基本信息
- 项目名称：
- 公路车辆动态衡器“跳秤”智能识别系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 目前全国已有27个省、市实行计重收费，其中绝大部分采用的是动态计重衡器。货车司机为了减轻重量，在车辆驶过计重秤台时采取“跳秤”违规操作。如何检测“跳秤”违规操作已成为日益被关注的问题。公路车辆动态衡器“跳秤”智能识别系统首先精确定位车牌，再利用金字塔LK稀疏光流法对精确定位到的车牌质心进行跟踪，提取准确的车辆运动轨迹，判定车辆是否发生了“跳秤”。经验证，系统准确性、实时性完全满足实际要求。
- 详细介绍：
- 为了进一步规范收费公路的管理，同时配合治理超限运输工作，目前全国已有27个省、市实行计重收费，其中绝大部分采用的是动态计重衡器。货车司机为了减轻重量，在车辆驶过计重秤台时采取“跳秤”违规操作。如何发现隐蔽性逃费，并为遏制隐蔽性逃费提供依据已成为日益被关注的问题。因此，研究开发《公路车辆动态衡器“跳秤”智能识别系统》具有重要的实用价值。 基于视频检测的基础理论，对比研究了背景差分法、帧差法和光流法等几种常用的检测方法，结合此项目实际的使用环境（亮度基本恒定、图像帧之间变化不大、场景中同一点的邻近的点具有相似的运动），提出了基于金字塔LK稀疏光流车牌跟踪的轨迹提取方法。首先精确定位车牌，通过检测是否有车牌来判定是否有车辆存在。对车牌的精确定位算法进行了研究，先使用车牌在HSI颜色空间的颜色分布对车牌图像进行初定位，再利用基于纹理熵和纹理标准偏差以及横向灰度跳变和颜色跳变信息约束的方法对初定位的车牌图像进行精确定位；在精确定位车牌的基础上，提出了基于车牌质心坐标后向差分的轨迹提取算法。根据现场环境，利用金字塔LK稀疏光流法对精确定位到的车牌质心进行跟踪，提取了准确的车辆运动轨迹。同时对轨迹提取方法的准确性和实时性进行了分析。实验结果表明，金字塔LK稀疏光流跟踪车牌轨迹提取算法可以准确地提取车辆运动轨迹，且实时性完全可以达到实际要求。 对提取到的车辆运动轨迹曲线进行幅值和斜率特性分析，判断车辆是否发生了“跳秤”。利用轨迹点平均值法拟合轨迹曲线，采用后向差分法判断曲线的波峰位置，并计算出曲线的最大幅值和最大正斜率，通过与设定的阈值比较，便可判定出车辆是否发生了“跳秤”。实验证明，通过提取并分析车辆的运动轨迹特性，能够以较高的精度检测出车辆的跳动，该方法具有较高的可靠性。 在得出“跳秤”检测算法的基础上，研究开发了《公路车辆动态衡器“跳秤”智能识别系统》，使得“跳秤”检测算法得以实现。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 【目的】 本作品开展了动态公路车辆衡器“跳秤”智能识别系统的研究，旨在解决高速公路计重收费中存在的“跳秤”问题，保证计重收费的公平公正，保障国家财政收入。 【基本思路】 利用CCD摄像机、同轴视频线、LCD监示器和MV-U2000外置专业图像采集盒实时采集收费车道车辆视频信息，采用计算机视觉技术、图像处理方法设计“跳秤”检测算法，应用VS2005、SQLServer2005、Visual Assistant和OpenCV1.0等软件编写动态衡器“跳秤”检测软件。 【创新点】 1.采用图像处理的方法通过车牌定位，准确实时地跟踪车辆运动轨迹，检测货车“跳秤”现象，系统给出定量化的“跳秤”幅度。 2.采用数据库技术，实时保存“跳秤”视频及其图片，系统支持事后调阅“跳秤”检测视频、图片及其“跳秤”检测结果查询。 【技术关键】 1.准确地定位货车车牌； 2.准确地跟踪货车移动视频； 3.精确地计算货车最大跳动幅度。 【主要指标】 1.“跳秤”检测准确率大于85%； 2.“跳秤”幅度检测误差小于8%。
科学性、先进性
- 目前国内实际中对“跳秤”现象的处理只是通过人为的监督和干预方法。但这种情况往往造成收费纠纷和阻碍车辆通行的情况。随着视频技术的飞速发展和计算机运算速度的提高，基于计算机视频检测技术的交通监控系统已成为可能。国内利用计算机视觉和图像处理技术对“跳秤”识别技术的研究与识别系统的开发目前还处于初创阶段。 通过实际环境的调研和分析，车辆“跳秤”行为直接反映在车体头部的底盘部分，而这一部分最明显的就是车牌，目前车牌特征提取比较可靠，而且车牌区域在运动过程中的形状特性、颜色特征等保持在一个恒定的范围，并且在运动过程中虽然车牌逐渐变大，但其质心位置基本不存在形变或者丢失，所以本项目使用了基于车牌质心来获取运动轨迹的方法。在车牌定位的基础上，视频中车辆的运动轨迹提取算法也进行了研究。提出了利用金字塔LK稀疏光流跟踪车牌的轨迹提取方法，只对车牌质心周围10×10大小的邻域进行金字塔光流可以大大减少了计算量。
获奖情况及鉴定结果
- 1、2011年4月获长安大学第七届“挑战杯”科技竞赛特等奖。 2、2011年4月13日，经教育部科技查新工作站（G01）查新鉴定，国内尚无与本作品相同的文献报道。 查新结论：国内有公路称重系统方面的研究文献，但采用图像视频技术进行研究公路称重“跳秤”问题的文献仅有1篇（西安电子科技大学的发明专利——《高速公路计重收费中的“跳秤”行为被动检测方法及系统》），其使用图像视频技术采集车辆通过动态称重衡器的连续图像，采用灰度化、二值化和滤波噪声预处理，根据图像中车辆形状特征和停止位置，对图像进行仿射变换，全局计算光流场，对照行为判定阈值判断车辆是否发生“跳秤”，而本查新项目是采用精确车牌定位跟踪图像视频处理技术，通过车牌质心的后向差分技术提取运动轨迹并计算跳动幅值，二者技术思路不同。综上所述，尚未见到与本项目查新点相同的国内文献报道。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 技术合作
作品可展示的形式
- 实物、产品、现场演示、图片、视频
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 【使用说明】 软件使用说明参见附件《公路车辆动态衡器“跳秤”智能识别系统说明书》。 【作品特点】 1)实用性较强、稳定性较好、检测精度较高 2)24小时连续工作 3)与现有高速公路收费系统兼容性较强 4)支持在线实时检测和离线检测 【适应范围】 系统适应于：计重收费模式下，中国各省、市采用动态衡器计重收费的各高速公路收费站。 【推广前景的技术性说明】 项目中采用的数据库SQL server技术是中国高速公路收费系统中广泛采用的技术，另外收费系统软件基本上都是利用C或者C++语言编写。此项目中采用的编写语言为C++，所以兼容性比较好，可以方便地移植到目前的高速公路收费系统中。因此该项目研究成果具有较大市场份额。 【市场分析及其经济效益预测】 截止2010年底，全国高速公路总里程约7.4万公里，收费站约3800座，出口车道11400多个，采用动态衡器的车道数约为5700个（取50%的市场），该“跳秤”智能识别系统一套售价为10万元，则全国范围内的经济总量为5.7亿元。
同类课题研究水平概述
- 根据对互联网信息及专利信息的搜索，“跳秤”——作为计重收费中的一种违规行为，是目前中国国情下存在的一种现象。目前国内实际中对“跳秤”现象的处理只是通过人为的监督和干预方法。但这种情况往往造成收费纠纷和阻碍车辆通行的情况。 随着视频技术的飞速发展和计算机运算速度的提高，基于计算机视频检测技术的交通监控系统已成为可能。基于计算机视频的检测技术较其它交通检测技术而言，主要特点是安装调试方便，不破坏路面，设备维护简单，不影响路面交通状况。所以，无论从实用角度还是从经济角度来看，基于视频检测的交通监控系统和违规识别系统都具有非常好的应用前景。 国内利用计算机视觉和图像处理技术对“跳秤”识别技术的研究与识别系统的开发目前还处于初创阶段，唯一的一份文献报道是西安电子科技大学卢朝阳等人的发明专利——高速公路计费称重中的“跳秤”行为被动检测方法及系统,申请公布日为2010年5月26日，目前处于公示期。其通过检测测区域二值化后的区域面积大小判断车型方法易受前景目标的干扰。其光流的计算是在整个检测区域上进行，包括车头的整个范围，但是车头部分分驾驶室和车辆底盘两部分。当车辆载重质量较大时，车辆正常起动时，驾驶室都会产生明显的上下抖动。所以把驾驶室也列为光流计算区域会造成检测精度的降低。而且整个检测区域的光流计算复杂度也较大。 通过分析以上国内外的研究现状，为了更好地解决“跳秤”问题，本项目“跳秤”检测算法的研究从寻找能正确反映货车行为的特征点开始，通过对实际环境的调研和分析，车辆“跳秤”行为直接反映在车头的底盘部分，而这一部分最明显的就是车牌，目前车牌特征提取比较可靠，而且车牌区域在运动过程中的形状特性、颜色特征等保持在一个恒定的范围，并且在运动过程中虽然车牌逐渐变大，但其质心位置基本不存在形变或者丢失，所以本项目使用基于车牌质心来获取运动轨迹的方法，为此项目对车牌精确定位方法进行了研究。在车牌精确定位的基础上，提出了利用金字塔LK稀疏光流跟踪车牌的轨迹提取方法。只对车牌质心的一个较小邻域进行金字塔光流计算可大大减少计算量，最后对方法的准确性和实时性进行了分析，系统性能完全可以满足实际要求。
