一種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測速系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測速系統(tǒng)及方法，僅利用1臺數(shù)字相機即可完成車輛速度測量、車牌拍照和識別；僅提取原始圖像的有效圖像區(qū)域數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)上傳至云端服務(wù)器進行處理；僅利用車輛輪胎的外形數(shù)據(jù)進行測量；形成“車輛預(yù)跟蹤區(qū)”，并在此基礎(chǔ)上設(shè)定區(qū)域檢測等級，僅通過圖像數(shù)據(jù)決定是否開啟速度測試，實現(xiàn)了設(shè)備的全自動化；并且將車輛存在檢測功能放置于設(shè)備本地端，有效降低了圖像數(shù)據(jù)的傳輸量，從整體上降低了圖像采樣、處理的頻率；采用矩形結(jié)構(gòu)光投影計算路面方程，不用在路面設(shè)置定標(biāo)物，簡化了設(shè)備安裝調(diào)試流程；且在相機位置改變時，通過遠程控制相機重新進行標(biāo)定即可，具有較高的實用性和可靠性。
【專利說明】一種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測速系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機器視覺測量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測 速系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)在的非接觸式測量手段及設(shè)備有三坐標(biāo)測量機測距、激光測距、工具顯微鏡測 距、水準(zhǔn)儀測距、經(jīng)緯儀測距、衛(wèi)星定位測距和基于數(shù)字圖像的測距等。
[0003] 其中，工具顯微鏡測距和三坐標(biāo)測量機測距的方法不適合空間大尺寸的測量；激 光測距定位系統(tǒng)是通過測量從設(shè)備發(fā)射激光到此激光由被測物反射，并折回到設(shè)備的時間 間隙來計算被測物與測距定位系統(tǒng)間的距離，該系統(tǒng)存在對微小時間間隔測量的局限，因 此一般存在10米左右的測量盲區(qū)，同時，由于涉及到光的反射，該系統(tǒng)對被測物體的反射 面有一定的要求；水準(zhǔn)儀同樣是一種采用光學(xué)原理進行距離測量的設(shè)備，測距之前需要對 設(shè)備進行調(diào)平，需要設(shè)置標(biāo)桿于被測點，此儀器使用較為復(fù)雜；經(jīng)緯儀是一種基于光學(xué)、非 接觸式測量方式的測量裝備，其優(yōu)點有測量范圍較大（2m至幾十米）、測量精度比較高，其 缺點有需要逐點測量、手動照準(zhǔn)目標(biāo)、操作復(fù)雜、測量速度慢、自動化程度不高；目前，國內(nèi) 的衛(wèi)星定位服務(wù)幾乎都依賴于美國，測量精度受到限制，必須在被測物體上設(shè)置信號接收 裝置，信號終端價格昂貴；基于數(shù)字圖像的測距方法能夠從原理上很好的解決上述問題，但 目前的理論研究不夠深入，實際應(yīng)用上還沒有適合空間大尺寸測量的成熟可靠的產(chǎn)品和方 法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，本發(fā)明提供了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測速 系統(tǒng)及方法，克服了"定標(biāo)物標(biāo)定法"和"相機自定標(biāo)法"的缺點，較好地解決了定標(biāo)物設(shè)置 困難、被測物體需要具有豐富的紋理幾何特征以及攝像機運動復(fù)雜的問題，通過設(shè)置簡單 的標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)物實現(xiàn)相機定標(biāo)，發(fā)展了相機定標(biāo)的理論。本發(fā)明測量空間測距的試驗?zāi)Ｐ秃?單、制造成本低，有利于測量儀器的工業(yè)化生產(chǎn)。數(shù)學(xué)模型為線性方程組，收斂性好，計算精 度高。建立相機定標(biāo)和空間尺寸測量的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)空間大尺寸物體的距離測量。本發(fā) 明克服了傳統(tǒng)上基于數(shù)字圖像測量方法的定標(biāo)不方便的缺點，減少了硬件設(shè)備的花銷，具 有工程上的可行性和實用性，可廣泛應(yīng)用于工程測量、水利建設(shè)、地質(zhì)勘探、城市規(guī)劃、礦山 開發(fā)等工程領(lǐng)域。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測速 系統(tǒng)，包括分別與處理器連接的數(shù)字相機、無線通訊模塊和矩形結(jié)構(gòu)光模塊；所述數(shù)字相機 用于拍攝照片，所述處理器用于對照片進行判斷和處理、改變相機的拍攝頻率、利用無線通 訊模塊將數(shù)字相機拍攝的照片傳輸至云端服務(wù)器，所述矩形結(jié)構(gòu)光模塊用于測量運動平面 方程。
[0006] 本發(fā)明還提供了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測速方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一、確定數(shù)字相機內(nèi)部參數(shù)矩陣K;
[0008] 步驟二、確定路面參數(shù)：開啟矩形結(jié)構(gòu)光模塊并投射至路面上；由數(shù)字相機拍攝 一張投射光圖像；根據(jù)投射光圖像獲得路面參數(shù)方程；
[0009] 步驟三、數(shù)字相機以5-20張/分鐘的頻率拍攝圖像，處理器判斷是否有車輛駛?cè)?預(yù)追蹤區(qū)：如沒無，則自循環(huán)執(zhí)行此步驟；如果有，則進入步驟四；
[0010] 步驟四、數(shù)字相機以30-60張/分鐘的頻率拍攝圖像，處理器判斷是否有車輛駛?cè)?測量區(qū)：如果無，則返回步驟三；如果有，則進入步驟五；
[0011] 步驟五、以10-20張/秒的頻率拍攝至少兩張圖像作為測速圖像，在測速圖像上均 拍攝有車輛同一車輪的圖像；處理器將測速圖像通過無線通訊模塊上傳至服務(wù)器；同時數(shù) 字相機拍攝車輛牌照圖像；
[0012] 步驟六、服務(wù)器利用測速圖像計算車輛速度；
[0013] 步驟七、判斷車輛速度是否超過設(shè)定值：若是，則將步驟五拍攝的車輛牌照圖像上 傳至服務(wù)器，并由服務(wù)器進行牌照識別；若否，則刪去步驟五拍攝的車輛牌照圖像，然后進 入步驟三。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是：克服了傳統(tǒng)上基于數(shù)字圖像測量方法的 定標(biāo)不方便的缺點，減少了硬件設(shè)備的花銷，具有工程上的可行性和實用性，具體表現(xiàn)如 下：
[0015] (1)本發(fā)明僅利用1臺數(shù)字相機即可完成車輛速度測量、車牌拍照和識別，簡化了 傳統(tǒng)的測量方法；
[0016] (2)本發(fā)明僅提取原始圖像的有效圖像區(qū)域數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)上傳至云端服務(wù)器進 行處理，不僅降低了圖像數(shù)據(jù)量，也極大簡化了儀器端的硬件成本；
[0017] (3)本發(fā)明僅利用車輛輪胎的外形數(shù)據(jù)進行測量，在圖像處理算法上，僅需進行 圓/橢圓圖像的識別和提取，無需進行復(fù)雜的圖像識別，簡化了算法復(fù)雜度，降低了硬件成 本；
[0018] (4)相機拍照位假設(shè)距離地面較近，有助于拍攝清晰車輛牌照；
[0019] (5)因相機架設(shè)位置的特點，形成了"車輛預(yù)跟蹤區(qū)"，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)定區(qū)域檢 測等級，提出了一種僅通過圖像數(shù)據(jù)，決定是否開啟速度測試的方法，實現(xiàn)了設(shè)備的全自動 化；并且將車輛存在檢測功能放置于設(shè)備本地端，有效降低了圖像數(shù)據(jù)的傳輸量，從整體上 降低了圖像采樣、處理的頻率；
[0020] (6)采用矩形結(jié)構(gòu)光投影計算路面方程，較傳統(tǒng)方法，不用在路面設(shè)置定標(biāo)物，簡 化了設(shè)備安裝調(diào)試流程；且在相機位置改變時，通過遠程控制相機重新進行標(biāo)定即可，使此 設(shè)備具有較高的實用性和可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：
[0022] 圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2是本系統(tǒng)的工作原理圖；
[0024] 圖3是輪胎與地面接觸變形情況的示意圖；
[0025] 圖4為車輛預(yù)跟蹤原理圖；
[0026] 圖5為平面參數(shù)測量示意圖。

【具體實施方式】
[0027] -種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測速系統(tǒng)，如圖1和圖2所示，包括：數(shù)字相機1、無 線通訊模塊2、矩形結(jié)構(gòu)光模塊3和雙十字形狀激光投射器4等，系統(tǒng)內(nèi)置電池、處理器，其 中：所述處理器分別與數(shù)字相機1、無線通訊模塊2和矩形結(jié)構(gòu)光模塊3連接；所述數(shù)字相 機1用于拍攝照片，所述處理器用于對照片進行判斷和處理、改變相機的拍攝頻率、利用無 線通訊模塊2將數(shù)字相機1拍攝的照片傳輸至云端服務(wù)器進行處理，矩形結(jié)構(gòu)光模塊3用 于測量運動平面方程，該模塊包括兩個位于矩形對角頂點上的"十"字形狀激光投影器，即 可形成矩形結(jié)構(gòu)光投影。
[0028] 本發(fā)明僅提取原始圖像的有效圖像區(qū)域數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)上傳（加密傳輸）至云端 服務(wù)器進行處理，不僅降低了圖像數(shù)據(jù)量，也極大簡化了儀器端的硬件成本。因相機架設(shè)位 置的特點，形成了"車輛預(yù)跟蹤區(qū)"，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)定區(qū)域檢測等級，提出了一種僅通過 圖像數(shù)據(jù)，決定是否開啟速度測試的方法，實現(xiàn)了設(shè)備的全自動化；并且將車輛存在檢測功 能放置于設(shè)備本地端，有效降低了圖像數(shù)據(jù)的傳輸量，從整體上降低了圖像采樣、處理的頻 率。具體的測速方法包括如下步驟：
[0029] 步驟一、確定數(shù)字相機內(nèi)部參數(shù)矩陣K:
[0030] (1)進行儀器上相機的近場景內(nèi)部參數(shù)定標(biāo)，獲得相機近場內(nèi)部參數(shù)&;
[0031] (2)將儀器放置于測量現(xiàn)場，進行相機現(xiàn)場參數(shù)定標(biāo)，獲得相機現(xiàn)場內(nèi)部參數(shù)K:
[0032] 數(shù)字相機內(nèi)部參數(shù)K可表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測速系統(tǒng)，其特征在于：包括分別與處理器連接的數(shù) 字相機、無線通訊模塊和矩形結(jié)構(gòu)光模塊；所述數(shù)字相機用于拍攝照片，所述處理器用于對 照片進行判斷和處理、改變相機的拍攝頻率、利用無線通訊模塊將數(shù)字相機拍攝的照片傳 輸至云端服務(wù)器，所述矩形結(jié)構(gòu)光模塊用于測量運動平面方程。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測速系統(tǒng)，其特征在于：所述 矩形結(jié)構(gòu)光模塊包括兩個位于矩形對角頂點上的"十"字形狀激光投影器。
3. -種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測速方法，其特征在于：包括如下步驟： 步驟一、確定數(shù)字相機內(nèi)部參數(shù)矩陣K; 步驟二、確定路面參數(shù)：開啟矩形結(jié)構(gòu)光模塊并投射至路面上；由數(shù)字相機拍攝一張 投射光圖像；根據(jù)投射光圖像獲得路面參數(shù)方程； 步驟三、數(shù)字相機以5-20張/分鐘的頻率拍攝圖像，處理器判斷是否有車輛駛?cè)腩A(yù)追 蹤區(qū)：如沒無，則自循環(huán)執(zhí)行此步驟；如果有，則進入步驟四； 步驟四、數(shù)字相機以30-60張/分鐘的頻率拍攝圖像，處理器判斷是否有車輛駛?cè)霚y量 區(qū)：如果無，則返回步驟三；如果有，則進入步驟五； 步驟五、以10-20張/秒的頻率拍攝至少兩張圖像作為測速圖像，在測速圖像上均拍攝 有車輛同一車輪的圖像；處理器將測速圖像通過無線通訊模塊上傳至服務(wù)器；同時數(shù)字相 機拍攝車輛牌照圖像； 步驟六、服務(wù)器利用測速圖像計算車輛速度； 步驟七、判斷車輛速度是否超過設(shè)定值：若是，則將步驟五拍攝的車輛牌照圖像上傳至 服務(wù)器，并由服務(wù)器進行牌照識別；若否，則刪去步驟五拍攝的車輛牌照圖像，然后進入步 驟三。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測速方法，其特征在于：步驟 一所述數(shù)字相機內(nèi)部參數(shù)矩陣K的確定方法為： (1) 利用相機標(biāo)定方法獲得相機近場內(nèi)部參數(shù)K1 :
(2) 將相機放置于測量現(xiàn)場，進行相機現(xiàn)場參數(shù)定標(biāo)，獲得相機現(xiàn)場內(nèi)部參數(shù)K:
根據(jù)現(xiàn)場矩形的圖像確定兩個滅點的坐標(biāo)，分別設(shè)為[U001V〇〇1]、[Uoo2 Voo2].形成兩 個滅點的矩形邊分別具有兩個方向，分別設(shè)為'、V2，則由相機成像方程得到以下方程：
其中ai、a2為成像方程中涉及的未知非零參數(shù)，求解中直接消去后，對K矩陣中唯一的 未知數(shù)ax求解。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測速方法，其特征在于：步驟 二所述的路面參數(shù)是指路面所在平面法線向量和平面上一個點的空間坐標(biāo)，路面參數(shù)的確 定方法如下： 在長為L、高為H的矩形頂點PpP3上分別設(shè)置"十"字形激光投射器，并投射光至路面 上，設(shè)路面為平面Π，法線為vp;平面Π上形成頂點為？81、？82、？83、？8 4的平行四邊形；用 數(shù)字相機拍攝一張投射光的圖像，各頂點像分別設(shè)為P'Sl、P'S2、P'S3、P'S4，圖像坐標(biāo)為 [Ui，Vi]i= 1，2, 3, 4 ;投射光形成的平行四邊形各邊像的方程由直線檢測、擬合算法獲得； 由平行四邊形兩組平行邊像的方程，求解出兩個交點，其圖像坐標(biāo)分別設(shè)為[uvl，vvl]、 [uV2,vJ;形成這兩個交點的方向向量設(shè)為Vi = [VxiVyiVzi]i= 1，2,按下式分別求解：
求解出VV2后，再由Vp =V1XV2求解出路面法線Vp ;其方向上的滅點為Pvoo ; 設(shè)矩形結(jié)構(gòu)光四個頂點的空間坐標(biāo)分別為：
其中epe2為矩形結(jié)構(gòu)光兩條正交邊的單位方向向量，e3為同時正交于epe2的單位方 向向量；它們皆為未知參數(shù)。 將四個頂點的空間坐標(biāo)、P'Sl、P's2、P's3、P'S4的圖像坐標(biāo)，分別代入相機成像方程， 并增加以下約束方程單位正交、Vp為已知的路面法線方向向量；聯(lián)立求解出P1坐 標(biāo)、e3及線段P1Psl的長度，進而由Psl =P1+1P1Psl/ ·e3獲得路面上一個點Ps1的空間坐標(biāo)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的單相機車輛測速方法，其特征在于：步驟 六所述利用測速圖像計算車輛速度的方法為： (1) 在測速圖像上識別、提取車輛輪胎圖像，并擬合輪胎內(nèi)、外輪廓的方程； (2) 計算輪胎與地面接觸點的圖像坐標(biāo)： 在測速圖像上，根據(jù)輪胎內(nèi)外輪廓方程、地面參數(shù)，獲取輪胎與地面接觸點的圖像坐 標(biāo)； (3) 利用輪胎與地面接觸點的圖像坐標(biāo)、相機內(nèi)部參數(shù)矩陣K、路面參數(shù)、測速圖像的 拍攝時間間隔求解車輛速度： 利用已經(jīng)測量獲得的路面參數(shù)得到路面平面方程Ax+By+Cz+D= 0,其中A、B、C、D皆為 已知； 設(shè)在拍攝時間間隔tl、t2時刻，同一個輪轂與地面的接觸點圖像坐標(biāo)分別為[utlvtl]、 [ut2vt2]，空間坐標(biāo)分別為[xtl ytlztl]、[xt2 yt2zt2]，則由成像方程得到：
同時有： A·xti+B·yti+C·zti+D=Oi= 1,2 聯(lián)立方程求解出[xti ytiZti]、[xt2 yt2zt2],進一步得到車速v:
【文檔編號】G06T7/00GK104459183SQ201410814794
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月24日
【發(fā)明者】王德麾, 樊慶文, 周瑩瑩 申請人:四川大學(xué)