基于图像透视投影变换的车辆道路交通视频测速方法技术

一种数字图像处理技术领域的基于图像透视投影变换的车辆道路交通视频测速方法，应用于现有道路交通视频监控系统，解决传统测速方法测量准确度低、实时性差、测量方式复杂以及硬件配置成本高等问题；利用透视投影成像原理，通过必要的摄像机畸变校正、透视投影平面转换、以及车辆投影特征识别和跟踪等技术获取车辆真实运动轨迹，同时测量车辆的运动速度和行驶方向。这种基于图像透视投影变换的测速方法，车辆形状特征易于提取、鲁棒性高、无需附加装置和预先标定、响应速度快、准确度高、成本低、易实现，适用于目前各类道路监控系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种数字图像处理
的方法，具体是一种。
技术介绍
在道路交通监控管理中，车速测量是交通事故成因分析和责任认定、道路流量监控以及调控干预等道路交通管控的重要基础，对于智能交通系统的建立起着至关重要的作用。在道路交通方面，传统的车辆测速方法主要包括雷达检测、感应线圈检测、激光/红外线检测、超声波/微波检测等。其中比较常用的是雷达检测和感应线圈检测方法。另外， 随着目前图像处理技术的发展和计算机性能的提高，利用视频资料进行车速测量的技术也在逐步完善。雷达测速的原理是道路旁装有雷达发射器，向道路来车方向发射雷达波束，再接受汽车的反射回波，通过回波分析测定车辆速度，如车速超过设定值，则自动触发相机完成拍摄，记录下违章车辆的识别信息。雷达测速的主要缺点是无重复测量性和分辨率低，当路面上有较多目标车辆时，尤其在复杂事故工况下难以进行准确地车辆区分和车速测量，并且成本较高。感应线圈检测是目前车速检测系统使用的主要方法，该方法的原理是通过电子原件检测车辆经过时感应线圈中的电信号记录下车辆通过时的状态信息，通过采集和计算完成车速测量。这种方法造价较低，检测精度较高，但是线圈容易损坏，安装和拆除均不方便，同时该方法只能测量预定区域内车辆的平均车速，不能对车辆的运动状态进行连续跟踪测量。目前主要的视频测速主要方法在摄像机性能，摄像机数量，摄像机标定方面都有特殊要求，这些要求在很多道路条件下很难得到满足，部分测速方法将标定特征选在移动的车辆上，并且需要在图像中估计标定特征在真实三维几何空间中的相对位置关系(如 平行、垂直等)，对于较大场景的路段会在标定环节就引入较大误差，这些因素都大大影响了测量的准确度。不仅如此，这些方法对车辆特征的提取和跟踪都是直接在原始帧画面图像中完成，这需要在原始视频图像中通过二维图像的特征对车辆的真实三维几何特征进行推断和判定，这类算法增加了算法的难度和计算量，降低了测量的响应速度。此外，车辆速度通常只是平面二维向量，而这类算法却主要采用三维坐标关系完成距离测算，带来了不必要的计算开销，也在一定程度上降低了计算效率。经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号200910079675. 9，公开号 CN101604448A，记载了一种运动目标的测速方法和系统，该技术需要预先确定视频图像中像素坐标与该像素在真实空间中的坐标映射关系，只有在预先确定好映射关系的测速系统中才能完成测速，使用范围局限，对于未确定映射关系的突发事件路段无法进行测速分析。 在确定映射关系时将需要在运动目标上选择至少三个高度相同、相互平行的线段作为标定物，在目前的交通监控系统中该方法会大幅降低标定精度，首先，目前交通监控系统的拍摄4范围已有很大提高，运动目标在整个拍摄场景中所占的图像比例一般较小，在运动目标上选取标定点，会引入较大的标定误差，其次，目前车辆外形以流线型居多，车辆轮廓边沿上找出三个以上满足高度相同且相互平行的线段较为困难，这也会导致测量误差加大，甚至无法进行标定。最后，由于摄像机近大远小的透视特性，导致运动目标在镜头图像中的影像随着位置的变化发生明显的变形，特征信息因此发生显著退化，通过对目标跟踪单元进行的相似度匹配计算也会带来一定误差，甚至造成无法匹配导致跟踪单元失效。综上所述，现有的几种车速测量方法都存在缺点，因此需要提供一种新的车辆测速方法来解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种，应用于现有道路交通视频监控系统，解决传统测速方法测量准确度低、实时性差、测量方式复杂以及硬件配置成本高等问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括如下步骤第一步根据视频图像在道路表面上选择特征点，并在对应视频图像的现场测量特征点间的实际距离，为建立路面直角坐标系提供必要的尺寸约束关系；由所有特征点封闭环绕构成的多边形所具有的边数大于等于4且实际距离能够完全确定特征点间的位置分布关系，具体是指以多边形任意一个顶点为坐标原点，利用测量的两点间实际距离的组合得以实现。所述的特征点满足以下条件a)由特征点构成的多边形覆盖整个视频图像中的待测区域；b)在下1/3镜头画面对应的实际区域内至少选择两个特征点，在上1/3镜头画面对应的实际区域内选择的特征点数不少于下1/3镜头画面对应的实际区域内选择的特征 ；^^ c)在保证上述两条要求后，使点的分布较为均勻。所述的现场测量是指在下1/3镜头画面对应的实际区域内选择两个特征点，其连线方向与镜头水平入射方向所成角度与90度的差值最小，将该连线作为基线段，分别测量其它各特征点到基线段两端的实际距离以及基线段的实际长度。第二步对于存在图像非线性畸变的视频，利用第一步中选取的特征点的实际尺寸约束关系计算出图像畸变系数并校正所有相关视频图像，得到道路交通监控系统视频图像的理想俯视透视图像，即实际直线特征形状在图像中保持平直；对于不存在非线性畸变的视频，则直接执行第三步。所述的图像畸变包括图像画面中物体直线棱边变形的程度，如墙角、房沿、电线杆的边沿是否平直。所述的图像畸变系数通过以下方式得到2. 1)首先使摄像机的光轴垂直与路面，并在此姿态下拍摄道路画面，该画面中至少包括2个上述特征点；2. 2)分别建立畸变图像坐标系和理想透视图像坐标系，它们的原点分别为此时拍摄的道路画面的中心点和此时光轴与地面的交点，以原点指向任意非原点的特征点在两种不同坐标系下像点的方向分别作为两坐标系的X轴正方向，光轴朝向地面的方向作为两坐标系的Z轴正方向，按右手螺旋法则建立这两个图像的坐标系。记任意特征点P在畸变图像坐标系下的坐标为(Xdist t，Ydistort)，P在理想透视图像坐标系下的坐标为(xideal，Yideal)， 其中(Xideal，Yideal)为通过比例系数乘以实际坐标得到；2. 3)利用摄像机图像畸变模型，将上述所使用的特征点的畸变图像坐标和理想透视图像坐标代入畸变模型方程组，并使用最小二乘法拟合得到畸变系数，该畸变方程组表示为本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于图像透视投影变换的车辆道路交通视频测速方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：根据视频图像在道路表面上选择特征点，并在对应视频图像的现场测量特征点间的实际距离，为建立路面直角坐标系提供必要的尺寸约束关系；第二步：对于存在图像非线性畸变的视频，利用第一步中选取的特征点的实际尺寸约束关系计算出图像畸变系数并校正所有相关视频图像，得到道路交通监控系统视频图像的理想俯视透视图像，即实际直线特征形状在图像中保持平直；对于不存在非线性畸变的视频，则直接执行第三步；第三步：根据第一步中测量的特征点间实际距离的组合建立路面坐标系，为实际特征点坐标设置合适的缩放系数作为透视投影变换结果图像中像素距离与实际距离的换算系数，根据特征点的在理想透视图像与单点透视投影变换结果图像中像点之间的对应关系求得指定单点透视投影变换矩阵，并对所有视频图像进行同一透视投影变换，获取在某一与路面平行平面上的路面单点透视投影图像；第四步：使用角点检测法，根据车辆的单点透视投影提取并跟踪车辆特征形状，在航拍俯视视角下进行单点透视投影可以锐化车辆的轮廓特征形状，得到位置参数、视频帧速及换算系数；第五步：根据所有视频图像中的车辆特征形状的位置参数、视频帧速及换算系数计算车辆运动参数。...

【技术特征摘要】
1.一种基于图像透视投影变换的车辆道路交通视频测速方法，其特征在于，包括如下步骤第一步根据视频图像在道路表面上选择特征点，并在对应视频图像的现场测量特征点间的实际距离，为建立路面直角坐标系提供必要的尺寸约束关系；第二步对于存在图像非线性畸变的视频，利用第一步中选取的特征点的实际尺寸约束关系计算出图像畸变系数并校正所有相关视频图像，得到道路交通监控系统视频图像的理想俯视透视图像，即实际直线特征形状在图像中保持平直；对于不存在非线性畸变的视频，则直接执行第三步；第三步根据第一步中测量的特征点间实际距离的组合建立路面坐标系，为实际特征点坐标设置合适的缩放系数作为透视投影变换结果图像中像素距离与实际距离的换算系数，根据特征点的在理想透视图像与单点透视投影变换结果图像中像点之间的对应关系求得指定单点透视投影变换矩阵，并对所有视频图像进行同一透视投影变换，获取在某一与路面平行平面上的路面单点透视投影图像；第四步使用角点检测法，根据车辆的单点透视投影提取并跟踪车辆特征形状，在航拍俯视视角下进行单点透视投影可以锐化车辆的轮廓特征形状，得到位置参数、视频帧速及换算系数；第五步根据所有视频图像中的车辆特征形状的位置参数、视频帧速及换算系数计算车辆运动参数。2.根据权利要求1所述的基于图像透视投影变换的车辆道路交通视频测速方法，其特征是，由所有特征点封闭环绕构成的多边形所具有的边数大于等于4且实际距离能够完全确定特征点间的位置分布关系。3.根据权利要求1所述的基于图像透视投影变换的车辆道路交通视频测速方法，其特征是，所述的特征点满足以下条件a)由特征点构成的多边形覆盖整个视频图像中的待测区域；b)在下1/3镜头画面对应的实际区域内至少选择两个特征点，在上1/3镜头画面对应的实际区域内选择的特征点数不少于下1/3镜头画面对应的实际区域内选择的特征点数；c)在保证上述两条要求后，使点的分布较为均勻。4.根据权利要求1所述的基于图像透视投影变换的车辆道路交通视频测速方法，其特征是，所述的现场测量是指在下1/3镜头画面对应的实际区域内选择两个特征点，其连线方向与镜头水平入射方向所成角度与90度的差值最小，将该连线作为基线段，分别测量其它各特征点到基线段两端的实际距离以及基线段的实际长度。5.根据权利要求1所述的基于图...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓云，于蕾，何超，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31