一种基于高清视频技术的车辆违章检测系统及方法

摘要

本发明提供一种基于高清视频技术的车辆违章检测系统及方法，该系统结构完整，流程清晰，采用多种视频处理算法，同时将车辆位置及其运动轨迹与车道信息、交通灯信息相结合实现违章规则判断，具有很强的扩展性。本系统接入高清数字视频信号，只需要设置车道信息参数，所有处理均基于视频分析技术实现，无需接入车辆检测装置或交通灯电气信号，独立性很强，提高了系统性能，安装使用也十分方便。视频质量检测模块可以实时分析和监控高清数字视频质量，发现视频采集质量的异常可以直接报警，提醒管理人员排除故障，能够最大化地保证系统的稳定运行和预设功能的实现。本系统和方法具备多功能、智能化、使用简单方便的特点，具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及交通控制技术领域，具体涉及一种基于高清视频技术的车辆违 章检测系统及方法。

背景技术

近几年来，我国大力发展智能交通系统，各种智能交通功能系统或设备得 到广泛使用，为提高我国智能交通管理水平提供了有力的技术和产品支撑。

非现场执法系统作为城市智能交通管理网络的重要设备，可以有效地检测 到各种交通违章行为，提高交管部门的执法力度，同时也增强了驾驶人员遵守 交通规则的守法意识，对规范城市交通、提高道路通行效率、减少交通违章现 象、降低民众生命财产损失都具有极为重大的意义。

目前很多非现场执法系统都是单一功能系统，如单一的公路卡口系统，单 一的闯红灯检测系统等，无法做到单套设备的功能复用，对于早期建设的非现 场执法系统而言，很多还是基于模拟标清视频的图像或视频采集手段，功能单 一、系统老化、智能化程度低是这些系统的显著缺陷。

随着城市交通的逐步完善，各类公私车辆数量的爆炸式增长，城市交通压 力越来越大，在很多一二线城市中，车辆排队拥堵的现象越来越普遍。《北京市 道路交通管理法规》第42条第6款明确规定：“车辆通过交通信号或交通标志 控制的交叉路口、十字路口，遇有行驶方向路口交通堵塞时不准进入路口。”也 就是说，即使迎面是绿灯，前面堵车走不动，后面的车也不能跟着再进路口， 以免在路口造成较长拖尾，严重影响其他方向的车辆通行，形成新的拥堵焦点， 这也是一类特殊的交通违章行为，俗称“闯绿灯”。其中，行驶方向路口交通堵 塞的情况不仅包括在车辆行驶方向的车辆已经排队至路口处，还包括另外的方 向上的车辆在上一个绿灯时间内没有行驶出路口，并排队至路口处。然而，现 有技术中的交通拥堵检测，包括采用在底下埋设传感线圈等方式，只能够检测 到运动车辆，因此当车辆静止时，无法检测到交通是否堵塞。并且，现有技术 中对于交通堵塞的检测，只限于对车辆行驶方向的拥堵检测，而没有考虑到另 外一个方向上的车辆带来的堵塞情况。因此即使“闯绿灯”的交通违章行为目 前在一二线城市中越来越普遍，但是到目前为止仍然极少有可以实现该类违章 检测的非现场执法系统在实际系统中使用。

现有专利文献CN102024330A公开了一种基于高清视频的智能交通信号控制 系统、方法及设备，在该文献中公开的方法和设备中，采用的是高清数字摄像 头作为视频监控设备，包括外站设备、通讯网络和中心系统设备。其外站设备 以路口为单位，每个路口各方向分别安装高清摄像机，摄像机与高清视频检测 主机相连并安装于信号机箱内，信号灯接入交通信号控制机，由路口信号机内 的网络设备与中心系统互通互联；中心系统包括交通信号控制系统、交通违法 处理系统、交通视频监控系统和操作终端；通讯网络包括三部分，即路口信号 机到信号控制通讯单元的网络连接、通讯单元、中心系统设备的内部网络连接， 其中，交通违法处理系统和视频监控系统采用综合通讯接入设备。上述技术方 案中，采用同一视频设备实现综合交通检测，将交通监控视频流传送至交通指 挥系统，将交通流检测数据输入至信号控制系统，将交通执法数据传输至交通 执法系统，最终搭建基于高清视频的智能化交通信号控制系统。但是上述技术 方案存在以下问题：

①上述技术方案中，监测主机利用I/O模块采集红灯信号数据，同时通过 网络访问高清视频并实时录像，利用高性能的视频检测技术和车牌识别算法检 测车的动态，然后根据车辆的运行方向、角度、面积和车牌信息综合检测车辆 的违法行为及通行记录，上述只能够实现对于车辆闯红灯信号时的监控，而当 信号灯为绿灯信号状态时，监测主机便不会采集绿灯信号数据，也不能够实现 对于车辆闯绿灯行为的监控。

②上述技术方案中，由于信号灯数据是由监控主机获得而车辆行驶信息数 据是由高清视频获得，因此当车辆行驶过程中出现违章行为时，至少要同时从 监控主机和高清视频分别获取相应的数据，由于两种数据不能同现，举证时证 据的说服力也不容易被认可，因此当车辆行驶过程中出现违章情况，证据的保 存以及以后的举证过程较为复杂。

③上述技术方案中，采用数字摄像头等监控设备监控行驶的车辆，由于线 路故障、人为遮挡和破坏，固定摄像头位置的突然变动、天气状况等原因会出 现摄像机采集到的视频信号质量不佳，亮度或者噪声不能满足视频分析的要求。 如果采集到的视频信号不能够准确反应出当前的交通状况，会出现交通控制系 统控制失灵的情况出现，可能会使得原本就拥堵的道路拥堵的更加严重甚至造 成交通瘫痪。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中的采用数字摄像头等监控设备对 路口处的交通状况及车辆行驶状况进行监控时举证过程复杂且证据认可度不足 而且无法判断车辆是否有闯绿灯违章行为的出现，以及由于外界因素导致采集 到的视频画面质量较差无法应用于交通监控和协调控制的技术问题进而提供一 种能够自动检测车辆闯绿灯违章行为并且能够对视频监控画面质量进行检测的 基于高清视频技术的车辆违章检测系统和方法。

为解决上述技术问题本发明提供一种基于高清视频技术的车辆违章检测系 统，包括

参数输入单元：用于输入监控范围内的车道参数、信号灯参数；

视频检测单元：设置于道路交叉口与所述参数输入单元相连，采用高清数 字摄像机监控道路交通状况，获得数字视频信号，并根据所述参数输入单元输 入的车道参数和信号灯参数将数字视频信号化划分为虚拟车道范围和虚拟信号 灯范围；

信号灯状态提取单元：与所述视频检测单元连接，用于提取和判断所述虚 拟信号灯范围内的色度信息判断信号灯状态；

车辆视频跟踪单元：与所述视频检测单元连接，用于从数字视频信号中定 位并分离出车辆目标及车牌号码，对车辆进行跟踪；

拥堵检测单元，与所述视频检测单元相连，提取所述视频检测单元检测到 的数字视频信号中车辆占有路面的比例及车辆行驶速度，用于判断路面范围内 是否存在拥堵现象；

车辆行为记录单元：其包括

闯绿灯记录模块：与所述拥堵检测单元、所述车辆视频跟踪单元和所述信 号灯状态提取单元相连，当车辆行驶方向发生拥堵且车辆行驶方向的信号灯为 绿灯时，车辆如果继续前行判定车辆为闯绿灯违章行为；

违章行为存储单元：与车辆行为记录单元连接，当车辆有闯绿灯违章行驶 时，存储车辆闯绿灯行驶时的视频信息。

所述拥堵检测单元包括分辨率降低模块和拥堵检测模块：

所述分辨率降低模块与所述视频检测单元的信号输出端相连，用于降低数 字视频信号分辨率；

所述拥堵检测模块的信号输入端与所述分辨率降低模块的信号输出端相连， 用于判断路面监控方向上是否存在拥堵现象并估算拥堵程度。

系统还包括

视频质量检测单元：与所述视频检测单元连接，用于检验所述高清数字摄 像机拍摄得到的数字视频信号是否满足视频分析处理条件并将满足视频分析处 理条件的数字视频信号发送至所述信号灯提取单元和所述车辆视频跟踪单元。

所述车道参数信息包括：车道数量、允许行进方向、各车道在视频范围中 的位置、停车线位置。

所述车辆行为记录单元还包括违章行为规则判断模块和卡口通行记录模块；

所述卡口通行记录模块与所述车辆视频跟踪模块相连，记录车辆通过路口 的卡口通行记录；

所述违章行为规则判断模块与所述信号灯状态提取单元、所述参数输入单 元和所述车辆视频跟踪单元相连，判断车辆是否违章行驶；

当车辆违章行驶时所述违章行为存储单元存储车辆违章行驶时的视频信息。

系统还包括历史视频流数据存储单元，其与所述视频质量检测单元连接， 用于存储当前时刻之前一段时间的历史视频，并随着时间推移更新。

本发明还提供一种基于高清视频技术的车辆违章检测方法，包括如下步骤：

①在路口处设置视频检测单元，利用高清数字摄像机获取路口处交通状况 及行驶车辆的数字视频画面；利用参数输入单元输入所述视频检测单元监控画 面内的车道参数信息和信号灯参数信息；

②所述视频检测单元检测到的数字视频信号复制为两路：

一路信号传输至信号灯状态提取单元，所述信号灯状态提取单元提取视 频信号中路口处交通信号灯状态信息；

一路信号传输至车辆视频跟踪单元，所述车辆视频跟踪单元提取视频信 号中行驶车辆位置信息及车牌号码，并跟踪车辆的运动轨迹；

③拥堵检测单元从高清数字摄像机中获取的数字视频画面中提取车辆占有 路面的比例及车辆行驶速度参数，判路面上监控方向是否存在拥堵现象；

④闯绿灯记录模块接收所述拥堵检测单元的判断结果，所述车辆视频跟踪 单元提取的车辆运动轨迹及所述信号灯状态，当车辆行驶方向发生拥堵且车辆 行驶方向的信号灯为绿灯时，车辆如果继续前行判定车辆为闯绿灯违章行为；

⑤违章行为存储单元，当车辆有闯绿灯违章行为时，存储车辆闯绿灯行驶 时的视频信息。

所述步骤③中还包括利用分辨率降低模块降低数字视频信号分辨率的步骤。

所述步骤②还包括利用视频质量检测单元检验所述高清数字摄像机拍摄 到的数字视频信号是否满足视频分析处理条件的步骤；

若所述高清数字摄像机拍摄到的数字视频信号不满足视频分析处理条件， 报警提示工作人员处理；

若所述高清数字摄像机拍摄到的数字视频信号满足视频分析处理条件，则 所述视频质量检测单元将数字视频信号复制为两路分别发送至所述信号灯状态 提取单元和所述车辆视频跟踪单元。

其还包括利用车辆违章行为规则判断车辆其他违章行为及记录车辆卡口 通行记录的步骤。

本发明的上述技术方案与现有技术相比存在如下优点：

①本发明中视频检测单元可以直接将车辆行驶轨迹和信号灯状态同时显 示在视频中，因此当车辆有违章行为时，可以直接将违章行驶的车辆和信号灯 状态在同一图片中显示，而且本发明中的系统包括对于车辆闯绿灯行为的监控， 可有效抑制车辆闯绿灯行为的出现。

②本发明中的系统包括视频质量检测单元，当拍摄到的数字视频信号不满 足视频分析处理条件，报警提示工作人员处理，可有效防止由于线路故障、人 为遮挡和破坏，固定摄像头位置的突然变动、天气状况等原因会出现摄像机采 集到的视频信号质量不佳，亮度或者噪声不能满足视频分析的要求情况的出现， 保证采集到的数字视频信号都是满足要求的。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例 并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明一种实施方式的系统框图；

图2为本发明多姿态车辆检测算法的模板训练流程图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种基于高清视频技术的车辆违章检测系统，包括

参数输入单元：用于输入监控范围内的车道参数、信号灯参数；本实施例 中参数输入单元可以是系统提供的一个参数输入界面，可以由操作人员根据系 统实际使用的环境背景输入设置车道参数信息，其可以包括车道数量、允许行 进方向、各车道在视频视野中的位置、停车线位置等，上述参数对于判断车辆 行为是否违章具有决定性作用；通过使用者在该模块上设置的车道参数及方向 规则，会决定了车辆运动是否属于违章行为。车道参数的设置需要在视频背景 下根据实际情况绘制，因此需要截取一张视频帧图像，并以帧图像为底版确定 车道线位置，设置车道号及转向规则(即确定哪些车道为直行属性，哪些车道 为转弯属性，有些车辆同时具有直行和转弯属性)，转向规则对于检测不按规定 车道行驶行为(如在转弯车道直行等)的检测是必要的信息。车道参数设置后 主要是将车道号、车道线位置、转向规则等信息转化为具体边界数据存储并送 入规则判断模块，与车辆位置和轨迹进行比对判断，视野背景底版并不作为参 数数据存储，而仅是作为操作员设置参数时的对照参考。由于该参数与实际应 用环境密切相关，因此当视野背景环境发生巨大改变(如更换使用环境、摄像 头位置或方向有较大偏转)时，需要重新根据新的背景环境设置车道参数，否 则会造成检测错误率急剧上升。

视频检测单元：设置于道路交叉口与所述参数输入单元相连，采用高清数 字摄像机监控道路交通状况，获得数字视频信号，并根据所述参数输入单元输 入的车道参数和信号灯参数将数字视频信号化划分为虚拟车道范围和虚拟信号 灯范围；本实施例中，高清数字摄像头提供的视频流数据是经过压缩编码的高 清数字视频流，如H.264或者MPEG4等编码格式，则需要将压缩视频流解码， 还原为非压缩的原始帧图像序列形式的视频流。本实施例中，系统还包括视频 质量检测单元：与所述视频检测单元连接，用于检验所述高清数字摄像机拍摄 得到的数字视频信号是否满足视频分析处理条件并将满足视频分析处理条件的 数字视频信号发送至所述信号灯提取单元和所述车辆视频跟踪单元；

信号灯状态提取单元：与所述视频检测单元连接，用于提取和判断所述虚 拟信号灯范围内的色度信息判断信号灯状态；该单元主要通过提取交通灯的色 度信息取得，考虑到交通信号杆的震动、室外能见度情况、交通信号灯强弱等 实际因素，结合应用现场的交通灯变化时序，输出红、黄、绿、灭四种状态； 其中当出现两种颜色同时亮时，以含义定义其状态，如红黄灯，黄绿灯同时亮 时定义为黄灯状态，采用该方法判断信号灯状态可以达到很高的准确性，基本 可以做到实时，时间误差范围在0.2s内。

车辆视频跟踪单元：与所述视频检测单元连接，用于从数字视频信号中定 位并分离出车辆目标及车牌号码，对车辆进行跟踪；本过程采用传统的视频分 析算法，包括多姿态车辆检测和目标跟踪算法实现。其中多姿态车辆检测算法 需要从视频中检测到车辆，并将互相贴近的车辆分离，目标跟踪算法则对视频 帧序列图像中的位置连起来形成车辆运动轨迹；对于多姿态车辆检测来说，首 先需要建立不同姿态，如车头、车尾及不同角度的侧面的车辆模板，该模板可 通过使用大量的多姿态车辆样本图像进行训练，训练方式目前通常使用模式识 别领域中常见的Adaboost算法来实现，在训练过程中可以直接采用车辆样本图 像的灰度特征，也可以提取边缘特征，Haar特征，结构特征等其他常见特征， 使用较大数据量(通常在1000个以上)的正样本集和负样本集进行训练，获得 车辆检测模板，实现较高的车辆检测准确率。多姿态车辆检测算法的模板训练 过程如图2所示。

运动方向预测技术是视频分析技术领域中的一个重要技术方向，许多公开 资料都对这一技术进行了研究和阐述，比较常用的是使用卡尔曼滤波(Kalman  Filter)算法或其相关算法，主要是通过设计多种方向性模板，根据参考运动矢 量预测出图像块的运动情况，根据不同的运动方向选择对应的方向性模板进行 搜索，在搜索范围内采用图像匹配的方式判断是否属于同一目标，当图像(或 其特征)具有一定相似性时可以认为相邻两张视频帧图像中的车辆目标属于同 一目标在不同时刻的位置，将两个位置相连即认为其为该目标的运动轨迹。以 此方式将连续帧图像中的同一目标的轨迹头尾相连，即可获得目标的连续运动 轨迹。

拥堵检测单元，与所述视频检测单元相连，提取所述视频检测单元检测到 的数字视频信号中车辆占有路面的比例及车辆行驶速度，用于判断路面监控范 围内是否存在拥堵现象；对于视频拥堵检测来说，属于智能视频分析中的排队 检测功能，通常使用背景分离算法、边缘检测算法及光流算法相结合的方法来 实现。由于排队检测并不需要将单个车辆分离出来，而只是需要判断出前景目 标(指道路上的车辆)与环境背景(指路面)区分，以判断车辆占有路面的比 例及车辆行驶速度，同时采用光流算法判断车辆的运动方向和速度，可以获得 路面车辆的密度及平均运动速度，当车辆占有路面的比例大并且车辆行驶速度 较低的情况下认定为路面拥堵，否则即使车辆占有路面的比例较大而车辆行驶 速度较快的情况也不能认定为拥堵；

作为优选的实施方式，所述拥堵检测单元包括分辨率降低模块和拥堵检测 模块：所述分辨率降低模块与所述视频检测单元的信号输出端相连，用于降低 数字视频信号分辨率；所述拥堵检测模块的信号输入端与所述分辨率降低模块 的信号输出端相连，用于判断路面监控方向上是否存在拥堵现象并估算拥堵程 度；

车辆行为记录单元：其包括

闯绿灯记录模块：与所述拥堵检测单元、所述车辆视频跟踪单元和所述信 号灯状态提取单元相连，当车辆行驶方向发生拥堵且车辆行驶方向的信号灯为 绿灯时，车辆如果继续前行判定车辆为闯绿灯违章行为；

违章行为存储单元：与车辆行为记录单元连接，当车辆有闯绿灯违章行驶 时，存储车辆闯绿灯行驶时的视频信息。

所述车辆行为记录单元还包括违章行为规则判断模块和卡口通行记录模块；

所述卡口通行记录模块与所述车辆视频跟踪模块相连，记录车辆通过路口 的卡口通行记录；

所述违章行为规则判断模块与所述信号灯状态提取单元、所述参数输入单 元和所述车辆视频跟踪单元相连，判断车辆是否违章行驶；

当车辆违章行驶时所述违章行为存储单元存储车辆违章行驶时的视频信息。

对于车辆的一般违章行为，可以直接根据信号灯状态提取单元提取到的信 号灯状态以及车辆视频跟踪单元跟踪到的车辆轨迹和参数输入单元输入的车道 参数即可判断。例如对于车辆是否闯红灯行为可以直接根据交通信号灯状态及 车辆轨迹判断，车辆是否违章掉头、越线超车、违章停车可以直接根据车道参 数信息和车辆轨迹判断；当判断出车辆运动的违章行为时，提取对应车辆的车 牌号码，并从视频中抽取表征该违章行为的其他证据，如高清录像，违章行驶 过程中的举证图片等，可以根据车辆视频跟踪单元所获得的车辆位置选择合适 的位置，通常在车辆处于视野范围的下部位置的时刻，因为此时车辆牌照较大， 有利于完成车牌识别，获得较高的牌照号码识别准确性截取帧图像，使用车牌 识别算法对车辆牌照进行识别，获取车辆身份信息。车牌识别算法作为模式识 别领域中的一类经典算法，在许多公开资料上均有表述，本系统没有设计更为 新颖的算法，而是可以直接采用已经公开的算法技术。

采用二者结合可形成完整的违章行为记录存储于车辆违章行为存储单元中。 现有技术中已经有对于这类违章行为的监控与记录，此不再赘述。作为可以实 施的方式，系统还包括历史视频流数据存储单元，其与所述视频质量检测单元 连接，用于存储当前时刻之前一段时间的历史视频，并随着时间推移更新。

本实施例中还提供一种基于高清视频技术的车辆违章检测方法，包括如下 步骤：

①在路口处面向车辆行驶方向设置视频检测单元，利用高清数字摄像机 获取路口处交通状况及行驶车辆的数字视频画面；利用参数输入单元输入所述 视频检测单元监控画面内的车道参数信息和信号灯参数信息；

②所述视频检测单元检测到的数字视频信号复制为两路：

一路信号传输至信号灯状态提取单元，所述信号灯状态提取单元提取视频 信号中路口处交通信号灯状态信息；

一路信号传输至车辆视频跟踪单元，所述车辆视频跟踪单元提取视频信号 中行驶车辆位置信息及车牌号码，并跟踪车辆的运动轨迹；

③拥堵检测单元从高清数字摄像机中获取的数字视频画面中提取车辆 占有路面的比例及车辆行驶速度参数，判路面上监控方向是否存在拥堵现象；

④闯绿灯记录模块接收所述拥堵检测单元的判断结果，所述车辆视频跟 踪单元提取的车辆运动轨迹及所述信号灯状态，当车辆行驶方向发生拥堵且车 辆行驶方向的信号灯为绿灯时，车辆如果继续前行判定车辆为闯绿灯违章行为；

⑤违章行为存储单元，当车辆有闯绿灯违章行为时，存储车辆闯绿灯行 驶时的视频信息。

所述步骤②还包括利用视频质量检测单元检验所述高清数字摄像机拍摄到 的数字视频信号是否满足视频分析处理条件的步骤；

若所述高清数字摄像机拍摄到的数字视频信号不满足视频分析处理条件， 报警提示工作人员处理；

若所述高清数字摄像机拍摄到的数字视频信号满足视频分析处理条件，则 所述视频质量检测单元将数字视频信号复制为两路分别发送至所述信号灯状态 提取单元和所述车辆视频跟踪单元。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的 限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其 它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由 此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。