李佳悅

【摘 要】作為車牌識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，車牌傾斜直接導(dǎo)致車牌識(shí)別準(zhǔn)確率降低。本文主要基于FPGA實(shí)現(xiàn)車牌傾斜校正算法，完成如下功能：采用Hough變換計(jì)算傾斜角度，采用CO RDIC（坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算）算法計(jì)算三角函數(shù)值；采用雙線性插值實(shí)現(xiàn)重采樣。

【關(guān)鍵詞】?jī)A斜校正；FPGA；Hough變換；CO RDIC

引言

隨著我國(guó)科學(xué)和技術(shù)的日益發(fā)展，世界范圍內(nèi)汽車數(shù)量的增長(zhǎng)，城市智能化交通系統(tǒng)（ITS， Intelligent Traffic System）[1]受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注并且成為了一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。車牌識(shí)別（LPR， License Plate Recognition）作為重要技術(shù)已經(jīng)成為系統(tǒng)關(guān)鍵部分的組成。采集到的車牌圖像在一定程度上存在著角度的傾斜，若傾斜角度偏大，則會(huì)干擾到了字符識(shí)別的準(zhǔn)確性，對(duì)字符進(jìn)行分割和識(shí)別等工作帶來(lái)相當(dāng)大的困擾。所以說(shuō)車牌傾斜校正在車牌識(shí)別系統(tǒng)中起到了重中之重的地位?；贔PGA在硬件層面對(duì)車牌圖像進(jìn)行傾斜校正，根據(jù)傾斜校正算法的特點(diǎn)要求的是實(shí)時(shí)性和并行性，因此FPGA能很好的達(dá)到系統(tǒng)要求，無(wú)論是在速度、穩(wěn)健性、存儲(chǔ)容量、復(fù)雜環(huán)境等方面都可以有可觀的改善。并且基于FPGA的車牌圖像傾斜校正系統(tǒng)可以廣泛的應(yīng)用在車牌圖像處理和識(shí)別系統(tǒng)當(dāng)中。

系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)

如圖1所示為系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖，車牌圖像經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換模塊ADV7180轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)，將數(shù)字圖像輸入到圖片輸入FIFO，再進(jìn)入到Hough變換模塊，同時(shí)由CORDIC算法得到的正余弦函數(shù)值存入片內(nèi)ROM后，將函數(shù)值送到Hough變換模塊進(jìn)行傾斜角度的測(cè)量，將角度存入片內(nèi)RAM中，進(jìn)入圖像旋轉(zhuǎn)模塊進(jìn)行圖像旋轉(zhuǎn)，再對(duì)旋轉(zhuǎn)后的圖像進(jìn)行雙線性插值，將經(jīng)過(guò)傾斜校正的車牌圖像存入FIFO通過(guò)顯示控制器到D/A轉(zhuǎn)換模塊ADV7123，最后通過(guò)VGA顯示出傾斜校正后的車牌圖像。

車牌傾斜校正的軟件實(shí)現(xiàn)

對(duì)于車牌傾斜校正算法，要確定車牌的傾斜角，之后對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，采用Hough變換測(cè)得直線，從而得到傾斜角，在Hough變換的過(guò)程中通過(guò)CORDIC算法來(lái)實(shí)現(xiàn)正余弦三角函數(shù)值的確定，通過(guò)基于CORDIC算法的Hough變換實(shí)現(xiàn)得到傾斜角度，最后對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)和插值，最終達(dá)到傾斜校正的目的。

對(duì)于車牌傾斜校正算法的基本原理，Hough變換，CORDIC算法以及圖像旋轉(zhuǎn)原理和插值方法這些傳統(tǒng)的方法，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究后得出新的優(yōu)化算法。首先，傾斜校正算法由兩部分來(lái)完成，一個(gè)是通過(guò)Hough變換來(lái)求得車牌圖像的傾斜角度，第二部分是通過(guò)得到的傾斜角度，對(duì)車牌圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)為了產(chǎn)生“空洞現(xiàn)象”再進(jìn)行插值方法，最終得到結(jié)果圖像，以達(dá)到傾斜校正的目的。不論是Hough變換，還是旋轉(zhuǎn)變換，都需要大量的三角函數(shù)計(jì)算，在FPGA硬件實(shí)現(xiàn)中，通常都是使用三角函數(shù)查找表來(lái)完成，在這里，將用到的是基于CODRIC算法來(lái)得到三角函數(shù)值，并存在FPGA內(nèi)部的ROM中，來(lái)配合Hough變換的進(jìn)行。

采用CORDIC迭代算法的流水線結(jié)構(gòu)[2]，每一級(jí)CORDIC迭代運(yùn)算都采用獨(dú)立的一組運(yùn)算單元，流水線被填滿后，每個(gè)時(shí)鐘周期都會(huì)計(jì)算得到一組數(shù)據(jù)，它的快速處理確保了數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速處理的前提，每一級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)都迭代一次，移位的位數(shù)與當(dāng)前的迭代級(jí)數(shù)相等，選擇加減法的依據(jù)由該級(jí)中Z的最高符號(hào)位來(lái)決定，從而得到下一級(jí)運(yùn)算中的x、y、z值。經(jīng)過(guò)流水線運(yùn)算N級(jí)后，z等于0，x為初始值z(mì)0的余弦值，y為初始值z(mì)0的正弦值。每一級(jí)運(yùn)算單元的結(jié)構(gòu)主要由3個(gè)加（減）法器和2個(gè)移位器組成，級(jí)與級(jí)之間不需要其他的寄存器，直接相連。唯有值為arctan（2- i），可將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)后，在存儲(chǔ)單元內(nèi)提供查找表給每一級(jí)流水線。

對(duì)于FPGA實(shí)現(xiàn)Hough變換主要分為對(duì)ρ值的計(jì)算和Hough變換空間點(diǎn)坐標(biāo)值累加兩部分。對(duì)于平面空間中的直線上的所有點(diǎn)，在參數(shù)空間中的正弦曲線都將交于一點(diǎn)，因此，對(duì)值進(jìn)行計(jì)算，并且逐次加1，完成累加后，設(shè)定閾值，因此，在閾值上的點(diǎn)就是參數(shù)空間中相交的這個(gè)點(diǎn)，在平面空間中對(duì)應(yīng)的就是要檢測(cè)得到的直線，最后獲得傾斜角度。ρ值的計(jì)算過(guò)程，用乘法模塊計(jì)算α從CODRIC算法模塊中sinα和cosα得出的值和空間坐標(biāo)的x與y相乘的值，最后通過(guò)加法模塊的運(yùn)算得出ρ的值[3]。

乘法模塊的作用是完成傾斜校正算法中Hough變換和旋轉(zhuǎn)算法中圖像坐標(biāo)變換所需要的乘法運(yùn)算。在Hough變換中x，y是8bit，在圖像旋轉(zhuǎn)中，正余弦三角函數(shù)值是16bit，由此，本系統(tǒng)中，構(gòu)造乘法模塊的規(guī)格是8bit×16bit，這樣才能進(jìn)行乘法運(yùn)算，在乘法模塊的輸入端是8bit和16bit的變量，輸出端為24bit的數(shù)據(jù)。

符號(hào)運(yùn)算模塊的作用是完成傾斜校正算法中符號(hào)數(shù)的處理和運(yùn)算操作。這里主要是針對(duì)算法中的正余弦函數(shù)值以及在圖像旋轉(zhuǎn)算法中的減法運(yùn)算結(jié)果可能為正也可能為負(fù)。對(duì)于sin和cos可以通過(guò)對(duì)sin_sign和cos_sign賦值來(lái)表示，0正，1負(fù)。在圖像旋轉(zhuǎn)中，x，y則用x_sign和y_sign賦值表示，0正，l負(fù)[4]。通過(guò)對(duì)符號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算得到疊加運(yùn)算中的所有符號(hào)，最后得到運(yùn)算結(jié)果。

仿真結(jié)果

采用ModelSim仿真工具進(jìn)行仿真，下圖為對(duì)系統(tǒng)整體仿真的波形圖，并且對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行了分析。

角度的精確值與系統(tǒng)中處理過(guò)后的三角函數(shù)值，精度基本為10- 5，所得誤差在接受范圍內(nèi)。從仿真圖可以看到，該系統(tǒng)能完成對(duì)傾斜車牌圖像的校正，對(duì)于圖像的效果需要接下來(lái)的車牌識(shí)別的步驟得以完善，最終呈現(xiàn)出一副端正清晰地車牌圖像。

參考文獻(xiàn)：

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