基于动态图像识别的智能交通灯控制

摘要 本文设计了基于动态图像识别的交通灯智能控制系统，包括图像采集模块，数字图像处理模块和交通灯主控制模块三个部分。数字图像处理模块采用数字信号处理器DSP（TMS320C6416）实时处理动态图像，并通过图像数字滤波，图像分割处理，图像匹配算法和纵向插值图像增强法提取路口移动车辆的数量，并把数据通过485总线发送到交通灯主控器。主控器采用AT89S52单片机为控制核心，并根据接收到各个路口车流量信息智能控制交通灯，从而大大提高交通路口的通行能力。

关键词 智能控制；动态图像识别；DSP；单片机

中图分类号TN911 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）77-0214-02

0 引言

随着城市人口的日益增多和汽车的不断增加，城市交通问题日益突出。交通信号灯在城市交通中发挥着重要的作用，目前国内的交通灯一般采用定时方式控制，由于各个路口车流量的不均衡，往往出现一边路口的车辆很少，而另一路口车辆排队等候的状况。为了缓解城市交通的压力，提高路口车辆的通行能力，智能交通灯[1]的发展成为必然趋势。

本设计采用动态图像分析的方法，自动计算出各个路口移动车辆的数量，再根据车流量信息智能控制交通灯[2]，实现简单、经济、高效地疏导交通，大大提高交通路口的通行能力。

1 设计方案

系统包括图像采集模块，数字图像处理模块和交通灯主控制模块三个部分。针对十字路口采用四个摄像头分别采集四个方向的图像，动态图像采用数字信号处理器DSP（TMS320C6416）实时处理，并通过图像数字滤波，图像分割和图像匹配等算法计算路口移动车辆的数目，并把数据通过485总线发送到交通灯主控器。主控器采用AT89S52单片机为控制核心[3]，根据接收到各个路口车流量数据智能控制交通灯。系统结构框图如图1所示。

2 图像采集模块

图像传感器采用数字COMS摄像头，它将光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器集成到一块芯片上。因此采用CMOS芯片的摄像头成本很低[4]。数字摄像头的并行接口可以很好的与DSP的并行I/O口连接，数据传输速率可达到1MB/S[5]。为了匹配DSP的处理速率，采集过程以帧为单位对图像数据进行缓存，开辟缓存空间存储当前帧，DSP利用图像采集的间隙时间处理上一帧图像数据。为了消除盲区，摄像头安装在红绿灯的横杆上，并向下15°，靠右侧道路位置安装。

3 数字图像处理模块

车流量的检测是实现智能控制的基础，本设计采用数字信号处理器DSP[6，7]（TMS320C6416）处理图像，计算图像中移动车辆的数量采用图像分割处理，图像匹配算法，图像数字滤波和插值图像增强算法实现。

3.1 图像分割处理

为了减少计算量，提高实时监测的效率，只需要把画面中道路右侧部分分割并提取出来进行计算。摄像头位置安装好以后，由于摄像头是固定的，道路右侧的区域在画面中的位置也是是固定不变的。只需采用上位机软件设定DSP处理的图像区域，并利用下载器，将参数下载到DSP中即可完成图像区域的分割处理。系统只需要识别出该区域中移动车辆的数量，区域以外的图像不参与计算。原图与分割后的图像如图2和图3所示。

3.2 图像匹配算法

此部分是处理图像的核心，主要采用帧间差分法[8]，提取出动态图像的运动目标。帧间差分法是一种通过对视频图像序列中相邻两帧作差分运算来获得运动目标轮廓的方法，它可以很好地适用于摄像机固定，拍摄画面中存在多个运动目标的情况。当监控场景中出现物体运动时，帧与帧之间会出现较为明显的差别，两帧相减，得到两帧图像亮度差的绝对值，判断它是否大于阈值来分析视频或图像序列的运动特性，确定图像序列中有无物体运动。由于每帧图像的间隔时间很短，每帧图像的变化不大，提取到的轮廓线很细且不连续，实际计算第五帧图像与第一帧图像的差分数据进行处理，计算公式如公式1，处理前后的图像为二值化的图像（见图4）。

3.3 图像滤波算法

本系统采用高斯滤波法，属于线性平滑滤波，适用于消除高斯噪声，广泛应用于图像处理的减噪过程。高斯滤波的具体操作是：用一个模板（或称卷积、掩模）扫描图像中的每一个像素，用模板确定的邻域内像素的加权平均灰度值去替代模板中心像素点的值。为了准确计算车辆数目，再采用纵向插值图像增强算法，并结合图像测距和图像区域积分算法，处理效果如图4d所示。通过统计黑色区域就能比较准确的计算出车辆的数目了。实际应用中，为了确保动态计算的车辆数目准确，还加入了卡尔曼滤波法[9]对车流量数据做进一步处理。 DSP把计算结果通过485总线，以MODBUS协议传输给主控器单片机。

4 主控器软件流程

主控器采用AT89S52单片机为控制核心，接收485总线上各个路口车流量信息，并动态分配红绿灯交替时间，以达到路口最大的车流量，彻底避免绿灯路口无流量，红灯路口排长队的现象。系统设置最长等待时间为一分钟，以保证流量少的路口车辆不会等待太久。其软件流程如图5 。

5 结论

本设计依据动态图像分析计算车流量实现了交通灯的智能控制，控制效果好，能够大大改善交通拥堵的状况，从一定程度上减少了交通事故发生率，具有很好的应用前景。

参考文献

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