越、压黄线的车辆检测跟踪和车辆信息抓拍装置及其方法 【技术领域】
本发明涉及一种基于视觉的越、压黄线的车辆检测跟踪和车辆信息抓拍装置及其方法，具体用于实时动态跟踪越、压黄线的运动车辆；获得监控视频中越、压黄线的运动车辆清晰图像，从而获得越、压黄线的车辆的颜色、车型和牌照等详细信息。
背景技术
计算机视觉技术是由图像传感器获取对象的图像，由计算机来分析图像、控制图像传感器，从而完成一个与视觉有关任务的技术。近年来，随着城市的快速发展，特别是车辆的迅速增加，使得交通问题成为城市管理中亟代解决的问题。交通问题严重阻碍了城市的发展和人们的出行，特别是车辆的违法违规现象，严重危害了城市的交通安全。所以，对违法违规车辆进行跟踪监控具有很大的现实意义。
针对当前智能交通系统中存在不能分段自动检测跟踪和抓拍车辆越压黄线的问题，本发明设计研究了一种基于视觉的越、压黄线的车辆检测跟踪和车辆信息抓拍装置和方法。装置分段监控道路左右两段黄线区域，采用自动判断越压黄线算法检测出越压黄线的车辆，从而根据光学镜头像方主点到该运动车辆形心的连线和摄像机主轴的夹角，精确控制装有步进电机的云台跟踪该车辆并抓拍该车的车牌信息。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于提供一种装置，可实现实时动态跟踪越、压黄线的运动车辆，获得监控视频中越、压黄线的运动车辆清晰图像，从而获得越、压黄线的车辆的颜色、车型和牌照等详细信息。
为解决上述技术问题，本发明是采取以下的技术方案来实现的：
一种越、压黄线的车辆检测跟踪和车辆信息抓拍装置，包括安装在所要监控道路中间段的摄像头安装架、跟踪云台及其电机、安装在云台上的可控调焦的用于采集和抓拍图像的摄像头，其特征在于：还包括
连接于摄像头与数据处理器之间、把采集的图像信息传递给数据处理器的图像采集卡；
连接于跟踪云台与数据处理器之间的控制跟踪云台的输入输出卡；
用于视频分析处理及其控制跟踪云台与摄像头的数据处理器，
所述数据处理器包括以下各功能模块：
车辆检测模块：用于根据摄像头采集的视频信号，检测出越、压黄线的运动车辆；
车辆信息模块：用于计算得出运动车辆在视场中的位置信息和运动趋势信息；
云台控制模块：根据运动车辆在视场中的位置信息和运动趋势信息，控制云台中的电机跟踪运动车辆；
摄像机控制模块：控制摄像机正常工作及调焦对该车辆进行抓拍并保存数据。
前述的越、压黄线的车辆检测跟踪和车辆信息抓拍装置，其特征在于：所述跟踪云台的电机采用可以调速和精确控制的步进电机。
前述的装置的车辆检测跟踪与抓拍方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)数据处理器实时地读取摄像头采集的视频信号，黄线被车辆越压时，检测出该运动车辆；
(2)根据检测出的运动车辆，得到运动车辆在视场中的位置、运动方向和面积；
(3)数据处理器根据运动车辆在视场中的位置信息和运动趋势信息，利用控制算法控制云台中的步进电机跟踪运动车辆，从而实时动态跟踪运动车辆；根据运动车辆在视场中的大小，控制摄像机的焦距，获得监控视频中运动车辆清晰图像，从而获得车辆的颜色、车型和牌照等详细信息；
(4)判断该车辆越压黄线的时间，当该车辆在越压黄线的时间达到处罚规定时间时，数据处理器再次控制摄像机调焦对该车辆进行抓拍并保存和上传该信息给交通管理部门地服务器。
前述的车辆检测跟踪与抓拍方法，其特征在于：在所述步骤1)中，采用基于颜色和直线检测的方法检测越、压黄线的运动车辆；当有两辆或多辆越、压黄线的车辆出现在视场中时，根据前一帧中越、压黄线的运动目标的位置，在以其为中心的10*10像素区域内采用基于颜色直方图为目标模型检测特定车辆。
前述的车辆检测跟踪与抓拍方法，其特征在于：在所述步骤2)中，获得运动车辆在视场中的位置信息和运动方向信息的方法为：根据检测出的运动车辆，计算其形心，获得运动车辆在视场中的位置；根据前两帧中车辆的形心位置和当前帧中车辆的形心位置，获得运动车辆的运动方向信息。
前述的车辆检测跟踪与抓拍方法，其特征在于：在所述步骤3)中，控制云台中的步进电机的方法包括以下步骤：
1)根据摄像机的硬件参数和运动车辆的位置信息，获得运动车辆形心与光学镜头中心的连线与摄像机主轴的夹角，所述硬件参数包括焦距和CCD的有效光敏面尺寸；
2)根据夹角的大小和运动车辆的运动方向信息，采用模糊控制的控制方法控制装有步进电机的跟踪云台，从而控制摄像头实时地跟踪运动车辆，且保持运动车辆在视场中心附近位置。
前述的车辆检测跟踪与抓拍方法，其特征在于：所述夹角的计算方法为
α=arctana(xn-12)f]]>β=arctanb(ym-12)f---(1)]]>
其中，α是镜头像方主点到运动车辆形心的连线与摄像机主轴水平方向的夹角，β为镜头像方主点到运动车辆形心的连线和摄像机主轴垂直方向的夹角，a是CCD有效宽度，b是CCD的有效高度，f是摄像头的焦距，x是运动车辆形心的横坐标，y是运动车辆形心的纵坐标，m、n为图像的大小。
前述的车辆检测跟踪与抓拍方法，其特征在于：在所述步骤3)中，前述的根据运动车辆在视场中的大小，控制摄像机的焦距，获得监控视频中运动车辆清晰图像，从而获得车辆的牌照信息的实现方法为：当运动车辆第一次进入视场中心区域时，判断运动车辆在图像中的面积是否大于整幅图像面积S的特定百分率，若小于该百分率，则控制摄像机焦距使运动车辆在图像中的面积达到S的特定百分率；若不小于该百分率时，直接获得清晰的运动车辆图像；最后，保存清晰运动车辆图像并控制摄像机光学参数使摄像机恢复至正常现场监控状态。
前述的车辆检测跟踪与抓拍方法，其特征在于：所述特定百分率为10％。
本发明的基于视觉的越、压黄线的车辆检测跟踪和车辆信息抓拍装置及其方法，实现了实时动态跟踪越、压黄线的运动车辆，获得监控视频中越、压黄线的运动车辆清晰图像，从而获得车辆的颜色、车型和牌照等详细信息。
【附图说明】
图1为本发明的越、压黄线的车辆检测跟踪和车辆信息抓拍装置的硬件组成示意图；
图2为光学镜头像方主点到运动车辆形心的连线和摄像机主轴的夹角的数学模型；
图3为本发明基于视觉的越、压黄线的车辆检测跟踪和车辆信息抓拍方法的流程图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
参照图1所示，基于视觉的越、压黄线的车辆检测跟踪和车辆信息抓拍装置，包括用于跟踪的云台、安装在云台上的用于采集图像的可控调焦摄像头、和把采集的图像视频信息传递给处理器的图像采集卡和用于视频分析处理和控制云台与摄像头的处理器，其中的处理过程为将采集的视频信号，检测出越、压黄线的运动车辆并获得该运动车辆位置信息和运动方向信息的图像处理系统，以及图像输出装置；根据车辆位置信息和运动方向信息，利用控制算法控制云台转动的控制系统；判断该车辆越压黄线的时间，当该车辆在越压黄线的时间达到处罚规定时间时，处理器再次控制摄像机调焦对该车辆进行抓拍并保存和上传该信息给交通管理部门的服务器。
参照图2，根据摄像头的焦距、CCD的尺寸和运动车辆形心的位置，通过数学建模和分析获得控制云台的参数和硬件参数之间的关系，即获得光学镜头像方主点到运动车辆形心的连线和摄像机主轴的夹角的大小，进而控制云台的运动。其推导如下：
tanα=x′-12af=a(x′a-12)f---(1)]]>
其中，α是镜头像方主点到运动车辆形心的连线和摄像机主轴水平方向的夹角，a是CCD有效宽度，f是摄像头的焦距。
由相似三角形可得：
x′a=xn---(2)]]>
其中，x是运动车辆形心的横坐标，m、n为图像的大小。
由式(1)和(2)得
tanα=a(xn-12)f---(3)]]>
由式(3)得
α=arctana(xn-12)f---(4)]]>
同理在垂直方向可得
β=arctanb(ym-12)f---(5)]]>
其中，β为镜头像方主点到运动车辆形心的连线和摄像机主轴垂直方向的夹角，b是CCD的有效高度，y是运动车辆形心的纵坐标。
根据基于视觉的越、压黄线的车辆检测跟踪和车辆信息抓拍装置的示意图，如图1所示，摄像头放置在云台上，首先，处理器采集摄像头的视频信号，并根据运动目标检测方法检测出越、压黄线的运动车辆，获得目标的位置、方向和面积；然后，单片机根据目标的位置、运动方向和面积控制云台的转动和摄像头的焦距大小；最后，根据车辆越、压黄线时间，判断是否保存和上传该信息给交通管理部门的服务器。越、压黄线的车辆检测跟踪和车辆信息抓拍的流程图见图3。
具体来说，包括以下步骤：
第一步，处理器实时地读取摄像头采集的视频信号，黄线被车辆越压，并根据算法检测出该运动车辆；
第二步，根据检测出的运动车辆，利用算法得到运动车辆在视场中的位置、运动方向和面积；
第三步，系统根据运动车辆在视场中的位置信息和运动趋势信息，利用控制算法控制云台中的步进电机跟踪运动车辆，从而实时动态跟踪运动车辆；系统根据运动车辆在视场中的大小，控制摄像机的焦距，获得监控视频中运动车辆清晰图像，从而获得车辆的颜色、车型和牌照等详细信息。
第四步，判断该车辆越压黄线的时间，当该车辆在越压黄线的时间达到处罚规定时间时，处理器再次控制摄像机调焦对该车辆进行抓拍并保存和上传该信息给交通管理部门的服务器。
综上所述，针对智能交通监控急需的越、压黄线的运动车辆跟综系统，本发明提出了基于视觉的越、压黄线的车辆检测跟踪和车辆信息抓拍装置及其实现方法。实验结果表明，该系统具有较好的实时性和适应性，可以实时跟踪越、压黄线的运动车辆并获得该运动车辆的一些细节信息。为智能交通监控和运动车辆跟踪、抓拍提供了一种新的方法。
上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。