王宜仁 李長凱 陳潤 嚴(yán)冬/安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院

基于圖像識別的公交智能語音報站系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王宜仁 李長凱 陳潤 嚴(yán)冬/安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院

提出了一種基于圖像識別技術(shù)的公交智能語音報站系統(tǒng)的設(shè)計方法。通過安裝在車輛前端的CCD攝像頭來獲取相距公交站臺一定距離的地面標(biāo)志符，經(jīng)過圖像識別技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)處理，獲取的路面圖像并識別地面標(biāo)志符，然后啟動對應(yīng)站點(diǎn)的語音播報及LED屏提示系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)公交車智能語音報站。實(shí)物作品仿真實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計能夠準(zhǔn)確識別并正確播報公交站臺。

單片機(jī)；圖像識別；地面標(biāo)識符

一、研究背景

目前，公交車報站系統(tǒng)主要有人工觸發(fā)語音報站器、無線信標(biāo)語音報站器和GPS自動語音報站器等類型。

（一）人工觸發(fā)語音報站器

由駕駛員控制按鍵進(jìn)行語音報站，通過內(nèi)定程序來檢測按鍵次數(shù)來播報各站。需要人工參與，司機(jī)勞動強(qiáng)度過大，易分精力，有一定的局限性，效率較低。

（二）無線信標(biāo)語音報站器

在每個公交車站牌處設(shè)置發(fā)射信標(biāo)點(diǎn)，當(dāng)公交車臨靠近站點(diǎn)時會收到此站點(diǎn)信標(biāo)信號，公交車自動播報當(dāng)前站點(diǎn)，離開站點(diǎn)后信號消失則進(jìn)行預(yù)報下一站點(diǎn)，此報站器需要每個站點(diǎn)都組建無線發(fā)射信標(biāo)，工程浩大、代價過高，當(dāng)公交車數(shù)量多時各公交車之間會因?yàn)樾盘柕慕邮懿煌嬖陬l率干擾，影響正常報站。

（三）GPS自動語音報站器

這種報站器是在公交車上安裝GPS定位系統(tǒng)來自動識別站點(diǎn)位置并且播報各個站點(diǎn)。無線衛(wèi)星定位雖說報站精準(zhǔn)，無須人工操作，無須建設(shè)任何車外設(shè)施，但是價格過于昂貴，目前無法普及。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

公交車通常按照特定路線行駛,在到達(dá)每一站點(diǎn)之前會提前播報到站提示語音，在駛離當(dāng)前站點(diǎn)后會播報下一站點(diǎn)的提示語音?；谶@種情況，可以先對公交站點(diǎn)進(jìn)行處理。

具體處理方法：距離某個站點(diǎn)前500米的路面設(shè)置特定的路面標(biāo)識符。在公交車前端先安裝CCD攝像頭[1]，實(shí)時獲取路面圖像，同時單片機(jī)會對獲取的圖像進(jìn)行處理，將獲得圖像數(shù)據(jù)與單片機(jī)內(nèi)定程序進(jìn)行對比，如果符合事先寫入單片機(jī)的標(biāo)識符特征信息就觸發(fā)相應(yīng)的語音播報系統(tǒng)。當(dāng)公交車到達(dá)站點(diǎn)前識別到路面標(biāo)識符就進(jìn)行播報相應(yīng)語音提示信息，離開站點(diǎn)后播報下一站點(diǎn)相應(yīng)語音提示信息[2]，系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

（一）建立路面模擬標(biāo)識符

路面標(biāo)識符建立會直接影響公交車在行駛過程中攝像頭識別的準(zhǔn)確率。選取路面標(biāo)識符方法如下：在距離站點(diǎn)前一定距離的路面印上長度為50cm、寬度為25cm的白色矩形(矩形的大小要根據(jù)實(shí)際情況選取)作為模擬的路面標(biāo)識符。

（二） 圖像處理

公交車在行駛過程中，攝像頭采集的路面信息會實(shí)時經(jīng)過單片機(jī)的處理，從而獲取路面圖像數(shù)據(jù)。圖像處理過程包括圖像濾波、二值化、邊緣檢測等。以下圖像是根據(jù)全國大學(xué)生“飛思卡爾”智能車的賽道由攝像頭采集的圖像[3]，用來模擬現(xiàn)實(shí)路面。

對二值化圖像中標(biāo)識符的識別過程如下：二值化后數(shù)據(jù)“0”代表黑色，數(shù)據(jù)“1”代表白色。假設(shè)攝像頭的分辨率為180*120。其中的180、120分別代表圖像的列數(shù)、行數(shù)。實(shí)驗(yàn)中為了提高圖像的真實(shí)性應(yīng)盡量選擇中間部分，在對圖像的預(yù)處理上，舍棄圖像邊緣部分的部分行和列，在模擬試驗(yàn)中選取第70行～第100行、第10列～第170列作為圖像處理區(qū)域。單片機(jī)會對攝像頭采集回來的圖像進(jìn)行逐行掃描，160列代表了160個像素點(diǎn)，每個像素點(diǎn)有黑白之分，而標(biāo)識符在圖像中是一塊黑色的區(qū)域，也就是說如果攝像頭采集的圖像中有一塊像素點(diǎn)均為黑色，且這塊像素點(diǎn)的寬度符合事先寫入單片機(jī)的數(shù)據(jù)，就表明這塊黑色區(qū)域就是到站標(biāo)識符[4]。

（三）語音播報

語音模塊采用WT588D語音模塊，它不僅可以作為一般語音芯片從片發(fā)聲，而且I/O口多，帶控制功能和外置FLASH存儲器，所以能做FLASH單片機(jī)[5]。WT588D語音芯片是一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除燒寫的語音芯片。配套WT588D VioceChip上位機(jī)操作軟件可隨意更換WT588D語音單片機(jī)芯片的任何一種控制模式，把信息下載到SPI-Flash上即可[6]。

（四）實(shí)時時鐘及LED顯示系統(tǒng)

本設(shè)計采用DS1302芯片配合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時時鐘。LED顯示系統(tǒng)是先將公交車要顯示的信息編寫好，并且存入單片機(jī)的flash中。當(dāng)公交車即將到達(dá)某一站點(diǎn)就會播報相應(yīng)的提示語音。

三、實(shí)物仿真測試

利用本設(shè)計小車在模擬公交站臺的閉合環(huán)形仿真公交線路上行駛，路線上設(shè)置若干公交站臺，在每個站臺設(shè)置唯一識別的標(biāo)識符。經(jīng)過反復(fù)多次測試，結(jié)果表明小車對站臺（地面標(biāo)示符）識別率達(dá)到100%。

四、總結(jié)與展望

基于圖像識別技術(shù)的公交智能語音報站器，工作原理類似于人腦對看到的事物做出判斷一樣，具有實(shí)時智能化的特性。通過采集路面信息，識別距離站臺一定距離的標(biāo)識符來確定前方是否即將到站，可以降低識別整個站臺的錯誤率，提高了到站播報的準(zhǔn)確性。雖然到目前為止，圖像識別在實(shí)時性、準(zhǔn)確性和性價比等方面仍有待提高，但是隨著現(xiàn)今圖像技術(shù)的飛躍發(fā)展，實(shí)時性、準(zhǔn)確性必將大大增強(qiáng)。所以考慮到成本控制、裝配措施、維修簡易等因素，基于圖像識別技術(shù)的公交智能語音報站系統(tǒng)無需人工參與，自動實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)識別、播放語音和顯示到站信息，容易實(shí)現(xiàn)、費(fèi)用低廉、識別準(zhǔn)確率高，市場潛力大。本設(shè)計相較于目前已有的公交報站系統(tǒng)而言，必將具有越來越明顯的競爭優(yōu)勢。

[1]艾寧，基于CCD攝像頭的智能車路徑識別及跟蹤研究[J].電子測量總技,2009.32（8）77-79.

[2]王峰.基于單片機(jī)的公交車自動報站器[D].www.automationit.cn , 2004.

[3]卓晴，黃開勝，邵貝貝．學(xué)做智能車：挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯．北京：北京航空航

[4]孫即祥，圖像處理[M].北京：科學(xué)出版社，2009:316-356

[5]張培仁，孫力.C8051F系列單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社.

[6]黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電路設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出社,2006.

國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201512216031); 省級重點(diǎn)教研項目 (2016jyxm0473);大學(xué)生創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室建設(shè)計劃(2015ckjh116)。