李玉華， 饒 敏

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部， 遼寧 大連 116081)

目前自動駕駛領(lǐng)域通用的定位方式是利用GPS、高精度地圖和多種傳感器(激光或相機(jī))數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合定位[1-2]。通常利用GPS數(shù)據(jù)初步確定車輛位置，之后利用高精度地圖和車載傳感器數(shù)據(jù)實現(xiàn)精確定位。在郊區(qū)空曠地區(qū)，這類定位方式可行，但在高樓密集區(qū)、隧道及高架橋下等2區(qū)，GPS信號易受到遮擋，也易遭受電磁干擾和金屬屏蔽[3]，自動駕駛車輛很難準(zhǔn)確獲得自身位置信息，自動駕駛和自動導(dǎo)航可能發(fā)生中斷或行駛錯誤，嚴(yán)重時造成智能交通系統(tǒng)癱瘓。

針對上述問題，目前主要利用航位推測法[4]來解決。即利用碼盤、慣性傳感器信息計算位移矢量，再結(jié)合初始位置坐標(biāo)來推算車輛位置，但航位推測法是一個信息不斷增加的過程，短期內(nèi)精度高，隨時間增加定位誤差會不斷累積增大。為了在緊急情況下獲取車輛位置信息，一些學(xué)者利用一維條形碼技術(shù)對交通標(biāo)線進(jìn)行編碼設(shè)計[5-6]，以表征車輛位置信息，并采用相應(yīng)的識別方法進(jìn)行識別，即可獲得車輛位置信息，但現(xiàn)有研究主要是在路面已有交通標(biāo)線的基礎(chǔ)上增加其他類型的線條或較大程度改變交通標(biāo)線的一些基本特性，編碼方式?jīng)]有系統(tǒng)化，且范圍較大，只能粗略提供車輛所在車道線處的位置信息，并不能提供較精確的車輛位置信息及道路交通情況的管理信息，大范圍普及和應(yīng)用較困難。

為此，本文設(shè)計一種特殊虛線交通標(biāo)線，僅在虛線交通標(biāo)線的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，并不增加其他線條，也不較大程度改變虛線交通標(biāo)線基本特性，采用配套識別程序進(jìn)行識別就能獲得車輛所在位置的多種定位信息以及道路交通設(shè)施的多種管理信息，可為智能車輛運(yùn)輸、自動駕駛、無人駕駛、自動導(dǎo)航、智能交通及全息交通[7]等系統(tǒng)提供查詢、校核服務(wù)。

1 特殊虛線交通標(biāo)線設(shè)計原理

虛線交通標(biāo)線由固定長度的標(biāo)線段和固定長度的間隔段交替排列組成，這與一維條形碼的組成相似。一維條形碼是由不同寬度的黑白條組合而成的特殊標(biāo)記[8]，不同于虛線交通標(biāo)線的標(biāo)線段和間隔段固定的交替排列，一維條形碼在應(yīng)用前已完成編碼設(shè)計，有不同的排列方式，可表達(dá)特定信息。將一維條形碼技術(shù)應(yīng)用到虛線交通標(biāo)線，對虛線交通標(biāo)線進(jìn)行編碼設(shè)計，可得到表征信息的虛實線交通標(biāo)線，即特殊虛線交通標(biāo)線。

特殊虛線交通標(biāo)線由標(biāo)線條單元和路面條單元2種基本單元組成，標(biāo)線條單元采用《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線第3部分：道路交通標(biāo)線》(GB 5768.3—2009)[9]中規(guī)定的材料敷設(shè)于路表，路面條單元為路表未敷設(shè)標(biāo)線的空白區(qū)域，2單元具有相同的尺寸(長度、寬度)。將標(biāo)線條單元視為二進(jìn)制數(shù)“1”，路面條單元視為二進(jìn)制數(shù)“0”，則特殊虛線交通標(biāo)線可對應(yīng)一個二進(jìn)制數(shù)?；谝痪S條形碼編碼技術(shù)，二進(jìn)制數(shù)可標(biāo)識字符，具有唯一性。特殊虛線交通標(biāo)線選取6個基本單元(二進(jìn)制數(shù))用于單個字符標(biāo)識，如表1所示，可標(biāo)識除“I”“O”之外的所有24個字母，數(shù)字0～9以及部分符號，利用這些6位二進(jìn)制數(shù)對特殊虛線交通標(biāo)線進(jìn)行設(shè)計，特殊虛線交通標(biāo)線可標(biāo)識由一定數(shù)量字符組成的字符串；也可采用更多位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)對特殊虛線交通標(biāo)線進(jìn)行設(shè)計，可標(biāo)識更多字符種類，表征更多類型的信息。

表1 特殊虛線交通標(biāo)線二進(jìn)制數(shù)編碼

2 特殊虛線交通標(biāo)線設(shè)計

為便于識別特殊虛線交通標(biāo)線，將標(biāo)線區(qū)域依次設(shè)為起始區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、數(shù)據(jù)檢驗區(qū)和結(jié)束區(qū)，并將固定數(shù)量的標(biāo)線條單元及路面條單元排列組合構(gòu)成標(biāo)線數(shù)據(jù)塊，標(biāo)線數(shù)據(jù)塊對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)為特殊虛線交通標(biāo)線二進(jìn)制編碼，起始區(qū)、數(shù)據(jù)檢驗區(qū)和結(jié)束區(qū)由一個標(biāo)線數(shù)據(jù)塊構(gòu)成，可分別標(biāo)識一個字符，數(shù)據(jù)區(qū)由多個標(biāo)線數(shù)據(jù)塊構(gòu)成，可標(biāo)識一個字符串，各區(qū)域相互之間無間隔，特殊虛線交通標(biāo)線結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過特殊虛線交通標(biāo)線二進(jìn)制編碼可得到多種標(biāo)線數(shù)據(jù)塊，進(jìn)而可設(shè)計得到特殊虛線交通標(biāo)線，將多個路面條單元組成標(biāo)線間隔區(qū)，并與標(biāo)線區(qū)循環(huán)設(shè)置，即形成了完整的特殊虛線交通標(biāo)線，如圖2所示。

圖1 特殊虛線交通標(biāo)線結(jié)構(gòu)示意

圖2 完整的特殊虛線交通標(biāo)線

在具體設(shè)計時，為了將數(shù)據(jù)區(qū)與其他區(qū)域區(qū)分開，將標(biāo)線的起始區(qū)和結(jié)束區(qū)的標(biāo)線數(shù)據(jù)塊分別取連續(xù)的標(biāo)線條單元和路面條單元，分別標(biāo)識字符“{”“}”，數(shù)據(jù)校驗區(qū)的標(biāo)線數(shù)據(jù)塊標(biāo)識字符可取一個數(shù)字，該數(shù)字由數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)字計算得到，由于車輛位置和道路交通設(shè)施信息表示差異，在具體設(shè)計特殊虛線交通標(biāo)線時不設(shè)數(shù)據(jù)校驗區(qū)，因此特殊虛線交通標(biāo)線的標(biāo)線區(qū)域可表征字符串“{*******}”。

標(biāo)線數(shù)據(jù)塊對應(yīng)一個二進(jìn)制數(shù)，可標(biāo)識數(shù)字、字母及特殊符號，在前文已提出一種6位的特殊虛線交通標(biāo)線二進(jìn)制數(shù)編碼方法，對應(yīng)標(biāo)線數(shù)據(jù)塊一種設(shè)計類型。但為了在識別過程中能快速判定特殊虛線交通標(biāo)線的準(zhǔn)確性，可對特殊虛線交通標(biāo)線二進(jìn)制編碼進(jìn)行糾錯設(shè)計。限定標(biāo)線數(shù)據(jù)塊中的標(biāo)線條單元或路面條單元個數(shù)的奇偶性，得到一種具有糾錯功能的特殊虛線交通標(biāo)線二進(jìn)制編碼方法。該編碼方法可標(biāo)識字符總數(shù)為30個，僅包含常用的17個字母，每個標(biāo)線數(shù)據(jù)塊均含偶數(shù)個標(biāo)線條單元及偶數(shù)個路面條單元，如表2所示。

表2 具有糾錯功能的二進(jìn)制數(shù)編碼方法

為了提高特殊虛線交通標(biāo)線實線部分連續(xù)的視覺效果，可對標(biāo)線數(shù)據(jù)塊進(jìn)行優(yōu)選篩選?？刂茦?biāo)線條單元和路面條單元的連續(xù)長度，可得到2種視覺效果良好，且便于識別的標(biāo)線數(shù)據(jù)塊類型和相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)編碼方法：第1種編碼方法標(biāo)識字符總數(shù)為23個，僅包含10個字母，每個標(biāo)線數(shù)據(jù)塊均含偶數(shù)個標(biāo)線條單元及偶數(shù)個路面條單元，最多只存在5個連續(xù)的標(biāo)線條單元或路面條單元；第2種編碼方法標(biāo)識字符總數(shù)為19個，僅包含必要的7個字母，最多只存在4個連續(xù)的標(biāo)線條單元或路面條單元，如表3和表4所示。

表3 優(yōu)選篩選后的二進(jìn)制數(shù)編碼方法1

表4 優(yōu)選篩選后的二進(jìn)制數(shù)編碼方法2

3 車輛位置及道路交通設(shè)施信息表示方式

特殊虛線交通標(biāo)線表征車輛位置及道路交通設(shè)施信息的前提是將這些信息統(tǒng)一用字符編碼表達(dá)，現(xiàn)介紹一種車輛位置及道路交通設(shè)施信息表示方式。

車道上車輛位置可由世界大地坐標(biāo)，所屬行政區(qū)劃，路線編號及里程樁號，行駛方向、豎向?qū)游惶柤皺M向車道序號確定。但這些信息的常規(guī)表達(dá)中包含中文(行政區(qū)劃)、字母及數(shù)字(世界大地坐標(biāo))，并根據(jù)上述方法先對這些信息進(jìn)行字符化處理，后參考相關(guān)定義和屬性對這些信息進(jìn)行處理，統(tǒng)一采用類型標(biāo)識符(字母)加數(shù)字的字符串進(jìn)行表示，各類車輛位置信息具體表示方式如表5所示。

表5 車輛位置信息表示方法

常見的道路交通設(shè)施信息主要有道路類型與技術(shù)等級、設(shè)計速度與當(dāng)前限速、前方交叉口或出入口提示、前方彎道提示、前方縱坡提示、前方路面類型與狀態(tài)提示、前方警告標(biāo)志、前方禁止標(biāo)志、其他交通標(biāo)志和其他交通設(shè)施信息。自動駕駛系統(tǒng)獲得這些信息后可以了解現(xiàn)場道路詳細(xì)情況，為自動駕駛車輛后續(xù)的行駛做出合理決策。這些信息也可采用類型標(biāo)識符(字母)+數(shù)字形式的字符串表達(dá)，建立道路交通設(shè)施信息數(shù)據(jù)庫，以便于與特殊虛線交通標(biāo)線建立對應(yīng)關(guān)系。各類道路交通設(shè)施信息具體表示方式如表6所示。

表6 道路交通設(shè)施信息表示方法

4 直線型特殊虛線交通標(biāo)線識別

4.1 識別方案

依據(jù)條形碼和常規(guī)標(biāo)線的識別，特殊虛線交通標(biāo)線可采用激光掃描[10]和圖片處理[11]2種方法進(jìn)行識別。激光掃描識別需設(shè)計專門的掃描儀，識別效率較低，漏檢率較高，為此本文采用圖片處理方式識別特殊虛線交通標(biāo)線。先選取幾個結(jié)構(gòu)化直線路段，利用前文設(shè)計內(nèi)容實地敷設(shè)一定長度的特殊虛線交通標(biāo)線；之后在不同光照條件下，沿路線前進(jìn)方向拍攝不同角度下的特殊虛線交通標(biāo)線，獲取識別所需圖像數(shù)據(jù)，由于條件限制，在拍攝過程中利用手持拍攝設(shè)備行進(jìn)方式替代實際的車輛行駛；最后構(gòu)建特殊虛線交通標(biāo)線識別程序，對獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，同時驗證識別程序的準(zhǔn)確性。

根據(jù)《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線第1部分：總則》(GB 5768.1—2009)[12]規(guī)定，使用規(guī)范外的道路交通標(biāo)線，要經(jīng)過一系列流程，耗時較長。為此，本文采用矩形紙塊貼于路表、黑色膠帶分割一般標(biāo)線等方式模擬標(biāo)線的實際敷設(shè)。本文選用具有優(yōu)選篩能力的二進(jìn)制數(shù)編碼方法1(表3)進(jìn)行特殊虛線交通標(biāo)線編碼設(shè)計，選用表征車輛大地坐標(biāo)的字符串設(shè)計特殊虛線交通標(biāo)線。為盡可能保證特殊虛線交通標(biāo)線虛線特征，特殊虛線交通標(biāo)線的尺寸數(shù)據(jù)如下：基本單元長為5 cm，寬15 cm，標(biāo)線全長為3.0 m和3.9 m，沿路線走向的相鄰兩特殊虛線交通標(biāo)線取5個標(biāo)線數(shù)據(jù)塊長度即1.5 m。特殊虛線交通標(biāo)線模擬敷設(shè)效果如圖3所示。

本文特殊虛線交通標(biāo)線識別方法：1) 對圖像進(jìn)行二值化處理，采用大津法(OTSU)[13]對圖像進(jìn)行全局二值化處理，但在處理前計算灰度圖中標(biāo)線與路表的界限灰度級，剔除路表區(qū)域灰度級，界限灰度級計算式為y=-0.010 7x2+3.908 6x-143.47，二值化效果如圖4(a)所示。2) 在圖像中定位特殊虛線交通標(biāo)線，先計算標(biāo)線區(qū)域形狀特征(矩形度、面積、周長和長寬比等)，后利用標(biāo)線區(qū)域形狀特征范圍剔除非標(biāo)線區(qū)域，再利用剩余區(qū)域的形心坐標(biāo)計算二值圖中可能存在的直線，選取一條經(jīng)過區(qū)域最多的直線定位標(biāo)線區(qū)域，定位效果如圖4(b)所示。

3) 識別圖中特殊虛線交通標(biāo)線，先利用特殊虛線交通標(biāo)線起始區(qū)和間隔區(qū)特征分割定位區(qū)域，得到完整的特殊虛線交通標(biāo)線，后基于透視變換方法[14]，構(gòu)造標(biāo)線透視變換矩陣，將分割結(jié)果調(diào)整為俯視圖形式，再基于特殊虛線交通標(biāo)線的設(shè)計原理識別標(biāo)線，識別結(jié)果如圖4(c)所示。

(a) 二值化圖

4.2 識別結(jié)果及特殊虛線交通標(biāo)線實際應(yīng)用方法

本文利用特殊虛線交通標(biāo)線識別方法構(gòu)建完整的識別程序，并隨機(jī)選取500張不同角度和不同光照條件下的標(biāo)線圖像進(jìn)行識別，識別準(zhǔn)確率為91%，效果較好。對未成功識別的圖片進(jìn)行整合，發(fā)現(xiàn)主要為不同光照條件下質(zhì)量較差的圖像，這些圖像在識別過程中會造成較多標(biāo)線區(qū)域的缺失，最終導(dǎo)致識別失敗。為了能有更高的識別準(zhǔn)確率，后續(xù)可從提高待識別圖像質(zhì)量方面入手，本文目前只研究了靜態(tài)或慢速狀態(tài)下直線路段的特殊虛線交通標(biāo)線識別，較高速度和更復(fù)雜路段的識別方法需進(jìn)一步研究。

采用特殊虛線交通標(biāo)線及自動識別方法，可在緊急情況下獲取車輛位置信息。在實際應(yīng)用中，主要實施步驟如下：

1) 利用GPS質(zhì)量評估模塊，計算GPS位置、速度、航向角和全局可靠性指標(biāo)，根據(jù)可靠性指標(biāo)的大小將其投影到狀態(tài)空間(GOOD、DOUBT、BAD、ABNORMAL)中，評價GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量；2) 依據(jù)GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞，判定是否要切換成本文方法獲取車輛位置信息；3) 為滿足自動駕駛定位需求，還需將本文方法獲取的車輛位置信息與高精度地圖和傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可利用自適應(yīng)維納濾波和卡爾曼濾波[15]實現(xiàn)信息融合。

5 結(jié)束語

1) 基于條形碼設(shè)計的特殊虛線交通標(biāo)線，整體功能仍符合虛線交通標(biāo)線的作用。

2) 特殊虛線交通標(biāo)線，可利用類型標(biāo)識符(字母)+數(shù)字的表示方式，對車輛所在位置的多種定位信息以及道路交通設(shè)施的多種管理信息進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)字化表征。

3) 采用本文特殊虛線交通標(biāo)線及圖片處理識別方法，可為自動駕駛提供特殊條件下的定位及信息查詢等應(yīng)急服務(wù)，準(zhǔn)確率達(dá)到91%。

4) 在不同光照和車速條件下獲取的圖像質(zhì)量有差異，在程序系列識別過程中會造成標(biāo)線部分缺失，若標(biāo)線污損也會造成標(biāo)線缺失，致使標(biāo)線識別失敗，在下一階段工作中需研究標(biāo)線圖像質(zhì)量評價方法及對應(yīng)的圖像質(zhì)量提高方法。同時，本文只研究了靜態(tài)或慢速狀態(tài)下直線路段的特殊虛線交通標(biāo)線識別，較高速度和更復(fù)雜路段的識別方法也需要進(jìn)一步研究。