基于OpenCV的交通燈綠信比智能調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)

　　祝朝坤，李宗賢(鄭州工商學(xué)院，河南?鄭州?450000)

　　摘?要：基于樹莓派為核心器件來設(shè)計(jì)的智能交通燈控制器，采用攝像頭來實(shí)時(shí)的捕捉路口的照片，發(fā)送給樹莓派，在樹莓派上運(yùn)行OpenCV視覺庫來處理分析路口車輛的數(shù)目。通過串口發(fā)送給STM32F103C8T6微控制器來設(shè)置紅綠燈亮滅的時(shí)長，最后可以通過屏幕顯示車流量，等待時(shí)間等信息。設(shè)備可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)、操作簡單。

　　關(guān)鍵詞：交通燈；樹莓派；OpenCV

　　0 引言

　　國內(nèi)應(yīng)用和研究城市交通控制系統(tǒng)的工作起步較晚，20世紀(jì)80年代以來，國家一方面進(jìn)行以改善城市市中心交通為核心的 UTSM(urban traffic systemmanage)技術(shù)研究；另一方面采取引進(jìn)與開發(fā)相結(jié)合的方針，建立了一些城市道路交通控制系統(tǒng)。以北京、上海為代表的大城市，交通控制系統(tǒng)主要是簡易單點(diǎn)信號(hào)機(jī)、 SCOOT 系統(tǒng)、 TRANSYT系統(tǒng)和 SCATS 系統(tǒng)其中幾個(gè)結(jié)合使用；而如湘潭、岳陽等國內(nèi)中小城市，交通控制系統(tǒng)主要還是使用國產(chǎn)的簡易單點(diǎn)信號(hào)機(jī)和集中協(xié)調(diào)式信號(hào)機(jī)。 這些信號(hào)系統(tǒng)雖然取得了較好的效果，但我國實(shí)際情況決定了需要對這些系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。另外在一些城市中，有些紅綠燈裝有信號(hào)控制系統(tǒng)，在所有道路資源都充分使用的條件下，紅綠燈的轉(zhuǎn)換頻率只能按時(shí)間分配，不可能讓道路變得更加通暢，不能合理的紅綠燈配時(shí)讓道路的通行率大大降低，同時(shí)會(huì)延長機(jī)動(dòng)車和行人等候通行的時(shí)間，降低了交通通行效率。比如道路東西方向的車輛已經(jīng)通行完畢，但對于南北方向的汽車來說，依然處于紅燈狀態(tài)，不能通行，必須等到綠燈。這段時(shí)間就白白浪費(fèi)掉了，妨礙了人們出行和工作；同時(shí)汽車在等待期間為的尾氣排放，對于城市環(huán)境和市民的健康帶來了巨大的隱患；汽車在等待期間能源浪費(fèi)；因?yàn)閾尩蓝l(fā)交通事故，等等一系列的問題。

　　1 功能概述及結(jié)構(gòu)框圖

　　產(chǎn)品為軟硬件結(jié)合的城市交通路口智能調(diào)節(jié)裝置，模擬了交通路口的環(huán)境情況。整體由樹莓派3B，樹莓派紅外感光夜視攝像頭，STM32F103RCT6最小系統(tǒng)板,等主要模塊構(gòu)成?；跇漭墒褂?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/OpenCV">OpenCV視覺庫實(shí)時(shí)對采集到的路口圖像進(jìn)行處理，識(shí)別路口的車輛狀況，處理后的結(jié)果送下位機(jī)，下位機(jī)在各個(gè)時(shí)間合理的智能調(diào)節(jié)紅綠燈時(shí)間的長短，及時(shí)緩解路口的擁堵的設(shè)備。如圖1所示

　　該交通通路口識(shí)別設(shè)備具備學(xué)習(xí)功能，有一定的數(shù)據(jù)分析功能力?？梢詫?shí)時(shí)對路口的狀況進(jìn)行圖像采集與識(shí)別分析，識(shí)別后的數(shù)據(jù)會(huì)以一定的時(shí)間間隔發(fā)送到樹莓派中。上位機(jī)通過調(diào)用攝像頭實(shí)時(shí)的對路口的車流量進(jìn)行檢測識(shí)別，并且將車輛數(shù)量信息，紅綠燈等待時(shí)間，擁堵情況等顯示在屏幕上。識(shí)別的結(jié)果發(fā)送到人機(jī)交互的下位機(jī)中。下位機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)紅綠燈，合理的規(guī)劃紅綠燈的時(shí)間間隔。從而一定程度緩解交通擁堵情況。

　　通過對晴天，陰天，雨天等，不同的天氣狀況來每一個(gè)小時(shí)采集一張路口沒有車輛的照片作為模板，然后通過樹莓派的視頻流實(shí)時(shí)的采集照片，將采集的照片和與他時(shí)間，天氣狀況相對應(yīng)的模板做對比。然后使用OpenCV視覺庫對實(shí)時(shí)采集到圖片與模板進(jìn)行圖片相減，降噪濾波，圖片的灰度，閾值化，漫水填充，二值化等，最終經(jīng)過一系列的算法對圖像處理，根據(jù)處理得到的車輛長度，大小，顏色等，來判斷出路口車輛的多少。然后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)經(jīng)過一系列的運(yùn)算之后得出合理的紅綠燈時(shí)長，然后通過引腳來控制紅綠燈。

　　2 設(shè)備硬件設(shè)計(jì)及原理圖

　　2.1 整體外部構(gòu)造

　　在樹莓派上運(yùn)行基于Python的OpenCV的視覺庫，用來處理數(shù)據(jù)。樹莓派端接有攝像頭，屏幕，下位機(jī)STM32F103RCT6核心板。攝像頭負(fù)責(zé)十字路口的圖像采集；屏幕負(fù)責(zé)進(jìn)行人機(jī)交互，顯示路口車輛信息與等待時(shí)間；下位機(jī)負(fù)責(zé)控制紅綠燈狀態(tài)。如圖 31所示

　　2.2 樹莓派

　　在主控方面我選擇了樹莓派。樹莓派(RaspberryPi)是只有信用卡大小的微型電腦，其系統(tǒng)基于Linux。當(dāng)然還可以選擇比較容易一些的OpenMV來進(jìn)行圖像處理，不過OpenMV處理能力有限，進(jìn)行數(shù)據(jù)量大或者實(shí)時(shí)性要求高的圖像處理的話就捉襟見肘了。因此設(shè)備的軟件方面就調(diào)用OpenCV視覺庫來處理圖像，需要強(qiáng)大的運(yùn)算速度和內(nèi)存，選用了樹莓派來做為處理器。直接在官網(wǎng)下載鏡像燒錄之后運(yùn)行，系統(tǒng)里邊直接就預(yù)裝了很多編譯軟件，這里是直接使用Python語言來進(jìn)行編譯，此次設(shè)計(jì)中是通過Python腳本語言來調(diào)用OpenCV視覺庫來完成處理，然后在通過控制樹莓派引腳的硬件串口功能將處理得到的數(shù)據(jù)發(fā)給下位機(jī)。

　　2.3 STM32F103RCT6核心板

　　在紅綠燈的控制板選擇上有F4和F1兩個(gè)系列。相比與F4，F(xiàn)1價(jià)格方面優(yōu)惠很多，還有F4雖然功能更加的強(qiáng)大，內(nèi)部資源也更豐富，可是此裝置由F1來控制完全能夠勝任，避免造成資源的浪費(fèi)。因此選擇了STM32F103RCT6，主頻是72 MHz，這個(gè)核心板是64引腳的，并且體積小，可以將它安裝在紅綠燈內(nèi)部進(jìn)行控制。在軟件方面，可以使用標(biāo)準(zhǔn)庫來進(jìn)行編寫代碼，操作簡單。次此設(shè)備主要用到它的定時(shí)器，引腳，串口，中斷等資源。主要是采用核心板來控制紅綠燈的亮滅和數(shù)碼管的倒計(jì)時(shí)，通過串口接收到樹莓派發(fā)來的數(shù)據(jù)之后，在中斷里邊進(jìn)行判斷，確定是有用的信息的話就返回給主函數(shù)，運(yùn)算之后通過引腳輸出來控制紅綠燈的亮滅，和數(shù)碼管顯示時(shí)間。

　　2.4 CSI攝像頭

　　在攝像頭的選擇上有普通的USB攝像頭和CSI攝像頭。但是經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)USB攝像頭像素低，存在電源無法帶動(dòng)的問題，而且夜間拍攝效果差，還有USB攝像頭，占USB帶寬，CPU使用率會(huì)高一些。所以便采用了樹莓派CSI攝像頭，CSI的CPU使用率會(huì)低一些，而且配置起來免驅(qū)動(dòng)，更加方便。同時(shí)具備紅外夜視，紅外燈補(bǔ)光，可調(diào)焦等功能，在各個(gè)時(shí)間段都能夠清晰的獲取路面的圖像。

　　2.5 主要原理圖

　　主要原理圖如圖3。

　　3 設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

　　主要采用數(shù)字圖像處理又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理，它是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行處理的過程。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理的前提是圖像必須以數(shù)字格式存儲(chǔ)， 把以數(shù)字格式存放的圖像稱之為數(shù)字圖像。數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。在日常生活中見到的圖像一般是連續(xù)形式的模擬圖像，所以數(shù)字圖像處理的一個(gè)先決條件就是將連續(xù)圖像離散化，轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。圖像的數(shù)字化包括采樣和量化兩個(gè)過程。

　　3.1 上位機(jī)圖像處理

　　加載原始圖像，獲取圖像的高和寬。進(jìn)行低通濾波處理，進(jìn)行濾波去掉噪聲和清除背景。轉(zhuǎn)換成灰度圖，此時(shí)目標(biāo)圖像周圍有寫不光滑，還有一些噪聲，因此進(jìn)行開閉運(yùn)算，得到比較光滑的目標(biāo)，接著轉(zhuǎn)換成二值圖以便于獲取圖像的輪廓，最后進(jìn)行輪廓提取，抓取到目標(biāo)。再通過對輪廓外形無限逼近，刪除非關(guān)鍵點(diǎn)、得到輪 廓 的 關(guān) 鍵點(diǎn)。最后通過過圖像幾何距是圖像的幾何特征，高階幾何距中心化之后具有特征不變性，產(chǎn)生弧距輸出，用于形狀匹配等操作，這里我們通過計(jì)算一階幾何距得到指定輪廓的中心位。如圖 4所示：

　　3.2 上位機(jī)屏幕顯示數(shù)據(jù)

　　屏幕使用的是7英寸高清屏，是直接使用樹莓派上的HDMI接口來進(jìn)行擴(kuò)展的，數(shù)據(jù)是通過STM32核心板計(jì)算出來的紅綠燈時(shí)間長短通過串口返回給樹莓派的，然后在樹莓派上通過調(diào)用Python的GUI庫來實(shí)時(shí)的在屏幕上顯示不同時(shí)間段的路面車輛狀況，和紅黃綠燈的具體時(shí)間，以便更好地進(jìn)行人機(jī)交互。如圖 4圖 5所示。

　　4 設(shè)備的優(yōu)勢

　　4.1 相比傳統(tǒng)交通燈更高效更安全

　　本裝置加快了汽車通過路口效率，緩解城市交通擁堵問題。裝置通過對城市紅綠燈的有效實(shí)時(shí)調(diào)控，根據(jù)車流量的變化規(guī)律，給出相應(yīng)的紅綠燈最佳控制方案。

　　從而緩解城市交通壓力并在一定程度上解決塞車，堵車問題，同時(shí)還能減少尾氣的排放，使市民出行更加方便，安全，快捷。

　　4.2 安裝成本

　　低傳統(tǒng)的紅綠燈改造成智能交通燈好處很多，但對于智慧紅綠燈的改造大都是“局部”的。因?yàn)槟壳笆苤朴诟脑斐杀?一個(gè)路口的智慧信號(hào)燈改造需要接近100萬元)，要在大城市全面推進(jìn)智慧信號(hào)燈改造，似乎并不現(xiàn)實(shí)。我們的產(chǎn)品使用樹莓派作為主控板，大大降低了開發(fā)成本，并且經(jīng)測試，其也能夠長時(shí)間的穩(wěn)定工作，可靠性高、維護(hù)方便、擴(kuò)展功能也較強(qiáng)。

　　5 結(jié)論

　　在隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)加速應(yīng)用，發(fā)展智能交通也將是極其重要的一環(huán)。如果沒有智能化交通網(wǎng)絡(luò)的支撐，智慧城市建設(shè)也就無法順利展開。因此，智能交通概念走向落地是當(dāng)務(wù)之急。而其中，無論是打造智能交通管理系統(tǒng)，還是著力解決道路擁堵，智能交通燈的設(shè)計(jì)又是其關(guān)鍵所在。因此，該設(shè)計(jì)為智能交通設(shè)備的應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展前景。

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　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第01期第56頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。