一种高速公路隧道入口白天安全性提示装置及提示方法与流程

本发明属于隧道入口预警技术领域，特别涉及一种高速公路隧道入口白天安全性提示装置及提示方法。

背景技术：
当车辆在白天驶近高速公路隧道时，由于隧道内外的光线强度差异大，导致驾驶员从隧道外面无法看清楚隧道入口处的情况下，只能看到黑乎乎的一片。当车辆进入隧道之后，驾驶员经过暗适应的过程后才能够正常的对隧道内的情况进行感知。驾驶员在白天时由于光线问题而看不清隧道入口处的情况，如果隧道里面靠近隧道入口处存在着静止的车辆，例如发生故障或者事故的车辆，此时隧道外的车辆如果依然保持高速进入隧道，将导致严重碰撞事故的发生。

技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种高速公路隧道入口白天安全性提示装置及提示方法。该高速公路隧道入口白天安全性提示装置成本低，适合规模化推广，并具有智能化、自动化和可靠性高的优点。为实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案予以实现。技术方案一：一种高速公路隧道入口白天安全性提示装置，包括：依次电连接的摄像头、单片机和显示屏；其中，所述显示屏安装在进入隧道车道右侧路肩上，并且其安装方向朝向进入隧道的车道；所述摄像头固定安装在隧道入口处的隧道右侧洞壁上，并且摄像头在路面上的投影点位于进入隧道的车道中央。上述技术方案的进一步特点和改进在于：所述单片机安装在隧道入口处的隧道右侧洞壁上。所述显示屏距离隧道入口的距离为20m至70m。所述单片机通过I/O接口电连接显示屏，通过USB接口电连接摄像头。所述显示屏的高度为2m，并与车道方向呈75度。所述单片机的高度为4m。所述显示屏为LED显示屏或液晶显示屏。技术方案二：一种高速公路隧道入口白天安全性提示方法，基于权利要求1所述的一种高速公路隧道入口白天安全性提示装置，包括以下步骤：S1：以摄像头在隧道路面上的投影点为起点，在隧道内的隧道路面上作距离标记，并在多个距离标记处树立对应的多个标杆，控制摄像头采集这些标杆的图像；在采集到的图像中，识别出每个标杆在图像中的位置；设标杆在图像中的位置为x，摄像头在隧道路面上的投影点到标杆的实际距离为y，根据x与y的对应关系，即可得出摄像头在隧道路面上的投影点到标杆的实际距离的计算公式y＝f(x)。S2：摄像头采集隧道入口内200米范围的隧道车道图像，并将采集到的图像传输至单片机。S3：单片机对采集到的图像进行隧道车辆轮廓提取，所述对采集到的图像进行隧道车辆轮廓提取的过程如下：首先设定一个灰度阈值，对于一帧图像中的每个像素点，如果该像素点的灰度值大于或等于灰度阈值，则将该像素点的灰度值改为0，反之如果该像素点的灰度值小于灰度阈值，则将该像素点的灰度值改为1；这帧图像中灰度值为0的像素点所组成的形状即为进入隧道车辆的后视轮廓。S4：将进入隧道车辆的后视轮廓下边缘的中点提取为特征点。S5：进入隧道的车辆特征点在图像中的位置为x1，将x1代入步骤S1中的计算公式y＝f(x)，得到摄像头2在隧道路面上投影点到进入隧道的车辆之间的实际距离y1，y1＝f(x1)。进入隧道的车辆特征点在图像中的位置指进入隧道的车辆特征点在图像中的直线坐标位置。S6：对单片机接收到的下一帧图像，执行步骤S3至步骤S5，得到摄像头2在隧道路面上投影点到进入隧道的车辆之间的实际距离y2，y2＝f(x2)，x2为进入隧道的车辆特征点在这一帧图像中的位置；则进入隧道车辆的纵向相对速度V＝(y2-y1)/t，t为计算得出y2的时间与计算得出y1的时间的差值；进入隧道的车辆特征点在这一帧图像中的位置指入隧道的车辆特征点在这一帧图像中的直线坐标位置。S7：在单片机中，判断进入隧道车辆的纵向相对速度V是否低于速度阈值，如果低于该速度阈值，则单片机控制显示屏显示提示信息。上述技术方案的进一步特点和改进在于：在执行步骤S3之前，单片机对采集到的每帧图像进行滤波，所述单片机对采集到的每帧图像进行滤波的过程如下：对于一帧图像中的每个像素点，计算该像素点周围3×3范围内像素点灰度值的平均值，用该平均值作为该像素点的灰度值。在步骤S7中，所述速度阈值为10km/h。本发明的有益效果为：该高速公路隧道入口白天安全性提示装置成本低，适合规模化推广，并具有智能化、自动化和可靠性高的优点。附图说明图1为本发明的高速公路隧道入口白天安全性提示装置的安装示意图；图2为本发明的高速公路隧道入口白天安全性提示装置的电气连接图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明：当车辆在白天驶近高速公路隧道时，由于隧道内外的光线强度差异大，从而导致驾驶员从隧道外面无法看清楚隧道入口处的情况下，只能看到黑乎乎的一片。当车辆进入隧道之后，驾驶员经过暗适应的过程后才能够正常的对隧道内的情况进行感知。驾驶员在白天时由于光线问题而看不清隧道入口处的情况，如果隧道里面靠近隧道入口处存在着静止的车辆，例如发生故障或者事故的车辆，此时隧道外的车辆如果依然保持高速进入隧道，将导致严重碰撞事故的发生。白天情况下，如果车辆由于故障或者事故停在了隧道入口处，此时，如果能够自动识别出来这一情况，并实时地在隧道入口处外面对其他车辆驾驶员进行提示，则可以有效避免事故的发生。为了达到上述目的，本发明实施例提出了一种高速公路隧道入口白天安全性提示装置。如图1和图2所示，该高速公路隧道入口白天安全性提示装置包括：依次电连接的摄像头2、单片机1和显示屏3；其中，单片机1安装在隧道入口处的隧道右侧洞壁上，显示屏3安装在进入隧道车道右侧路肩上，并且其安装方向朝向进入隧道的车道；摄像头2固定安装在隧道入口处的隧道右侧洞壁上，并且摄像头2在路面上的投影点位于进入隧道的车道中央。单片机1用于接收摄像头2采集到的隧道入口内200米范围的隧道车道图像，用于根据接收到的图像计算进入隧道车辆的纵向相对速度，用于在进入隧道车辆的纵向相对速度小于设定的速度阈值时，控制显示屏3显示提示信息。在该发明实施例中，如图1所示，摄像头2、单片机1和显示屏3的安装过程如下：首先安装摄像头2，此时只需要安装一个摄像头，将摄像头2安装在隧道入口处进入隧道车道中央顶端(摄像头2固定安装在隧道入口处的隧道右侧洞壁上，并且摄像头2在路面上的投影点位于进入隧道的车道中央)。摄像头2可以采用螺栓紧固、粘贴或其他方式固定在隧道顶端，优选地，摄像头2采用紧定螺钉固定安装在隧道入口处隧道顶端。摄像头2的镜头略微朝下，这样便于采集隧道内的车道图像。在摄像头2安装完成之后，再安装单片机1；与摄像头2的安装方式类似，单片机1也可以采用多种方式固定在隧道右侧洞壁上，优选地，将单片机1封装在金属盒中，此时，单片机1可以通过导线与外界进行信号传输；由于隧道洞口空间较大，单片机1体积较小，单片机1的安装较为简单，从安全和维护方便的角度考虑，将单片机1安装在隧道入口处的隧道右侧洞壁上，将单片机1的高度设为4.0米。此时，使用USB连接线将摄像头2与单片机1的USB接口连接。在单片机1安装完成后，再安装显示屏3；由于显示屏3的主要目的是向隧道外的车辆提供预警信息，因此，在优选的情况下，可以将显示屏3通过支架固定安装离隧道入口50米处的进入隧道车道的右侧路肩上，显示屏3高度设置为2.0米，显示屏3朝向进入隧道的车道(显示屏3的朝向与车道方向呈75度)，在考虑显示屏3的安装地点时，还要避免路侧的植被或者其他物体遮挡驾驶员视线。显示屏3安装完成后，将单片机1通过I/O接口电连接显示屏3。在以上摄像头2、单片机1和显示屏3的安装过程中，摄像头2、单片机1和显示屏3均可以各自采用多种类型的产品，例如，摄像头2采用中星YJS-01USB2.0摄像头，其有效像素为600万；单片机1为飞思卡尔系列单片机，具体型号为S128；显示屏3为亮牌P10室外单红显示屏。本发明实施例的基本原理是通过使用固定安装在隧道入口处的隧道顶端的摄像头2来采集隧道车道图像，然后将采集到的隧道车道图像传至单片机1。单片机1利用图像处理程序，通过图像识别得到进入隧道的车辆在隧道车道图像中的准确位置，由于摄像头2固定安装在隧道顶端，因此，通过图像识别可以得到不同时刻的进入隧道的车辆在图像中的位置，经过几何计算就能够得到进入隧道车辆相对于摄像头2在隧道路面上水平投影点之间的纵向相对速度，如果在设定范围内存在静止或低速行驶的车辆，则通过隧道外面的显示屏3对即将进入隧道的车辆进行提示，促使其降低车速或者停车避让，防止碰撞事故的发生。在本发明实施例中，根据统计数据可知：当车辆从隧道外驶入隧道内时，由于暗适应的作用，进入隧道入口200米以后驾驶员基本能看清前方车辆，因此在该发明实施例中，单片机1根据位于隧道入口内200米范围的隧道车道图像计算车辆速度。在本发明实施例中，由于进入隧道车辆的车速普遍比较高，因此，摄像头2的采样频率和单片机1的处理速率必须满足高速公路隧道避免二次事故报警装置快速性的要求。本实施例中采用摄像头2的采集频率为25Hz，即摄像头2每秒对隧道入口200米范围的车道采集25帧图片。将单片机1对图像的处理速率设定为10Hz，即每秒能进行10次隧道口通畅安全性评估，符合高速公路隧道避免二次事故报警装置报警判断速率要求。由于摄像头2的采样频率高于单片机1的处理频率，因此系统能正常工作，不会出现图像滞后的现象。下面说明本发明实施例具体的工作过程：1)摄像头标定具体地说，以摄像头2在隧道路面上的投影点为起点向后方(即朝向隧道内部的方向)作距离标记，并在多个距离标记处分别作出对应的多个地面标识，然后在这些地面标识出树立对应的多个标杆(在正向行驶方向进入隧道200米范围内的隧道车道中央树立标杆)，控制摄像头2采集这些标杆的图像；为了避免图像采集时多个标杆图像产生影响，可以依次进行多个标杆的树立和图像采集(即在进行完一个标杆的树立和图像采集后，在进行另一个标杆的树立和图像采集)。然后对采集到的多个标杆图像作分析处理，识别出每个标杆在图像中的位置。由于每个标杆到摄像头2在隧道路面上的投影点的距离均为已知(根据前文的距离标记得出该距离)，设标杆在在图像中的位置为x，标杆到摄像头2在隧道路面上的投影点的实际距离为y，标杆在在图像中的位置也就是标杆在在图像中的直线坐标位置，此时即可得出标杆到摄像头2在隧道路面上的投影点的实际距离的计算公式y＝f(x)。2)图像采集与传输摄像头2采集到车道图像后，单片机1接收到摄像头2传来的实时车道图像，在正常情况下，摄像头2连续工作，并采集隧道入口内200米范围的隧道车道图像。3)在单片机1中进行图像预处理：去除隧道车道图像中的无用点及干扰点。图像预处理的目的是去除摄像头2所采集隧道车道图像中的干扰信息。具体地说，为了保证本高速公路隧道入口白天安全性提示装置工作的可靠性，需对摄像头2采集到的隧道车道图像进行滤波处理，以排除干扰，在图像处理过程中首先对道路图像进行滤波，优选地，采用中值滤波算法进行滤波。对于图像中的某一个像素点，计算该像素点周围3×3范围内像素点灰度值的平均值，用该平均值作为该像素点的灰度值。通过使用3×3的中值滤波算法能基本消除摄像头2所采集图像中所存在的干扰信息。4)在单片机1中进行隧道车辆轮廓提取：具体地说，对经过图像预处理的道路图像进行灰度明暗对比处理，提取隧道车道图像中车辆的后视形状。由于摄像头2安装在隧道入口，因此在所采集到的隧道车道图像中车辆的形状为后视形状。在此处的图像处理程序中采用灰度明暗对比方法对图像进行轮廓提取，具体过程如下：首先设定一个灰度阈值，对于图像中的某一个像素点，如果该像素点的灰度值大于或等于灰度阈值，则认为该像素点属于进入隧道的车辆轮廓范围，将该像素点的灰度值改为0，反之如果该像素点的灰度值小于灰度阈值，则认为该像素点不属于进入隧道的车辆轮廓范围，此时将该像素点的灰度值改为1。对一帧图像的所有像素点按照此方法进行处理之后(使用单片机1进行运算)，那么这帧图像中灰度值为0的像素点所组成的形状即为进入隧道车辆的形状，此时，进入隧道车辆的轮廓就提取完成了。5)在单片机1中提取进入隧道车辆的特征点：具体地说，在提取进入隧道车辆的轮廓后，得到进入隧道的车辆(在道路图像中)的后视轮廓。由于进入隧道的车辆的后视轮廓具有完整性，所以提取得到的进入隧道的车辆轮廓应该为一封闭的近似矩形形状，其中矩形的下边缘实际代表了进入隧道的车辆的后端。在图像处理程序中将车辆后视轮廓中下边缘的中点提取为特征点，具体的提取过程是：对提取进入隧道的车辆轮廓的结果进行分析，按照类似封闭矩形的识别规则识别出隧道车道图像中的进入隧道车辆，然后从类似矩形的封闭图像中选取下边缘的中点，得到下边缘中点在图像中的位置。6)在单片机1中进行进入隧道车辆的纵向相对速度计算：具体地说，得到进入隧道车辆特征点在隧道车道图像中的位置(也就是进入隧道车辆特征点在隧道车道图像中的直线坐标位置)之后，通过计算得出摄像头2在隧道路面上投影点和进入隧道的车辆的实际距离；在进行连续两次换算后，得到对应的纵向相对距离，再通过实时计算得到进入隧道的车辆的纵向相对速度。得到进入隧道的车辆特征点在隧道车道图像中的位置之后，利用第二步中标杆到摄像头2在隧道路面上的投影点的实际距离的计算公式y＝f(x)，即可计算出进入隧道的车辆与摄像头2在隧道路面上投影点之间的实际距离；其具体过程如下：通过单片机对进入隧道的车辆特征点在隧道车道图像中的位置进行识别，设进入隧道的车辆特征点在隧道车道图像中的位置(进为入隧道的车辆特征点在隧道车道图像中的直线坐标位置)x1，将x1代入计算公式y＝f(x)中，即可得到进入隧道的车辆特征点到摄像头2在隧道路面上投影点之间的实际距离y1(y1＝f(x1))，也就是得出了车辆后端到摄像头2在隧道路面上投影点之间的实际距离。对单片机连续接收到的两帧图像通过以上两次计算(通过计算公式y＝f(x))，得到对应的两个实际距离值，用后一次计算处理得到的实际距离值减去前一次计算得到的实际距离值，得出两次计算之间的纵向距离差，用纵向距离差除以两次计算之间的时间，从而获得进入隧道车辆的纵向相对速度。由于摄像头2固定，纵向相对速度实际上为进入隧道车辆的纵向速度，当纵向相对速度逐渐减小时，表明进入隧道的车辆正在减速或停车，该车辆对后面将要进入隧道的车辆来说是潜在的危险。从而可以根据判断进入隧道车辆的速度来进行后车进入隧道安全性评估。例如在车辆进入隧道后由于某种原因逐渐减速至停止后，后车进入隧道时不安全的，需要对将要进入隧道的驾驶员进行提示。7)安全性评估和提示信息发送：具体地说，单片机1不断地按照第六步进行进入隧道车辆的纵向相对速度计算，从而可以得到实时的进入隧道车辆的纵向相对速度；此时判断进入隧道车辆的纵向相对速度是否低于速度阈值，如果低于该速度阈值，则认为进入隧道的车辆对后面将要进入隧道的车辆造成威胁，此时，就可以通过显示屏3发送提示信息。例如，如果进入隧道车辆的纵向相对速度低于10km/h，则通过显示屏3提醒将要进入隧道的车辆驾驶员减速或者避免进入隧道。此时，还可以根据进入隧道车辆的纵向相对速度进行安全性评估，评估过程如下：得到进入隧道车辆的纵向相对速度之后，进行后车进入隧道安全性评估，评估结果分为两种情况：安全和不安全。如果评估结果为安全，则单片机1将控制显示屏3，使显示屏3不显示任何信息；如果评估结果为不安全，则单片机1将控制显示屏3显示危险信息，提示驾驶员此时不适合进入隧道或者减速进入隧道。具体的评估流程如下：设定参数S，S为摄像头2采集隧道车道图像的距离范围，单位为米，S的大小为200米。设定参数V，V为进入隧道车辆的纵向相对速度，单位为m/s，参数V的变化规律及在S范围内的变化结果作为判断后车进入隧道安全性的依据，当车辆进入隧道后由于某种原因减速至停车，其纵向速度会逐渐减小为零，当进入隧道车辆的纵向相对速度减小至为零时，单片机1控制显示屏3向进入隧道的车辆驾驶员提出危险警告信息。本发明的主要部件采用摄像头2和单片机1，成本低，设计简单，高效可靠，而且安装方便。并具有智能化高、实时性强的优点。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。