趙俊梅，張利平

(中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，太原 030051)

交通標(biāo)志對于交通參與者來說，信息量非常多，對于輔助駕駛、無人駕駛來說，更是具有舉足輕重的作用.交通標(biāo)志類型(指示標(biāo)志、警告標(biāo)志、禁止標(biāo)志)多，形狀(三角形、矩形、圓形、多邊形)、顏色(紅色、藍(lán)色、黃色)不盡相同，具體含義(文字、數(shù)字、字母、方向等信息)非常豐富，再加上實(shí)際交通標(biāo)志的安裝位置的差異，給交通標(biāo)志檢測和識別帶來非常大的挑戰(zhàn).同時，車輛因?yàn)榈缆翻h(huán)境的改變，在行駛過程中采集圖像時易受車輛晃動和角度不同的影響，采集到的標(biāo)志圖像具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性.交通標(biāo)志長時間暴露戶外，也容易褪色、缺損和變形，也容易受到建筑物、樹葉、廣告牌等干擾物遮擋.為了安全輔助駕駛，需要行駛車輛離交通標(biāo)志一段距離時檢測到標(biāo)志，采集到的交通標(biāo)志圖像會有其它非目標(biāo)的干擾對象，這對交通標(biāo)志實(shí)時精準(zhǔn)定位要求非常高.文獻(xiàn)[1]利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對交通標(biāo)志圖像進(jìn)行檢測和識別.文獻(xiàn)[2]利用YOLO_V4和DCGAN網(wǎng)絡(luò)對標(biāo)志圖像檢測和識別.文獻(xiàn)[3]利用標(biāo)志的幾何特征和Hu不變矩等特征進(jìn)行定位和識別.文獻(xiàn)[4]利用高對比度特征、分流級聯(lián)等算法對特殊情況下的標(biāo)志圖像進(jìn)行分類和識別.文獻(xiàn)[5]利用顏色和形態(tài)學(xué)對交通標(biāo)志圖像進(jìn)行檢測.

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的樣本圖像庫，而且需要GPU硬件設(shè)備.特征檢測方法不需要太多約束.而局部特征相對于全局特征來說，具有更強(qiáng)的描述能力，具有重復(fù)性好、魯棒性高等特點(diǎn)，文中比較和分析幾種局部特征算法對交通標(biāo)志圖像進(jìn)行目標(biāo)定位.

1 角點(diǎn)特征檢測

1.1 SURF

SURF(Speeded Up Robust Features)算法是局部特征的高效穩(wěn)定的算法之一.它具有特征抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且計(jì)算速度較快.算法可分為特征點(diǎn)檢測和特征點(diǎn)描述矢量生成兩個階段[6].SURF算法先對圖像進(jìn)行積分圖像計(jì)算，然后用盒狀濾波器近似二次高斯濾波生成Hessian矩陣，最后采用非極大值抑制定位特征點(diǎn).圖像中的像素的積分值是原圖像中該像素左上方矩形區(qū)域內(nèi)的全部像素點(diǎn)的灰度值之和.圖像中任意一點(diǎn)I(x,y)，它在尺度空間上面的Hessian矩陣表示為

(1)

1.2 FAST

FAST(Features from Accelerated Segment Test)算法具有檢測速度快、計(jì)算復(fù)雜度低的優(yōu)勢，非常適合實(shí)時目標(biāo)檢測和跟蹤的情形[6].FAST算法考慮每個像素點(diǎn)周圍的一圈像素，如果在這個鄰近像素組成的圓上有若干個連續(xù)像素的灰度同時大于或小于該像素，則認(rèn)為它是一個角點(diǎn).確定FAST特征點(diǎn)的表達(dá)式為

N=∑x?(circle(p))|I(x)-I(p)|>εd,

(2)

式中：I(x)是圓周上面的特征點(diǎn)的灰度像素值；I(p)是中心特征點(diǎn)的灰度像素值；εd是兩個灰度值的閾值；N是兩個特征點(diǎn)灰度值的差大于εd的數(shù)量.

1.3 ORB

ORB(Oriented FAST Rotated Brief)算法由FAST進(jìn)化而來，擁有FAST算法的部分優(yōu)點(diǎn)，同時克服了FAST算法的缺點(diǎn)[6].它具有非最大值抑制，控制特征點(diǎn)數(shù)量的特點(diǎn).ORB算法分為兩部分，具體是特征點(diǎn)提取和特征點(diǎn)描述.特征提取是由FAST算法發(fā)展來的，特征點(diǎn)描述是根據(jù)BRIEF特征描述算法改進(jìn)的.算法首先利用FAST特征點(diǎn)檢測的方法來檢測特征點(diǎn)，然后利用Harris角點(diǎn)的度量方法，從FAST特征點(diǎn)挑選出Harris角點(diǎn)響應(yīng)值最大的特征點(diǎn).FAST特征點(diǎn)是沒有尺度不變性的，為了增加尺度不變性，ORB算法通過構(gòu)建高斯金字塔，并在每一層金字塔圖像上檢測焦點(diǎn)來實(shí)現(xiàn).另外，ORB算法采用了灰度質(zhì)心的方法讓它檢測到的特征點(diǎn)具有旋轉(zhuǎn)不變性.

1.4 KAZE

KAZE算法的特征點(diǎn)檢測是計(jì)算不同尺度下的Hessian矩陣行列式的響應(yīng)值并尋找局部極大值點(diǎn)作為特征點(diǎn)，是對Hessian矩陣行列式響應(yīng)值做歸一化[7].KAZE算法主要步驟包括：首先利用非線性擴(kuò)散濾波構(gòu)建非線性尺度空間.在非線性擴(kuò)散濾波中，將圖像亮度值L不同尺度的變化看為流動函數(shù)的散度；利用隱式差分方程，以AOS(加性算子分裂)算法進(jìn)行迭代近似估計(jì)微分方程；以金字塔為尺度空間原型，尺度級別按照指數(shù)增加.算法中，對原始圖像進(jìn)行高斯濾波，計(jì)算對比度參數(shù)，構(gòu)造非線性尺度空間圖像；非線性不變特征算法KAZE依據(jù)不同尺度的歸一化Hessian矩陣查找圖像的局部極大值點(diǎn)，將每個像素點(diǎn)與同一尺度3×3鄰域中的8個相鄰點(diǎn)以及上下相鄰尺度的共2×9個像素點(diǎn)進(jìn)行灰度值比較.若該像素點(diǎn)為極值點(diǎn)，則將其作為關(guān)鍵點(diǎn)的候選點(diǎn)；以60°的扇形窗口對特征領(lǐng)域內(nèi)的像素點(diǎn)進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)高斯加權(quán)計(jì)算特征點(diǎn)的主方向，進(jìn)而計(jì)算每個區(qū)域的的描述向量，通過對特征向量歸一化，構(gòu)建KAZE特征描述子.

1.5 BRISK

BRISK(Binary Robust Invariant Scalable Keypoints)算法主要利用FAST9-16進(jìn)行特征點(diǎn)檢測，其改進(jìn)是嘗試識別特征的尺度大小以及方向[6].BRISK首先通過創(chuàng)建具有固定數(shù)量的尺度的空間金字塔，然后根據(jù)尺度計(jì)算固定數(shù)量的intra-octave識別尺度.BRISK特征檢測器首先應(yīng)用FAST來查找這些尺度的特征，然后使用非極大值抑制來找到最大特征點(diǎn).BRISK描述符由圍繞中心點(diǎn)的一系列環(huán)構(gòu)成.在所有圓的配對之間計(jì)算構(gòu)成逐位描述符的亮度比較．這些配對構(gòu)成短距離配對和長距離配對兩個子集.短距離配對形成特征描述符，長距離配對用于計(jì)算主導(dǎo)方向.

2 復(fù)雜天氣和環(huán)境下的特征匹配

2.1 復(fù)雜天氣

實(shí)際的交通環(huán)境非常復(fù)雜，交通標(biāo)志所在的環(huán)境變幻莫測，對于雨、雪、霧等惡劣天氣的情況下，沒有路燈或者光線不足的情況下，交通標(biāo)志的檢測和定位困難更大[8].文中通過添加椒鹽噪聲，噪聲密度為0.05，模擬實(shí)際大雪天氣.添加高斯白噪聲，均值為0.3，方差為0.01，模擬大雨天氣,添加方差為0.08的乘性噪聲，模擬光照度不高或者晚上的情形.圖1是參考模板圖像,圖2是待配準(zhǔn)的交通標(biāo)志實(shí)際圖像,圖3是椒鹽噪聲下的SURF算法的兩幅圖像的配準(zhǔn)圖,圖4是椒鹽噪聲下的SURF算法的標(biāo)志定位圖,圖5是高斯噪聲下KAZE算法的兩幅圖像的配準(zhǔn)圖,圖6是高斯噪聲下KAZE算法的標(biāo)志定位圖.參考圖像和待匹配圖像中通過+或○表示特征匹配點(diǎn).

圖1 參考圖像

圖2 交通標(biāo)志圖像

圖3 椒鹽噪聲下SURF算法的標(biāo)志匹配圖

圖4 椒鹽噪聲下SURF算法的標(biāo)志定位圖

圖5 高斯噪聲下的KAZE算法的標(biāo)志匹配圖

圖6 高斯噪聲下的KAZE算法的標(biāo)志定位圖

表1是椒鹽噪聲下的5種局部特征算法的匹配結(jié)果情況表.表2是高斯噪聲下的5種局部特征算法的匹配結(jié)果情況表.表3是乘性噪聲下的5種局部特征算法的匹配結(jié)果情況表.從3個表中可以看出:KAZE算法檢測和匹配效果最好;SURF算法次之;FAST和ORB算法效果比較差.匹配數(shù)量為零的話，未寫出運(yùn)行時間，故表中是空的.

表1 椒鹽噪聲下5種局部特征算法匹配的結(jié)果

表2 高斯噪聲下5種局部特征算法匹配的結(jié)果

表3 乘性噪聲下5種局部特征算法匹配的結(jié)果

2.2 復(fù)雜環(huán)境

交通標(biāo)志所在的實(shí)際環(huán)境差異非常大，有的交通標(biāo)志可能被樹木或廣告牌等遮擋，有的交通標(biāo)志可能被撞擊后傾斜或變形，有的交通標(biāo)志顏色褪色，這均給定位帶來了挑戰(zhàn)[9].文中將圖像旋轉(zhuǎn)15°，模擬標(biāo)志牌位置改變或者顛簸造成采集角度變化.將圖像添加圓形濾波器，模擬標(biāo)志牌褪色、光照度變化或者天氣陰暗變化.將圖像添加樹葉，模擬標(biāo)志被遮擋.圖7是待配準(zhǔn)的交通標(biāo)志實(shí)際圖像.圖8是順時針旋轉(zhuǎn)15°后SURF算法的兩幅圖像的配準(zhǔn)圖.圖9是旋轉(zhuǎn)15°后SURF算法的標(biāo)志定位圖.圖10是遮擋后的ORB算法的標(biāo)志匹配圖.圖11是標(biāo)志定位圖.

圖7 交通標(biāo)志圖像

圖8 旋轉(zhuǎn)角度后的SURF算法的標(biāo)志匹配圖

圖9 旋轉(zhuǎn)角度后的SURF算法的標(biāo)志定位圖

圖10 遮擋后的ORB算法的標(biāo)志匹配圖

圖11 遮擋后的ORB算法的標(biāo)志定位圖

表4是順時針旋轉(zhuǎn)15°后5種局部特征算法的匹配結(jié)果情況表.表5是模擬模糊褪色情況下5種局部特征算法的匹配結(jié)果情況表.表6是被樹葉遮擋情形下5種局部特征算法的匹配結(jié)果情況表.從3個表中可以看出:SURF算法匹配和定位效果最好；其次是KAZE算法；FAST算法最差.

表4 旋轉(zhuǎn)角度下5種局部特征算法匹配的結(jié)果

表5 模糊褪色下5種局部特征算法匹配的結(jié)果

表6 遮擋下5種局部特征算法匹配的結(jié)果

2.3 復(fù)雜天氣和復(fù)雜環(huán)境

為了適應(yīng)復(fù)雜天氣和復(fù)雜環(huán)境下的交通標(biāo)志目標(biāo)定位的要求，進(jìn)行二者結(jié)合的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行模擬仿真.對旋轉(zhuǎn)和模糊結(jié)合、遮擋和椒鹽噪聲的情形進(jìn)行模擬.

表7是旋轉(zhuǎn)和模糊后的5種局部特征匹配結(jié)果情況表.圖8是遮擋和噪聲下的5種局部特征匹配結(jié)果情況表.從兩個表中可以看出，5種算法均不理想，匹配和定位效果無法適應(yīng)實(shí)際環(huán)境.故需要新的特征檢測算法來解決問題.根據(jù)表1～8的匹配數(shù)量和運(yùn)算時間，SURF算法和KAZE算法的綜合效果最佳.故考慮利用二者相互補(bǔ)充，來進(jìn)行交通標(biāo)志定位任務(wù).

表7 旋轉(zhuǎn)和模糊下5種局部特征算法匹配的結(jié)果

表8 遮擋和噪聲下5種局部特征算法匹配的結(jié)果

3 SURF-KAZE算法

根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)，可以明顯看出，SURF算法具有尺度不變性特征、運(yùn)算速度快、穩(wěn)定性好，KAZE算法魯棒性強(qiáng)、抗噪聲能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快，匹配率高.KAZE算法對于標(biāo)志旋轉(zhuǎn)比較敏感，SURF算法抗噪聲能力比KAZE算法稍微弱一些，故充分考慮二者的優(yōu)缺點(diǎn)，將其有機(jī)結(jié)合，再進(jìn)行目標(biāo)定位，效果會更好.SURF-KAZE算法步驟如下：

(1)檢測參考圖像和待配準(zhǔn)圖像的SURF和KAZE特征值.

(2)提取參考圖像和待配準(zhǔn)圖像的SURF和KAZE的特征描述符.

(3)首先對KAZE描述符進(jìn)行匹配，再對SURF描述符進(jìn)行匹配.為了獲取更多的特征匹配點(diǎn)，需要設(shè)置合理閾值.

(4)獲取SURF和KAZE的候選特征描述符.

(5)將SURF和KAZE的候選特征值全部考慮，進(jìn)而獲得SURF-KAZE的綜合特征點(diǎn)的位置，進(jìn)而獲取更好匹配點(diǎn).

圖12是順時針旋轉(zhuǎn)10°和圓形濾波器的模糊噪聲下的標(biāo)志匹配圖.圖13是順時針旋轉(zhuǎn)10°和圓形濾波器的模糊噪聲下的標(biāo)志定位圖.圖14是在旋轉(zhuǎn)和模糊噪聲基礎(chǔ)上面再添加椒鹽噪聲，噪聲密度為0.2的標(biāo)志匹配圖.圖15是標(biāo)志定位圖.

圖12 旋轉(zhuǎn)和模糊下兩種算法標(biāo)志匹配圖

圖13 旋轉(zhuǎn)和模糊下兩種算法標(biāo)志定位圖

圖14 旋轉(zhuǎn)、模糊和椒鹽噪聲下的標(biāo)志匹配圖

圖15 旋轉(zhuǎn)、模糊和椒鹽噪聲下的標(biāo)志定位圖

4 仿真分析

交通標(biāo)志種類多、所處環(huán)境復(fù)雜，為了證明SURF-KAZE算法的有效性和魯棒性，通過仿真平臺，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn).采集到50幅實(shí)際道路環(huán)境下的交通標(biāo)志圖像，進(jìn)行了各種噪聲、旋轉(zhuǎn)、遮擋等模擬，圖像庫可以擴(kuò)展到200幅左右圖像.電腦配置如下：CPU選用i5-7200U，2.70 GHz；RAM選用16.0 GB.通過仿真平臺，進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn).交通標(biāo)志的匹配準(zhǔn)確率可以達(dá)96%以上，如果旋轉(zhuǎn)角度大、噪聲級別高，會給目標(biāo)定位帶來問題和錯誤率.圖16是參考模板圖像.圖17是添加樹葉遮擋后的圖像.圖18是遮擋基礎(chǔ)上添加旋轉(zhuǎn)角度和噪聲的標(biāo)志匹配結(jié)果圖.圖19是標(biāo)志定位圖.

圖16 參考圖像 圖17 被遮擋的交通標(biāo)志圖像

圖18 遮擋、旋轉(zhuǎn)、噪聲下的標(biāo)志匹配圖

圖19 遮擋、旋轉(zhuǎn)、噪聲下的標(biāo)志定位圖

5 結(jié) 論

交通標(biāo)志的精確、快速定位是智能車輛的重要領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)無人駕駛、輔助駕駛的主要內(nèi)容之一.結(jié)合局部特征的優(yōu)勢和特點(diǎn)，對5種局部特征的檢測、匹配效果和能力進(jìn)行了對比分析，并提出了SURF-KAZE互補(bǔ)結(jié)合的算法.對交通標(biāo)志圖像進(jìn)行了大量仿真實(shí)驗(yàn)，證明了算法的抗干擾能力、精確定位能力，說明算法在復(fù)雜的道路環(huán)境下，具有一定的實(shí)用性.文中提出的算法相對單一局部特征算法來說，彌補(bǔ)了其缺點(diǎn)和劣勢，集成了SURF與KAZE的優(yōu)勢，具有非常強(qiáng)的魯棒性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性.算法相對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，具有運(yùn)行時間短、圖像數(shù)據(jù)集少、定位效果好等特點(diǎn).