唐 勇，徐奇,2,3（通信作者）

（1桂林电子科技大学建筑与交通工程学院 广西 桂林 541004）

（2广西智慧交通重点实验室 广西 桂林 541004）

（3桂林电子科技大学南宁研究院 广西 南宁 530000）

随着我国城市化进程的推进，人们生活水平不断提高，使用私家车出行以提高出行便利性的需求不断增加。据公安部统计，截至2022年4月，全国机动车保有量达4.02亿辆，其中汽车3.07亿辆[1]。然而我国城市道路现状不容乐观，道路面积已经逐渐不能满足车辆需求，交通拥堵、车辆乱停乱放、交通事故频发等问题已经严重影响人们的出行和生活品质。为提高人们的出行满意度和生活质量，对于城市道路的有效交通监测和管理已迫在眉睫。

目前我国道路信息采集水平还处于不断发展阶段，大部分现有装置的采集功能有待完善及扩展。一些专家学者对于城市道路信息采集也开展了许多课题研究。Wang等[2]提出了一种基于改进的tiny-yoloy3的车辆检测算法，通过将双尺度检测改进为三尺度，提高检测精度。杨亚虎等[3]提出一种基于滚动预测平均算法的摄像头异常干扰识别方法，能够准确识别出模糊图像。王亮亮等[4]提出将车窗代替车体作为被检测目标物的标注方法，在车流量较大的场景中可有效提高检测算法的检出率。黄跃珍等[5]提出了一种基于改进CenterNet的车辆识别方法，有效解决车辆识别系统中类型识别率低的问题。顾恭等[6]提出了一种基于yoloy3的车辆定位识别模型Vehicle-YOLO，有效解决当前实施车辆信息检测中存在的车辆检测区域不完整、精度不高以及无法对场景中较远车辆进行准确定位等相关问题。

综上可知，国内外专家学者主要针对采集装置的采集效果进行优化研究，并没有考虑采集装置本身遇到外界环境干扰能否保持正常工作的问题。而在实际作业过程中，存在很多诸如树木、悬浮物遮挡等原因，影响城市道路信息采集质量。本文将对道路信息采集装置进行改进，使用改进图像识别进行自动避障的技术，结合无线通信模块系统，提高道路采集装置的抗干扰性，保证城市道路的安全有序。

出于美化城市的目的，大多机动车道和非机动车道间都设置了绿化带，道路采集装置多数安装在绿化带旁。我国采集装置多为固定式安装，由于大部分城市道路本来就狭窄，加之两边都有茂密的绿化带，采集装置易被遮挡难以发挥作用，这也导致了许多事故频发的城市道路上产生监控盲区，交通管理部门无法进行有效监管调查。如图1所示。

该装置包括带有合页的可回收PP塑料材质半球壳遮光罩，安装于半球壳遮光罩下的监控相机、伸缩杆、旋转平台，GPS定位装置固定安装在旋转平台下方，图像传感器、无线通信模块以及数据处理器固定安装在仪器内部带卡槽圆形钢板上。带卡槽圆形钢板用螺丝固定安装在旋转平台上，伸缩杆、限位传感器、旋转平台中间设有同一圆孔，并在四周分设四个小孔，用于垂直调节方向部分和水平调节方向部分连接，半球壳遮光罩中和旋转平台通过带卡槽圆形钢板插合连接，方便拆装。如图2所示。

采集系统主要包括图像采集部分、图像识别部分、控制部分、无线通信部分四个部分，采集系统各部分的工作基本流程如图3所示。

3.1 采集系统各部分功能

监控相机用于采集被测道路的实时图像信息，伸缩杆用于调节仪器垂直方向高度，旋转平台用于调整仪器水平方向角度，限位传感器用于对伸缩杆、旋转平台进行控制，确定仪器调节范围，图像传感器用于识别监控相机采集的图像，确定遮挡物的大小、位置等信息，通过数据处理器计算确定调整方案，通过限位传感器对装置的监控高度和角度进行调整。若经过一个周期的调整仍无法解决被遮挡的问题，无线通信模块会将采集异常信号发送至交通管理部门，提醒管理部门装置采集异常需要人工介入调整，GPS定位装置用于提供位置信息。

3.2 采集系统各部分工作流程及原理

3.2.1 图像采集部分

采集装置的图像采集部分即核心部分主要由可回收PP塑料材质半球壳遮光罩、监控相机以及图像传感器等组成。遮光罩采用可回收PP塑料材质，不再采用传统的钢铁或玻璃材质，节约资源，保护环境。监控相机与图像传感器连通，图像传感器会实时对监控相机采集到的图像进行分析处理。若图像传感器检测到图像出现遮挡物时，则会将信号传送至控制部分进行采集位置调整。图像采集部分工作主要通过监控相机对城市道路实时监控，为交通管理部门提供实时可靠的数据。

3.2.2 图像识别部分

图像识别部分主要由监控相机以及图像传感器两部分组成，该部分主要分为两个关键步骤，一是背景模型建立及更新；
二是遮挡物相关信息识别及确定。通过监控相机对图像进行采集，图像传感器采用基于背景差分法的改进算法对采集的图像进行背景图像模型构建，通过检测运动目标在背景图像中的运动，确定遮挡物的大小及位置等信息，形成可视化数据。数据处理器针对图像传感器形成的可视化数据进行计算得出装置可正常工作位置的具体高度和角度。

1）传统背景建模

利用传统的背景差分法进行背景建模，该方法首先选取连续N帧时间间隔较小的图像，再将不同帧同一坐标处的像素值累加，最后取平均值进行背景图像建模。其数学表达式如下：

式中：B(x,y）是坐标(x,y)处的背景像素值，Ii(x,y)是第i帧图像坐标(x,y)处的像素值。

传统背景差分法建模对于静态环境有较好的灵活性和准确性，但是由于各种环境干扰和噪声的存在，通过传统背景差分法建立背景往往伴随着空洞、鬼影等不良现象，算法适应能力差，不能应对环境的剧变，从而导致在实际交通场景中建立背景模型时弊端较多。

2）改进算法的背景建模及更新

针对现实场景的复杂性、未知性，以及背景灰度变化不大的影响，本文对背景差分法进行背景建模提出了一些改进[7-8]，为了避免环境光线不稳定的情况，通过获取连续N（N＞100）帧图像的前N/2帧图像进行累加，在累加之前进行相邻两帧的像素做差，若差值小于设定的阈值，则进行累加，反之，则舍弃前一帧的像素，最后取累加的像素平均值作为背景像素值。为了解决传统采用固定阈值的弊端，本文采用自适应方法进行阈值T的选取[9]。数学表达式如下：

式中：S(x,y)是坐标(x,y)处累加的像素值，B(x,y)是坐标(x,y)处的背景像素值，Ii(x,y)是第i帧图像坐标(x,y)处的像素值。

背景建模完成后，考虑场景的变化问题设计下列方法进行背景更新。数学表达式如下：

式中，θ是与背景变化率相关的系数，当B(x,y)=Ii(x,y)时，B(x,y)不会改变，θ的变化也反映B(x,y)的改变。系数增大时，B(x,y)实时更新变快；
反之，则变慢，保证采集背景图像的实时性和准确性。背景重构是通过采集装置获取的第1帧、第50帧、第100帧三帧图像，图像传感器通过算法处理后得到背景模型，可以看出该方法在城市交通场景中能够准确实施提取并更新背景模型，实现背景重构。背景重构过程如图4所示。

3）遮挡物识别

背景图像建立后，图像传感器通过提取识别检测到的运动目标轨迹与构建背景图像的公共部分，确定遮挡物的大小位置信息，具体步骤如下：

Step 1：根据上述步骤得到重构背景图像B后，设定合适的阈值T，将重构的背景图二值化处理，数学表达式为：

式中：Bi(x,y)是第i帧图像在坐标B(x,y)处的背景像素值。

背景图像二值化效果如图5所示。

Step 2：通过获取第1帧图像I1(x,y)、第50帧图像I50(x,y)、第100帧图像I100(x,y)与重构背景进行差分，对差分图像Di进行二值化处理，并对三帧差分二值化图像进行逻辑或运算，得到目标车辆经过采集区域的车辆离散图像Dl，数学表达式为：

式中：Di(x,y)是第i帧差分图像在坐标(x,y)处的像素值，Ii(x,y)是第i帧图像坐标(x,y)处的像素值，Bi(x,y)是第i帧图像在坐标(x,y)处的背景像素值，Dl表示通过差分的三帧二值化图像逻辑或运算得到的图像。

得到的车辆三帧差分二值化图像D1、D50、D100和车辆离散图像Dl如图6所示。

Step 3：通过图像检测器获取离散图像Dl中各个检测的车辆图像的几何中心，进行依次相接形成车辆轨迹折线图Dz，通过检测车辆宽度d对折线进行轨迹填充，形成车辆轨迹二值图Dr如下图7所示。

Step 4：获取上述重构的背景图B和车辆路径二值图Dr，对两者进行逻辑与运算得到二值化图像G，即确定遮挡物的大小和位置信息。其数学表达式为：G=B＆Dr。

通过上述步骤即可确定遮挡物的大小以及位置相关信息，通过图像传感器将图像信息转化成数字信息传输至数据处理器，驱动控制部分实现避障行为。

3.2.3 控制部分

控制部分主要由图像传感器、数据处理器、伸缩杆、旋转平台以及限位传感器等组成。当图像传感器检测采集图像出现遮挡物时，图像传感器对遮挡物的大小位置进行确定，数据处理器结合遮挡物大小位置信息，计算出装置的高度和角度的具体调整方案，由数据处理器向限位传感器发送调节指令。信息采集装置的伸缩杆、旋转平台和限位传感器相连接，限位传感器接收并感应调节指令，对伸缩杆的伸缩长度和旋转平台的旋转角度进行自动调节控制，同时图像传感器持续工作，识别调节后的位置采集图像是否存在遮挡物，反复进行调节，保证采集装置的正常采集。限位传感器会对伸缩杆、旋转平台进行限制，可以保证装置在安全范围之内有效调节。若采集装置在限位传感器控制范围内调整一个周期后仍无法有效解决问题，数据处理器会将工作异常信号传达至无线通信部分进行数据综合处理。

3.2.4 无线通信部分

无线通信部分主要由图像传感器、数据处理器、GPS定位装置、无线通信模块等组成。当控制部分的限位传感器经过一个周期的反复调控后，仍无法使采集装置正常工作，数据处理器生成工作异常信号并结合GPS定位装置提供的位置信息，通过无线通信模块将异常信号传送至交通管理部门，交通管理部门收到信号后即可采取人工介入处理，及时处理问题，避免采集装置失效影响城市道路监管。

4.1 质量轻，抛光度合适，稳定性好

据市场调查，我国制造行业中钢铁制品占比很大，其他材质制品比重相对较少。而传统钢铁制品有不少弊端，例如，笨重、表面抛光度过高、化学稳定性差等。改进后的装置采用可回收的PP塑料材质取代钢铁材质，PP塑料材料比水还轻，这一特性，对需要经常维检的机械装备，具有举足轻重的意义。传统的钢铁制品保护罩可能由于质量监管不到位，制品表面抛光度过高，导致城市光污染严重，不仅影响采集效果，行车安全也得不到保障。改进后的装置采用PP塑料材质，是表面质地均匀的磨砂面，抛光度合适。大多钢铁制品采用的原材料含碳量不合格，导致制品稳定性不佳。尤其是在雨季较长、降水量大的城市，装置常常因腐蚀而发生故障。PP塑料材质对酸、碱以及温度都有较强的稳定性，环保节约，使用寿命长。

4.2 识别精准，自动避障，采集效率高

在现行投入使用的采集系统中，采集装置大多固定安装在道路右侧、中央隔离带或龙门架上，而装置采用这类固定式安装常常会因为绿化修整不及时被遮挡从而失去作用。同时，实际中用于检测的传统背景差分法在复杂多变的实际场景中，检出图常常伴随着空洞、鬼影的现象，检测效果不佳。本文提出的采集系统优化方法通过改进现有的背景差分法能更好地适应环境的变化，进行背景建模和背景实时更新，从而确定遮挡物的相关信息，控制采集装置在有限范围内进行调控完成自动避障，通过无线通信模块实现交通管理部门与采集装置协同作业，形成完备的采集系统，有效避免了环境变化造成的采集装置失效的情况。

本文提出通过基于改进背景差分法的方法建立背景图像模型，检测运动目标的轨迹确定遮挡物的基本信息，控制采集装置进行自动避障。该方法考虑了采集装置工作受环境变化的影响，能够实现绝大多数被遮挡情况下采集装置仍保持正常工作，改善城市道路信息采集效果，从而保证城市道路安全性。

猜你喜欢 限位城市道路像素 塑料弹簧限位座断裂失效分析汽车实用技术(2022年16期)2022-08-31城市道路拓宽改造设计探讨建材发展导向(2022年14期)2022-08-19城市道路施工中几种常见的软土地基处理方法建材发展导向(2022年14期)2022-08-19深水刚悬链线立管限位锚安装与限位链回接技术研究中国新技术新产品(2022年5期)2022-06-21像素前线之“幻影”2000小哥白尼(军事科学)(2022年2期)2022-05-25城市道路照明电气设计常见问题探究建材发展导向(2021年18期)2021-11-05城市道路清扫之我见河北画报(2021年2期)2021-05-25“像素”仙人掌红领巾·萌芽(2019年8期)2019-08-27汽车车门限位涂装夹具的设计科学与财富(2017年24期)2017-09-06控制玻璃钢型材固化收缩变形的装置科技创新导报(2016年4期)2016-11-19