Устройство измерения скорости транспортных средств

Полезная модель относится к области измерения и анализа изображения, а именно к устройству измерения скорости транспортных средств, и может быть использована для измерения скорости транспортных средств, использующих видеокамеру.
Известные устройства для определения скорости транспортных средств можно классифицировать на устройства следующим образом:
1. с использованием локаторов (радаров), испускающих электромагнитное излучение;
2. с использованием видеокамеры;
3. с одновременным использованием видеокамеры и радара.
По техническому решению, сгруппированному по первому пункту известен патент RU 2237266. Преимуществом данного устройства является высокая точность определения скорости. Однако недостатками являются:
- отсутствие автоматизации, так как радар используется сотрудниками дорожно-патрульных служб, которые самостоятельно соотносят результаты измерений скорости с транспортными средствами;
- наличие доступных детекторов, которые заранее подают сигнал водителям транспортных средств о функционировании устройства измерения скорости впереди по ходу движения.
По техническому решению, сгруппированному по второму пункту известны патенты RU 2470376 и RU 2592711. Суть использования устройств в указанных патентах заключается в использовании компьютерного алгоритма распознавания транспортных средств на видеоизображении, с помощью которого для каждого транспортного средства можно определить:
- номер (для идентификации потенциального нарушителя);
- положение в мировом пространстве (для вычисления скорости).
Для более точного определения положения в пространстве (а, следовательно, и скорости) видеокамера должна быть правильно откалибрована, то есть должны быть вычислены параметры преобразования объектов на видеокадре в мировое пространство.
Недостатком описанного устройства в патенте RU 2470376 является необходимость большого количества точных геометрических измерений на участке дороги, где устанавливается контрольно-измерительный комплекс, вследствие чего требуется перекрытие движения на несколько часов.
Недостатком описанного устройства в патенте RU 2592711, предполагающего использование лазерного дальномера для оценки расстояния от объектива видеокамеры до дорожного полотна, является опасным для здоровья водителей проезжающих транспортных средств, поскольку интенсивное инфракрасное излучение, испускаемое дальномером, что может привести впоследствии к значительному ухудшению зрения водителей.
По техническому решению, сгруппированному по третьему пункту известен патент RU 2382416, по которому устройство использует алгоритм распознавания, а также алгоритм сопоставления результатов распознавания с результатами измерения скорости, что позволяет автоматизировать использование радара. Однако такое использование устройства не решает проблему наличия у водителей детекторов радара. Недостатком является повышенная стоимость и сложность в эксплуатации такого контрольно-измерительного устройства при совместном использовании радара и видеокамеры.
Задачей заявленной полезной модели является создание метода оценки скорости транспортных средств и системы калибровки контрольно-измерительного комплекса, состоящего из одной видеокамеры. Калибровка должна быть максимально автоматизирована, а метод вычисления скорости должен обладать высокой точностью.
Целью полезной модели является объединить преимущества вышеперечисленных устройств, и при этом исключить проявление их недостатков.
Контрольно-измерительное устройство состоит из видеокамеры и электронно-вычислительного блока, отвечающего за распознавание транспортных средств на видеоизображении, в том числе их государственного регистрационного знака (ГРЗ (для автоматической идентификации потенциальных нарушителей). Распознанное изображение транспортного средства определяется совокупностью некоторых точек  на плоскости видеокадра, например, вершин четырехугольной рамки, обводящей ГРЗ транспортного средства. По данной совокупности определяется положение транспортного средства в мировом пространстве:
где  - радиус-вектор транспортного средства. По нескольким последовательным радиус-векторам одного и того же транспортного средства можно определить его скорость с помощью метода наименьших квадратов. Для точного вычисления скорости необходимо правильно определить параметры преобразования ƒ, это происходит на этапе калибровки.
Основная идея заявленной полезной модели отличается от описанных выше аналогов тем, что в устройстве полезной модели радар используется только на этапе калибровки видеокамеры. Кроме скорости, радар может также определять радиус-векторы проезжающих транспортных средств.
1
1
2
2
n
n
Радар подключается к электронно-вычислительному блоку, который помимо распознавания транспортных средств способен реализовывать алгоритм сопоставления видеообразов транспортных средств с результатами радарных измерений. В простейшем случае процесс калибровки сводится к заполнению таблицы Т «видеообраз транспортного средства-радиус-вектор». Данными для этой таблицы являются соответствующие пары результатов сопоставления транспортных средств с радарными данными. Если интерпретировать видео-образы транспортных средств  как векторы (u, ν, u, u, …, u, u) в 2n-мерном пространстве, то преобразование ƒ можно определить следующим образом:
- поиск ближайшего к аргументу соседа во множестве видеообразов из таблицы T;
- возвращение соответствующего найденному соседу радиус-вектора в качестве результата преобразования.
Для того, чтобы преобразование давало возможно меньшую погрешность, необходимо, чтобы значения видео-образов из Т плотно и равномерно заполняли область участка дороги на видеокадре.
Радар определяет скорость и радиус-вектор одного и того же объекта в общем независимо: происходит испускание электромагнитного излучения, скорость определяется по изменению длины волны излучения (эффект Доплера), радиус-вектор - по промежутку времени между моментами испускания и возвращения и по направлению излучения. Учитывая, что радиус-вектор каждый раз может определяться не для одной и той же точки объекта, значение скорости, вычисленное предложенным способом, может не совпадать со значением, измеренной радаром непосредственно (а это значение, учитывая высокую точность радара, можно считать истинным). Тогда преобразование ƒ следует определить в виде формулы, зависящей от некоторых параметров, которые необходимо подобрать в процессе калибровки таким образом, чтобы вычисляемое значение скорости возможно меньше отличалось от значения, измеряемого радаром. Например, если радар настроен на определение радиус-вектора точки, лежащей на дороге посередине между передних колес транспортного средства, имеет смысл рассмотреть преобразование ƒ в виде проективного преобразования плоскости радара на плоскость дороги, дополненного некоторой нелинейной частью:
ƒ(x)=Ax+α(x),
где A - матрица проективного преобразования, α - некоторая нелинейная функция. Коэффициенты матрицы А и функции α подбираются в процессе калибровки:
- вычисляются несколько положений одного транспортного средства с помощью преобразования ƒ;
- на основе вычисленных положений определяется скорость транспортного средства методом наименьших квадратов: V;
r
- происходит радарное измерение скорости: V;
- разница между радарным и вычисленным значением минимизируется как функция, аргументами которой являются параметры преобразования:
r
|V-V| → min
На иллюстрации 1 представлена схема устройства измерения транспортных средств (этап калибровки).
Камера 1 и радар 2 сканируют участок дороги, по которому едет автомобиль 3, с их помощью определяются положение (u, ν) автомобиля 3 на видеоизображении и его радиус-вектор  в мировом пространстве. За счет этих данных вычисляются параметры преобразования ƒ.
На этапе эксплуатации радар демонтируется, происходит вычисление радиус-вектора  по (u, ν), а по нескольким последовательным радиус-векторам определяется скорость автомобиля.
Предложенная система определения скорости транспортных средств с помощью видеокамеры является полностью автоматизированной, активное участие человека требуется только на этапе калибровки при настройке радара:
- монтаж;
- сопряжение результатов измерений с видеоизображением (для правильного функционирования алгоритма сопоставления);
- демонтаж (после завершения автоматизированной части процесса калибровки).
Использование радара делает процесс калибровки простым, а вычисление скорости более точным по сравнению с другими техническими решениями, не использующими радар.
Таким образом, поставленная задача технически решена, а предлагаемое устройство в качестве полезной модели соответствуют критерию новизны и промышленной применимости.