圖像檢測技術(shù)【一種車牌圖像獲取技術(shù)的研究】

　　摘要：本文提出了一種合理且實(shí)用的汽車車牌圖象獲取方案，并對(duì)方案中攝像頭和圖象卡的選取、攝像機(jī)的位置標(biāo)定、汽車的車速、出入單位的汽車車隊(duì)之間的距離、天氣情況對(duì)攝像機(jī)所攝圖象曝光量的影響等問題均進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論，能使智能車牌識(shí)別系統(tǒng)在各種復(fù)雜變化的環(huán)境中獲得理想清晰的車牌圖象。
　　關(guān)鍵詞：圖象識(shí)別；車牌定位；攝象頭標(biāo)定；圖象曝光量
　　中圖分類號(hào)：U495　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　
　　智能車牌識(shí)別系統(tǒng)由圖象獲取、圖象識(shí)別、數(shù)據(jù)庫管理等幾部分組成，圖象獲取部分在整個(gè)系統(tǒng)中的地位是很重要的，它是后端處理的前提。獲取圖象質(zhì)量的好壞直接影響到后端處理和識(shí)別的效果，所以本文主要對(duì)圖象的獲取技術(shù)進(jìn)行研究和討論。，
　　要獲得比較清晰的圖象，需要考慮許多影響圖象質(zhì)量的因素，主要包括：攝像頭和圖象卡的選取，攝像機(jī)的位置標(biāo)定，汽車的車速，出入單位的汽車車隊(duì)之間的距離，天氣情況對(duì)攝像機(jī)所攝圖象曝光量的影響等。下面分別介紹各部分的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
　　
　　1　攝像機(jī)和圖象卡的選取
　　
　　絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的視頻都是采用標(biāo)準(zhǔn)的黑白/彩色電視標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)攝像機(jī)的最大分辨率為700電視線。如果為了處理高分辨率圖象，須采用非標(biāo)準(zhǔn)的高分辨率的攝像機(jī)，這無疑提高了系統(tǒng)的成本。所以我們采用標(biāo)準(zhǔn)黑白攝像機(jī)，它的分解力較高，相對(duì)價(jià)格也較低。為了滿足識(shí)別的需要，圖象采集卡灰度精度定為8位，而圖象卡的分辨率則由后端識(shí)別要求的精度來決定。
　　
　　2　攝像機(jī)鏡頭位置的標(biāo)定
　　
　　攝像機(jī)鏡頭的位置標(biāo)定，需依據(jù)后端識(shí)別要求的圖象清晰度、實(shí)際用戶的建筑設(shè)施約束和現(xiàn)行攝像機(jī)、圖象采集卡技術(shù)所能達(dá)到的分辨率等條件來統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。
　　2.1　后端識(shí)別對(duì)清晰度的要求
　　系統(tǒng)后端車牌識(shí)別部分要求分割下來的車牌具有較高的清晰度，這就對(duì)前端攝像頭的拍攝視野提出一定的要求。表1是根據(jù)識(shí)別需要對(duì)汽車的一些基本參數(shù)的統(tǒng)計(jì)。
　　按照識(shí)別的要求，分辨率愈高愈好，用來確定車牌像素點(diǎn)數(shù)的圖片如圖1所示。結(jié)合后端ANN識(shí)別需要的特征向量數(shù)，這里提出兩種假設(shè)：
　�、偃绻�要求16×8像素/字符，則七個(gè)字符的車牌所需像素為16×{[8(字符像素?cái)?shù))+2(間隔像素?cái)?shù))]×7+2(字母與數(shù)字間隔像素?cái)?shù))}=16×72像素。對(duì)應(yīng)的實(shí)際長度為0.40米。
　　②如果要求32×16像素/字符，則清晰度提高一倍。所以需32×144個(gè)像素。
　　設(shè)全景寬Y米，采集卡的分辨率為x(列點(diǎn)數(shù))，那么攝像頭視野與車牌像素點(diǎn)數(shù)目的關(guān)系如圖2所示：
　　從圖2中可見，在兩種假設(shè)情況下，斜率愈小清晰度愈高。如果采用分辨率為768×576的采集卡，則滿足144個(gè)像素需全景寬(即視野寬)至多為2.133米，一般選取2米。
　　
　　2.2　攝像頭視角的選取
　　攝像頭視角與攝像頭視野及其安裝位置的關(guān)系可用圖3來表示。圖中點(diǎn)A是攝像頭的安裝位置，B是攝像頭的視角，點(diǎn)B、c分別是攝像頭視角邊線與車前端的交點(diǎn)，線段AB長為a，線段AC長為b，a是a在地面上的投影，H是攝像頭到地面的高，h是車牌離地面的高度，D是車前端到門的距離，d是攝像頭到路邊的垂直距離，G是攝像頭的視野寬。由余弦定理可得：
　　在式(7)中，B的大小主要與D有關(guān)。D的選取由下面兩個(gè)因素決定：
　�、僭趯�(shí)際建筑設(shè)施中，單位大門與門前公路的垂直距離約為10米，汽車車身約長4～5米，當(dāng)汽車從公路上欲進(jìn)人大門，車前端正對(duì)大門時(shí)，汽車離大門的垂直距離此時(shí)約為5～6米。所以D≤5米。
　�、谕瑫r(shí)考慮到進(jìn)門車的車速大約為3～4米/秒，而系統(tǒng)識(shí)別處理的時(shí)間約為一秒，系統(tǒng)在汽車進(jìn)門前需作出判斷，則系統(tǒng)對(duì)D的要求為D≥3米。
　　若選d：1米、H=2米、h=0.5米，將D≤5米代入式(7)得到攝像頭視角β>23.3°。同時(shí)考慮到車前端與攝像頭之間的距離愈遠(yuǎn)，攝像頭視角愈小，車牌圖象的投影畸變愈�。徊⑶蚁到y(tǒng)有充足的時(shí)間來響應(yīng)，作出判斷。在市場上，視角大于23.3°的攝像頭最小標(biāo)準(zhǔn)是27.3°。因此選擇27.3°的攝像頭，此時(shí)D為3.8米，同時(shí)滿足D≥3米的約束。
　　2.3　攝像頭數(shù)目的確定
　　本系統(tǒng)采用電磁定位傳感器作為觸發(fā)識(shí)別器，給出汽車方位時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)開啟攝像頭，同時(shí)能兼顧在汽車中部或左部的車牌。但是，由于大門前路面較寬，汽車可以從路面不同的位置進(jìn)入大門，為了達(dá)到所需的視野寬度，需要安裝多個(gè)攝像頭，并且為了使汽車車牌始終能完整地落入到某個(gè)攝像頭的視野中，還需要考慮兩攝像頭視野間的重復(fù)覆蓋區(qū)。如圖4所示。設(shè)L為某大門前的路寬，w為攝像頭重復(fù)覆蓋區(qū)寬度，其他參數(shù)設(shè)定與圖3相同。
　　如果設(shè)鏡頭數(shù)為n，從圖中可以得出n與G、W的關(guān)系為：
　　nG－(n－1)×W≥L　8)
　　由圖4和(8)式可知，如用較少的鏡頭，則要有較寬的視野，然而分辨精度達(dá)不到，給后面的識(shí)別增加難度；而用較多的鏡頭，則要求磁感應(yīng)線圈的定位系統(tǒng)較精確，并且硬件投入加大。下面根據(jù)相關(guān)因素進(jìn)行綜合考慮，分析攝像頭設(shè)置數(shù)目的方案。
　　假設(shè)路寬為6m，設(shè)置一米寬的人行道，這時(shí)L=5m，攝像頭視野按前面的要求G=2m，需選用3個(gè)攝像頭，其重復(fù)覆蓋面積w為0，5米。經(jīng)計(jì)算后。結(jié)果為：β=27.3°，即采取27.3°的視角攝像機(jī)三臺(tái)，D=3.8m，設(shè)計(jì)符合要求，如圖4所示。s3為安裝在門中間上的攝像頭，s1、s2分別為安裝在門柱上的攝像頭。s1、s2、s3分別以各自角度樣本為主識(shí)別樣本進(jìn)行識(shí)別，用兩臺(tái)處理系統(tǒng)來做后段并行處理，其優(yōu)點(diǎn)是采樣和識(shí)別精度都比較高。
　　妞果能在路兩邊設(shè)置兩條寬1.25m的人行道，使路寬L=3.5m，則可以在上面方案的基礎(chǔ)上減少一個(gè)攝像頭。雖然對(duì)汽車道寬有所限制，但無須磁感應(yīng)線圈的精確定位，車來時(shí)，兩鏡頭同時(shí)開啟，兩系統(tǒng)并行處理，提高了系統(tǒng)的整體性能同時(shí)提高了后端的識(shí)別率，并且降低了系統(tǒng)硬件費(fèi)用，這種方案顯得更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
　　
　　3　車速的限定
　　
　　當(dāng)汽車進(jìn)入大門識(shí)別范圍之內(nèi)時(shí)，車速需要緩慢和穩(wěn)定，因?yàn)檐囁俚拇笮≈苯佑绊懫�車振�?dòng)的幅度，汽車的振動(dòng)又會(huì)影響圖象質(zhì)量。同時(shí)車速緩慢也提供給識(shí)別系統(tǒng)足夠的時(shí)間判斷和驅(qū)動(dòng)電機(jī)開啟大門。解決方法是在大門前豎立減速牌或增加減速坎。如圖4所示。
　　
　　4　連續(xù)車隊(duì)車距的限定
　　
　　對(duì)連續(xù)車隊(duì)車與車之間需要保持一定的車距，以免前一輛車尾擋住后一輛車頭，車牌無法進(jìn)入攝像頭視角，同時(shí)還可以提供給識(shí)別系統(tǒng)更從容的時(shí)間關(guān)閉大門。解決方法是提供保持車距告示牌。保持的車距大小與車速、車長、識(shí)別間隔時(shí)間、攝像頭的視角有關(guān)。由于除了攝像視角決定后不再改變外，其他參數(shù)對(duì)于各個(gè)汽車都不同，所以決定車距大小比較復(fù)雜，需要通過實(shí)際測量與樣本分析得出結(jié)論。這里給出的經(jīng)驗(yàn)值為一個(gè)車身長。
　　
　　5　汽車到來的檢測
　　
　　通過識(shí)別一輛汽車后，后置識(shí)別系統(tǒng)關(guān)閉。如何再開啟系統(tǒng)，可以通過測距系統(tǒng)來檢測汽車的到來。即某一輛車進(jìn)入一測定距離，則自動(dòng)開啟后置識(shí)別系統(tǒng)。測距系統(tǒng)有光學(xué)被動(dòng)測距，紅外主動(dòng)測距，聲納測距，但都沒有磁感應(yīng)線圈的定位檢測經(jīng)濟(jì)實(shí)用。所以圖4中采用的磁感應(yīng)線圈傳感器。
　　
　　
　　6　攝像頭的曝光量
　　
　　攝像頭采用曝光自動(dòng)測定系統(tǒng)采集曝光量，即采用了自動(dòng)光圈鏡頭。在自動(dòng)光圈鏡頭下，晴天，陰天時(shí)，能獲得較好的圖象質(zhì)量。而在下雪、雨、霜后，這時(shí)需注意攝像頭的加熱以及利用雨刷、風(fēng)扇，以達(dá)到除霜、刷雨珠、通風(fēng)等目的。雨刷的擺動(dòng)一般在機(jī)器不工作時(shí)或工作之前進(jìn)行，用加裝在攝像頭外的防護(hù)罩實(shí)現(xiàn)上述功能。另外，下雪后的曝光量要比測定的平均曝光量高出1－2EV，此時(shí)最好采用中心重點(diǎn)測定曝光量。
　　對(duì)于光照條件較暗的情況下(如夜晚)，需提供人工照明，此時(shí)加在攝像頭前的偏振片的起偏方向須與車燈前起偏器方向相反，這樣可以濾掉車燈正面強(qiáng)光的干擾。在太陽光直射的情況下，因?yàn)橹苯臃瓷涮�陽光的鏡面反射光部分大都為偏振光，使用偏振片可以濾掉這部分光。從而減少強(qiáng)光的干擾，提高圖象的清晰度。
　　
　　7　結(jié)語
　　
　　由以上分析可見，系統(tǒng)要獲取清晰的圖象，首先在于最前端的攝像頭和采集卡的分解力的大小，其次是鏡頭的位置、汽車的車速以及攝像頭的曝光量，只要我們綜合考慮這些因素，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，就可以為后端處理與識(shí)別提供清晰的圖象，同時(shí)還可以降低系統(tǒng)的成本。由于現(xiàn)有的長距離實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是模擬視頻信號(hào)的傳輸，難以選用非標(biāo)準(zhǔn)的高清晰度數(shù)字圖象傳感器和圖象采集卡。但隨著新的數(shù)字圖象傳輸標(biāo)準(zhǔn)的制定及其技術(shù)的不斷成熟和完善，以及相應(yīng)設(shè)備成本的不斷降低，高清晰度的數(shù)字圖象獲取技術(shù)設(shè)備將會(huì)應(yīng)用到這個(gè)領(lǐng)域。
　　
　　(本文責(zé)任編輯　黃鋼)

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