李玉華， 饒 敏

(大連理工大學 建設工程學部， 遼寧 大連 116081)

目前自動駕駛領域通用的定位方式是利用GPS、高精度地圖和多種傳感器(激光或相機)數據進行信息融合定位[1-2]。通常利用GPS數據初步確定車輛位置，之后利用高精度地圖和車載傳感器數據實現精確定位。在郊區(qū)空曠地區(qū)，這類定位方式可行，但在高樓密集區(qū)、隧道及高架橋下等2區(qū)，GPS信號易受到遮擋，也易遭受電磁干擾和金屬屏蔽[3]，自動駕駛車輛很難準確獲得自身位置信息，自動駕駛和自動導航可能發(fā)生中斷或行駛錯誤，嚴重時造成智能交通系統癱瘓。

針對上述問題，目前主要利用航位推測法[4]來解決。即利用碼盤、慣性傳感器信息計算位移矢量，再結合初始位置坐標來推算車輛位置，但航位推測法是一個信息不斷增加的過程，短期內精度高，隨時間增加定位誤差會不斷累積增大。為了在緊急情況下獲取車輛位置信息，一些學者利用一維條形碼技術對交通標線進行編碼設計[5-6]，以表征車輛位置信息，并采用相應的識別方法進行識別，即可獲得車輛位置信息，但現有研究主要是在路面已有交通標線的基礎上增加其他類型的線條或較大程度改變交通標線的一些基本特性，編碼方式沒有系統化，且范圍較大，只能粗略提供車輛所在車道線處的位置信息，并不能提供較精確的車輛位置信息及道路交通情況的管理信息，大范圍普及和應用較困難。

為此，本文設計一種特殊虛線交通標線，僅在虛線交通標線的基礎上進行設計，并不增加其他線條，也不較大程度改變虛線交通標線基本特性，采用配套識別程序進行識別就能獲得車輛所在位置的多種定位信息以及道路交通設施的多種管理信息，可為智能車輛運輸、自動駕駛、無人駕駛、自動導航、智能交通及全息交通[7]等系統提供查詢、校核服務。

1 特殊虛線交通標線設計原理

虛線交通標線由固定長度的標線段和固定長度的間隔段交替排列組成，這與一維條形碼的組成相似。一維條形碼是由不同寬度的黑白條組合而成的特殊標記[8]，不同于虛線交通標線的標線段和間隔段固定的交替排列，一維條形碼在應用前已完成編碼設計，有不同的排列方式，可表達特定信息。將一維條形碼技術應用到虛線交通標線，對虛線交通標線進行編碼設計，可得到表征信息的虛實線交通標線，即特殊虛線交通標線。

特殊虛線交通標線由標線條單元和路面條單元2種基本單元組成，標線條單元采用《道路交通標志和標線第3部分：道路交通標線》(GB 5768.3—2009)[9]中規(guī)定的材料敷設于路表，路面條單元為路表未敷設標線的空白區(qū)域，2單元具有相同的尺寸(長度、寬度)。將標線條單元視為二進制數“1”，路面條單元視為二進制數“0”，則特殊虛線交通標線可對應一個二進制數。基于一維條形碼編碼技術，二進制數可標識字符，具有唯一性。特殊虛線交通標線選取6個基本單元(二進制數)用于單個字符標識，如表1所示，可標識除“I”“O”之外的所有24個字母，數字0～9以及部分符號，利用這些6位二進制數對特殊虛線交通標線進行設計，特殊虛線交通標線可標識由一定數量字符組成的字符串；也可采用更多位數的二進制數對特殊虛線交通標線進行設計，可標識更多字符種類，表征更多類型的信息。

表1 特殊虛線交通標線二進制數編碼

2 特殊虛線交通標線設計

為便于識別特殊虛線交通標線，將標線區(qū)域依次設為起始區(qū)、數據區(qū)、數據檢驗區(qū)和結束區(qū)，并將固定數量的標線條單元及路面條單元排列組合構成標線數據塊，標線數據塊對應二進制數為特殊虛線交通標線二進制編碼，起始區(qū)、數據檢驗區(qū)和結束區(qū)由一個標線數據塊構成，可分別標識一個字符，數據區(qū)由多個標線數據塊構成，可標識一個字符串，各區(qū)域相互之間無間隔，特殊虛線交通標線結構如圖1所示。通過特殊虛線交通標線二進制編碼可得到多種標線數據塊，進而可設計得到特殊虛線交通標線，將多個路面條單元組成標線間隔區(qū)，并與標線區(qū)循環(huán)設置，即形成了完整的特殊虛線交通標線，如圖2所示。

圖1 特殊虛線交通標線結構示意

圖2 完整的特殊虛線交通標線

在具體設計時，為了將數據區(qū)與其他區(qū)域區(qū)分開，將標線的起始區(qū)和結束區(qū)的標線數據塊分別取連續(xù)的標線條單元和路面條單元，分別標識字符“{”“}”，數據校驗區(qū)的標線數據塊標識字符可取一個數字，該數字由數據區(qū)數字計算得到，由于車輛位置和道路交通設施信息表示差異，在具體設計特殊虛線交通標線時不設數據校驗區(qū)，因此特殊虛線交通標線的標線區(qū)域可表征字符串“{*******}”。

標線數據塊對應一個二進制數，可標識數字、字母及特殊符號，在前文已提出一種6位的特殊虛線交通標線二進制數編碼方法，對應標線數據塊一種設計類型。但為了在識別過程中能快速判定特殊虛線交通標線的準確性，可對特殊虛線交通標線二進制編碼進行糾錯設計。限定標線數據塊中的標線條單元或路面條單元個數的奇偶性，得到一種具有糾錯功能的特殊虛線交通標線二進制編碼方法。該編碼方法可標識字符總數為30個，僅包含常用的17個字母，每個標線數據塊均含偶數個標線條單元及偶數個路面條單元，如表2所示。

表2 具有糾錯功能的二進制數編碼方法

為了提高特殊虛線交通標線實線部分連續(xù)的視覺效果，可對標線數據塊進行優(yōu)選篩選?？刂茦司€條單元和路面條單元的連續(xù)長度，可得到2種視覺效果良好，且便于識別的標線數據塊類型和相應二進制數編碼方法：第1種編碼方法標識字符總數為23個，僅包含10個字母，每個標線數據塊均含偶數個標線條單元及偶數個路面條單元，最多只存在5個連續(xù)的標線條單元或路面條單元；第2種編碼方法標識字符總數為19個，僅包含必要的7個字母，最多只存在4個連續(xù)的標線條單元或路面條單元，如表3和表4所示。

表3 優(yōu)選篩選后的二進制數編碼方法1

表4 優(yōu)選篩選后的二進制數編碼方法2

3 車輛位置及道路交通設施信息表示方式

特殊虛線交通標線表征車輛位置及道路交通設施信息的前提是將這些信息統一用字符編碼表達，現介紹一種車輛位置及道路交通設施信息表示方式。

車道上車輛位置可由世界大地坐標，所屬行政區(qū)劃，路線編號及里程樁號，行駛方向、豎向層位號及橫向車道序號確定。但這些信息的常規(guī)表達中包含中文(行政區(qū)劃)、字母及數字(世界大地坐標)，并根據上述方法先對這些信息進行字符化處理，后參考相關定義和屬性對這些信息進行處理，統一采用類型標識符(字母)加數字的字符串進行表示，各類車輛位置信息具體表示方式如表5所示。

表5 車輛位置信息表示方法

常見的道路交通設施信息主要有道路類型與技術等級、設計速度與當前限速、前方交叉口或出入口提示、前方彎道提示、前方縱坡提示、前方路面類型與狀態(tài)提示、前方警告標志、前方禁止標志、其他交通標志和其他交通設施信息。自動駕駛系統獲得這些信息后可以了解現場道路詳細情況，為自動駕駛車輛后續(xù)的行駛做出合理決策。這些信息也可采用類型標識符(字母)+數字形式的字符串表達，建立道路交通設施信息數據庫，以便于與特殊虛線交通標線建立對應關系。各類道路交通設施信息具體表示方式如表6所示。

表6 道路交通設施信息表示方法

4 直線型特殊虛線交通標線識別

4.1 識別方案

依據條形碼和常規(guī)標線的識別，特殊虛線交通標線可采用激光掃描[10]和圖片處理[11]2種方法進行識別。激光掃描識別需設計專門的掃描儀，識別效率較低，漏檢率較高，為此本文采用圖片處理方式識別特殊虛線交通標線。先選取幾個結構化直線路段，利用前文設計內容實地敷設一定長度的特殊虛線交通標線；之后在不同光照條件下，沿路線前進方向拍攝不同角度下的特殊虛線交通標線，獲取識別所需圖像數據，由于條件限制，在拍攝過程中利用手持拍攝設備行進方式替代實際的車輛行駛；最后構建特殊虛線交通標線識別程序，對獲取的圖像數據進行識別，同時驗證識別程序的準確性。

根據《道路交通標志和標線第1部分：總則》(GB 5768.1—2009)[12]規(guī)定，使用規(guī)范外的道路交通標線，要經過一系列流程，耗時較長。為此，本文采用矩形紙塊貼于路表、黑色膠帶分割一般標線等方式模擬標線的實際敷設。本文選用具有優(yōu)選篩能力的二進制數編碼方法1(表3)進行特殊虛線交通標線編碼設計，選用表征車輛大地坐標的字符串設計特殊虛線交通標線。為盡可能保證特殊虛線交通標線虛線特征，特殊虛線交通標線的尺寸數據如下：基本單元長為5 cm，寬15 cm，標線全長為3.0 m和3.9 m，沿路線走向的相鄰兩特殊虛線交通標線取5個標線數據塊長度即1.5 m。特殊虛線交通標線模擬敷設效果如圖3所示。

本文特殊虛線交通標線識別方法：1) 對圖像進行二值化處理，采用大津法(OTSU)[13]對圖像進行全局二值化處理，但在處理前計算灰度圖中標線與路表的界限灰度級，剔除路表區(qū)域灰度級，界限灰度級計算式為y=-0.010 7x2+3.908 6x-143.47，二值化效果如圖4(a)所示。2) 在圖像中定位特殊虛線交通標線，先計算標線區(qū)域形狀特征(矩形度、面積、周長和長寬比等)，后利用標線區(qū)域形狀特征范圍剔除非標線區(qū)域，再利用剩余區(qū)域的形心坐標計算二值圖中可能存在的直線，選取一條經過區(qū)域最多的直線定位標線區(qū)域，定位效果如圖4(b)所示。

3) 識別圖中特殊虛線交通標線，先利用特殊虛線交通標線起始區(qū)和間隔區(qū)特征分割定位區(qū)域，得到完整的特殊虛線交通標線，后基于透視變換方法[14]，構造標線透視變換矩陣，將分割結果調整為俯視圖形式，再基于特殊虛線交通標線的設計原理識別標線，識別結果如圖4(c)所示。

(a) 二值化圖

4.2 識別結果及特殊虛線交通標線實際應用方法

本文利用特殊虛線交通標線識別方法構建完整的識別程序，并隨機選取500張不同角度和不同光照條件下的標線圖像進行識別，識別準確率為91%，效果較好。對未成功識別的圖片進行整合，發(fā)現主要為不同光照條件下質量較差的圖像，這些圖像在識別過程中會造成較多標線區(qū)域的缺失，最終導致識別失敗。為了能有更高的識別準確率，后續(xù)可從提高待識別圖像質量方面入手，本文目前只研究了靜態(tài)或慢速狀態(tài)下直線路段的特殊虛線交通標線識別，較高速度和更復雜路段的識別方法需進一步研究。

采用特殊虛線交通標線及自動識別方法，可在緊急情況下獲取車輛位置信息。在實際應用中，主要實施步驟如下：

1) 利用GPS質量評估模塊，計算GPS位置、速度、航向角和全局可靠性指標，根據可靠性指標的大小將其投影到狀態(tài)空間(GOOD、DOUBT、BAD、ABNORMAL)中，評價GPS數據質量；2) 依據GPS數據質量好壞，判定是否要切換成本文方法獲取車輛位置信息；3) 為滿足自動駕駛定位需求，還需將本文方法獲取的車輛位置信息與高精度地圖和傳感器的數據進行融合，可利用自適應維納濾波和卡爾曼濾波[15]實現信息融合。

5 結束語

1) 基于條形碼設計的特殊虛線交通標線，整體功能仍符合虛線交通標線的作用。

2) 特殊虛線交通標線，可利用類型標識符(字母)+數字的表示方式，對車輛所在位置的多種定位信息以及道路交通設施的多種管理信息進行統一的數字化表征。

3) 采用本文特殊虛線交通標線及圖片處理識別方法，可為自動駕駛提供特殊條件下的定位及信息查詢等應急服務，準確率達到91%。

4) 在不同光照和車速條件下獲取的圖像質量有差異，在程序系列識別過程中會造成標線部分缺失，若標線污損也會造成標線缺失，致使標線識別失敗，在下一階段工作中需研究標線圖像質量評價方法及對應的圖像質量提高方法。同時，本文只研究了靜態(tài)或慢速狀態(tài)下直線路段的特殊虛線交通標線識別，較高速度和更復雜路段的識別方法也需要進一步研究。