数字图像处理的混合交叉路口安全预警系统简述

邱皓楠

摘要本安全预警系统针对生活中混合交叉路口频发交通事故这一问题，提出一种基于图像处理的简单可靠的智能安全的解决方案。系统利用图像处理中运动侦测技术，并设计一系列有效图像分析方法，能够在潜在事故发生前为行人车辆提供提醒，保障了行人及车辆的出行安全。经实际测试，本系统能够有效快速地作出正确响应。

关键词数字图像；安全预警系统

人车混合交叉路口多出现于各类小区或校园与城市主要道路的交接处，几乎所有小区及校园都有这种交叉路口。其中小区或者校园道路相对于城市主干道而言一般较为狭窄，主要用作行人出行使用。而与这些狭窄道路相交的城市主干道，则来往车辆较多，并且车速较快。

城市主干道作为重要的小区居民或者学生出入的道路，往往人流量大，车辆出入频繁。这种混合交叉路口在给人们的出行带来方便的同时，也对行人的生命安全带来了很大威胁。我们经常能看到相关的交叉事故报道，这类事故的发生一方面是由于行人或者司机的疏忽大意，虽然我国的交叉法明确要求机车在通过小区及城市主干道的混合交叉路口应当减速慢行，并且注意观察过往行人，但因为大部分司机安全意识淡薄，并没有在实际驾驶中完全遵守这些规定。另一方面则是因为这种混合交叉路口缺少必要的安全预警装置。有些混合交叉路口虽然设有安全警示牌，但这对于行人而言，警示效果并不明显，很多行人甚至并没有注意到这些交叉警示牌。为了解决混合交叉路口事故频发的问题，提高这类路口出行的安全性，我们设计了这种混合交叉路口的安全预警系统。该系统通过不断检测过往车辆及行人的动态变化，并对这些动态数据进行分析预测，能够对路口过往行人车辆提供科学有效的实时动态提示，帮助人们规避这类路口发生事故的风险。

1设计原理

我们的安全预警系统基于数字图像处理中的移动物体检测技术。这项技术通过在实时监测的视频数据进行帧抽取，并对帧图像进行物体运动检测及运动情形分析，掌握在有效范围内的合适大小物体（在本系统中即指行人及车辆大小）的相关运动信息。这种技术又称为移动侦测技术。图1给出了移动侦测技术的基本原理。

为了检测到视频帧中存在的移动物体，技术人员采用背景减除法，时间差分法等方法。由于背景减除法对光照敏感，不适合在复杂交叉路口使用。我们采用时间差分法来检测到移动物体。时间差分法的主要思想就是利用上一帧来减去下一帧，来判断是否有移动的物体，前一帧与后一帧数据都是一个椭圆，对比前后两帧图像，我们可以知道，图像中的椭圆其实是在运动的，运动方向向左。通过对两帧图像的作差，即后一帧减去前一帧，对应位置像素相减，我们可以得到相减后的结果，如第三帧图所示。从作差的结果中我们只能发现两帧图像存在差别，即可以获知图像中的运动发生了移动，但并不能获取物体的运动方向。但是我们将相减的结果与前一帧或者后一帧进行对比，这样我们就可以获知图像中运动物体的移动方向。这就是时间差分法的基本工作原理。

我们的系统采用时间差分法，除了实时的差分运算外，还会对物体的大小进行估计。即在两帧相减的结果处理中我们加入相减结果大小的计算，并在实际操作中设置阀值，选择出图像中的行人及车辆。

在我们的路口安全预警系统中，我们会在交叉路口处设置2个监控探头，分别用于监测城市主干道及小区出入口道路的交叉状况，并且会针对不同路口情景设置实际检测的阀值，以使最终检测的结果达到最佳。

2系统构成

本安全预警系统由4个模块组成，实时视频监测模块，图像数据分析模块，预警信息显示模块及网络连接结构。视频监测模块由2个支持红外夜视功能的数字监控摄像头构成，这2个数字摄像头被放置于混合交叉路口处，分别负责采集不同路口的实时视频数据，选取的探头的分辨率为720P，焦距为12mm。这2个监控探头通过路由器与高性能处理器相连接，视频流通过局域网被输入给动态侦测算法。高性能处理器从视频流中抽取关键帧，并对这些帧进一步处理，生成图像中行人及车辆动态信息，这些信息包括是否存在移动行人（以及其对应的速度和方向），是否存在运动车辆。

我们选用的高性能处理器是最新版的第三代树莓派B型开发板，即Raspberry Pi 3 Model B，如下图所示。

该处理器以Linux作为其操作系统，便于开发和维护，并且第三代开发板性能得到很大提升。它的相关参数如下：

BCM2837

64位的1.2GHz四核ARM Cortex-A53

1GB内存

10/100自适应网卡

802.11n WiFi无线网卡

低功耗蓝牙4.1（BLE）

HDMI接口

USB 2.0接口x 4

MicroSD卡插槽

3.5mm音频输出接口

40PIN GPIO接口

CSI摄像头接口

DSI显不接口

升级后的电源管理系统

移动侦测算法用python实现，运行于树莓派内的Linux系统中。

高性能处理器完成相关的图像分析处理工作后，根据内部设定的逻辑结构进行相关信息的输出。输出结果显示于预警信息显示模块中的动态显示屏上。我们采用的动态显示屏是高亮度全彩LED显示屏。这种显示屏多用于广告牌及交通信息显示牌，具有全天候工作的特点，非常适合我们的安全预警系统中的预警信息的显示。

我们在交叉口两条道路上放置了显示屏，城市主干道上的显示屏用于提醒过往车辆小区出入口的行人动态，以便车辆司机能够及时减速慢行；小区出入口的显示屏用于提醒小区出入口的行人，显示当前城市主干道是否有车辆快速驶近，提醒行人汇入主干道时注意安全。

3系统性能及评测

本系统在实际小区、学校等行人车辆出入较多地方进行测试，能够达到良好的测试结果。系统响应速度快，安装方便，无需大型施工。在测试中，系统能够很快检测出移动行人及车辆，并且给出安全提示。在没有行人和车辆时，系统的动态显示屏也可以用作广告屏，达到商业价值。由于系统采用具有夜视功能的监控探头，整个系统在夜间也有很好的表現。