автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Разработка математического и программного обеспечения автоматизированной системы контроля движущихся транспортных средств

Череповецкий государственный университет

На правах рукописи

ЦАРЕВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ДВИЖУЩИХСЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Специальность: 05.13.14 - системы обработки информации и

управления

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент Малыгин Л.Л.

Череповец - 1998

Оглавление

Введение..........................................................................................4

1. Состояние проблемы автоматизированного контроля движущихся транспортных средств............................................................9

1.1 Анализ известных методов контроля движущихся транспортных средств...........................................................................9

1.2 Особенности формирования видеоизображения в оптико-электронных системах контроля движущихся транспортных средств.................................................................................24

1.3 Постановка задачи построения автоматизированной оптико-электронной системы контроля скоростного режима движения транспортных средств...................................................36

Выводы по первой главе......................................................42

2. Модель процесса оптико-электронного контроля скорости движущихся транспортных средств......................................................44

2.1 Математическая модель.......................................................44

2.2 Оценка влияния основных возмущающих факторов на погрешность измерения.........................................................57

2.3 Имитационное моделирование процесса контроля скорости

движущихся транспортных средств....................................75

Выводы по второй главе......................................................89

3. Построение алгоритмов обнаружения и сегментации области изображения государственного регистрационного знака движущегося

транспортного средства...............................................................91

3.1 Особенности формирования изображения государственного регистрационного знака движущегося транспортного средства....................................................................................... .91

3.2 Алгоритм обнаружения области изображения государственного регистрационного знака................................................100

3.3 Алгоритмы локализации и сегментации области изображения

государственного регистрационного знака.........................114

Выводы по третье главе......................................................131

4. Экспериментальные исследования автоматизированной установки оптико-электронного контроля скоростного режима движения транспортных средств...............................................................133

4.1 Описание экспериментальной установки............................133

4.2 Экспериментальные исследования установки оптико-электронного контроля движущихся транспортных средств...............................................................................139

4.3 Перспективы развития автоматизированных оптико-

электронных систем контроля движущихся ТС...................146

Выводы по четвертой главе................................................148

Заключение..................................................................................150

Список литературы........................................................................153

Приложение 1................................................................................160

Приложение 2................................................................................168

Приложение 3................................................................................178

Введение

Актуальность работы. Постоянный рост количества автотранспортных средств сопровождается значительным увеличением числа дорожно-транспортных происшествий (ДТП), большая часть которых в той или иной степени связана с нарушением установленного скоростного режима движения. Так по данным французских исследователей [42] около 50% смертельных исходов ДТП обусловлено превышением водителями транспортных средств (ТС) допустимого значения скорости движения.

Обеспечение должной безопасности на автомобильных дорогах страны возможно лишь при условии эффективного контроля скорости движения ТС, в процессе которого возникает необходимость решения следующих основных задач: обнаружение движущегося ТС, измерение его скорости движения, выявление государственного регистрационного знака (ГРЗ) - номера автомашины и распознавание ГРЗ.

Практически по всей территории РФ контроль скоростного режима осуществляется инспекторами Государственной инспекции по безопасности дорожного движения, со всеми присущими данному способу недостатками. Попытки автоматизировать этот процесс с помощью фоторадара, объединяющего радар и телевизионную камеру, не решают проблему комплексно. Появившиеся в последнее время за рубежом автоматизированные системы [44,57] контроля движущихся ТС, построенные на основе технологии обработки изображений, позволяют в целом решать указанную проблему. Однако применение этих разработок сталкивается с рядом трудностей. Во-первых, показатели эффективности данных систем пока не удовлетворяют современным требованиям. Кроме того, публикации, ка-

сающиеся рассматриваемой области, носят в основном рекламный характер.

В этой связи проблема создания автоматизированных систем контроля скоростного режима движущихся ТС, в частности, их математического и программного обеспечения, представляется весьма актуальной.

Цель работы. Построение математического и программного обеспечения автоматизированной оптико-электронной системы контроля скоростного режима на автомагистралях, обеспечивающей измерение скорости движущихся ТС и распознавание ГРЗ и отличающейся от известных систем более высокими метрологическими характеристиками. В соответствии с этим в работе решаются следующие основные задачи:

- анализ современного состояния проблемы автоматизированного контроля движущихся ТС, в частности, существующих методов и средств контроля скорости движения ТС и систем обнаружения и распознавания их ГРЗ; описание особенностей формирования изображений в автоматизированных оптико-электронных системах контроля движущихся ТС;

разработка математической модели процесса оптико-электронного контроля скорости движущихся ТС; анализ основных возмущающих факторов и степени их влияния на погрешность измерения скорости;

- построение алгоритмов, обеспечивающих обнаружение и сегментацию области изображения номера с более высокими показателями надежности на изображениях низкого качества;

- разработка и исследование экспериментальной автоматизированной установки оптико-электронного контроля скоростного режима движения ТС.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач использован аппарат теории проективной геометрии и функционального анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории распознавания образов, обработки и анализа растровых полутоновых изображений, теории погрешностей и методы статистического моделирования на ЭВМ.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель процесса оптико-электронного контроля скорости движущегося ТС в условиях произвольной установки телекамеры в пространстве, основанная на анализе смещений области изображения ТС на последовательности изображений дорожной сцены.

2. Разработан способ привязки видеосистемы на местности, который в условиях отсутствия априорной информации о параметрах оптической схемы позволяет осуществить расчет пространственных координат прообраза изображения любой точки плоскости дорожного покрытия в трехмерной неподвижной системе координат, связанной с видеосистемой.

3. Получены аналитические соотношения, позволяющие оценить влияние основных возмущающих факторов на погрешность измерения скорости: погрешности привязки видеосистемы и ошибки алгоритмов обработки изображения, на основе которых предложены методики оценки теоретического распределения погрешности измерений.

4 . Разработаны алгоритмы обнаружения и локализации области изображения ГРЗ движущегося ТС, отличающиеся способом анализа изображения, а также большей надежностью при работе с изображениями низкого качества.

5. Разработан обучаемый в зависимости от типа распознаваемых регистрационных знаков алгоритм сегментации области изо-

бражения ГРЗ, позволяющий в соответствии с принципами "мягкой" классификации выполнять сегментацию полутонового изображения на основе расчета признаков, инвариантных к геометрическим преобразованиям и изменениям общих мультипликативных и аддитивных компонент уровней яркости области изображения ГРЗ.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработаны алгоритм и программа имитационного моделирования процесса оптико-электронного контроля скорости движения ТС, построены зависимости погрешности измерения скорости движущихся ТС от основных возмущающих факторов.

2. Даны практические рекомендации по выбору параметров оптической схемы автоматизированной системы измерения скорости движущихся ТС.

3. Предложены методики построения алгоритмов обнаружения и распознавания номеров на основе использования технологии "мягкой" классификации, предполагающей создание и обработку вероятностных списков решений-кандидатов на каждом из промежуточных этапов.

4. Разработано программное обеспечение для проверки эффективности и надежности предложенных алгоритмов, а также оптимизации последних в рамках решения задачи обнаружения и распознавания ГРЗ движущихся ТС.

5. Полученные результаты использованы при проектировании автоматизированной системы обнаружения и распознавания ГРЗ движущихся ТС, разрабатываемой Череповецким научным координационным центром РАН по заданию областной Государственной инспекции по безопасности дорожного движения.

6. Результаты диссертации используются в учебном процессе в Череповецком государственном университете в курсе

"Интеллектуальные системы управления" для специальности 210100 -Управление и информатика в технических системах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 10-ой Международной конференции по проблемам теоретической кибернетики (г.Саратов, 1993), на 1-ой Международной конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (г.Череповец, 1996), на 7-ой Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (г.Череповец, 1997), а также на научно-технических семинарах Череповецкого государственного университета и Череповецкого научного координационного центра РАН в 1996-1998 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель процесса оптико-электронного контроля скорости движущегося ТС.

2. Аналитические соотношения, позволяющие оценить влияние основных возмущающих факторов на погрешность измерения скорости.

3.Алгоритмы обнаружения и локализации области изображения ГРЗ движущегося ТС.

4. Алгоритм сегментации области изображения ГРЗ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений. Содержит 159 страниц основного текста, 53 рисунка, 2 таблицы, список использованной литературы из 78 наименований, 3 приложения на 25 страницах.

Глава 1. Состояние проблемы автоматизированного контроля движущихся транспортных средств.

1.1. Анализ известных методов контроля движущихся транспортных средств.

В последнее время ряд ведущих стран Запада (США, Германия и др.) заявили о государственной поддержке крупных инвестиционных проектов в области автоматизации дорожного движения и его контроля [41,62]. Речь идет о комплексном решении проблемы автоматического контроля дорожного движения в рамках построения "интеллектуальных транспортных систем" (Intelligent Transportation System), а в перспективе - о создании в масштабах страны единой автоматизированной системы контроля движущихся ТС. Это позволит реализовать эффективное управление дорожными потоками [26], а значит и обеспечить большую безопасность на дорогах.

Архитектура интеллектуальной транспортной системы (ИТС) может быть представлена (рис.1) посредством описания [61] двух ее основных слоев: концептуального и физического. Первый слой формируется в соответствии с назначением системы, второй базируется на выборе способа или способов наблюдения, ИТС в основе своей реа-

ФнзическиЙ слон ИТС

I Наблюдение:

| • Видеодатчики

• Датчики присутствия:

- Контурные детекторы

- Волновые детекторы

: Коммуникаций иные связи

; Обработки входных данных

Концептуальный слой ИТС

Максимизация «транспортной под вижносги»

• С целью повышения «экономической жизнеспособности»

• С целью улучшения качества жизни

Минимизация издержек:

• Временных

• Физических

• Экономических » Безопасности

• Экологических

щ

Наблюдаемые параметры: . Скорое^ движения ТС:

• Илеитификаииоиные метки

тс' § ш

• I Ьотность потока;

» Весовая нагрузка на автомагистраль:

• Выхлопы ТС*.

• Вероятность непредвиденных 1ШЦ>5|^ТПШ,

¿С™:.

ш ж

Рис. 1. Принципы построения архитектуры ИТС.

лизации могут преследовать следующие цели:

увеличение «социальной выгоды»: повышение безопасности движения, сокращение экономических, временных транспортных издержек, улучшение экологической обстановки на крупных автомагистралях;

увеличение «персональной выгоды»: снижение моральных и материальных издержек участников дорожного движения.

Согласно целевому назначению системы в ее рамках выполняется наблюдение и контроль некоторых параметров дорожного движения и его участников. Эти параметры составляют основу стратегии функционирования ИТС.

Среди устройств, используемых при наблюдении в различных типах ИТС, как правило, выделяют три основных класса: волновые детекторы, индуктивные детекторы, видеодатчики, причем устройства из первых двух классов несмотря на существенную разницу принципов, заложенных в основу их функционирования, часто относят к единому классу датчиков присутствия.

Автоматизированные системы контроля движущихся ТС, в отличие от ИТС, носят более узконаправленный характер. Как правило, они являются составной частью ИТС. Их общая классификация осуществляется по следующим основным критериям:

1) по выполняемым функциям:

- общее наблюдение и оптимизация дорожного движения;

- контроль парковки автотранспорта;

- контроль нарушений правил дорожного движения;

- охранные функции, ограничение доступа ТС;

2) по способу функционирования:

- определение наличия ТС в контролируемой зоне;

- подсчет ТС в зоне наблюдения;

- определение скорости всех ТС, движущихся в зоне наблюдения;

- распознавание типа ТС, присутствующих в зоне наблюдения;

- распознавание ГРЗ ТС, присутствующих в зоне наблюдения.

3) по применяемой технологии проведения наблюдения:

- датчики присутствия: волновые детекторы, индуктивные детекторы;

- видеодатчики, обработка изображений.

4) по количеству контролируемых полос движения:

- одно-зонные (Single zone);

- мульти-зонные (Multi-zone).

4) По расположению объектов контроля:

- городские улицы;

- перекрестки;

- автомагистрали.

5) по способу установки:

- установка сбоку от полосы;

- фронтальная установка;

- диагональная установка.

6) По требованию к внешним условиям (погода, время суток):

- всепогодные;

- рассчитанные на определенные погодные условия;

- работающие только при искусственном освещении;

- рассчитанные на работу в любое время суток.

Дополнительные: по точности, простоте в использовании, стоимости и т.п.

Далее в работе приводится описание существующих на данный момент способов и средств наблюдения, с анализом основных достоинств и недостатков систем, в которых эти средства наблюдения используются:

1. Датчики присутствия.

1.1. Волновые детекторы. Принцип действия устройств данного типа основан на физических законах распространения световых, звуковых и радиоволн.

a. Радар (True-presence Radar) [58,76]. В основе измерения скорости движущихся ТС лежит эффект Доплера. Принято использовать радиоволны, как правило, трех основных частотных диапазона: X-диапазон (11 ГГц), К-диапазон (24 ГГц) и Ка-диапазон (32-36 ГГц).

Приборы, в которых реализуется указанный физический принцип, просты в управлении и применяются как в системах обнаружения движущихся ТС [69], так и в системах контроля скорости ТС. Погрешность при измерении скорости не превосходит 1 км/ч. К сожалению, местоположение прибора может быть достаточно легко обнаружено участниками движения по излучаемой частоте. К недостаткам следует отнести также необходимость постоянного присутствия человека - инспектора дорожного движения в контуре контроля.

b. Лидар (LIDAR) [50,63]. Для обнаружения ТС и определения его скорости путем замера через определенные промежутки времени расстояния до движущегося объекта используется лазерное излучение (длина волны около 900нм). Устройство трудно обнаруживается, обладает незначительной погрешностью