基于视频的车辆几何参数提取与车型分类_卢玥

—173—基于视频的车辆几何参数提取与车型分类卢 玥，刘学军，晋 蓓(南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，南京 210046)摘 要：针对车辆自动分类需求，通过引入地理信息系统空间形态的描述方法，给出车辆侧面图像的几何信息描述参数和计算方法，设计用于车辆分类的几何特征参数及其组合参数，基于侧视轮廓的几何特征，提出车辆轮轴参数的自动提取方法，设计一个基于几何形态参数的车型自动分类器。

实验证明该方案的有效性。

关键词：视频图像；车辆几何参数；车型分类；轮轴参数Vehicle Geometric Parameters Extraction and Vehicle-type Classification Based on VideoLU Yue, LIU Xue-jun, JIN Bei(Key Laboratory of Virtual Geographic Environment of Ministry of Education, Nanjing Normal University, Nanjing 210046)【Abstract 】Aiming at the demands of automatic classification of vehicles, by introducing the description method in spatial morphology of Geography Information System(GIS), this paper presents geometric parameters, calculation methods of the side view of the vehicles and geometric feature parameters, and combines feature geometric parameters for vehicle-type classification. With the geometrical features of the side view, it gives a method to extract vehicle axle parameters automatically, and designs a vehicle classifier based on geometric feature parameters. This method is proved to be effective by experiment.【Key words 】video image; vehicle geometric parameters; vehicle-type classification; axle parameters计 算 机 工 程Computer Engineering 第35卷 第20期Vol.35 No.20 2009年10月October 2009·人工智能及识别技术·文章编号：1000—3428(2009)20—0173—03文献标识码：A中图分类号：TP391.41车型识别对于高速公路收费额的确定、大型停车场的管理及公路交通监视与调控等有非常重要的意义，是智能交通系统的一个重要组成部分。

目前国内外对于车型自动识别的研究主要集中于轮廓识别法、感应线圈法、车牌识别法和红外探测法[1-2]。

现阶段，在我国原有监控系统的基础上采用基于视频图像识别的分类收费是一种很有应用前景的方法[2]。

与正面视图和平面视图相比，侧面视图含有更多的车辆外形轮廓信息，同时考虑到收费站、停车场等交通管理中所获取的车辆图像大多为侧面图像，本文设计了用于车辆分类的几何特征参数及其组合参数，并基于侧视轮廓的几何特征，提出了车辆轮轴参数的自动提取方法，最后基于所设计的几何形态参数，设计了一个车型自动分类器。

1 车辆几何描述参数基于视频图像的车型识别技术的关键之一是车辆特征参数的提取。

用于车辆特征描述的可观测参数有3类：(1)几何参数：包括车辆的长、宽、高以及轴距等；(2)重量参数：包括车辆轴重、载重、总重或可承载人员数等；(3)文字参数：包括车辆牌号、车辆标志、车辆型号等。

由于系统整合上的困难，以上参数并未全部应用于车辆特征的识别中。

在感应检测中，主要检测的是重量参数，在视频检测中，则侧重几何参数和文字参数，即车型识别和车牌识别2个方面。

任何一类车辆都具有一定的外形形状特征，而这些特征可以通过其所呈现的几何特征加以定量描述。

1.1 基本几何参数通过车身侧面图像提取的车辆几何特征参数可分为4大类，即整体参数、轮轴参数、长度参数和高度参数，表1给出了这些参数的描述和定义。

图1为其图例。

表1 车辆侧面图像轮廓描述的基本变量类型 参数与符号 定义周长C 包括轮胎在内的车辆侧面图像轮廓长度 轮廓面积S车辆外形轮廓的面积整体 参数 外接矩形面积RS 车辆最大外接矩形的面积轴数 车辆所装配轴的数量轴距WB 车辆同一侧相邻2个车轮中心线间的距离 轮轴 参数轮径WD 车轮的直径车长L汽车前后最外端突出部位之间的距离 前悬FD 汽车前轮中心与车辆前端的水平距离 后悬AD 是指后轮中心与车辆后端的水平距离 长度 参数顶篷长度TL 驾驶舱上部水平距离车高H 车辆在没有装载的情况下支撑平面与最高突出部分之间的距离底盘高度UH 汽车底盘最低点离地面的高度 高度 参数车尾高度TH车辆尾部到地面的垂直距离TH图1 车辆基本几何参数基金项目：国家“863”计划基金资助项目(2007AA12Z238) 作者简介：卢 玥(1986－)，女，硕士研究生，主研方向：视频GIS ，交通GIS ；刘学军，教授、博士、博士生导师；晋 蓓，硕士研 究生收稿日期：2009-01-30 E-mail ：kiyota2@—174—1.2 组合参数为细化各类车辆的外形几何特征，上述基本参数可进一步形成组合描述参数，主要包括：(1)顶长比TLR [3-5]：车辆外形轮廓中顶篷长度与车长之比，TLR =TL /L 。

顶长比常用来进行两厢车和三厢车的区分。

(2)长高比LHR [5]：车辆长度和车辆高度之比，LHR =L /H 。

不同类型的车辆有较为明显的长高比例，常用来区分大、中、小型车。

(3)空间占有率CR [3]：车辆外形特征有较为复杂的边界，如小型轿车，有变化较为规整的边界，如客车、面包车，其特征可通过车辆外形轮廓面积与其外接矩形面积的比例来刻画，定义为空间占有率，CR =S /RS 。

(4)形状复杂度FR [3]：在进行车辆分类时，轿车和客车在外形轮廓上有不同的复杂度，因此，可以提取描述图像轮廓复杂度的特征，这里车辆外形轮廓形状复杂度定义为FR =A /S 。

一般轿车类的形状复杂度高于客车类。

(5)圆形度CC ：CC =L 2/(4πS )，其中，L 为轮廓周长；S 是轮廓面积。

该参数可进一步对车辆进行细分。

(6)不变矩：是广泛使用的形状特征描述变量，一些最基本的二维形状特征都与矩有着直接的关系。

(7)尾高车高比THHR ：车辆侧面轮廓中车尾高度与车高的比值，可用来区分轿车类、货车类和越野车系，THHR = TH /H 。

一般货车的THHR 最大，越野车其次，轿车类最小。

1.3 轮轴参数车辆轴数及轮径是衡量车辆荷载的主要工具之一，轴数越多，轮胎直径越大，荷载越大，对路面的破坏也越大。

轮轴参数是指与汽车轮胎及轴相关的参数，包括轮胎直径(简称轮径)、轴数和轴距3种。

一般小型车的轴数为2，轮胎直径在50 cm~65 cm 之间；客车的轴数一般也为2，其轮胎直径与货车类似，在90 cm~120 cm 之间；货车轴数一般较多，轻型货车轴数为2，重型货车大于2。

在以往的车型识别技术中，轴数和轴距2种参数相对使用得较多，主要的提取方法是红外探测等依托硬件设备的物理提取，但由于硬件设备昂贵、环境要求较高，因此较少被应用。

相对于电磁感应、红外等物理设备，视频具有设置灵活、维护方便的特点，通过对目标侧视图像轮廓的分析，可不借助其他物理设备而提取出轴数、轴距和轮径等参数。

轮轴参数的表示如图2所示。

图2 轮轴参数表示设经过处理后的车辆侧视轮廓坐标为(,)i i x y ，如果车辆水平，则各个轮胎接地点为车辆轮廓的最低点，其y 值为最小，设最小y 值为miniy ，i =1,2,…,N ，其中，N 为最小y 值个数。

基于最小y 值，可获得轮轴参数，其原理如下： (1)轴数：最小y 值个数N 即为车辆轴数。

(2)轴距WB ：提取min iy 对应的横坐标i x ，则车辆WB 为max{}min{}i i WB x x =− (1)(3)轮径WD ：平行于横轴x 作水平射线min i y y d =+，其中，0/2d WD <≤，d 一般可取2个~3个像素坐标。

求取i y 与车辆轮廓的交点坐标，由于i y 较低，因此i y 与轮胎轮廓相交且交点数为2。

从第一交点开始，依次成对取出2个交点坐标，设为1,j j i i x x +，则有22121()(())2j j i i R R d x x +=−+− (2)其中，R 为轮胎半径。

求解式(2)可得R ，则轮径WD = 2R 。

在上述计算中，要求车辆水平，而一般情况下，车辆所在图像中的位置、方向等是任意的，因此，应用上述原理进行轮轴参数提取，先要对车辆轮廓进行旋转，这时可采用如下方法：(1)轮廓点坐标中心化：11i iX x nY y n=∑=∑ (3) 将坐标系原点平移到轮廓坐标中心(,)X Y 处，这时轮廓边缘点坐标为iix i y i V x XV y =−=− (4)(2)计算车辆轮廓主轴方向。

基于旋转后的坐标，构造轮廓边缘点的方差和协方差：22111111i i iix xy yxy x xD V n D V n D V V n =∑−=∑−=∑− (5) 根据测量学的误差椭圆理论，车辆轮廓的主轴方向为 21arctan2xy x yD D D ϕ=− (6)其中，若xy D 为正，主轴方向为ϕ，反之，主轴方向为90ϕ+°。

(3)对原轮廓进行坐标旋转，得到与x 轴平行的位于水平方向的车辆轮廓。

2 基于几何参数的车型分类器设计2.1 车型几何参数分析通常各类汽车的车身侧视图可提供车长、顶篷位置、顶篷长度及车辆高度等信息，由于在拍摄图像时，镜头与车辆间的距离、角度都是随机的，因此造成同一车辆在2次拍摄图像时上述各参数的绝对大小不相等，这样就不能用长度或高度等绝对参数作为识别的特征参数。

组合参数相对于单一的基本参数更能反映车型的轮廓特征，如顶长比能很好地区分客车、两厢轿车、三厢轿车、货车，且比值参数有着与量纲无关的特性，即无需知道摄像机的内部参数或拍摄的具体位置，同款或同类车型根据其所摄相片计算出的参数比值是一定的。