基于路况监控视频的能见度检测方法技术

基于路况监控视频的能见度检测方法，使用高速公路外场路侧摄像机进行多个角度和位置的视频采集，在视频图像采集时，连续截取１５～３０帧图像；图像距离目标物自动标定和预处理：对采集到的视频图像进行像平面到世界坐标的自动转换，提取分割出４～８组虚拟距离信息目标物、判别图片是否满足特征；采用基于路况监控视频能见度检测算法，该算法对路况视频图像，通过对路面情况的分析，进行能见度检测；对所得到的１５～３０帧图像的能见度距离进行处理，能见度距离平均化处理，得出当前的能见度值；建立图像坐标至路面坐标的映射关系，将图像距离信息转换成路面距离信息，然后进行符合人眼的能见度分析和检测，得出能见度值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于智能交通
，设计基于监控视频的大气能见度检测方法与系统，主要用于交通 监控环境下的道路能见度行车条件的实时检测和监控。
技术介绍
随着全国高速公路为主骨架网络规划的逐步建成和完善，公路在运输体系和国民经济发展中的作 用越来越重要。现代公路运输体系追求的快速、高效和安全，高速公路为车辆的高速通行提供了良好 的条件，但是浓雾、沙尘暴、烟雾污染等不良天气造成的大气能见度较低，给高速公路的安全运营和 经济效益带来了较大的影响。低能见度天气造成的高速公路事故、堵塞和封路给地方经济和高速公路 自身经济效益造成了巨大的损失。据统计，高速公路上因浓雾的影响造成的变通事故大约占事故总数 的l/4左右，雾天高速公路的事故率是平常的10倍。因恶劣天气、自然灾害突发交通中断和交通延误 所造成的损失越来越大，成为威胁人民生产财产安全的一个重大隐患。因此对高速公路进行实时能见 度监测，及时发现各路段的各种异常气象情况并采取相应的应急措施，最大限度减少能见度对交通的 不利影响，是保证高速公路安全、舒适、高速运营的必要管理手段。当前，我国高速公路运营和管理部门采用传统的气象能见度仪，基于大气的光前向或后向散射原 理进行能见度检测，所采集的样本空间相当有限，在团雾、雨雪、沙尘天气发生时，其检测精度大大 下降，同时能见度仪价格昂贵，难以沿路密集布设，进而构建路段能见度分布情况和分段封路管理。 严重影响出行者的时间和路公司的经济效益。国外早在上个世纪卯年代就开始研究如何使用视频采集设备(摄像机、照相机)获取图像进行 能见度仿真检测。美国明尼苏达大学运输系2004年公布的Taek Mu Kwon撰写的《Atmospheric Visibility Measurements Using Video Cameras: Relative Visibility) —文和相关专利中，使用视频照相机 和多个标靶，在高速公路上进行日间能见度检测，通过将标靶的对比度值进行能见度非线性曲线拟合 得出能见度值；在国内，成都易航信息科技有限公司于2003年申请的和2006年申请的自校准大气能 见度测量方法和系统专利中，在明尼苏达大学的研究基础使用归一化对比度对因散射引起的标靶光亮 度的减小和增加两个部分的变化，和对标靶的黑白目标固有亮度差异的处理，将归一化对比度等于阈 值0.05的标靶距离作为现场能见度值，在最近标靶到最远标靶距离范围以外的能见度值则通过曲线 拟合得到。但是以上两个专利中，研究者都是在人为的制造相应的标志物(标靶)上，采用固定摄像 机，对标靶上黑白色形成的强对比度进行能见度分析检测，无法在多个位置上进行能见度检测。而目 前均采用云台遥控摄像机，以上系统难以兼容现有平台。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足和兼容原有监控系统的基础上，设计一种不需要设置任何 人工标志物的视频能见度检测系统，该系统通过分析视频中因天气引起的物体边缘减弱以及亮度的差 别，采用相关亮度对比度计算，得出更加符合人眼特性能见度的检测结果。解决了能见度实时监控系 统与现有高速公路视频监控融合的难题，减少了架设人工标志物和能见度相关设备所带来的不必要的人力和财力开销。本专利技术的专利技术目的技术特征在于-1) 与路况监控系统兼容在现有路况监控系统之上，采用监控系统的通信链路和相关设备进行 能见度检测所需的视频采集和结果的发布；路况监控系统包括摄像机和多个标靶，在高速公 路上进行能见度检测；2) 多角度视频采集使用高速公路外场路侧摄像机进行多个角度和位置的视频采集，对采集到 的视频图像必须满足图像的最下端离摄像机的距离小于等于20米，图像的最上端大于等 于200米，且在视频图像采集时，定时(T=l-5秒)截取一帧图像，连续截取15 30帧图 像；3) 图像距离目标物自动标定和预处理不需要在道路上架设带有距离信息的人工标识物，而是 对采集到的视频图像进行像平面到世界坐标的自动转换，使用计算机标定方法，分析图像中 像素间的距离信息，提取分割出4 8组虚拟距离信息目标物、判别视频图像是否满足特征 2);4) 在不同天气条件下进行能见度检测采用基于路况监控视频能见度检测算法，该算法对路况 视频图像，通过对路面情况的分析，进行能见度检测。采用该算法进行能见度检测可以避免 能见度仪在团雾、雨、沙尘等天气条件下，因为只检测很小的一段空气柱所带来的检测结果 不准确和使用固定人工距离目标物的算法及系统在目标物表面受到污染和褪色等情况下，造 成检测结果有所偏差和错误。同时对所得到的15 30组能见度距离进行处理，去除其中的 异常值，对其它的能见度距离平均化处理，得出当前的能见度值；5) 检测结果的联网分析和发布根据路况沿途各摄像机所检测到的能见度结果，对全路段的能 见度情况进行统计和分析，得出全路段的能见度分布，将所得结果根据国家大气能见度标准的能见度等级定义进行分级处理，同时根据交通部N关十在各能见度等级下的车辆行驶状态，通过网络和监控系统的链路为用户提供相关提示和警告信息，同时告知交通管理部门采 取相关措施。本专利技术的改进包括兼容原有的路况监控系统使用高速公路监控系统进行图像摄取和信息、数 据的传输，使用高速公路现有的外场路侧摄像机进行全路段的能见度视频采集和能见度实时监控，在 监控中心，从视频分配器中接入图像，引入能见度检测和分析服务器中，进行计算和分析；通过原有监控系统的通信链路，将获取图像的能见度检测结果和全路段能见度分布情况的相应数 据以网页的形式向用户和交通管理部门发布；本专利技术的改进还在于使用路侧云台遥控(PTZ)摄像机，跳转多个机位进行不同角度的路面信息 获取，不局限于某个固定位置；根据摄像机自动标定算法，实现像平面到路面坐标的自动转换，提取 图像中的距离信息，摄像机进行变焦、平移或旋转运动，跳转至各个不同机位时，系统自动重新标定， 无需任何人为设置，自动在视频图像中建立虛拟距离信息目标物；一种路况视频能见度检测算法，人眼模拟分析摄像机和人眼感光效果的不同，提出采用基于 修正的Kohler的一致对比度法的对比度计算方法，将摄像机获取的图像模拟为人眼所见的图像；目标物特征提取对图像提取出来的虚拟距离信息目标物，使用人眼模拟算法，检测出符合人眼 的强对比度边缘信息，将边缘特征提取出来；计算能见度距离对每幅图片中提取的特征边缘和上述提取的距离信息，采用曲线回归分析进行 曲线拟合，得出符合人眼特征的能见度曲线，然后根据国际民航组织(IACO)和国际照明委员会(CIE) 对人眼对比度阈值的定义，得出能见度距离；本专利技术可在不同天气气候条件，包括雨、雾、雪、阴霾、沙尘天气进行能见度检测；联网分析和 发布，在监控中心架设相应的能见度检测分析服务器，用于检测路况沿途各点的能见度和统计和分析 路段能见度分布情况，再结合历史数据对整个路段的能见度分布情况及可能产生的变化及时告知给出 行者和交通管理部门。本专利技术的有益效果是不需要在道路上架设带有距离信息的人工标识物，而是对采集到的视频图 像进行像平面到世界坐标的自动转换，使用计算机标定方法，分析图像中像素间的距离信息，通过分 析视频中因天气引起的物体边缘减弱以及亮度的差别，采用相关亮度对比度计算，得出更加符合人眼 特性能见度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于路况监控视频的能见度检测方法，其特征在于：　１）与路况监控系统兼容：在现有路况监控系统之上，采用监控系统的通信链路和相关设备进行能见度检测所需的视频采集和结果的发布；　２）多角度视频采集：使用高速公路外场路侧摄像机进行多个角度和位置的视频采集，对采集到的视频图像必须满足图像的最下端离摄像机的距离小于等于２０米，图像的最上端大于等于２００米，且在视频图像采集时，定时（１秒）截取一帧图像，连续截取１５～３０帧图像；　３）图像距离目标物自动标定和预处理：不需要在道路上架设带有距离信息的人工标识物，而是对采集到的视频图像进行像平面到世界坐标的自动转换，使用计算机标定方法，分析图像中像素间的距离信息，提取分割出４～８组虚拟距离信息目标物、判别图片是否满足特征２）；　４）在不同天气条件下进行能见度检测：采用基于路况监控视频能见度检测算法，该算法对路况视频图像，通过对路面情况的分析，进行能见度检测；对所得到的１５～３０帧图像的能见度距离进行处理，去除其中的异常值，对其它的能见度距离平均化处理，得出当前的能见度值；　利用视频采集设备（摄像机）所采集的视频图像，建立图像坐标至路面坐标的映射关系，将图像距离信息转换成路面距离信息，然后进行符合人眼的能见度分析和检测，得出能见度值（距离）；图像坐标至路面坐标的映射关系使用摄像机自标定完成，其工作步骤如下：　ａ）建立路况摄像机成像模型，图中定义了三种坐标系，其中地面坐标系Ｘ↓［ｗ］－Ｙ↓［ｗ］－Ｚ↓［ｗ］和摄像机坐标系Ｘ↓［ｃ］－Ｙ↓［ｃ］－Ｚ↓［ｃ］用来表征三维空间；图像平面坐标系Ｘ↓［ｆ］－Ｙ↓［ｆ］用来表征成像平面。建立世界坐标系，其原点为摄像机光轴与地面交点；Ｙ↓［ｗ］轴正向沿路面方向指向前方，Ｘ↓［ｗ］轴正向水平指向右方，Ｚ↓［ｗ］轴正向垂直于地面，方向向上；建立摄像机坐标系，原点为摄像机光心位置，Ｚ↓［ｃ］轴为摄像机光轴方向，Ｘ↓［ｃ］－Ｙ↓［ｃ］平面平行于像平面。设摄像机光心与世界坐标系原点距离为ｌ，摄像机的俯仰角（摄像机光轴与地平面夹角）为ｔ，偏角（光轴与车道分割线的夹角）为ｐ；旋角为ｓ，忽略高速公路坡度影响，以地平面上平行线间的区域来对应摄像机视域内的高速公路路面；　ｂ）基于定义的摄像机空间方位参数，建立透视模型下，地面坐标系与二维图像坐标系间的坐标变换关系，如式（１）所示：　＊＊＊　（１）　ｃ）利用霍夫变换提取车道线，建立兴趣域，利用ＨＡＲＲＩＳ角点检测算法...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈启美，李勃，陈钊正，李佳，董蓉，周庆逵，张潇，葛嘉琦，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]