‧ 基於視頻技術的直接交通事件檢測

來源:CPS中安網 作者: 交通管理科學研究所　◎文/張鏗 邱紅桐 吳昌成 繆建新

高速公路和城市快速路是承擔公路運輸，和城市道路運輸的主要道路，具有車速快、流量大等許多特點，一旦發生突發交通事件，極易引發交通事故，嚴重影響道路的通行能力和運營效率。在日常的交通運行和交通管理中，如果僅僅依靠人工報告，電視監視等非自動檢測方法發現交通事件，不但浪費大量的資源，而且不全面及時，給交通安全帶來了隱患。因此，交通事件自動檢測技術越發成為智慧交通的研究熱點，旨在第一時間快速發現交通事件的地點，利於及時處理交通事件。

　　交通事件指偶發性交通事故、車輛拋錨、惡劣天氣、貨物散落、道路養護、體育賽事、規模集會等交通情況。高速公路和城市快速路上發生的停車、逆行、慢行、擁堵、行人穿越、交通事故是需要重點管控的交通事件。當發現這些交通事件時，交通事件自動檢測系統能夠立刻報警，自動記錄違章違法依據，同時快速處置交通事件，消除安全隱患、減少交通事件的損失。例如，圖1(a)為行人穿越高速公路交通事件，圖1(b)為高速公路車輛擁堵交通事件。
 
　　1、由於交通系統具有很強的非線性、模糊性、不確定性，研究表明間接法有許多不足之處，不但安裝麻煩，而且費用較高，在交通流密度高時，間接法具有較好的檢測效果，在交通密度低時檢測效果不好。

　　2、由於直接法是根據視頻圖像內容，直接判斷是否有交通事件發生，研究表明直接法的判別速度上遠遠勝於間接法，即使交通流量很低，也能對交通事件進行良好的判斷。

　　鑒於交通事件的直接檢測法的快速判斷能力和其廣泛交通的實用性，本文主要涉及基於視頻的直接交通事件檢測方法的研究和應用情況。

國際上研究狀況
　　由於模式識別、影像處理、電腦視覺、人工智慧等技術的快速發展，國外開展交通事件的視頻技術研究較早，而且技術也比較成熟。目前，國外已經研究出多種交通事件視頻檢測系統，如Autoscope、Siemens、Traficon、Videotrack等。這些系統基本能夠實現平均佇列長度、平均車速、車頭時距、事故檢測、擁擠度檢測、車輛跟蹤等功能。Autoscope交通事件視頻檢測系統目前已經成功應用于美國喬治亞洲運輸部出行嚮導、北京四環路交通量檢測、韓國奧林匹克交通資訊系統、紐約高速公路事故管理系統、香港隧道事故檢測資訊系統等。

中國大陸研究狀況
　　中國開展交通事件的視頻檢測技術研究較晚，但進展較快，已取得較好成果。從類比視頻的交通事件視頻檢測逐步向數位、高清方向發展，擴大了檢測範圍、降低了應用成本。以清華開發的“交通自動檢測視覺系統Visatram”和中科院自動化所開發的“交通場景視覺監控”為代表的項目取得了較大的發展，智達威路特、成都深港、廈門恒深、深圳哈工大交通電子、上海高德威等國內許多公司也均已經開發出自己的產品並在一些地區得到了廣泛的實際應用，交通事件的視頻檢測技術越來越得到了國內智慧交通行業的廣泛重視。

交通事件視頻檢測技術應用
交通事件視頻檢測系統結構
　　圖3為交通事件視頻檢測系統的結構框圖，主要包括攝影機、視訊訊號傳輸和分配系統、交通事件視頻檢測器、網路傳輸設備、視頻交通事件資料伺服器、客戶管理端，各部分的主要功能如下：
 

　　1、攝影機：監視道路狀況，採集交通視訊訊號。

　　2、視訊訊號傳輸和分配系統：負責視訊訊號的傳輸和分配，輸入信號為攝影機視頻，輸出信號與交通事件檢測器相連。

　　3、交通事件視頻檢測器：根據視頻攝影機的圖像，對道路交通事件進行檢測、記錄、傳輸、統計。

　　4、交通事件視頻檢測伺服器：安裝在監控中心，為交通事件資料庫伺服器服務，存儲圖像錄影、交通流參數等資料。

　　5、交通事件視頻檢測客戶管理端：實現對交通事件視頻檢測器進行工作參數設置、工作狀態監測、視頻錄影和存儲、交通事件報警等功能。

　　綜上所述，交通事件視頻檢測系統根據採集的視頻圖像，對交通事件進行直接判斷，準確而快速地檢測交通事件是否發生，當交通狀態處於異常情況時，交通事件視頻檢測系統自動報警，根據交通事件的發生地點資訊，聯動公安、消防、救護等部門，加快緊急救援和交通控制措施。

交通事件的視頻檢測技術研究概述

交通事件自動檢測方法
　　圖2為交通事件檢測研究方法結構示意圖，分為自動和非自動檢測方法，其中非自動技術主要包括人工報告，電視監視等，自動技術主要有直接和間接檢測法。直接檢測法是一種基於視頻的處理方法，通過交通事件視頻檢測演算法，直接檢測交通事件。間接檢測法是一種基於交通流參數的處理方法，通過模式識別、數學統計、交通模型、人工智慧等方法，融合交通流資料檢測交通事件。直接法和間接法的特點可總結如下：
 

交通事件視頻檢測演算法
　　視頻檢測演算法是交通事件檢測系統的關鍵，根據交通事件的視頻圖像，研判交通事件的類型、位置等資訊，包括對交通事件視頻圖像內的車輛、行人等交通參與者的目標檢測和目標跟蹤等過程。

　　交通事件目標檢測是指從交通事件視頻圖像中檢測出車輛、行人等交通資訊（如圖4a），通常有如下方法：
　　1、幀差法：檢測相鄰圖像之間變化的最簡單方法，直觀比較連續各幀圖像在灰度上的差別，提取視頻中的運動區域。研究表明該方法的實現簡單，複雜度較低，但難以獲得目的地區域的精確描述。

　　2、背景差分法：利用當前圖像和背景實現差分來檢測運動區域。研究表明該方法的操作簡單，提供特徵資料完整，但對外來干擾比較敏感。

　　3、光流法：以灰度梯度基本不變為約束假設的目標檢測方法。研究表明該方法檢測運動物件的效果較好，但計算複雜，抗噪性能較差。

　　4、邊緣檢測：利用目標的邊緣檢測目標的位置。研究表明該方法不但能檢測運動目標，也能檢測靜止目標，但抗干擾性能不佳。

　　交通事件目標跟蹤是指獲取目標在每幀圖像上的位置座標，將不同幀的同一目標的所有座標按照時間的先後順序串聯起來，就是目標的運動軌跡。（如圖4b）通常有如下方法：
 

　　1、基於區域跟蹤：將運動目標看成許多不同的小區域塊組成，通過跟蹤各個不同的小區域塊來跟蹤整個運動目標。研究表明該方法計算量小，設計簡單，但只適用於交通流量小、背景變化簡單的場合。

　　2、基於輪廓跟蹤：利用封閉的曲線輪廓來表達運動目標，以輪廓位置的變化反應目標位置的移動。研究表明該方法計算量小，即時性高，但合理初始化目標的輪廓比較複雜。

　　3、基於模型跟蹤：根據預先知道的運動目標三維模型，然後在圖像序列中確定運動目標的暫態運動參數，從而達到跟蹤的目的。研究表明該方法運算精度高，目標運動資訊全面，但預先獲得各種不同車輛、行人的模型較難。

　　4、基於特徵跟蹤：選取目標的局部或部分特徵作為跟蹤物件。研究表明該方法由於只關心目標的部分特徵，而不是整體，所以即使目標的某個部分被遮擋時，只要關心的特徵還在，就不會影響跟蹤效果，有更好的抗干擾性。

　　目前，交通事件視頻檢測系統的演算法技術難點，一方面主要集中於在複雜的交通環境和惡劣多變的天氣中，對機動車、行人等交通參與者運動分割。另外一方面就是如何提取運動目標的特徵，只有選擇合適的特徵，才能有效理解交通事件行為，達到交通事件自動檢測的目的。

交通事件視頻檢測技術應用
　　交通事件的視頻檢測技術，目前主要應用於高速公路和城市道路的監控管理中：在高速公路和城市快速路的管理工作中，交通事件的視頻檢測設備多應用在橋樑、隧道、匝道、收費站等處，集中對違法停車、掉頭、倒車、壓線、事故等交通事件檢測和報警。

　　在城市道路的管理工作中，交通事件視頻檢測技術多應用在車流量較多、常發性交通擁堵、交通事故等城市關鍵路口和路段處，對交通秩序、社會治安等交通事件檢測和報警。

　　另外，交通事件視頻檢測設備的報警功能需聯合高速公路、城市交通管理、消防、醫院等多部門，實現報警資訊共用，對交通設施全天監視，快速而高效地自動檢測交通事件，減輕交通監管人員的工作強度，提高交通管理的水準。

交通事件視頻檢測技術發展存在問題
　　交通事件的視頻檢測技術的提高，一方面，要依託於機器視覺、影像處理、電腦通訊等多學科綜合發展。另外一方面，要規範交通事件視頻檢測系統的選點、安裝、調試、使用。目前交通事件視頻檢測技術的主要問題可概括如下：
　　1、由於交通事件視頻檢測技術是基於攝像機的視訊訊號進行開發處理的，所以交通事件視頻檢測系統本身對外部環境的要求有很大的限制，尤其是惡劣天氣、道路擁擠等複雜條件下，交通事件視頻檢測性能的適應能力不夠。

　　2、由於交通事件視頻檢測系統是基於數位圖像的多目標跟蹤和多目標識別的，而目前多目標跟蹤和多目標識別的機器視覺技術發展還未成熟，限制了交通事件視頻檢測技術的發展。

　　3、根據目前的視頻檢測技術要求，首先要確定檢測的視頻監控範圍，進行車道劃分等，也就是只能對固定的道路區域進行檢測，一般採用固定安裝方式，發生事件後無法人工開展非現場的處置、執法。

　　4、由於道路環境條件複雜，交通事件檢測屬於應用模糊識別技術，不可能百分之百準確，都存在誤報和漏報問題，例如檢測到的遺撒物可能是報紙、紙片，行人穿越可能是行人在路側行走而不是橫向穿越道路。

　　5、系統對不同的道路條件下所監測區域易發的交通事件採取了單一的報警方式，沒有針對不同地點甚至不同車道所發生的不同類交通事件採取不同的報警等級。

提高交通事件的視頻檢測技術水準的幾個建議
　　針對交通事件視頻檢測應用系統中存在的問題，提高交通事件視頻檢測技術的水準，本文提出如下改進意見：
　　1、改進交通事件視頻檢測演算法的性能，在不可避免的惡劣天氣和複雜交通場合下，提高機動車、行人等交通物件運動分割和特徵提取的適應性。

　　2、對照視頻檢測要求的安裝條件，對安裝點進行現場勘察，滿足視野開闊、道路線形平直等基本條件。

　　3、在工程實施階段選擇具備全天候應用、成像品質好的攝影機，並儘量避免在逆光條件下進行圖像檢測。

　　4、保證交通事件視頻圖像在圖像數位化、圖像通訊傳輸過程中的品質，只有具有較好的圖像品質才能夠更好的達到視頻檢測效果。

　　5、劃分交通事件的等級，相應設立交通事件視頻檢測系統的範圍，科學調度警力，合理使用社會資源，最大限度減少交通事件的損失。

交通事件視頻檢測關鍵技術研究展望
　　本文分析了目前常用的交通事件的自動檢測方法，指出直接視頻檢測方法的優點和應用特點，並根據交通事件視頻檢測方法存在的問題，初步提出改進意見，在下一步的工作中，一方面重點需要加強交通事件視頻檢測演算法的改進，擴大交通事件檢測範圍，提高交通事件檢測系統對惡劣天氣，複雜交通狀況的抗干擾性。另外一方面要規範交通事件檢測系統安裝和使用，提高視頻圖像傳輸的品質，改進交通事件視頻檢測的效果。