張鋒， 唐志鴻， 鄭樹(shù)均， 劉穎君

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣州 510800）

0 引言

隨著生活水平的提高，越來(lái)越多的人擁有機(jī)動(dòng)車(chē)，這將給車(chē)輛管理方面造成很大的壓力。針對(duì)小區(qū)、辦公部門(mén)、校園以及停車(chē)場(chǎng)等場(chǎng)合，傳統(tǒng)的管理方式是采用感應(yīng)卡和紙票介質(zhì)，這種管理不僅耗費(fèi)人力資源，自動(dòng)化程度低而且效率低下，已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的需要。車(chē)牌識(shí)別管理系統(tǒng)是一種嶄新的服務(wù)模式，它采用了先進(jìn)的OCR技術(shù)，對(duì)各場(chǎng)所出入的車(chē)輛實(shí)現(xiàn)智能化管理。該設(shè)計(jì)旨在開(kāi)發(fā)一套基于機(jī)器視覺(jué)的校園車(chē)輛出入管理系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)出校園的車(chē)輛進(jìn)行智能管理。利用LabVIEW的VISION模塊以及下位機(jī)的相關(guān)硬件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行搭建，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)牌的自動(dòng)識(shí)別，然后再結(jié)合下位機(jī)的控制部分對(duì)車(chē)輛自動(dòng)放行，實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙不停車(chē)出入、車(chē)輛智能管理和出口自動(dòng)計(jì)費(fèi)等功能，大大地提高了車(chē)輛管理的效率。

1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，系統(tǒng)由監(jiān)控?cái)z像頭、計(jì)算機(jī)、人機(jī)交互界面、圖像處理算法、數(shù)據(jù)庫(kù)和車(chē)輛放行裝置組成。監(jiān)控?cái)z像頭用于圖像的采集，然后把圖像傳到視覺(jué)系統(tǒng)，由于夜晚光線(xiàn)昏暗的原因，需要配合補(bǔ)光燈使用。計(jì)算機(jī)軟件部分包含圖像處理算法、數(shù)據(jù)庫(kù)以及人機(jī)交互界面，圖像處理算法用于特征的提取與識(shí)別，數(shù)據(jù)庫(kù)用于用戶(hù)數(shù)據(jù)的保存以及對(duì)車(chē)輛的進(jìn)出信息進(jìn)行記錄，人機(jī)交互界面包含了系統(tǒng)相關(guān)的控制設(shè)置以及對(duì)獲得的信息進(jìn)行顯示。車(chē)輛放行裝置是系統(tǒng)的下位機(jī)部分，由ARM控制器、舵機(jī)及傳感器組成，ARM控制器在接收到上位機(jī)的信號(hào)之后，通過(guò)控制舵機(jī)控制攔車(chē)桿的升降，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的放行。

圖1 系統(tǒng)框圖

基于機(jī)器視覺(jué)的車(chē)輛出入管理系統(tǒng)應(yīng)用在校園出入口對(duì)進(jìn)出的車(chē)輛進(jìn)行智能管理，針對(duì)于入口通道，道路旁邊裝有2個(gè)光電傳感器，前面一個(gè)用于車(chē)輛的定位，當(dāng)車(chē)輛到達(dá)相機(jī)的工作范圍時(shí)，將會(huì)觸發(fā)相機(jī)快門(mén)采集車(chē)輛的圖像，計(jì)算機(jī)獲取車(chē)輛的圖像后對(duì)車(chē)牌號(hào)碼進(jìn)行定位識(shí)別，然后將車(chē)輛信息及進(jìn)入時(shí)間記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，同時(shí)計(jì)算機(jī)發(fā)送信號(hào)給車(chē)輛放行裝置進(jìn)行抬桿動(dòng)作，當(dāng)車(chē)輛完全通過(guò)第2個(gè)光電傳感器時(shí)攔車(chē)桿降下回到攔車(chē)狀態(tài)。出口通道相關(guān)硬件與入口通道相同，當(dāng)相機(jī)采集圖像之后，計(jì)算機(jī)識(shí)別出車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)碼，然后再利用數(shù)據(jù)庫(kù)中車(chē)輛出入的時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)計(jì)費(fèi)，待車(chē)主交費(fèi)后自動(dòng)放行車(chē)輛。設(shè)備布局如圖2所示。

圖2 設(shè)備布局

2 軟件設(shè)計(jì)

圖3 人機(jī)交互界面

軟件作為系統(tǒng)的上位機(jī)部分，主要包含圖像處理算法和數(shù)據(jù)庫(kù)，圖像處理算法是本系統(tǒng)中的核心部分，是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的大腦。軟件設(shè)計(jì)是利用美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW進(jìn)行算法的編寫(xiě)，LabVIEW中有專(zhuān)門(mén)的視覺(jué)開(kāi)發(fā)工具包和數(shù)據(jù)庫(kù)工具包，而且采用圖形化的編程方式，能夠大大地縮短開(kāi)發(fā)的周期。人機(jī)交互界面,如圖3所示。

2.1 圖像處理算法設(shè)計(jì)

當(dāng)車(chē)輛到達(dá)相機(jī)的工作范圍時(shí)，觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行圖像采集，計(jì)算機(jī)接收到采集的圖像之后再經(jīng)過(guò)初步定位模塊、精確定位模塊和識(shí)別模塊后將車(chē)牌號(hào)提取出來(lái)?？傮w算法流程程序如圖4所示。

圖4 總體算法流程程序

在車(chē)牌初步定位模塊中引用相機(jī)所拍攝的圖像，調(diào)整好圖像的分辨率，提取一個(gè)顏色面（藍(lán)色面），將上面產(chǎn)生的灰度圖對(duì)應(yīng)的像素信息存儲(chǔ)在二維數(shù)組，通過(guò)輪廓算法將車(chē)牌的邊緣和車(chē)身進(jìn)行分離，輪廓算法即通過(guò)比較前后兩個(gè)像素點(diǎn)的灰度值并且進(jìn)行相減得到一個(gè)差值，再把這個(gè)差值還原出來(lái)成為一個(gè)新的灰度圖，這個(gè)新的灰度圖將會(huì)大大地減少外界的干擾因素，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生活中，車(chē)輛的車(chē)身顏色和車(chē)牌邊框邊緣的顏色是不同，利用這個(gè)特性將車(chē)身和車(chē)牌分離出來(lái)，同時(shí)也將周?chē)h(huán)境的影響大大降低。然后再合理調(diào)整一下閾值，將車(chē)牌輪廓調(diào)整得更加合理，為接下來(lái)尋找邊緣做鋪墊。通過(guò)尋找左右車(chē)牌邊緣，再經(jīng)過(guò)一定的比較取舍關(guān)系，將車(chē)牌進(jìn)行定位，由于左右邊緣相對(duì)于上下邊緣來(lái)說(shuō)會(huì)更加容易找到。因?yàn)橄鄼C(jī)、攔車(chē)桿、停車(chē)標(biāo)志的位置都是固定的，那就是意味著車(chē)輛被拍到的時(shí)候，車(chē)牌所占像素比例相對(duì)來(lái)說(shuō)比較固定，變動(dòng)范圍不是很大，所以橫向的距離相對(duì)來(lái)說(shuō)比較固定，可以理解為一個(gè)常量。這個(gè)常量可以通過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)合理確定。通過(guò)合理的圖像處理后進(jìn)行左右邊緣的檢測(cè)，得到左邊緣的起始點(diǎn)、終點(diǎn)，右邊緣的起始點(diǎn)、終點(diǎn)，其坐標(biāo)分別定義為（X1，Y1）,(X2，Y2),(X3，Y3),(X4，Y4)。另外取一個(gè)橫向距離的最大值、最小值，如果找不到左邊緣或者右邊緣，或者兩個(gè)邊緣的X值之差小于最小值或者大于最大值，則優(yōu)先以左邊緣做標(biāo)準(zhǔn)。如果兩個(gè)邊緣的差值大于最大值則取最大值，小于最小值則取最小值。比較兩個(gè)邊緣的Y值，取用最大Y值。保證接下來(lái)所截取的車(chē)牌在所截取的圖像中，從而將車(chē)牌的區(qū)域進(jìn)行初步確定，從而得到截取所需要的坐標(biāo)信息，利用這個(gè)坐標(biāo)信息將原圖中的車(chē)牌截取出來(lái)，完成車(chē)牌的初步定位。車(chē)牌初步定位部分程序和定位效果如圖5、圖6所示。而車(chē)牌的精確定位主要是利用車(chē)牌的上下邊緣來(lái)進(jìn)行確定，通過(guò)相關(guān)的圖像處理得到一個(gè)比較容易尋找到上下邊緣的圖像，再進(jìn)行上下邊緣的尋找，將車(chē)牌的位置范圍縮小，使車(chē)牌的位置更加精確，然后對(duì)車(chē)牌再次進(jìn)行截取，得到精確定位后的車(chē)牌圖像。車(chē)牌精確定位部分程序及定位效果如圖7、圖8所示。

圖5 車(chē)牌初步定位的圖像處理部分程序

圖6 車(chē)牌初步定位效果圖

圖7 車(chē)牌精確定位的圖像處理部分程序

圖8 精確定位效果圖

圖9 OCR識(shí)別效果圖

車(chē)牌提取出來(lái)之后，利用OCR技術(shù)對(duì)車(chē)牌號(hào)碼進(jìn)行識(shí)別，需要OCR識(shí)別的字符要事先進(jìn)行多次訓(xùn)練，并且將訓(xùn)練后的信息存儲(chǔ)在一個(gè)．a(chǎn)bc文件。在字符識(shí)別階段這個(gè)過(guò)程，首先通過(guò)一系列的圖像處理，然后調(diào)用出．a(chǎn)bc文件將圖上的信息進(jìn)行匹配并且顯示相關(guān)車(chē)牌信息。OCR識(shí)別效果如圖9所示。

圖10 數(shù)據(jù)庫(kù)人機(jī)交互界面

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)作為整個(gè)系統(tǒng)的倉(cāng)庫(kù)，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)把進(jìn)出車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)碼以及出入時(shí)間等信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后再把車(chē)輛的出入時(shí)間索引出來(lái)進(jìn)行計(jì)費(fèi)。數(shù)據(jù)庫(kù)還負(fù)責(zé)對(duì)每天出入的車(chē)輛進(jìn)行計(jì)數(shù)，生成報(bào)表發(fā)送給管理員查閱，管理員還可以通過(guò)人機(jī)交互界面對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中的信息進(jìn)行查詢(xún)、修改及刪除等操作。數(shù)據(jù)庫(kù)人機(jī)交互界面如圖10所示。

3 結(jié) 論

本系統(tǒng)能夠有效提高車(chē)輛通行效率，減少人工管理及刷卡停車(chē)場(chǎng)系統(tǒng)的管理難度，具有高效、安全、便捷等特點(diǎn)。系統(tǒng)為用戶(hù)提供了一種嶄新的服務(wù)模式，無(wú)論是管理方式、基本技術(shù)和設(shè)備、通行控制都突出了智能化，可用于小區(qū)、辦公大樓、超市、停車(chē)場(chǎng)、學(xué)校等場(chǎng)合，設(shè)計(jì)結(jié)合當(dāng)前生活，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

[1] 趙鵬.機(jī)器視覺(jué)理論及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[2] 張錚,王艷平,薛桂香.數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺(jué)[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[3] 吳福朝.計(jì)算機(jī)視覺(jué)[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[4] 陳呂洲.Arduino程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].2版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2015.

[5] 安城娜.數(shù)字圖像處理:原理與實(shí)踐(Matlab版)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2008.