤╉?xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，列舉了幾種國(guó)內(nèi)智能交通系統(tǒng)中常用的車輛檢測(cè)方式的工作原理、環(huán)境適應(yīng)性以及優(yōu)缺點(diǎn)分析，并對(duì)普遍采用的線圈檢測(cè)和視頻檢測(cè)的應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)研究。

1.車輛檢測(cè)方式特點(diǎn)比較

1.1線圈檢測(cè)方式

通過一個(gè)電感器件即環(huán)形線圈與車輛檢測(cè)器構(gòu)成一個(gè)調(diào)諧電子系統(tǒng)，當(dāng)車輛通過或停在線圈上會(huì)改變線圈的電感量，激發(fā)電路產(chǎn)生一個(gè)輸出，從而檢測(cè)到通過或停在線圈上的車輛。

線圈檢測(cè)技術(shù)成熟、易于掌握、計(jì)數(shù)非常精確、性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)是交通流數(shù)據(jù)單一、安裝過程對(duì)可靠性和壽命影響很大、修理或安裝需中斷交通、影響路面壽命、易被重型車輛、路面修理等損壞。另外高緯度開凍期和低緯度夏季路面以及路面質(zhì)量不好的地方對(duì)線圈的維護(hù)工作量比較大的。

1.2視頻檢測(cè)方式

視頻檢測(cè)方式是一種基于視頻圖像分析和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)路面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)物體進(jìn)行檢測(cè)分析的視頻處理技術(shù)。它能實(shí)時(shí)分析輸入的交通圖像，通過判斷圖像中劃定的一個(gè)或者多個(gè)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)物體，獲得所需的交通數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是無需破壞路面，安裝和維護(hù)比較方便，可為事故管理提供可視圖像、可提供大量交通管理信息、單臺(tái)攝像機(jī)和處理器可檢測(cè)多車道。它的缺點(diǎn)是精度不高，容易受環(huán)境、天氣、照度、干擾物等影響，對(duì)高速移動(dòng)車輛的檢測(cè)和捕獲有一定困難。因?yàn)?，拍攝高速移動(dòng)車輛需要有足夠快的快門(至少是1/3000S)、足夠數(shù)目的像素以及好的圖像檢測(cè)算法的支持，視頻檢測(cè)由于需要進(jìn)行計(jì)算往往無法捕獲到高速運(yùn)動(dòng)物體。

本文將在第4部分重點(diǎn)針對(duì)視頻檢測(cè)方式進(jìn)行深入分析研究。

1.3微波(多卜勒)檢測(cè)方式

微波式交通檢測(cè)器通過發(fā)射低能量的連續(xù)頻率調(diào)制微波信號(hào)，處理回波信號(hào)，可以檢測(cè)出多達(dá)8個(gè)車道的車流量、道路占有率、平均車速、長(zhǎng)車流量等交通流參數(shù)。微波檢測(cè)由發(fā)射天線和發(fā)射接收器組成。發(fā)射器對(duì)檢測(cè)區(qū)域發(fā)射微波，當(dāng)車輛通過時(shí)，由于多普勒效應(yīng)反射波會(huì)以不同的頻率返回，通過檢測(cè)反射波的頻率來檢測(cè)車輛是否通過。

優(yōu)點(diǎn)是在惡劣氣候下性能出色,可以全天候工作、可檢測(cè)靜止的車輛、直接檢測(cè)速度、可以側(cè)向方式檢測(cè)多車道、安裝維護(hù)方便，缺點(diǎn)是側(cè)面安裝只能區(qū)分長(zhǎng)車短車，相鄰車道同時(shí)過車時(shí)可能漏記車輛數(shù)。

雷達(dá)就是依據(jù)“多卜勒效應(yīng)”的一種微波檢測(cè)方式。雷達(dá)先發(fā)出一個(gè)頻率為1000兆赫的脈沖微波，如果微波射在靜止不動(dòng)的車輛上，被反射回來，它的反射波頻率不會(huì)改變，仍然是1000兆赫。反之，如果車輛在行駛，而且速度很快，那么，根據(jù)多卜勒效應(yīng)，反射波頻率與發(fā)射波的頻率就不相同。通過對(duì)這種微波頻率微細(xì)變化的精確測(cè)定，求出頻率的差異，就可以換算出汽車的速度。

雷達(dá)測(cè)速有效范圍大約在每小時(shí)24公里到255公里之間，測(cè)速范圍比較大，精確度也相當(dāng)高。對(duì)于速度較快，車流量較少且方向統(tǒng)一的高速公路上面，采用微波雷達(dá)配合高速攝像機(jī)是一種不錯(cuò)的選擇。而對(duì)于多車道、車輛并行、人車混雜的復(fù)雜路段，單純只使用多普勒效應(yīng)的微波雷達(dá)對(duì)路口、路段違法車輛的進(jìn)行檢測(cè)，則具有較大困難，在檢測(cè)范圍內(nèi)如果出現(xiàn)多個(gè)車輛，往往無法區(qū)分目標(biāo)車輛。另外，測(cè)速雷達(dá)一般安裝在公路中間6米高的橫臂上面，如果比較高的大型車輛(如掛車、貨柜車等)經(jīng)過，由于車體比較高，造成車體頂部距離雷達(dá)太近，雷達(dá)發(fā)出的脈沖微波射在車體頂部被反射回來的距離大大縮短，往往造成了計(jì)算出來的速度值比較大，會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差。

1.4磁力檢測(cè)方式

在鐵磁材料中會(huì)發(fā)生磁阻的非均質(zhì)現(xiàn)象(AMR)，當(dāng)沿著一條長(zhǎng)而且薄的鐵磁合金帶的長(zhǎng)度方向施加一個(gè)電流，在垂直于電流的方向施加一個(gè)磁場(chǎng)。合金帶自身的阻值會(huì)發(fā)生變化。利用AMR磁阻效應(yīng)生產(chǎn)的AMR磁阻傳感器成功地將三維方向(x，y，z)的單個(gè)傳感器件集成在同一個(gè)芯片上，而且將傳感器與調(diào)節(jié)、補(bǔ)償電路集成一體化，可以很好地感測(cè)地磁范圍內(nèi)低于1高斯的磁場(chǎng)，可以根據(jù)一些鐵磁物體對(duì)地磁的擾動(dòng)，來檢測(cè)車輛的存在，也可以根據(jù)不同車輛對(duì)地磁產(chǎn)生的擾動(dòng)不同來識(shí)別車輛類型。

磁阻傳感器的優(yōu)點(diǎn)有：安裝、維修方便，不必封閉車道、破壞路面。缺點(diǎn)也非常明顯，對(duì)于縱向過于靠近的車輛的干擾排除能力較差，即當(dāng)車流速度較低，前后車輛之間的離較小時(shí)對(duì)測(cè)量精度影響較大。

1.5超聲波檢測(cè)方式

超聲波檢測(cè)的原理與雷達(dá)測(cè)速類似，都是利用“多卜勒效應(yīng)”的反射原理，發(fā)射器從頂部發(fā)出超聲波，當(dāng)有車輛通過時(shí)，接收器接收到回波的時(shí)間是不一樣的，據(jù)此可以判斷是否有車通過。與雷達(dá)測(cè)速不同的只不過其傳感器探頭發(fā)出的是聲波而不是電磁波。此種檢測(cè)設(shè)備的缺點(diǎn)是必須頂置安裝，安裝條件受到一定的限制，并且傳感頭在路口這種灰塵極大的惡劣環(huán)境中使用，壽命非常短。因此這種檢測(cè)方法并不實(shí)用。

1.6激光檢測(cè)方式

激光檢測(cè)為點(diǎn)測(cè)量行為，從理論上講是可行的并且檢測(cè)精度過程都相當(dāng)高，但與微波雷達(dá)一樣，同樣面臨路口多道路，多車輛和多行人的三多影響，點(diǎn)測(cè)量的效率無法滿足監(jiān)管要求，最重要的是：激光檢測(cè)中的激光束對(duì)人體(主要是人眼的傷害)是其在使用中極為嚴(yán)重的問題。在歐美等國(guó)家又用激光測(cè)速的交通測(cè)速儀器，其性能指標(biāo)不僅要達(dá)到國(guó)際Class1安全標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在使用中必須用人工操控，以避免對(duì)人眼造成傷害。

在日本是嚴(yán)格禁止用激光作交通檢測(cè)設(shè)備的，因此，激光檢測(cè)在理論上講比較好，但目前在使用中的安全問題仍未解決。

1.7紅外檢測(cè)方式

紅外檢測(cè)器是頂置式或路側(cè)式的交通流檢測(cè)器。該檢測(cè)器一般采用反射式檢測(cè)技術(shù)。反射式檢測(cè)器探頭由一個(gè)紅外發(fā)光管和一個(gè)紅外接收管組成，其工作原理是由調(diào)制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制脈沖，經(jīng)紅外探頭向道路上輻射，當(dāng)有車輛通過時(shí)，紅外線脈沖從車體反射回來被探頭的接收管接收，經(jīng)紅外解調(diào)器解調(diào)再通過選通、放大、整流和濾波后觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器輸出一個(gè)檢測(cè)信號(hào)。這種檢測(cè)器具有快速準(zhǔn)確、輪廓清晰的檢測(cè)能力。其缺點(diǎn)是工作現(xiàn)場(chǎng)的灰塵、冰霧會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。

2.線圈檢測(cè)方式研究

線圈檢測(cè)技術(shù)是目前世界上應(yīng)用最普遍的車輛檢測(cè)方式，其靈敏度高、技術(shù)成熟度高、計(jì)數(shù)精確、穩(wěn)定性好，不受環(huán)境的影響。它的缺點(diǎn)是安裝過程對(duì)可靠性和壽命影響很大，維修或安裝需中斷交通，破壞路面，影響路面壽命。同時(shí)線圈易被重型車輛、路面修理等損壞，而且它的維護(hù)難度較大。

3.視頻檢測(cè)方式研究

3.1視頻檢測(cè)技術(shù)原理

視頻檢測(cè)技術(shù)是一種計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)，通過視頻攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)模仿人眼的功能，為實(shí)際應(yīng)用提供實(shí)時(shí)交通信息的先進(jìn)技術(shù)。其工作原理是通過視頻攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)模擬人眼視覺技術(shù),通過分析攝像機(jī)拍攝的交通圖像，在視頻范圍內(nèi)劃定虛擬線圈，運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域?qū)е卤尘盎叶劝l(fā)生變化，從而感知運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的存在，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛、行人等交通目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)、定位、識(shí)別和跟蹤，并對(duì)檢測(cè)、跟蹤和識(shí)別的交通運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的交通行為進(jìn)行分析和判斷，從而既完成各種交通數(shù)據(jù)信息的采集。

3.3視頻檢測(cè)算法優(yōu)化探討

3.3.1視頻算法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

常用的三種視頻檢測(cè)算法有著它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)：

(1)背景差分法：攝像機(jī)固定，算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，在背景已知的情況下，能夠提供最完全的特征數(shù)據(jù)，并能完整地檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。由于背景建模對(duì)光照、天氣變化以及突發(fā)事件等外部動(dòng)態(tài)場(chǎng)景變化極其敏感，所以當(dāng)背景更新不能很好的適應(yīng)變化場(chǎng)景時(shí)，無疑將影響到目標(biāo)的檢測(cè)。

(2)相鄰幀差分法：采用固定攝像機(jī)，對(duì)動(dòng)態(tài)變化環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。在實(shí)時(shí)性方面顯示出優(yōu)越性，由于連續(xù)兩幀時(shí)間間隔短，受光線變化、攝像頭抖動(dòng)的影響很小。但總體來說該方法不能完全提取所有相關(guān)的特征像素點(diǎn)，得到的背景并不是純背景圖像，故檢測(cè)結(jié)果不十分精確，在運(yùn)動(dòng)實(shí)體內(nèi)部易產(chǎn)生空洞現(xiàn)象，不利于進(jìn)一步的目標(biāo)分析與識(shí)別。

(3)光流場(chǎng)法：該方法的優(yōu)點(diǎn)是在攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)存在的前提下也能檢測(cè)出獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。然而，大多數(shù)的光流計(jì)算方法相當(dāng)復(fù)雜，運(yùn)算量很大，且抗噪性能差，除非有特殊的硬件支持，否則很難實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

3.3.2視頻算法的改進(jìn)建議

(1)解決背景差分中的背景更新問題。設(shè)定一個(gè)時(shí)間開關(guān)t，每經(jīng)過時(shí)間t時(shí)，將當(dāng)前幀與上一個(gè)背景相差分，并統(tǒng)計(jì)它們差值的灰度直方圖，如果有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)存在，則在直方圖圖上存在至少兩個(gè)波峰，其中一個(gè)為背景其他為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，否則只有一個(gè)波峰。以此來判斷當(dāng)前幀是否有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，如果沒有，即將當(dāng)前幀設(shè)為背景，否則計(jì)算下一幀，直到有新背景更新為止，以此類推，這就很好的解決了捕獲率隨著外界變化而降低的問題。保證了背景圖像的不斷更新。

(2)解決效率問題。將每幀圖像分成幾塊，比如9塊，分布。在做相鄰幀差分時(shí)，第一次對(duì)應(yīng)塊相差分，如果第一列的三個(gè)塊中有目標(biāo)被檢測(cè)出來，則在下一次相鄰幀差分時(shí)，只計(jì)算第一列或者第三列，為了進(jìn)一步提高速度，只針對(duì)每一行進(jìn)行差分，比如第一行第一列檢測(cè)到目標(biāo)，則在后面的差分中，只處理第一行的第二列或者第三列，當(dāng)目標(biāo)駛出第三列時(shí)，再開始新的計(jì)算。

(3)將幾種方法相互結(jié)合，相互補(bǔ)償，才能達(dá)到更好的使用效果。

4.結(jié)束語

經(jīng)過深入調(diào)研和分析，目前使用最多的是感應(yīng)線圈和視頻檢測(cè)這兩種方式。綜合考慮使用環(huán)境、性能要求、成本、使用壽命、日常維護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)等方面，在普通道路或者車流密集的情況下優(yōu)先考慮使用線圈檢測(cè)方式，在大橋、高架橋、隧道等不能破壞路面的情況下優(yōu)先考慮視頻檢測(cè)方式，在高速公路、快速環(huán)路等封閉型道路又需測(cè)速的情況下優(yōu)先考慮微波(雷達(dá))檢測(cè)方式。由于當(dāng)前不同檢測(cè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)都十分明顯，所以可以采取多種檢測(cè)設(shè)備配合使用組成功能完備的綜合檢測(cè)系統(tǒng)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短。

視頻檢測(cè)技術(shù)不如線圈檢測(cè)方式成熟和穩(wěn)定，現(xiàn)階段受到使用環(huán)境、檢測(cè)算法、硬件平臺(tái)等的制約，還存在一些自身缺陷有待進(jìn)一步完善和提高。但是它具有不可取代的優(yōu)越性，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，檢測(cè)方法的不斷更新，視頻檢測(cè)技術(shù)將會(huì)越來越多地在諸多方面取代其他檢測(cè)方式，成為交通管理工作中獲取交通信息的重要來源和手段。今后，隨著對(duì)基于視頻的車輛檢測(cè)算法研究的不斷進(jìn)展，立體視覺檢測(cè)方式和多傳感器檢測(cè)方式將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。