第8卷 第3期 2009 年 9 月 石家庄铁路职业技术学院学报 JOURNAL OF SHIJIAZHUANG INSTITUTE OF RAILWAY TECHNOLOGY VOL.8 No.3 Sep. 2 0 0 9 CCD 技术在交通系统中的应用 杨 飒 林竹君 天津 300072) (天津大学精密仪器与光电子工程学院 摘要: 随着国民经济的发展,交通问题日益严重,得到人们越来越多的关注。同时,日趋完善 的 CCD 技术给交通难题提供新的解决方案。究竟这种新技术怎样才能够代替老技术,为交通这个 国民关注的大事作出贡献。 关键词:CCD 交通系统一 CCD 技术可以用在哪里 文献标识码:A 文章编号:1673-1816(2009)03-0067-04 中图分类号:U12 纵观整个交通领域,CCD 技术应用在许多方面,已经成为了交通系统中不可忽视的一大功 臣。如果按照交通类型来分,它可以应用在铁路系统,公路系统和桥梁系统。如果按照检测的内容 不同分,CCD 有以下重要应用: (1)CCD 技术可以在交通道路(包括铁路和公路)、桥梁投入使用前检测路面或桥面质量。 例如,铁轨对中性检测,铁轨不平性检测,智能路面破损采集系统,桥梁结构检测等。 (2)CCD 技术可以检测在有车辆通过时,道路或者桥梁表面形状或状态的改变,以得到安全 负载。例如,桥梁动态位移检测,桥梁变形三维实时监测,轨道振动的非接触测量等。 (3)CCD 可以用于采集来往车辆的信息,检测并管理车辆。例如,检测车辆及其速度,违 章 逆 行 智 能 视 频 监 控 等 。 这 其 中 , 有 一 个 新 的 概 念 值 得 关 注 , 智 能 交 通 系 统 ( intelligent transportation system,ITS)是近年来在通讯技术、网络技术、图像处理和计算机视觉技术的基础 上发展起来的新一代交通管理系统,它包括交通流量检测车辆识别、交通异常事件和违章监测以 及交通网络优化、交通诱导等方面,使得交通管理实现自动化和智能化 ,对减少交通事故发 生、保持道路畅通、维持正常的交通秩序起到重要作用并节约了大量的人力、物力资源,提高了 经济效益和社会效益。 根据以上分类,分别论述 CCD 的具体应用。 1 CCD 应用于轨道或者道路质量的检测 (1)优势:目前我国铁轨和道路路面检测均采用手工测量,每年要为此投入大量的人力物 力,而且由于一般在野外进行测量工作,条件恶劣,工作量大。测量结果不直观,数据处理缓慢, 精度不高。应用 CCD 可以克服这些缺点。 (2)测量原理:要用到检测车。在铁轨对中性检测中,应用铁轨检测车,对铁轨铺设的多个 验收参数进行检测,利用 CCD 器件,检测铁轨中心的偏移量。 收稿日期:2009-06-20 作者简介:杨飒(1987-),男,汉,河北廊坊人,研究方向:信息工程。 67 石家庄铁路职业技术学院学报 2009 年第 3 期 而在智能路面破损采集系统中,通过装置在测量车尾的 CCD 相机采集实时路面破损影像; 并 通过车顶的 GPS 接收器,对采集来的每一帧破损图像进行卫星定位。最后通过破损图像处理程序 对采集的路面影像进行分析处理,将裂缝、龟裂、泛油等病害图像鉴别出来,并将破损图像对应的 GPS 位置信息,提供给高速公路的养护部门,方便他们对破损路面进行维护。 (3)系统组成:分成软件、硬件两部分。硬件部分一般包括光源,光学成像系统,CCD 接受 装置,地面控制系统(包括二值化电路,同步控制器等)。软件设计需要根据实际应用列出程序流 程图,最后经实验验证可行性。 (4)得出结论:最终必须得到准确的实验数据来验证设计是否合理。在动态检测钢轨不平度 时,设计人员经过实际应用该轨检车,与先前规定的典型故障曲线做比较,以此衡量其质量。 (5)注意点: ①由于检测车一般由人推,它的重量不宜太大,应想办法减少其重量。 ②CCD 属于在线检测,加上道路不平,在二值化电路中一般应该避免用固定阈值的二值 化电路。 ③灵活运用图像处理技术,可以简化检测步骤。 2 CCD 应用在轨道或桥梁的振动曲线的测量 振动测量与实验一直是工程技术界重视的课题之一。桥梁受到载荷的激励会产生受迫振动,振 动的幅度(挠度)是桥梁安全状况评价的重要参数之一。同样,铁轨受到机车的激励而产生受迫振 动,振动量级过大会使铁轨产生裂纹、疲劳、断裂、接触面磨损,使铁轨提前报废,严重时甚至舍 造成 车毁人亡的惨痛事故。因此在机车通过时对铁轨振动的现场检测已经成为铁路部门的重要课 题。CCD 在这方面的应用方法和上面类似,最重要的是最后绘制出受迫振动的曲线。 3 CCD 应用于交通系统采集与检测 CCD 在这个方面的应用与我们每天的生活息息相关。特别是近几年来,随着公安部“畅通工 程”、“平安大道”的实施与创建活动的不断深入开展,保障道路交通的安全、有序和畅通,已成 为当前和今后道路交通安全工作的一项重要的任务。在建设过程中,CCD 监控技术无疑是发展的 重中之重。 (1)应用方向: ①抓拍:全天候、不间断地对所有通过该卡口点的机动车辆(包括汽车、农用车、摩托车、拖 拉机和专用车辆等)进行实时监测与自动拍摄,且只有当车辆通过时才拍摄。 ②判识:可自动判别无牌、超速、超车、逆行、不按道行驶、跨越双实线以及闯红灯、禁行、 禁停等动、静态交通违章车辆,假牌、套牌、报废、拼(改)装、盗抢、逾期未检验、交通违章或 交通事故逾期未处理、肇事逃逸车辆以及治安或刑事案件的涉案车辆等嫌疑车辆(统称“黑名单车 辆”)的自动比对与实时报警。 ③存储:完整、高效地记录并存贮机动车辆(含全景、近景即车头或车尾部分主要是车牌的图 像)、车牌、车速、流量、日期、时间、地点和行驶方向等信息,实时、准确地自动识别并处理车 辆类型、车身颜色、车牌(包括牌号即汉字、字母及数字和车牌颜色)等信息。 ④管理:系统可根据实际需要进行灵活配置与管理。系统的监控、查询、统计、打印、联网、 用户权限管理、安全防护、故障自诊断以及远程维护与管理等功能应完善、便捷、稳定又可靠。 68 第3期 杨 飒,等 CCD 技术在交通系统中的应用 (2)系统工作原理:有汽车经过时,CCD 采样到的光信号为光线经路面反射再经镜头聚焦的 光信号,是强度较为均匀的光信号,可称为背景光。当有汽车经过 CCD 下方时,汽车便会通过镜 头成像在线阵 CCD 的像敏面上。在汽车成像的这部分像敏面上,光信号的强度便是光线经过汽车 表面反射然后经过镜头聚焦的强度,明显不同于像敏面上其他部分背景光的强度。这样,在整个 CCD 像敏面上,便会出现强度有明显差别的光信号,因此,CCD 便会输出电压幅度有明显变化的 模拟电信号。这个模拟信号经过一系列的硬件电路处理后转化为数字信号,并送到计算机中进行判 断处理,从而对汽车进行识别和测速。 (3)系统软硬件组成:除了与上面提到的系统组成相似之处外,CCD 应用在监控系统中有一 些特别要注意的地方。 ①由于室外天气变化加上白天黑夜光照亮度不一样,一般在成像系统中加一个补光器。本系统 实时提取 CCD 摄像机得到的图像数据的亮度信息,并调整摄像机的电子快门、电子增益、补光控 制以获得较好的图像。在系统初始信息里预存着正常情况下的图像亮度信息,利用当前获得的图像 与预存图像的差来调整当前图像的亮度。先调整增益,若不能满足要求,则调整电子快门,若还达 不到要求,则调整补光。 ②由于处理的数据量较大,因此,在图像处理的各模块之间需要建立一条高速的图像数据传输 通道。 ③摄像机的安装位置,摄像角的选择,摄像机姿态控制等非常重要,影响成像质量。 ④图像差分是基本方法。为了判断监测区是否有车辆进入,一般采用 图像差值法来进行,即 首先将视频图像灰度化,然后比较两幅图像对应像素点的灰度值,看是否有变化及变化有多少。设 原背景图像为 f0(x,y),当前监测区图像 f(x,y),它们的差值图像则为 D(x,y)=[f(x, y)-f0(x,y)]。若 D 小于设定阀值 T,则监测区无异常,否则,则有物体进入。考虑到天气、 季节、早晚等的环境光照变化,一般不以 D=0 为判断标准,并且需要定时更换背景图像。 ⑤为了求得车速,需要对 2 个 CCD 摄像机得到的车辆图像进行匹配,以便确定是否为同一车 辆,当确定是同一车辆时,则可根据测速算法求得车速。 (4)现状与发展方向:交通监控摄像机的总量持续增长,高品质的摄像机成为交通监控市场 的活跃分子。交通监控要求严苛,产品性能要接受考验。与其他普通摄像机相比,交通监控摄像机 在清晰度、强光抑制、低照度、宽动态等方面的要求比普通摄像机要高得多;同时由于监控目标车 辆的移动速度快,所以还要求摄像机有高速的电子快门。近几年,CCD 遭遇“最大敌手”,即 DPS。