賈彥竹，王志勇①（淮北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000）

基于智能車牌識(shí)別技術(shù)的公路收費(fèi)系統(tǒng)

賈彥竹，王志勇
①
（淮北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000）

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，公路通車?yán)锍倘找嬖黾?，出入口車輛的通行效率和收費(fèi)管理工作成為急需解決的問(wèn)題.為建立無(wú)人值守電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)，文章將圖像處理技術(shù)結(jié)合嵌入式技術(shù)應(yīng)用于高速公路收費(fèi)系統(tǒng)，給出車輛信息的采集與車牌識(shí)別方法以及嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，對(duì)提高通行效率和收費(fèi)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度及智能化管理具有現(xiàn)實(shí)意義.

圖像處理；車牌識(shí)別；嵌入式系統(tǒng)；DSP；灰度提取

0　引言

目前，國(guó)內(nèi)高速公路的建設(shè)以及后期維護(hù)期間所需要的費(fèi)用均是利用通行費(fèi)的方式進(jìn)行回收，因此高速公路管理系統(tǒng)的核心組成離不開(kāi)收費(fèi)系統(tǒng).人工收費(fèi)工作效率低下，逃費(fèi)、漏費(fèi)現(xiàn)象普遍存在，運(yùn)營(yíng)成本較高，而且需要停車交費(fèi)，導(dǎo)致收費(fèi)站成為車流輛高峰時(shí)期的交通“瓶頸”［1］.隨著科技進(jìn)步與互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，部分省市采用了跨區(qū)域聯(lián)網(wǎng)人工半自動(dòng)收費(fèi)和電子不停車收費(fèi)（ETC）等技術(shù)，但部分車輛利用“倒卡”和“換卡”等手段少繳費(fèi)用，給國(guó)家財(cái)政造成了一定程度的損失.

為此，在動(dòng)態(tài)視頻捕捉與靜態(tài)圖像采集基礎(chǔ)上，本文提出基于嵌入式高速公路收費(fèi)系統(tǒng)，既可以較大程度降低高速公路收費(fèi)成本，又提高了準(zhǔn)確收費(fèi)的成功率.該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)輸入信息的處理，能夠?qū)囆?、車牌?hào)碼自動(dòng)快速判別與辨認(rèn)，進(jìn)而獲取車輛相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行綜合處理，確定通行費(fèi)，以此做到對(duì)收費(fèi)站的智能監(jiān)控以及統(tǒng)一管理.

1　系統(tǒng)工作原理和硬件組成

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理：收費(fèi)站入口處，在嵌入式控制板的命令下，由CCD圖像傳感器拍攝到包含車輛牌照的三視圖，CCD傳輸出來(lái)數(shù)字圖像信息至DSP芯片，由識(shí)別軟件進(jìn)行牌照區(qū)域的搜索、檢測(cè)、定位，分割出含有牌照的區(qū)域，得到單個(gè)字符區(qū)域，最終采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法識(shí)別出車輛牌號(hào)；同時(shí)由DSP根據(jù)三視圖識(shí)別出車輛的車型信息；再經(jīng)嵌入式系統(tǒng)顯示、存儲(chǔ)和傳輸至上位機(jī)；出口處識(shí)別過(guò)程同上，由上位機(jī)進(jìn)行信息的匹配、檢索，計(jì)算出車輛行駛里程、通行費(fèi)，再將相關(guān)信息顯示在出口處的LED屏上.通行費(fèi)用常采用預(yù)付方式，如金融IC卡、信用卡等.

在車輛圖像采集處需要設(shè)置緩行通道，以避免惡意車輛加速?zèng)_卡、夜間車輛大燈等因素對(duì)圖像的干擾.系統(tǒng)主要包含4部分：主控、圖像數(shù)據(jù)收集、圖像數(shù)據(jù)分析以及主機(jī)服務(wù)器，如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1主控部分

微處理器采用由Sumsung公司推出的S3C2410ARM9芯片，內(nèi)核ARM920T；同時(shí)將一片F(xiàn)lash型FlashMemory確定成程序保存設(shè)備，容量64 MB，可以對(duì)系統(tǒng)內(nèi)核與文件系統(tǒng)進(jìn)行保存；選取12 M晶振；另外擴(kuò)展了相應(yīng)的外圍電路，完成對(duì)圖像信息的采集控制、信息顯示、以太網(wǎng)及RS485通信協(xié)議轉(zhuǎn)換等工作.

當(dāng)紅外傳感器感知有車輛通過(guò)時(shí)，主控部分便發(fā)出圖像采集信號(hào)，3個(gè)位置的CCD傳感器分別采集車輛圖像；采集完畢后，在同步信號(hào)的作用下，圖像信號(hào)傳輸給DSP進(jìn)行處理；處理后的信息，由RS485總線將車輛信息傳輸給主控板；板上集成的RJ45接口與PC機(jī)組網(wǎng)相連，負(fù)責(zé)把車輛信息上傳至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行辨認(rèn)與識(shí)別，將處理后的車輛信息送LED顯示屏顯示.

目前，電子圖像收費(fèi)系統(tǒng)一般使用集成DSP芯片的PCI卡，數(shù)據(jù)交換通道單一，成本較高.本系統(tǒng)在ARM9上移植Linux操作系統(tǒng)，可支持以太網(wǎng)協(xié)議，可直接組網(wǎng)與PC機(jī)相連，而且一個(gè)控制板可進(jìn)行多個(gè)車道的圖像采集和信息傳輸工作，大大降低了成本；控制板與各DSP處理器采用RS485協(xié)議進(jìn)行通信.主控系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示.

圖2　主控系統(tǒng)硬件框圖

1.2圖像采集部分

圖像采集部分使用了由高感光度類半導(dǎo)體材料生產(chǎn)而成的傳感器，它屬于電荷藕合器件圖像CCD傳感器，可以將光線轉(zhuǎn)換為電荷，能夠運(yùn)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)規(guī)格、位移、自主調(diào)焦等多個(gè)領(lǐng)域，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片得到數(shù)字信號(hào).CCD傳感器具有高清晰度、高分辨率，感光時(shí)間快的特點(diǎn)，可滿足車輛緩行的動(dòng)態(tài)攝像要求，為保證圖像識(shí)別的準(zhǔn)確性，可設(shè)置兩次以上攝像.

1.3圖像處理部分

車輛圖像處理包括車型的確定和車牌識(shí)別兩個(gè)部分.圖像處理技術(shù)近年來(lái)得到飛速的發(fā)展，硬件以TI公司的DSP處理器為主.本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的TMS320C6201芯片，地址總線為32位，尋址范圍為4 GB，是一款高速定點(diǎn)數(shù)字處理芯片，具有高度靈活性、易接入、允許數(shù)據(jù)在CPU操作后臺(tái)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn).圖像處理部分硬件框圖如圖3所示［2］.

圖3　圖像處理硬件結(jié)構(gòu)圖

在感知有車經(jīng)過(guò)后，接到控制板命令即接收CCD采集的圖像信息，根據(jù)三視平面圖像計(jì)算出車體的長(zhǎng)寬高信息；由識(shí)別軟件得到車牌號(hào)碼；轉(zhuǎn)換完畢即向主控板發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，通過(guò)RS485總線將車輛信息傳送至主控部分.另外為打擊各種違規(guī)行為，同時(shí)會(huì)將車輛正視圖發(fā)送至控制板，并上傳至PC服務(wù)器.各車道的DSP不參與采集過(guò)程，只用于圖像處理.單一任務(wù)處理使DSP具有很高的迅捷性與實(shí)時(shí)性，提高了圖像識(shí)別的效率.

1.4PC服務(wù)器

PC服務(wù)器主要完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理與查詢、通信、顯示等，由界面管理單元和數(shù)據(jù)庫(kù)管理單元組成.通過(guò)以太網(wǎng)卡與嵌入式主控板或其他掛接PC服務(wù)器相連.界面管理單元包括實(shí)時(shí)信息顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢，采用VC++軟件編程.可多窗口實(shí)時(shí)顯示過(guò)往車輛的入口名稱、車型、車牌號(hào)碼和車輛的正視圖像，并在出口處顯示出入口名稱、行駛里程和通行費(fèi)用.綜合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，本系統(tǒng)采用了SQL2005構(gòu)建，歷史數(shù)據(jù)可用硬盤(pán)導(dǎo)出存放，以備查詢.

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此類設(shè)計(jì)主要分為兩類：嵌入式主控程序以及DSP辨認(rèn)軟件程序.前者又分為嵌入式處理系統(tǒng)移植和應(yīng)用程序；后者的性能則直接決定著系統(tǒng)能否合理、有效地達(dá)到運(yùn)行目的，及時(shí)獲取車牌位置及其字符的區(qū)別與辨認(rèn).

2.1主控部分軟件設(shè)計(jì)

2.1.1操作系統(tǒng)的移植

Linux屬于認(rèn)可度較高的嵌入式操作系統(tǒng)，公開(kāi)性源代碼，可以進(jìn)行多任務(wù)分配與處理，按照處理對(duì)象和實(shí)際需要，能夠進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.Linux具有完備的TCP/IP協(xié)議棧，而且滿足目前主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求.

借助Linux系統(tǒng)的處理，操作系統(tǒng)完成了以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用工作的分配.進(jìn)行移植時(shí)必須實(shí)現(xiàn)更正TCP/IP協(xié)議棧，建立以太網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)程序，從而與系統(tǒng)進(jìn)行匹配.利用網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，為系統(tǒng)提供檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施以及輸送車輛相關(guān)資料與圖像.

2.1.2應(yīng)用程序模塊

應(yīng)用程序包括初始化、通信、菜單管理、人機(jī)接口4個(gè)模塊，均采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序模塊的編寫(xiě).

（1）初始化模塊.在開(kāi)機(jī)或復(fù)位后進(jìn)行初始化，包括I/O端口、通信參數(shù)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、EEPROM數(shù)據(jù)等.

（2）通信模塊.系統(tǒng)采用RS485協(xié)議與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；采用TCP/IP協(xié)議與PC服務(wù)器進(jìn)行信息交換.

（3）菜單管理模塊.主要是現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)管理，菜單選項(xiàng)在LED上顯示.通過(guò)菜單選項(xiàng)可以設(shè)置某一車道的通行或關(guān)閉；ARM板上擴(kuò)展了64 M的Flash，以保存一定量的車牌信息和顯示菜單查詢等.

（4）人機(jī)接口模塊.配置了上、下、確定和返回4個(gè)鍵盤(pán)用于菜單管理；LED屏可顯示實(shí)時(shí)車輛信息、歷史車輛信息和菜單顯示.

2.2DSP圖像識(shí)別

收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵步驟要求及時(shí)地獲取車輛準(zhǔn)確的信息，包括車型識(shí)別和車牌識(shí)別.

2.2.1車型識(shí)別

車型識(shí)別主要根據(jù)焦距和投影圖像大小的比例關(guān)系.使用顏色分割法分割出車輛三視圖，根據(jù)其與焦距之間的比例關(guān)系計(jì)算出車輛實(shí)際的長(zhǎng)寬高，作為通行費(fèi)計(jì)算的一個(gè)依據(jù)［3］.

式中：n為像素?cái)?shù)；p為像素間距；M為倍率；D為車輛實(shí)際尺寸.如圖4所示.

圖4 圖像獲取示意圖

2.2.2車牌識(shí)別

提取與辨認(rèn)車牌時(shí)，需要明確車牌、背景（車體）間存在的不同點(diǎn)，國(guó)內(nèi)符合要求的車牌主要分為4類：藍(lán)底白字、黃底黑字、黑底白字以及白底黑字.在環(huán)境等因素影響下，從顏色特征提取變得比較困難.通常從下面兩個(gè)角度進(jìn)行特征識(shí)別：（1）一般車牌格式是：省份·英文·5位包含英文字符與阿拉伯?dāng)?shù)字在內(nèi)的代碼，同時(shí)數(shù)字與英文字符筆畫(huà)中存在聯(lián)系；（2）牌底與號(hào)碼兩者使用的色彩不一樣，尤其是邊緣處更加直觀.充分考慮各種因素的影響，找出特征值以便于識(shí)別.

結(jié)合以上介紹，階段車牌辨認(rèn)期間本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要完成車牌定位、字符區(qū)別和辨認(rèn)兩個(gè)流程.前者需要實(shí)現(xiàn)圖像預(yù)處理、車牌查找以及角度調(diào)整等工作；后者則需要實(shí)現(xiàn)車牌二值化，字符隔離，確定其特征從而辨認(rèn)字符.辨認(rèn)工序：圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理→車牌定位→角度調(diào)整→字符隔離→字符辨認(rèn).

收集整理而來(lái)的圖像以RGB彩色空間方式進(jìn)行處理，然而這種空間內(nèi)部的色彩直接由亮度決定，給車牌定位和提取造成困難，必須使圖像灰度化，僅顯示強(qiáng)度數(shù)據(jù).要使彩色圖像灰度化，通常采用如下經(jīng)驗(yàn)公式［4］：

式中：gray為灰度值；R、G、B為彩色等級(jí)值.

圖像預(yù)處理的作用：平滑去噪和車牌特征增強(qiáng).可采用中值濾波或指數(shù)濾波平滑的方法，消除圖像上由于光照、車牌污損等產(chǎn)生的噪聲干擾，能較好保持牌照和字符邊緣.由于車牌定位是依據(jù)車牌特征從圖像中定位車牌，必須使車牌特征突出，如果具有不同灰度的相鄰區(qū)域之間保留邊緣，由于微分算子可以快速感知噪聲，所以通過(guò)一階微分算子便能完成處理，上述算子結(jié)合小范圍模板和圖像卷積便可以對(duì)邊緣進(jìn)行測(cè)定.LOG算子是高斯指數(shù)平滑法與Laplaeian算子相結(jié)合的邊緣檢測(cè)方法，使用邊緣檢測(cè)法就可檢測(cè)出這些邊緣并消除噪聲，又能很好地突出車牌字符的邊緣［5］.

車牌查找屬于結(jié)合車牌本身的特點(diǎn)與圖像內(nèi)車牌匹配的過(guò)程.人們需要通過(guò)車牌字符、背景顏色表現(xiàn)、寬高比等信息，在背景圖片內(nèi)單獨(dú)提取車牌.

車牌范圍內(nèi)包含相對(duì)持續(xù)的大規(guī)模灰度跳變，同時(shí)跳變前后的間距處在相應(yīng)的區(qū)間之中，通過(guò)水平掃描邊緣圖像完成對(duì)其定位，可以通過(guò)式（1）進(jìn)行理解：

式內(nèi)Dis代表行掃描中跳變前后間距，［α1，α2］代表行掃描中相鄰跳變間距值必須處在這一區(qū)間內(nèi).因牌照范圍內(nèi)所有掃描行跳變數(shù)不會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，能夠于圖像內(nèi)獲取符合這一特點(diǎn)的位置，完成上下界定位，此時(shí)制約條件為：

式內(nèi)Line代表持續(xù)掃描行數(shù)，Jump代表掃描行中灰度跳變數(shù)，r代表經(jīng)驗(yàn)值.按照過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)確定α1=5，α2=20，依據(jù)與結(jié)合制約條件，在邊緣中自下而上逐行搜索滿足條件的跳變點(diǎn)數(shù)，了解所有的行能夠通過(guò)車牌覆蓋范圍.如果跳變點(diǎn)≥14，那么車牌覆蓋范圍內(nèi)有掃描線通過(guò)［6］.

按照明確符合要求的范圍，指出車牌各個(gè)方位的邊界.按照由下至上的順序查找跳變點(diǎn)大于14的行，如果發(fā)現(xiàn)有r行（一般取r＝25）滿足要求，可認(rèn)定最先滿足要求的下邊界，接著是上邊界.在確定的上下邊界內(nèi)，讓窗口寬度大小達(dá)到車牌寬度2倍，進(jìn)行左右位移，備份窗口內(nèi)任意行相鄰像素改變情況，如果次數(shù)出現(xiàn)最大極值，那么窗口左側(cè)即為車牌左邊界，相反，從右至左位移能夠獲取右邊界，如圖5所示.

圖5圖像定位

車牌受到外界的影響容易發(fā)生傾斜，要求圖像采集過(guò)程中應(yīng)在水平、豎直兩個(gè)方位進(jìn)行調(diào)整后，運(yùn)用二值化處理得到二值圖.水平方位通過(guò)Hough轉(zhuǎn)換傾斜角，接著旋轉(zhuǎn)以擺正圖像.豎直方位以跨欄法進(jìn)行處理，采取豎直投影模式以各個(gè)角度完成車牌區(qū)域的處理，所得結(jié)果和某一列值中數(shù)目的最大值相比偏小，那么即為豎直傾斜角度［6］.校正前后車牌如圖6所示.

圖6圖像校正

獲取車牌號(hào)特征：通常情況下進(jìn)行文字辨認(rèn)時(shí)必須采取字符隔離及其圖像緊縮編排的方式處理目標(biāo)文字，如果文字尺寸出現(xiàn)差異，必須使其統(tǒng)一.由于車牌號(hào)碼尺寸一致、分布十分有規(guī)律，能夠快速辨認(rèn)與獲得其特征.提取時(shí)可以使用的方式較多，例如像素、骨架、弧度梯度等特征提取方式.這些算法比較成熟，本文采用改進(jìn)的Sobel邊緣檢測(cè)算法，如圖7所示.

圖7圖像分割

車牌號(hào)碼辨認(rèn)：首先完成圖像特征提取，接著便需要運(yùn)用主模板匹配、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法辨認(rèn)車牌號(hào)，最明顯的方式是以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為前提進(jìn)行的文字辨認(rèn)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)代表如圖8所示.

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)文字辨認(rèn)的核心宗旨是在信號(hào)正向傳輸與誤差反饋過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)繼續(xù)學(xué)習(xí)的目的.正向傳輸是指圖像從輸入層到達(dá)隱含層，在隱含層進(jìn)行處理后由輸出層顯示.如果顯示的結(jié)果與預(yù)期值存在偏差，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自動(dòng)轉(zhuǎn)入誤差的反饋.在輸出誤差以某種形式經(jīng)隱含層向輸入層反傳過(guò)程中，該結(jié)構(gòu)將誤差在各層的所有單元進(jìn)行分?jǐn)偅蟪鰡卧`差信號(hào)，完成所有單元權(quán)值的更新［7］.

圖8BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)需要對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施訓(xùn)練與學(xué)習(xí)，把已獲得的樣本內(nèi)部特征向量放在訓(xùn)練完成后的BP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)字符的辨認(rèn).系統(tǒng)中以TMS320C6201型DSP進(jìn)行處理，數(shù)字操作迅速、準(zhǔn)確，性能優(yōu)異，能夠確保系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)的要求.

3　結(jié)論

在綜合運(yùn)用圖像識(shí)別與嵌入式技術(shù)的基礎(chǔ)上，與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相結(jié)合，本文設(shè)計(jì)了智能性和自動(dòng)化程度更高的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）該系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)代替PC機(jī)，較大程度地降低了系統(tǒng)建設(shè)與公路收費(fèi)的成本.（2）該系統(tǒng)采用高速的DSP圖像處理芯片，并運(yùn)用合理高效的軟件識(shí)別算法，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，從而保證了準(zhǔn)確收費(fèi)的成功率.（3）該系統(tǒng)的研制可滿足高速公路快速發(fā)展的要求，實(shí)現(xiàn)了電子不停車收費(fèi)，應(yīng)用前景廣泛.

［1］馬永翔.基于AVR單片機(jī)的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2008，30（4）：52-54.

［2］王振旻.目標(biāo)圖像識(shí)別算法研究及其在DSP高速處理系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2008：76-93.

［3］楊濤，張森林.一種基于HSV顏色空間和SIFT特征的車牌提取算法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011，28（10）：3937-3939.

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［6］洪健，陳繼榮.基于DSP+CPLD的車牌實(shí)時(shí)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2007，24（7）：218-219.

［7］關(guān)學(xué)忠，張璐.基于改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)車牌識(shí)別的研究［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2015，34（7）：66-68.

Highway Toll System Based on Vehicle License Plate Recognition Technology

JIA Yanzhu，WANG Zhiyong
（School of Computer Science and Technology，Huaibei Normal University，235000，Huaibei，Anhui，China）

With the development of transportation，the mileage of road has greatly increased.The traffic efficiency and management of the entry vehicle is an urgent problem to be solved.In order to establish an unattended electronic toll collection system，the image processing technology combined with embedded technology was used in highway toll system.The method of vehicle information acquisition and vehicle license plate recognition and the software and hardware design of the embedded system are presented.The system was of practical significance in the aspect of improving the traffic efficiency and the automation degree and the intelligent management of toll collection system.

image processing；license plate recognition；embedded system；DSP；gray level detection

TP 391.4

A

2095-0691（2016）02-0052-05

2016-01-29

賈彥竹（1972-），女，山東菏澤人，實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，研究方向：軟件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)室維護(hù).