ZESZY TY N A U K O W E PO L IT EC H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: TRA N SPO RT z. 44
2002 N r kol. 1562
Zbigniew C ZA PLA , Teresa PAM U ŁA , W iesław PAM UŁA
SYSTEM REJESTRACJI I PRZETWARZANIA OBRAZU CYFROWEGO ZDARZEŃ DROGOWYCH
S treszczenie. P rzedstaw iono projekt system u rejestracji i przetw arzania obrazu cyfrow e
go zdarzeń drogow ych oraz stan zaaw ansow ania realizacji projektu. D okonano przeglądu rozw iązań, na podstaw ie którego sform ułow ano założenia i w ym agania dla system u. Podjęto realizację podstaw ow ych elem entów system u, takich ja k akw izycja obrazu z kam ery, zdalne ustaw ianie param etrów dokonyw ania zdjęć, im plem entacje algorytm ów w ydzielania obiek
tów, śledzenia obiektów, kom presji danych i autentykacji rejestrow anych zdarzeń.
U zyskane w yniki potw ierd zają m ożliw ość w ykorzystania przetw arzania obrazów, z użyciem kom putera typu PC , do określania param etrów ruchu drogowego.
A SYSTEM FOR REGISTERING AND PROCESSING OF DIGITAL IMAGES OF TRAFFIC INCIDENTS
S u m m ary . The paper presents the design o f a system for registering and processing o f digital im ages o f traffic incidents and describes the state o f realisation o f the project. A survey o f registering system s w as done and using it’s results design assum ptions and processing re
quirem ents for the project w ere draw n up. Basic elem ents o f the system such as im age acqui
sition, cam era control, algorithm s for com pressing and authentication o f im age data are being implemented.
R esults confirm the feasibility o f effectively perform ing im age processing tasks, on a PC com puter, for estim ating road traffic param eters.
1. PRZEG LĄ D R O Z W IĄ Z A Ń SY STEM Ó W
W ykorzystanie kom puterow ego przetw arzania obrazów stw arza m ożliw ość autom atycz
nego określania param etrów ruchu pojazdów, które nie m o g ą być określone z użyciem trady
cyjnych detektorów pojazdów . Takimi param etram i są trajektorie ruchu pojazdów w obrębie skrzyżowań, rozm iary pojazdów , odstępy m iędzy pojazdam i, dynam ika ruchu pojazdów.
Zam iast tradycyjnych system ów rejestracji zdarzeń i w ykroczeń drogow ych, z aparatam i fotograficznym i i różnego typu detektoram i ruchu (pętle indukcyjne, czujniki, radar), stosuje się elektroniczne system y rejestracji działające na zasadzie w ideodetekcji.
W ideodetekcja - je s t to proces rozpoznaw ania obiektów w ruchu na podstaw ie ich obrazu, pozyskanego bądź bezpośrednio z kam ery, bądź odtw arzanego z taśm y w ideo. C elem takiego działania w ogólnym przypadku je st zidentyfikow anie i sklasyfikow anie obiektu oraz w yzna
czenie param etrów poruszania się.
K lasy obiektów m o g ą być stw orzone na podstaw ie rozm aitych kryteriów , np. kształtu, rozm iaru, koloru (jasności), złożoności itp. O braz otrzym any z kam ery je s t następnie za po
m ocą odpow iednich algorytm ów analizow any i przetwarzany.
Tablica 1 Z estaw ienie rejestratorów zdarzeń drogow ych
dzenia rejestru- kraj tora
ce
Parametry podstawowe
■ - Tri-Eye
1000 Gatso (Brytyjska) rejestrator wykroczeń drogowych
3 cyfrowe aparaty
urządzenie stacjonarne, 1 pętla indukcyjna i 1 aparat
dla 1 pasa mchu,
Redeye 77 Gatso (Brytyjska) rejestrator przejazdu na czerwonym świetle
2 aparaty cyfrowe
urządzenie stacjonarne, zapis danych na dysku,
lampa błyskowa
Telem Tracon System (USA)
do monitorowania mchu i wykroczeń,
parkingów itp.
kamera wideo
urządzenie stacjonarne, standardowo 2 czujniki
w drodze Crossing
G uard
Nestor Traffic System (Australia)
do monitorowania mchu i wykroczeń,
kamera wideo
zdjęcia cyfrowe, brak pętli i czujników, połączony
z komputerem CarFIow I
CarFlow II
Mega Pixel (Rosja)
czytnik tablic rejestra
cyjnych
kamery wideo
wykonuje zdjęcia tablic rejestracyjnych
Safe-T-Cam CSIRO (Australia)
czytnik tablic rejestra
cyjnych, system kon
troli ciężarówek
kamery wideo
rejestracja prędkości do 160 k/h
RTW IN Nu- Metrics (USA)
urządzenie pogodowej informacji i nadzorowania mchu
drogowego
kamera wideo
urządzenia stacjonarne, zintegrowany czujnik po
jazdów w drodze
Telem TM GAMBIT
(Warszawa)
rejestrator wykroczeń drogowych, prędkości
1 lub kilka kamer wideo
jednoczesna obserwacja do 4 pasów mchu, urzą
dzenie stacjonarne, pętle indukcyjne
ESORD Signalco
(Kraków)
rejestrator mchu dro
gowego i wamnków pogodowych
kamera wideo ob
rotowa lub stała
stacja meteorologiczna 1 kamera stała lub 2 ob
rotowe kamery Ram er
7M-RL
Ramet (Czechy) rejestratory przejazdu na czerwonym świetle
kamery wideo
montowana na stałe, na poboczu , lub nad jezdnią, Ram er
7M-M
Ramet (Czechy) rejestratory prędkości pojazdów
kamery
wideo montowany w pojeździe
R am er 7M-S
Ramet (Czechy) pomiar prędkości po
jazdów
kamery wideo
montowana na stale, na poboczu , lub nad jezdnią,
B artek Microster (Katowice)
pomiar prędkości po
jazdów
kamera wideo
urządzenie stacjonarne, zakres prędkości 30- 180
km/h, pętle indukcyjne
W ideorejestratory m a ją szerokie zastosow anie zarów no ja k o rejestratory w ykroczeń dro
gowych, ja k i jako rejestratory do egzekw ow ania opłat oraz w ykonyw ania pom iarów para
metrów m chu drogowego.
System rejestracji i przetw arzania obrazu cyfrowego zdarzeń drogow ych 179
Produkow ane rejestratory zdarzeń drogow ych w ykorzystują d o jrzałą technologię elektro
nicznej rejestracji obrazów cyfrowych. Stosowane s ą m atryce CCD do przetw orzenia obrazu na postać elektryczną, następnie sygnał zam ieniany je st na postać cyfrow ą i następuje dalsza obróbka uzyskanych danych. N ieliczne urządzenia dokonują w prost rejestracji postaci analo
gowej sygnału z przetw ornika CCD.
Z estaw ione w tablicy 1 urządzenia stanow ią przykłady produkow anych rozw iązań syste
m ów rejestracji.
R ealizacja algorytm ów rejestracji w spom agana je st czujnikam i obecności pojazdów. Brak rozw iązań działających w yłącznie n a podstaw ie w ideodetekcji.
System y w bardzo ograniczonym zakresie w ykorzystują m etody przetw arzania obrazów do uzyskiw ania inform acji o ruchu drogowym . K orzysta się z:
- kom presji inform acji w izyjnej, - m etod detekcji ruchu obiektów,
- analizy zm ian jasn o ści w yróżnionych pól zarejestrow anego obrazu.
Znane ośrodki badaw cze zajm ujące się analizą sceny nie w d rażają sam odzielnie w yników sw oich badań, u d ostępniają je do kom ercyjnego w ykorzystania i m ożna oczekiwać w perspektyw ie kilku lat system ów w w iększym zakresie korzystających z przetw arzania ob
razów [1, 3, 5, 6, 7, 11].
Prow adzone są prace nad algorytm am i:
- w ydzielania obiektów z pola ruchu, - śledzenia obiektów,
- w ykorzystania zm ian w cechach skom presow anego strum ienia w ideo do w yznaczania param etrów ruchu obiektów.
2. W Y M A G A N IA FU N K C JO N A L N E D LA S Y STEM U R E JE S T R A C JI I P R ZETW A RZA N IA O B R A ZU C Y FR O W EG O ZD A R ZEŃ D R O G O W Y C H
W śród w ielu w ym agań staw ianych w ideorejestratorom ruchu drogow ego, m ożna w yróż
nić trzy zasadnicze grupy [2]:
- w ym agania m etrologiczne, - w ym agania form alnopraw ne, - w ym agania niezaw odnościow e.
Zaproponow ano w ykorzystanie system u do realizacji następujących funkcji pom iarowych na w ybranym stanow isku obserw acyjnym :
- m onitorow ania m chu drogowego,
- w yznaczania param etrów m chu drogowego.
S tanow isko o b se rw a c y jn e
D okonano przeglądu stanow isk w K atow icach [8], N a rysunku przedstaw iono stanow iska do m onitorow ania m chu, pom iam prędkości pojazdów, rejestracji przejazdów na czerw onym św ietle i w ykroczeń drogow ych.
1 .Rozmieszczeniestanowisk pomiarowychnatereniecentrumKatowic1. Measurement sitesin the centre of Katowice Z.Czapla, T.Pamuła, W.Pamuła
System rejestracji i przetw arzania obrazu cyfrowego zdarzeń drogow ych 181
3. RO ZW IĄ ZA N IA SPR Z Ę T O W E SY STEM U R EJESTR A C JI
Przygotow ano dw a rozw iązania systemu:
- m odułow e, - zintegrow ane.
M odułow e rozw iązanie pozw ala konfigurow ać system w zależności od realizowanej funkcji. Z integrow ane rozw iązanie m a ściśle określony zakres funkcjonalności bardzo trudny do rozszerzenia. Integracja m usi być poprzedzona złożonym procesem optym alizacji prze
prow adzonym z użyciem zw ykle m odułow ego rozw iązania układu.
O pracow ano m odułow e rozw iązanie system u rejestracji składające się w chwili obecnej z trzech modułów. R ozw iązanie oparto na standardow ym kom puterze typu PC z m agistralą PCI i łączam i do transm isji szeregow ej. Ł ącza w ykorzystyw ane są do przekazyw ania stero
w ania do kamery. Z aaw ansow ana karta graficzna z układam i „vivo” video in video out prze
tw arza analogow y sygnał z kam ery n a postać cyfrową.
W ykorzystano zdalnie sterow aną kam erę ze zm ienną ogniskow ą i autom atycznym usta
w ianiem ostrości z użyciem w budow anego procesora sygnałow ego.
Sterow anie funkcjam i kam ery dokonyw ane je s t z użyciem rozkazów przekazyw anych kanałem szeregow ym R S232C . Planow ane je st zastosow anie RS485 w przypadku bardziej odległego stanow iska obserw acyjnego. O pracow yw ane je st rozw iązanie sterow ania oparte na łączu sieciow ym z protokołem TCP/BP.
Proponow ane zintegrow ane rozw iązania oparte b ę d ą n a F PG A oprogram ow anych w V H D L ’u w celu zapew nienia przenoszalności m iędzy rodzinam i dostępnych układów Xili- nx, Altera, A tm el i inne.
4. R O ZW IĄ ZA N IA P R O G R A M O W E SYSTEM U R EJESTR A C JI
W ykorzystano narzędzia program istyczne firm y M icrosoft i B orland do opracow ania pro
gramów:
- sterow ania położeniem i funkcjam i kamery, - pozyskania i zapisu danych w ideo z kamery,
W przygotow aniu w różnych fazach im plem entacji są następujące grupy program ów : A lg o ry tm y k o m p re sji
Jednej klatce obrazow ej sekwencji w ideorejestratora zdarzeń drogow ych odpow iada achrom atyczny obraz cyfrowy, z poziom am i szarości, o rozdzielczości przestrzennej 720x576 pikseli. R ozdzielczość poziom ów jasności w ynosi 8 bitów /piksel, co je s t w ystarczającą do
kładnością reprezentacji punktów obrazow ych [4].
Do kom presji obrazów z w ideorejestratora zdarzeń drogow ych, ja k o podstaw ow y, w ybra
no standard JPE G 2000. P rzew idziano rów nież m ożliw ość zastosow ania innych m etod kom presji, na przykład m etod RO I. W dalszej kolejności przew idyw ane je s t rozpatrzenie przydat
ności do kom presji obrazów z w ideorejestratora zdarzeń drogow ych kodow ania sekwencji obrazów w standardzie M PEG4.
A u te n ty k a c ja za p isu
Ważnym w ym aganiem staw ianym rejestratorow i w ykroczeń je s t ocena autentyczności dokonanej rejestracji. Z arejestrow any dokum ent m ożna zaszyfrow ać z użyciem kluczy, które są znane tylko osobom upraw nionym do odczytu. M ożna go rów nież „podpisać” uzupełniając
opis dokum entu ciągiem znaków w yznaczonych na podstaw ie treści dokum entu, tzw. skrót w iadom ości. Szyfrow anie sekwencji obrazów z w ykorzystaniem algorytm ów o kilkudziesię- ciobitow ych kluczach w ym aga dużej mocy obliczeniowej sprzętu przetw arzającego. Nie na
daje się do im plem entacji w proponow anym rozw iązaniu w ideorejestratora.
W opracow aniu proponuje się wykorzystanie elektronicznego podpisu (wyliczonego wg algorytm u El G am ala) do potw ierdzenia autentyczności zarejestrow anego obrazu.
R e je s tra to r p rz e ja z d u n a czerw onym św ietle
Im plem entacja algorytm u rejestratora w ykorzystującego zm ianę ogniskow ej do uzyskania wymaganej rozdzielczości zdjęcia spraw cy [9].
P o m ia r p ręd k o śc i pojazd ó w
Zastosow anie nie kalibrowanej kam ery do w yznaczenia prędkości ruchu. Zaproponow ano algorytm śledzenia zm iany rozm iaru odw zorow ania obiektu i skalow ania przem ieszczenia na podstaw ie charakterystycznych cech poruszających się obiektów [5].
D e te k to r p o jazd ó w
Im plem entacja w irtualnych pętli na obrazie sytuacji drogowej i badanie zm ian zawartości.
Elim inacja w pływ u zakłóceń toru przekazu i zm ian ośw ietlenia nadzorow anego pola obser
wacji.
W ydzielanie obiek tó w z pola ru c h u
D okonany przegląd m etod w ydzielania obiektów w skazał na znaczną przewagę w skuteczności detekcji obiektów algorytm u w ykorzystującego śledzenie charakterystycz
nych cech obiektów. O biekty s ą identyfikow ane jednoznacznie na podstaw ie cech, pom im o w ystępujących zakłóceń i w zajem nego chw ilowego przesłaniania. W celu uzyskania efek
tyw nego w ydzielania w ym agana je st optym alizacja zaw artości zbioru cech i rozdzielczości analizy otoczenia obiektów [12].
Ś ledzenie tr a je k to r ii p rz e ja z d u p o ja zd u
Pom yślne rozw iązanie zagadnienia w ydzielania obiektów um ożliw i założenie bazy da
nych o położeniach obiektów i ich cechach. Przetworzenie danych z bazy pozw oli uzyskać trajektorie przem ieszczeń obiektów na obrazie [10].
O d cz y t ta b lic re je stra c y jn y c h
Zastosow anie sieci neuronow ych i algorytm ów O CR do odczytu danych na tablicach re
jestracyjnych przejeżdżających pojazdów. W ykorzystanie w stępnego przetw orzenia obrazu opartego o LPCA pow inno znacznie przyspieszyć proces rozpoznania znaków.
P o m ia r n atęż en ia ru c h u drogow ego
A naliza transform aty strum ienia w ideo w celu określenia natężenia przem ieszczających się obiektów postrzeganych ja k o zakłócenie pola obserwacji. N ależy podjąć próbę w ykorzy
stania transform at opartych o D CT i falki. Takie przekształcenia pow szechnie stosowane są w kom presji danych w ideo, co m oże ułatw ić im plem entację program ow ą, elim inując koniecz
ność przygotow ania oprogram ow ania transform ującego.
System rejestracji i przetw arzania obrazu cyfrowego zdarzeń drogow ych 183
5. PER SPEK TY W Y R O ZW O JU SYSTEM U
M ożna w yróżnić dw a kierunki rozw oju systemu:
- optym alizacja i opracow yw anie now ych m odułów przetw arzania, - integracja rozw iązań program ow ych ze sprzętowym i.
Przeniesienie w ybranych funkcji przetw arzania do układów sprzętow ego wspom agania.
Im plem entacja algorytm ów z użyciem ję zy k a opisu układów VHDL.
Pracą wykonano w ram ach badań własnych prow adzonych p rze z Z akład Inform atyki w Transporcie, Instytutu Transportu na Wydziale Inżynierii M ateriałowej, M etalurgii i Trans
portu, oznaczano sym bolem BW -469/R M 10-5/2002.
L ite ra tu r a
1. Betke M ., H aritaoglu E., D avis L.S.: R eal-tim e m ultiple vehicle detection and tracking from a m oving vehicle, M achine Vision and A pplications no. 12 Dec 2000, pp. 69-83.
2. Bogdziun R.: W ideorejestrator przejazdu na czerw onym świetle, praca dyplom ow a m agi
sterska, Instytut Transportu, Katow ice 2001 (prom otor W .Pamuła).
3. Beym er D., M cLauchlan P., Coifm an B., M alik J.: R eal-tim e com puter vision system for m easuring traffic param eters, Proc. IEEE Com puter Society C onference on Com puter V i
sion and Pattern Recognition, San Juan, Puerto Rico 1997, pp. 495-501.
4. Czapla Z.: F ragm entacja obrazów cyfrow ych z rejestratora danych ruchow ych, M ateriały konferencyjne: Telem atyka i bezpieczeństw o ruchu drogowego. Politechnika Śląska, G liwice 2002, s.137-144.
5. Dailey D.J., Cathey F.W., Pum rin S.: The use o f uncalibrated roadside CCTV cam eras to estim ate m ean traffic speed, Final Research Report, W ashington State Transportation Center, Dec 2001, pp. 1-25.
6. Foresti G.L., M urino V., Regazzoni C.: Vehicle R ecognition and Tracking from Road Im age Sequences, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 48, no. 1 Jan 1999, pp.
301-318.
7. Haag M., N agel H.H.: Tracking o f com plex driving m aneuvers in traffic im age sequences, Im age and V ision C om puting vol. 16, 1998, pp. 517-527.
8. Kowol T.: M onitorow anie ruchu drogow ego w centrum K atow ic, praca dyplom ow a m a
gisterska, Instytut Transportu, Katow ice 2001 (prom otor W .Pamuła).
9. Pam uła W.: W ideorejestrator zdarzeń drogowych, I M iędzynarodow a K onferencja Tele
m atyka System ów Transportow ych T S T ’01, Ustroń 2001, s. 118-123.
10. Pam uła W.: O kreślanie trajektorii ruchu pojazdów z w ykorzystaniem kom puterow ego przetw arzania obrazów, M ateriały konferencyjne Transport XXI w ieku, Politechnika W arszawska, W arszawa, 2001 s. 48-56.
11. Setchell C., D agless E.L.: Vision- based road traffic m onitoring sensor, IEE Proc. -V is.
Im age Signal Processing vol. 148, No. 1 Feb 2001, pp. 78-84.
12. Rom anow ski M.: W ydzielanie obiektów z pola ruchu, M ateriały konferencyjne Telem a
tyka i bezpieczeństw o ruchu drogowego. Politechnika Śląska, Gliwice 2002, s. 162-170.
Recenzent: Dr hab. inż. D. B adura prof. UŚ
A b stra c t
The paper presents the design o f a system for registering and processing o f digital im ages o f traffic incidents and describes the state o f realisation o f the project. A survey o f registering system s was done and using it’s results design assum ptions and processing requirem ents for the project w ere draw n up.
The basic assum ption is to incorporate standard im age acquisition and processing equip
m ent to m inim ise costs. A C C TV cam era w orking according to CCIR601 is used for m oni
toring traffic. A PC com puter is used for im age processing.
Basic elem ents o f the system such as im age acquisition, cam era control, algorithm s for com pressing and authentication o f im age data are being im plem ented. M ore advanced m od
ules for tracking vehicles in traffic scenes, speed m onitoring, license plate reading and red light violation are elaborated.
Results confirm the feasibility o f effectively perform ing im age processing tasks, on a PC computer, for estim ating road traffic parameters.
