数字图像处理论文石晓亮

作者：石晓亮

摘要：木文介绍了数字图像处理与模式识别在交通的应用领域及其重 要意义，详细阐述了利用数字图像处理及模式识别技术的原理和方 法，并在此基础上研究了交通检测系统的算法和模型，通过木文的研 究，初步探索了数字图像处理与模式识别在交通检测系统中的应用途 径和方法，为以后进一步的实现基于数字图像的交通检测系统的打下 了基础。

关键词：数字 图像位图调色板

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前言 ............................................................................ 3 1高速公路常用的车流检测方法主要有以下几种： ..................................... 4 1空气管道检测 ...................................................................... 4 2检测环检测 ........................................................................ 4 3视频检测 .......................................................................... 5 2视频车辆检测系统： ............................................................. 5 1视频车辆检测系统 .................................................................. 5 WINDOWS位图和调色板 ......................................................... 7 结论与展望 ...................................................................... 9 参考文献 ........................................................................ 9 致谢 ............................................................................ 9

数字图像处理和模式识别在交通检测中的应用

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前言

数字图像处理(Digital Image Processing) 乂称为讣算机图像处理，它是指 将图像信号转换成数字信号并利用讣算机对其进行处理的过程。数字图像处理最 早出现于20世纪50年代，当时的电子计算机已经发展到一定水平，人们开始利 用计算机来处理图形和图像信息。数字图像处理作为一门学科大约形成于20世 纪60年代初期。早期的图像处理的LI的是改善图像的质量，它以人为对象，以 改善人的视觉效果为LI的。图像处理中，输入的是质量低的图像，输出的是改善 质量后的图像，常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。首次获 得实际成功应用的是美国喷气推进实验室(JPL)。他们对航天探测器徘徊者7 号在1964年发回的儿千张月球照片使用了图像处理技术，如儿何校正、灰度变 换、去除噪声等方法进行处理，并考虑了太阳位置和月球环境的影响，山计算机 成功地绘制出月球表面地图，获得了巨大的成功。随后乂对探测飞船发回的近十 万张照片进行更为复杂的图像处理，以致获得了月球的地形图、彩色图及全景镶 嵌图，获得了非凡的成果，为人类登月创举奠定了坚实的基础，也推动了数字图 像处理这门学科的诞生。在以后的宇航空间技术，如对火星、土星等星球的探测 研究中，数字图像处理技术都发挥了巨大的作用。数字图像处理取得的另一个巨 大成就是在医学上获得的成果。1972年英国EMI公司工程师Housfield发明了 用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置，也就是我们通常所说的CT (Computer Topography)。CT的基本方法是根据人的头部截面的投影，经计算 机处理来重建截面图像，称为图像重建。1975年EMI公司乂成功研制出全身用 的CT装置，获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像。1979年，这项无损伤诊 断技术获得了诺贝尔奖，说明它对人类做出了划时代的贡献。与此同时，图像 处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就，属于这些领 域的有航空航天、生物医学工程、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、 文化艺术等，使图像处理成

为一门引人注目、前景远大的新型学科。随着图像处理技术的深入发展， 从70年代中期开始，随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展， 数字图像处理向更高、更深层次发展。人们已开始研究如何用计算机系统解释图 像，实现类似人类视觉系统理解外部世界,这被称为图像理解或计算机视觉。

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很多国家，特别是发达国家投入更多的人力、物力到这项研究，取得了不少重要 的研究成果。其中代表性的成果是70年代末MIT的Marr提出的视觉计算理论， 这个理论成为讣算机视觉领域其后十多年的主导思想。图像理解虽然在理论方法 研究上已取得不小的进展，但它本身是一个比较难的研究领域，存在不少困难， 因人类本身对自己的视觉过程还了解甚少，因此讣算机视觉是一个有待人们进一 步探索的新领域 1高速公路常用的车流检测方法主要有以下几种： 1空气管道检测

空气管道检测是接触式的检测方法，在高速公路主线的被检测点拉一条空心 的塑料管道并作固定，一端为封闭，另一端联接计数器，当车辆经过塑料管道时, 车轮压到空气管道，管内空气被挤压而触动计数进行计算车流量的方法。该方法 的优点是：方便，简单，流动性强，成本较低。缺点：塑料管道使用寿命短，更 换周期频繁，当更换塑料管道时需封闭车道，增加了人员不安全的因素和塞车的 可能性。当长车经过时山于车轴的距离大，有可能被讣算成两辆车，造成数据的 误差率大。此方法在早期的车流量检测较多见，现在的高速公路车流检测已不用 这种方法。 2检测环检测

检测环检测车流量也属接触式检测方法，在高速公路建设期间应确定主线被 检测的站点，铺筑路面和安装线圈检测棒同时进行。当车辆经过路面的检测棒时, 车轮压到环形线圈使电感发生变化而产生检测信号，从而进行计算数据的检测方 法。该方法的优点：线圈检测技术的发展已很成熟，国内外生产厂家也较多，价 格相对合理，被高速公路广泛釆用，特别是城市道路公安交警用于抓拍违章车辆 也常用这种方法。误差率相对空气管道检测减少。缺点：更换检测棒时必须封闭 车道，开挖路面，造成维护成本高和容易塞车，也给维护人员带来不安全的因素, 维护作业在路上进行，受天气因素影响较大，在路面大中修时往往会挖断检测棒, 给路面的重铺和大中修增加了困难，道路的扩建和改道也受牵制。LI前大多数高 速公路是用这种检测方法。

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3视频检测

视频检测车流量属非接触式的检测方法，也称为图片处理或人工视觉，是一 种结合视频图像和电脑化模式识别的技术，在路上安装摄像机，通过视频摄像机 和讣算机模仿人眼的功能为实际应用提供工作平台，是LI询高速公路车流检测较 先进的技术，它通过软件在显示器视频图像的车道上设置虚拟车道检测器，每个 虚拟车辆检测器代表一个区域，当车辆通过任何一个虚拟检测器时，就会产生一 个检测信号，再经过软件数字化处理和汁算得到所需的交通数据，如车型、车流 量、车速、车头距离、占有率、车辆排队长度等。该系统的优点：由于是在显示 器视频图像的车道设置虚拟检测器，因而在维护时无须封闭车道，无须开挖路面, 也不会因道路重铺或拓宽车道而影响车流量的检测。检测点的变化只在监视器的 图像上设定虚拟检测器的位置就可完成，不因道路的维修而中断交通检测。缺点: 当大雾天气摄像机无法完全捕捉车辆信号时会影响数据的精确率，但这种天气很 少见。

2视频车辆检测系统: 1视频车辆检测系统

1984年，美国明尼苏达大学运输研究中心的帕诺斯•麦克鲁波洛斯博士发明 AUTOSCOPE—视频车辆检测系统，是用一台普通工业电视摄像机对多达6飞个车 道的交通流量进行同时监视和检测。从摄像机上人为设置的特定检测区域内得到 的图像信号，经过一台286（或386）微机的数字化和格式化处理，可以得到以下 的交通数据：车辆存在、车辆通过、车速、车种、排队长度、流量、占有率、车 间时距、拥挤程度、密度、交通录像带的脱机分析。数据收集之齐全，可包括现 在的各种环形线圈检测器的所有检测功能。1991年9月5日，在美国某市第26 街的350英尺距离内的4个车道上,进行了两种系统的对比试验，测验结果表明， 在不同时间和不同气候条件下，视频检测系统与环形线圈检测器的检测效果是非 常接近的，完全满足检测精度的要求。

1992年，明尼苏达的图像传感系统公司和Econolite控制产品公司联合推 出AUT0SC0PETM—2003型视频车辆检测系统，用于多车道、多方向的大范围交通

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车辆检测。带RGB监视器的AUTOSCOPE—2003 ,其大小为19 in宽、5. 5 in 高、10. 25 in深(0. 48 mXO. 14 mXO. 26 m),可安装在交通柜中或控制器里，符 合美国电气制造者协会(NEMA)的标准，可在-35°C\"74 °C的环境温度下正常工 作,CPU为Intel 486 sx微机，具有170型控制器接口。就AUTOSCOPE 一 2003 视频车辆检测系统的典型配置而言，它山「4个电视摄像机，AUTOSCOPE—2003 单元,管理讣算机和RGB视频监视器组成。摄像机为普通工业用黑口或彩色CCD 芯片型，具有300线以上的清晰度，安装在室外防护罩内。该系统能够同时接收 并处理4台摄像机送来的图像信息，可以检测至少48个区域。可用于高速公路、 桥梁、隧道等不同道路的检测。具有如下功能：可进行事故检测；可通过内部非 易失的快速擦写存储器(Flash)或管理机的硬盘收集大量的交通参数以便进行实 时的和脱机的交通分析；用一台摄像机对6-8个车道同时监视；匝道的测量控 制和网络的自适应控制；不同检测方案的选择和比较等。欧、美、日己广泛推广 和使用AUTOSCOPE 一 2003视频车辆检测系统，密执安州奥克兰公路委员会实施 的FAST—TRAC ATMS / ATIS规划［2, 3］是AUTO SCO PE规模最大和最复杂的应 用实例。 U前已推出AUTOSCOPE—2004视频车辆检测系统。 2结语

由于AUTOSCOPE视频车辆检测系统的使用，取代了传统的在道路埋设线圈检 测器的复杂施工，减少了工程费用，提高了检测精度和系统的可靠性，使原有的 交通监视系统除仍能完成现场监视外，赋予了新的功能，国外已经推广应用。随 着我国经济的发展和交通事业的进步，该系统在我国的交通控制和管理领域必将 得到推广应用。 视频检测技术在高速公路的应用

2002-08-05中国公路•交通信息产业 广深珠高速公路有限公司田育涛

车流量检测系统是高速公路交通监控系统的组成部分，用于检测高速公路主 线车流辆、车型、车速、占有率等交通数据，是控制高速公路的车流出入，确保 道路安全畅通的重要手段，也为统讣有关资料，为管理者决策提供有效的数字依 据。近年来，随着讣算机技术的不断进步，车流量检测系统也飞速发展，用于车 辆检测的方式也多种多样，但作为高速公路管理者或业主，在选择车辆的检测方

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式时应从其性能、成本、使用寿命、日常维护、发展方向和系统兼容等方面进行 综合考虑，特别是新建的高速公路对以上指标更应认真对比，慎重选择。在选择 产品性能可靠、成本合理的询提下，应让高科技含量的产品能充分发挥其作用。 车流量检测系统一般山车辆检测部分、传输部分和数据处理部分组成。

1、辆检测部分：安装于高速公路主线的被检测点，用于实时记录各种交通 数据，并转换成适合传输用的信号。

2、传输部分：由于高速公路的线路长，数据大，一般采用光纤传输。

3、数据处理部分：对检测部分记录的数据进行必要的处理，计算出有用的 交通数据，用曲线、表格和图形等形式提供给管理者。同时对数据进行备份和归 档。根据多年来高速公路的实际情况，在系统的运行中损坏最多的是车辆检测部 分，维修也占最大的工作量，而且在路上作业需要封道开挖路面，增加了人员不 安全的因素和塞车的可能性。以下对车辆检测部分常用的儿种方法进行比较。 Windows位图和调色板

我们知道，普通的显示器屏幕是山许许多多点构成的，我们称之为象素。显 示时采用扫描的方法：电子枪每次从左到右扫描一行，为每个象素着色，然后从 上到下这样扫描若干行，就扫过了一屏。为了防止闪烁，每秒要重复上述过程儿 十次。例如我们常说的屏幕分辨率为640X480,刷新频率为70Hz,意思是说每 行要扫描640个象素，一共有480行，每秒重复扫描屏幕70次。我们称这种显 示器为位映象设备。所谓位映象，就是指一个二维的象素矩阵，而位图就是采用 位映象方法显示和存储的图象。自然界中的所有颜色都可以由红、绿、蓝(R, G, B)组合而成。有的颜色含有红色成分多一些，如深红；有的含有红色成分少一些, 如浅红。针对含有红色成分的多少，可以分成0到255共256个等级，0级表示 不含红色成分；255级表示含有100%的红色成分。同样，绿色和蓝色也被分成 256级。这种分级概念称为量化。这样，根据红、绿、蓝各种不同的组合我们就 能表示出256X256X256,约1600万种颜色。这么多颜色对于我们人眼来说已 经足够丰富了。

表1.1 常见颜色的RGB组合值

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颜色 红 蓝 绿 黄 紫 青 白 G R 255 0 0 255 255 0 255 0 128 0 255 0 255 0 255 255 0 128 B 0 0 255 0 255 255 255 0 128 里 「灰

让我们来看看下面的例子。

有一个长宽各为200个象素，颜色数为16色的彩色图，每一个象素都用R、 G、B三个分量表示。因为每个分量有256个级别，要用8位(bit),即一个字节 (byte)来表示，所以每个象素需要用3个字节。整个图象要用200X200X3,约 120k字节，可不是一个小数口呀！如果我们用下面的方法，就能省的多。因为 是一个16色图，也就是说这幅图中最多只有16种颜色，我们可以用一个表：表 中的每一行记录一种颜色的R、G、B值。这样当我们表示一个象素的颜色时，只 需要指出该颜色是在第儿行，即该颜色在表中的索引值。举个例子，如果表的第 0行为255, 0, 0(红色)，那么当某个象素为红色时，只需要标明0即可。让我 们再来计算一下：16种状态可以用4位(bit)表示，所以一个象素要用半个字节。 整个图象要用200X200X0.5,约20k字节，再加上表占用的字节为3X16-18 字节.整个占用的字节数约为前面的1/6,省很多吧？这张R、G、B的表，就是 我们常说的调色板(Palette),另一种叫法是颜色查找表LUT(Look Up Table), 似乎更确切一些。Windows位图中便用到了调色板技术。其实不光是Windows位 图，许多图象文件格式如pcx、t辻、gif等都用到了。所以很好地掌握调色板的 概念是十分有用的。有一种图，它的颜色数高达256X256X256种，也就是说包 含我们上述提到的R、G、B颜色表示方法中所有的颜色，这种图叫做真彩色图 (true color) o真彩色图并不是说一幅图包含了所有的颜色，而是说它具有显示 所有颜色的能力，即最多可以包含所有的颜色。表示真彩色图时，每个象素直接 用R、G、B三个分量字节表示，而不釆用调色板技术。原因很明显：如果用调色 板，表示一个象素也要用24位，这是因为每种颜色的索引要用24位(因为总共 有2‘‘种颜色，即调色板有罗行)，和直接用R, G, B三个分量表示用的字节数 一样，不但没有任何便宜，还要加上一个256X256X256X3个字节的大调色板。 所以真彩色图直接用R、G、B三个分量表示，它乂叫做24位色图。

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结论与展望

交通流量检测系统是一套讣算机系统，它运用了图象识别技术和图象压缩技 术。用一个摄像头安装在高速公路或城市内公路上，计算机对图象进行实时处理, 计算机识别车道与车辆，对车辆进行统计与记录。该设备对治理公共交通，以及 交通控制作用显著，科学技术的变化日新月异，随着高速公路高科技含量的不断 增加，在实现资源优势共享的前提下，视频检测技术应用在高速公路的车流量检 测必将成为发展 参考文献

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[8] G. A. Baxes, Digital Image Processing： Principles and Applications, Wiley, New

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致谢

本毕业论文是在我的指导老师潘丽峰老师的严谨指导下完成的。感谢潘老师 从我专业课程的学习、论文选题以及论文的撰写，一一悉心指导。本论文的完成 凝结了导师的心血和汗水。值此论文完成之际，谨向潘丽峰老师致以衷心感谢！ 同时对所有帮助过我的老师和同学深表谢忱！

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