來源:CPS中安網 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，閉路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憂。
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，自動記錄違規違法依據，同時快速處置交通事件，消除安全隱憂、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)為高速公路車輛堵塞交通事件。
交通事件的影像檢測技術研究概述
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，閉路監視等，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智慧影像的處理方法，通過交通事件影像檢測演算法，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，通過模式辨識、數學統計、交通模式、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：
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、由於直接法是根據影像圖像內容，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，本文主要涉及基於影像的直接交通事件檢測方法的研究和應用情況。
國際上研究情形
由於模式辨識、影像處理、電腦視覺、人工智慧等技術的快速發展，國際開展交通事件的影像技術研究較早，而且技術也比較成熟。目前，國際市場上已經研究出多種交通事件影像檢測系統，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交通事件影像檢測系統，目前已經成功應用於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。
大陸研究狀況
中國開展交通事件的影像檢測技術研究較晚，但進展較快，已取得較好成果。從類比影像的交通事件影像檢測逐步向數位、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”和中國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、上海高德威等中國許多公司，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，交通事件的影像檢測技術，越來越得到了其國內智慧交通行業的廣泛重視。
交通事件智慧影像檢測技術應用
交通事件影像檢測系統結構
圖3為交通事件影像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、交通事件影像檢測器、網路傳輸設備、影像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，輸入信號為攝影機影像，輸出信號與交通事件檢測器相連。
3、交通事件影像檢測器：根據監控攝影機的圖像，對道路交通事件進行檢測、記錄、傳輸、統計。
4、交通事件影像檢測伺服器：安裝在監控中心，為交通事件資料庫伺服器服務，儲存圖像錄影、交通流參數等資料。
5、交通事件影像檢測客戶管理端：實現對交通事件影像檢測器進行工作參數設置、工作狀態監測、影像錄影和儲存、交通事件報警等功能。
綜上所述，交通事件影像檢測系統根據採集的影像圖像，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，交通事件影像檢測系統自動報警，根據交通事件的發生地點資訊，聯動警察機關、消防、救護等部門，加快緊急救援和交通控制措施。
交通事件影像檢測演算法
影像檢測演算法是交通事件檢測系統的關鍵，根據交通事件的影像圖像，研判交通事件的類型、位置等資訊，包括對交通事件影像圖像內的車輛、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影像圖像中檢測出車輛、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，提取影像中的運動區域。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，交通事件影像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。
交通事件影像檢測技術應用
交通事件的影像檢測技術，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，交通事件的影像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，交通事件影像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，交通事件影像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。
交通事件影像檢測技術發展存在問題
交通事件的影像檢測技術的提高，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，要規範交通事件影像檢測系統的選點、安裝、調試、使用。目前交通事件影像檢測技術的主要問題可概括如下：
1、由於交通事件影像檢測技術，是基於攝影機的視訊訊號進行開發處理的，所以交通事件影像檢測系統本身，對外部環境的要求有很大的限制，尤其是惡劣天氣、道路堵塞等複雜條件下，交通事件影像檢測性能的適應能力不夠。
2、由於交通事件影像檢測系統，是基於數位圖像的多目標跟蹤和多目標辨識的，而目前多目標跟蹤和多目標辨識的機器視覺技術發展還未成熟，限制了交通事件影像檢測技術的發展。
3、根據目前的影像檢測技術要求，首先要確定檢測的影像監控範圍，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辨識技術，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。
提高交通事件的智慧影像檢測技術水準的幾個建議
針對交通事件影像檢測應用系統中存在的問題，提高交通事件影像檢測技術的水準，本文提出如下改進意見：
1、改進交通事件影像檢測演算法的性能，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、對照影像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、保證交通事件影像圖像在圖像數位化、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影像檢測效果。
5、劃分交通事件的等級，相應設立交通事件影像檢測系統的範圍，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。
交通事件智慧影像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，指出直接影像檢測方法的優點和應用特點，並根據交通事件影像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影像檢測演算法的改進，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，提高影像圖像傳輸的品質，改進交通事件影像檢測的效果。
（作者單位：中國公安部交通管理科學研究所）
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