1、基于圖像處理的交通燈動(dòng)態(tài)時(shí)間控制系統(tǒng) 劉繼瓊，何格，梅明，胡檳楓Introduction城市交通擁堵現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，如何優(yōu)化交通信號(hào)燈控制，提高車輛通行效率是亟待解決的問(wèn)題。然而，現(xiàn)有的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)幾乎全部采用的是固定時(shí)序的控制方式，無(wú)法針對(duì)實(shí)際交通流量對(duì)各車道的放行時(shí)間進(jìn)行自適應(yīng)性調(diào)整，造成了道路資源的浪費(fèi)。Company LogoCompany LogoAbstract本文提出了一種基于圖像處理的交通燈動(dòng)態(tài)時(shí)間控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)分為兩個(gè)單元圖像處理、實(shí)時(shí)控制。利用Monte Carlo模擬實(shí)際交通情況，采用各車輛等待平均時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了交通燈的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制，有效提

2、高了交叉路口車輛的通行效率。Company LogoCompany Logo系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖交通燈動(dòng)態(tài)時(shí)間控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Company LogoCompany Logo圖像處理單元原始視頻車輛數(shù)灰度化提取背景中值濾波二值化車輛識(shí)別Company LogoCompany Logo灰度化處理將三維彩色圖片轉(zhuǎn)化為二維灰度圖片，減少信息量。像素矩陣是一個(gè)三維的矩陣，受光線影響大，數(shù)據(jù)量大，影響處理速度?；叶葓D片是二維圖片，不包含色彩信息。信息量明顯減少，加快計(jì)算速度。因此可以將三原色圖像轉(zhuǎn)化為256級(jí)灰度圖像進(jìn)行處理，本文采用平均值法計(jì)算圖像灰度值。設(shè)圖像在點(diǎn)（X，Y）RGB的像素值分量分別為 、 、 灰度

3、化后像素值為 ，則有Company LogoCompany Logo灰度化處理原始圖像灰度化后 選取一段實(shí)際監(jiān)控視頻，截取其中兩幀圖像Company LogoCompany Logo背 景 幀 差 將實(shí)時(shí)視頻圖像信息與背景圖像做差，得到的前景圖像像素矩陣中像素起伏較大的區(qū)域即可能為車輛存在區(qū)域。 背景幀差后圖像Company LogoCompany Logo中值濾波 中值濾波的功能就是用像素點(diǎn)領(lǐng)域灰度值的中值來(lái)代替該像素點(diǎn)的灰度值，所以它對(duì)孤立的噪聲像素具有很強(qiáng)的消除能力。 中值濾波后的圖像 在視頻采集和傳輸過(guò)程中，受到設(shè)備自身以及實(shí)際環(huán)境的干擾，或多或少會(huì)帶有各種噪聲，因此在提取前景圖像后對(duì)

4、圖像進(jìn)行預(yù)處理?？梢圆捎弥兄禐V波法。Company LogoCompany Logo二 值 化 二值化是將圖像分成目標(biāo)和背景的一種方法，常用的一種方法是選取一個(gè)適當(dāng)?shù)拈撝担瑢?duì)圖像進(jìn)行閾值劃分。設(shè) 是 點(diǎn)第 幀的灰度值， 為閾值， 為 點(diǎn)第 幀的二值化處理后的取值，則有：二值化后的圖像Company LogoCompany Logo圖像處理結(jié)果幀序號(hào)12345678910計(jì)算值6.786.696.754.024.576.794.294.494.144.36實(shí)際值7765475455殘差-0.22-0.310.75-0.980.57-0.21-0.710.49-0.86-0.64相對(duì)誤差3.1%4

5、.4%12.5%19.6%14.2%3.0%14.2%12.2%17.2%12.8% 在車輛識(shí)別后，可以通過(guò)像素矩陣中目標(biāo)的覆蓋率來(lái)確定視場(chǎng)范圍內(nèi)的車輛數(shù)，整個(gè) 圖像處理計(jì)算后的各幀圖像車輛數(shù)結(jié)果及其誤差統(tǒng)計(jì)如下表所示 由上表可知，通過(guò)上述方法計(jì)算的圖像中的車輛數(shù)具有較高的準(zhǔn)確度，可以為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)提供可靠數(shù)據(jù)。Company Logo十字路口交通燈圖以雙向四車道為例一般情況下右轉(zhuǎn)不受限，直行和左轉(zhuǎn)受同一組燈控制。利用matlab編程對(duì)整個(gè)交通過(guò)程進(jìn)行了Monte Carlo模擬。 模型假設(shè)考慮雙向四車道情況，右轉(zhuǎn)不受限，左轉(zhuǎn)和直行受同 一組燈控制車輛到達(dá)路口與離開(kāi)路口均以秒為單位，不考慮車輛

6、大小，綠燈且有車等待時(shí)每秒通行一輛車不考慮其它因素對(duì)車流量產(chǎn)生的變化，任何時(shí)刻車流量相同模擬開(kāi)始時(shí)各路口等待車輛數(shù)均為零，模擬結(jié)束時(shí)所有車全都離開(kāi)Company Logo模型建立建立模型的目標(biāo)函數(shù) f=min T 定義車流0-1變量計(jì)算各時(shí)刻各車道等待車輛數(shù)計(jì)算每輛車的等待時(shí)長(zhǎng)計(jì)算平均等待時(shí)間Company LogoMonte Carlo模擬流程設(shè)A、B、C、D分別表示四個(gè)方向的車道，其中A、C紅綠燈狀況相同，B、D相同。假設(shè)某時(shí)刻A、C為紅燈，B、D為綠燈。在該時(shí)刻發(fā)生一次紅綠燈切換，首先在A、B、C、D出現(xiàn)黃閃，為公共等待時(shí)間；然后A、C轉(zhuǎn)換為綠燈，B、D轉(zhuǎn)換為紅燈。此時(shí)需要確定下一次轉(zhuǎn)換

7、的時(shí)間間隔。Company Logo轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔 T 的計(jì)算設(shè)在A、C車道等待的車輛數(shù)分別為 nA、nC ，每輛車通過(guò)路口的平均時(shí)間為 ，紅綠燈轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔因子為 ，轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔為T(mén) ，建立線性函數(shù)關(guān)系T=min(nA,nC)+(nA+nC) 其中0,1 Company Logo兩種極端情況（1）等待車輛極少 系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)頻繁轉(zhuǎn)換，影響通行效率，需要設(shè) 定最短轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔，設(shè)為 minT，當(dāng) 時(shí)Tmax T時(shí)， T=max T 在模擬過(guò)程中，改變 值，計(jì)算車輛平均時(shí)間，取最短平均等待時(shí)間對(duì)應(yīng)的 值。Company Logo模型求解模擬參數(shù) 為了驗(yàn)證模擬程序的正確性，首先需要對(duì)程序做相關(guān)檢驗(yàn)。Company Logo改變 值和車流量，求模型最優(yōu)解Company LogoCompany LogoCompany Logo平均等待時(shí)間比較車流量（輛/小時(shí)）平均等待時(shí)間（秒）差值固定時(shí)長(zhǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)長(zhǎng)72