文/張恒宇 何金蓉 叢金亮 張洪禮 張耀武

本文將車牌識別門禁系統(tǒng)進行模塊化分解，并對其中圖像預處理、車牌定位、字符分割、字符識別模塊等幾個難點問題進行分析并仿真。對圖像進行預處理除掉拍攝時環(huán)境因素的影響；使用邊緣檢測法和顏色定位法準確定位車牌位置；使用水平投影法去除車牌在水平方向多余的邊框，再利用垂直投影法除去字符間距分割得到單個的字符圖像；使用HOG特征提取構建兩個SVM分類器，一個用于漢字字符識別，一個用于字母和數(shù)字識別用來完成車牌字符識別模塊。

引言：

近年來，隨著汽車數(shù)量的逐漸增加，我國停車位與汽車數(shù)量很不平衡，兩到三輛汽車共用一個車位，而國際上是兩輛汽車共用三個停車位，。早期，停車場對車輛進出管理使用IC讀取卡的方式完成的，隨著社會發(fā)展該方式的弊端越發(fā)明顯，當車多時出入口易出現(xiàn)擁堵，周圍的道路也會受到影響[1]。在車輛管理系統(tǒng)中，添加電動車牌識別門禁系統(tǒng)趨于常態(tài)化。當有車輛出入場時，通過識別車牌號碼，然后將車牌結果和數(shù)據(jù)庫中信息進行對比，系統(tǒng)作出判斷就可完成已授權車輛和非授權車輛的管理[2]。能夠快高效的完成車輛進出的管理工作。

1.系統(tǒng)方案與設計

本系統(tǒng)的基本流程為從輸入車輛圖像開始，到完成字符串的輸出，具體工作的流程圖如圖1所示。

圖1.1 系統(tǒng)基本工作框圖

1.1 獲取車輛圖片。本文采用視頻檢測法：對運動中的車輛，采用軟件算法的方式檢測對車輛進出視場內(nèi)判斷[3]，判斷有車輛進入則拍攝一張車輛圖像。該方法的優(yōu)點是不需要其他硬件支持，減少了硬件成本。

1.1.1 車牌定位。車牌定位是車牌識別算法中的一個難點問題。本文先是對邊緣檢測法進行模擬仿真，再使用顏色定位法進行二次定位，一個準確的定位可以提高車牌識別系統(tǒng)的效率?；谶吘墮z測的定位方法是利用了車牌部分和背景部分邊緣的不同，以此完成車牌的定位，但在背景含有大量與車牌邊緣相似的邊緣時，僅用邊緣檢測法不能準確的定位車牌[1]。基于顏色分割法是利用了車牌底色只有幾個特定的顏色，使系統(tǒng)對這幾個特定顏色進行識別達到定位車牌的目的，但當遇到環(huán)境顏色和車牌顏色相同時就不能準確識別?？紤]了兩種方法的優(yōu)缺點后，本文把這兩種方法相互結合達到車牌定位的目的。

1.1.2 車牌字符分割。字符分割是把定位后的圖像分割為單個字符圖像，本文使用投影分析法完成。使用水平方向投影分割[4]，去掉水平方向上與字符無關的車牌邊緣部分，然后進行垂直方向上投影分析，除掉字符之間的間距、車牌的原點，僅留下單個的字符圖像[5]。

1.1.3 車牌字符識別。車牌字符識別就是把車牌的字符圖像集識別為字符串，也就是把圖像信息提取出來用字符的方式顯示供計算機識別的字符，本文使用模板匹配法完成分類識別?；谀０迤ヅ浞ㄔ硎菍颖具M行模板訓練得到樣本特征向量分類器，再將單個字符圖像的信息與標準字符模板信息作比較，比較后輸出標準模板中最相似的那個字。在車輛管理系統(tǒng)中，門禁系統(tǒng)只是整套系統(tǒng)的一部分，也是最重要的一部分。車輛管理系統(tǒng)能夠完成車輛的入庫、出庫以及費用管理等，車輛管理系統(tǒng)的功能區(qū)分如圖2所示。

圖2系統(tǒng)功能劃分框圖

云端系統(tǒng)主要進行車牌號碼庫的建立、維護、車輛進出收費等數(shù)據(jù)的處理，車牌識別門禁系統(tǒng)主要車牌的識別和車輛的進出時間記錄。

2.系統(tǒng)開發(fā)

2.1 硬件平臺比較與選擇。目前市場上，在平臺的選擇上主要有兩種，一種是基于PC機，但PC機平臺的成本高、體積大、CPU資源浪費大[6]，另一種是采用嵌入式處理器，成本相對較低，也能夠滿足各項需求。本文采用基于嵌入式處理器的方案。常見嵌入式處理器：C51、DSP、ARM、FPGA等，采用列表對比的方式對比優(yōu)缺點如表1所示。

表1常用嵌入式處理器對比

綜合考慮，本文中門禁系統(tǒng)對處理器的成本、運算能力等方面的問題，選擇ARM處理器，進而使用樹莓派（RaspBerryPi3B+）平臺。

2.1.1 RaspBerry Pi3B+簡介。樹莓派3B+平臺功能強大、技術成熟，配有攝像頭模塊、GPIO輸出模塊、顯示模塊，還可使用藍牙、WiFi等主要的硬件相關信息如表2所示。

表2 RaspBerry Pi3B+硬件介紹

2.1.2 圖像采集設備。樹莓派3B+可以用CSI接口采集圖像，CSI接口是通過串行接口進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸快、支持500W高分辨率圖像數(shù)據(jù)[7]、抗干信號擾能力強等優(yōu)點，文采用CSI接口，CSI接口圖如圖3所示。

圖3 CSI接口原理圖

2.1.3 GPIO接口。GPIO接口，是一排用于信號輸入輸出的接口，通過指令輸出或接受特定的高低電平、PWM信號等到達與外部設備的通訊交流。樹莓派3B+一共有26個GPIO接口，原理圖如圖4所示。

圖4 GPIO接口原理圖

通過控制GPIO接口的高低電平完成通道的開啟與關閉，從而完成車牌識別后LED開與關。本文使用GPIO-12輸出高電平控制道閘的開啟。

2.2 軟件環(huán)境搭建。完成車牌識別門禁系統(tǒng)在軟件方面，需要配置一個用于圖像處理的opencv庫。Opencv庫是一個能夠進行人臉識別、matlab調(diào)用、RGB加工等內(nèi)容的算法庫[8]。Opencv庫編譯操作如下：

1)：安裝cmake，完成opencv源碼的編譯；

2)：圖像格式多種多樣需要安裝相應的操作包，使計算機能從硬盤上讀取不同格式的圖像；

3)：進行cmake編譯參數(shù)設置，設置成功標志如圖5所示；

圖5 cmake編譯參數(shù)設置完成

4)：以管理員身份執(zhí)行sudo make進行編譯;

5)：輸入sudo meke instell命令也就安裝成功opencv。完成opencv的編譯后即軟件環(huán)境搭建成功。

2.3 系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化

2.3.1 車牌特征提取

車牌是車輛的“身份證”，通過查詢《中華人民共和國汽車號牌》文檔可知，該文檔對各類型的機動車號碼牌進行了統(tǒng)一規(guī)定[9]。停車場環(huán)境下可能識別的車牌類型進行分析如表3所示。

表3車牌的顏色及適用范圍

由規(guī)定可知，黃牌和藍牌在大小、編碼規(guī)則方面是一樣的，如圖6所示。車牌是由7個字符構成的，其中第一個是漢字，第二個是機關代號，其余是字母與數(shù)字混合組成，是唯一的車牌號。它的大小是固定的440mm×140mm，長與寬的比例約3∶1，字符高、寬為90mm×45mm，分隔符“·”半徑為5mm，各個字符距離為12mm[7]。新能源車牌和傳統(tǒng)車牌在編碼和顏色上是不同的，如圖7所示。它的大小為480mm×140mm，字符高度、漢字寬度與傳統(tǒng)車牌一樣[10]，該類車牌沒有分隔符“·”，新能源車牌有8個字符，第一、二個字符與傳統(tǒng)車牌內(nèi)容一樣，第三位為新能源汽車標識，第四至第八位與傳統(tǒng)車牌編號規(guī)則一樣，代表車牌的序號。

圖6藍底牌照與黃底牌照

圖7新能源汽車車牌

2.3.2 圖像預處理

攝像頭在實際的拍照過程中，拍攝的圖像可能會因當時天氣、光照、車身顛簸造成的拍攝照片模糊等不確定因素影響圖像的質(zhì)量[11]。因此，需要先對圖像完成圖像灰度化，灰度拉伸，圖像濾波降噪等預處理。

4.系統(tǒng)調(diào)試與運行

4.1 調(diào)試環(huán)境

將所有的代碼導入樹莓派3B+平臺上，外部硬件連接如圖8所示，硬件實物如圖9所示。由于現(xiàn)實條件的原因，欄桿部分使用LED燈代替接著按照流程圖10進行整體調(diào)試。在調(diào)試部分，首先上電開始運行樹莓派；然后通過寬帶鏈接樹莓派，使用軟件VNC進行代碼的傳輸；接著通過提前寫入的車輛識別代碼檢測車輛圖片并完成拍照；最后，處理器通過識別圖像輸出字符串并與系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫作對比，然后GPIO口作出回應[12]——大門是否打開。

4.2 車牌識別效果

隨機挑取車輛圖片，使用研發(fā)的車牌識別門禁系統(tǒng)進行實際測試，系統(tǒng)運行后界面顯示結果如圖11、圖12所示。

圖8調(diào)試步驟

圖9運行效果圖

圖10運行效果圖

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

完成實物設計后，對120輛車進行識別，得到車牌識別結果的準確度與識別所需時間，結果如表4所示。

表4牌識別測試結果

考慮到門禁系統(tǒng)的功能、成本需求后，本文采用在樹莓派3B+平臺完成門禁系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。通過運行測試，識別的正確率達到96%，識別時間在1.5秒內(nèi)，滿足車牌識別門禁系統(tǒng)的各項任務要求。

5.結論

本設計成功開發(fā)了一套嵌入式車牌識別門禁系統(tǒng)。本文先將車牌圖像進行預處理工作，這其中使用加權平均法將圖像進行灰度化處理，又使用灰度平均法把灰度圖像進行拉伸，除去圖像中的高光部分，使圖像更加清晰，接著使用高斯濾波模板進行濾波降噪，也就完成了圖像識別的前期過程了。完成了車牌識別以后就只需要將字符串與內(nèi)置的車牌數(shù)據(jù)庫作對比，系統(tǒng)作出相應的反應就可以完成門禁的實現(xiàn)了。本文所有的程序都是在樹莓派3B+平臺上實現(xiàn)的。通過運行測試結果可以知道，本文設計的車牌識別門禁系統(tǒng)在正確率方面大于96%，識別時間也小于1.5秒，性能方面比市面更為優(yōu)秀，成本也比市面更低。