邱皓楠

摘要本安全預警系統(tǒng)針對生活中混合交叉路口頻發(fā)交通事故這一問題，提出一種基于圖像處理的簡單可靠的智能安全的解決方案。系統(tǒng)利用圖像處理中運動偵測技術(shù)，并設計一系列有效圖像分析方法，能夠在潛在事故發(fā)生前為行人車輛提供提醒，保障了行人及車輛的出行安全。經(jīng)實際測試，本系統(tǒng)能夠有效快速地作出正確響應。

關(guān)鍵詞數(shù)字圖像；安全預警系統(tǒng)

人車混合交叉路口多出現(xiàn)于各類小區(qū)或校園與城市主要道路的交接處，幾乎所有小區(qū)及校園都有這種交叉路口。其中小區(qū)或者校園道路相對于城市主干道而言一般較為狹窄，主要用作行人出行使用。而與這些狹窄道路相交的城市主干道，則來往車輛較多，并且車速較快。

城市主干道作為重要的小區(qū)居民或者學生出入的道路，往往人流量大，車輛出入頻繁。這種混合交叉路口在給人們的出行帶來方便的同時，也對行人的生命安全帶來了很大威脅。我們經(jīng)常能看到相關(guān)的交叉事故報道，這類事故的發(fā)生一方面是由于行人或者司機的疏忽大意，雖然我國的交叉法明確要求機車在通過小區(qū)及城市主干道的混合交叉路口應當減速慢行，并且注意觀察過往行人，但因為大部分司機安全意識淡薄，并沒有在實際駕駛中完全遵守這些規(guī)定。另一方面則是因為這種混合交叉路口缺少必要的安全預警裝置。有些混合交叉路口雖然設有安全警示牌，但這對于行人而言，警示效果并不明顯，很多行人甚至并沒有注意到這些交叉警示牌。為了解決混合交叉路口事故頻發(fā)的問題，提高這類路口出行的安全性，我們設計了這種混合交叉路口的安全預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過不斷檢測過往車輛及行人的動態(tài)變化，并對這些動態(tài)數(shù)據(jù)進行分析預測，能夠?qū)β房谶^往行人車輛提供科學有效的實時動態(tài)提示，幫助人們規(guī)避這類路口發(fā)生事故的風險。

1設計原理

我們的安全預警系統(tǒng)基于數(shù)字圖像處理中的移動物體檢測技術(shù)。這項技術(shù)通過在實時監(jiān)測的視頻數(shù)據(jù)進行幀抽取，并對幀圖像進行物體運動檢測及運動情形分析，掌握在有效范圍內(nèi)的合適大小物體（在本系統(tǒng)中即指行人及車輛大?。┑南嚓P(guān)運動信息。這種技術(shù)又稱為移動偵測技術(shù)。圖1給出了移動偵測技術(shù)的基本原理。

為了檢測到視頻幀中存在的移動物體，技術(shù)人員采用背景減除法，時間差分法等方法。由于背景減除法對光照敏感，不適合在復雜交叉路口使用。我們采用時間差分法來檢測到移動物體。時間差分法的主要思想就是利用上一幀來減去下一幀，來判斷是否有移動的物體，前一幀與后一幀數(shù)據(jù)都是一個橢圓，對比前后兩幀圖像，我們可以知道，圖像中的橢圓其實是在運動的，運動方向向左。通過對兩幀圖像的作差，即后一幀減去前一幀，對應位置像素相減，我們可以得到相減后的結(jié)果，如第三幀圖所示。從作差的結(jié)果中我們只能發(fā)現(xiàn)兩幀圖像存在差別，即可以獲知圖像中的運動發(fā)生了移動，但并不能獲取物體的運動方向。但是我們將相減的結(jié)果與前一幀或者后一幀進行對比，這樣我們就可以獲知圖像中運動物體的移動方向。這就是時間差分法的基本工作原理。

我們的系統(tǒng)采用時間差分法，除了實時的差分運算外，還會對物體的大小進行估計。即在兩幀相減的結(jié)果處理中我們加入相減結(jié)果大小的計算，并在實際操作中設置閥值，選擇出圖像中的行人及車輛。

在我們的路口安全預警系統(tǒng)中，我們會在交叉路口處設置2個監(jiān)控探頭，分別用于監(jiān)測城市主干道及小區(qū)出入口道路的交叉狀況，并且會針對不同路口情景設置實際檢測的閥值，以使最終檢測的結(jié)果達到最佳。

2系統(tǒng)構(gòu)成

本安全預警系統(tǒng)由4個模塊組成，實時視頻監(jiān)測模塊，圖像數(shù)據(jù)分析模塊，預警信息顯示模塊及網(wǎng)絡連接結(jié)構(gòu)。視頻監(jiān)測模塊由2個支持紅外夜視功能的數(shù)字監(jiān)控攝像頭構(gòu)成，這2個數(shù)字攝像頭被放置于混合交叉路口處，分別負責采集不同路口的實時視頻數(shù)據(jù)，選取的探頭的分辨率為720P，焦距為12mm。這2個監(jiān)控探頭通過路由器與高性能處理器相連接，視頻流通過局域網(wǎng)被輸入給動態(tài)偵測算法。高性能處理器從視頻流中抽取關(guān)鍵幀，并對這些幀進一步處理，生成圖像中行人及車輛動態(tài)信息，這些信息包括是否存在移動行人（以及其對應的速度和方向），是否存在運動車輛。

我們選用的高性能處理器是最新版的第三代樹莓派B型開發(fā)板，即Raspberry Pi 3 Model B，如下圖所示。

該處理器以Linux作為其操作系統(tǒng)，便于開發(fā)和維護，并且第三代開發(fā)板性能得到很大提升。它的相關(guān)參數(shù)如下：

BCM2837

64位的1.2GHz四核ARM Cortex-A53

1GB內(nèi)存

10/100自適應網(wǎng)卡

802.11n WiFi無線網(wǎng)卡

低功耗藍牙4.1（BLE）

HDMI接口

USB 2.0接口x 4

MicroSD卡插槽

3.5mm音頻輸出接口

40PIN GPIO接口

CSI攝像頭接口

DSI顯不接口

升級后的電源管理系統(tǒng)

移動偵測算法用python實現(xiàn)，運行于樹莓派內(nèi)的Linux系統(tǒng)中。

高性能處理器完成相關(guān)的圖像分析處理工作后，根據(jù)內(nèi)部設定的邏輯結(jié)構(gòu)進行相關(guān)信息的輸出。輸出結(jié)果顯示于預警信息顯示模塊中的動態(tài)顯示屏上。我們采用的動態(tài)顯示屏是高亮度全彩LED顯示屏。這種顯示屏多用于廣告牌及交通信息顯示牌，具有全天候工作的特點，非常適合我們的安全預警系統(tǒng)中的預警信息的顯示。

我們在交叉口兩條道路上放置了顯示屏，城市主干道上的顯示屏用于提醒過往車輛小區(qū)出入口的行人動態(tài)，以便車輛司機能夠及時減速慢行；小區(qū)出入口的顯示屏用于提醒小區(qū)出入口的行人，顯示當前城市主干道是否有車輛快速駛近，提醒行人匯入主干道時注意安全。

3系統(tǒng)性能及評測

本系統(tǒng)在實際小區(qū)、學校等行人車輛出入較多地方進行測試，能夠達到良好的測試結(jié)果。系統(tǒng)響應速度快，安裝方便，無需大型施工。在測試中，系統(tǒng)能夠很快檢測出移動行人及車輛，并且給出安全提示。在沒有行人和車輛時，系統(tǒng)的動態(tài)顯示屏也可以用作廣告屏，達到商業(yè)價值。由于系統(tǒng)采用具有夜視功能的監(jiān)控探頭，整個系統(tǒng)在夜間也有很好的表現(xiàn)。