視頻車牌識(shí)別技術(shù)在ETC系統(tǒng)中的應(yīng)用

孟 波，劉 繼

（江蘇省潤(rùn)揚(yáng)大橋發(fā)展有限責(zé)任公司，江蘇鎮(zhèn)江 212115）

1 ETC 系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用

在高速公路建設(shè)快速發(fā)展的同時(shí)，我國(guó)高速公路收費(fèi)系統(tǒng)也有了很大的發(fā)展。10 多年來(lái)，高速公路收費(fèi)系統(tǒng)已經(jīng)由全面引進(jìn)階段逐步過(guò)渡到自主開(kāi)發(fā)與引進(jìn)相結(jié)合的階段。隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，特別是跨省市同道主干線高速公路網(wǎng)絡(luò)的逐步形成，社會(huì)對(duì)收費(fèi)系統(tǒng)的技術(shù)要求將會(huì)越來(lái)越高，自動(dòng)化程度較高的收費(fèi)技術(shù)必然逐步取代傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式。

電子收費(fèi)ETC(Electronic Toll Collection)是一種先進(jìn)的收費(fèi)方式，是智能交通系統(tǒng)（ITS）的服務(wù)功能之一，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。ETC 是物聯(lián)網(wǎng)在智能交通的典型應(yīng)用，與人工收費(fèi)相比，ETC 節(jié)省了車輛在收費(fèi)站停車、等候、交費(fèi)所耗時(shí)間，是解決收費(fèi)站處交通堵塞、能源消耗、運(yùn)營(yíng)成本增加等交通難題的最佳選擇。ETC 系統(tǒng)是提高高速公路收費(fèi)站通行能力，緩解交通堵塞，改善環(huán)境，節(jié)約能源的重要設(shè)施，每通行一次ETC 車道，較人工收費(fèi)車道可節(jié)約燃油約0.0147L；一條ETC 車道至少相當(dāng)于3～5 條人工車道的通行服務(wù)能力，并可減少專職收費(fèi)人員4 人，廢氣排放減少20%以上。

在京津冀和長(zhǎng)三角ETC 聯(lián)網(wǎng)示范工程的帶動(dòng)下，目前我國(guó)已有26 個(gè)?。▍^(qū)、市）按照國(guó)家和部頒標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)開(kāi)通了ETC系統(tǒng)。隨著ETC 系統(tǒng)在全國(guó)高速公路大規(guī)模建設(shè)與應(yīng)用，其安全、便捷、綠色、環(huán)保效益凸顯，社會(huì)各界廣泛關(guān)注，得到了社會(huì)公眾和行業(yè)主管部門(mén)的廣泛認(rèn)可，從各個(gè)方面都在積極推進(jìn)ETC 應(yīng)用與發(fā)展。截至2014 年第一季度，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)與測(cè)算，我國(guó)開(kāi)通ETC 車道共計(jì)7000 多條，ETC 用戶數(shù)達(dá)1000 多萬(wàn)，ETC 交易額達(dá)到總交易額的9～15%，遵照國(guó)務(wù)院及交通運(yùn)輸部的統(tǒng)一安排，2015 年底前實(shí)現(xiàn)已開(kāi)通省市的全國(guó)ETC 聯(lián)網(wǎng)。

2 視頻稽查系統(tǒng)在ETC 系統(tǒng)中的應(yīng)用

ETC 系統(tǒng)在保障有ETC 通行卡車輛快速通行ETC 車道的同時(shí)，還要防止那些沒(méi)有ETC 通行卡車輛在ETC 車道闖卡偷逃高速公路通行費(fèi)，或者通過(guò)倒卡、換卡偷逃高速公路通行費(fèi)，必須在ETC 車道安裝、使用視頻稽查設(shè)備，視頻稽查系統(tǒng)采用高清CCD 攝像機(jī)和車牌識(shí)別儀，采用圖像處理與模式識(shí)別技術(shù)，識(shí)別過(guò)往車輛的汽車牌照并拍攝汽車前部圖像（含駕駛員圖像），通過(guò)與ETC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)ETC 車道的視頻稽查。

視頻稽查系統(tǒng)有2 種組成形態(tài)：一種由高清CCD 攝像機(jī)單元、車牌識(shí)別儀組成；另一種是直接采用嵌入式一體化高清抓拍單元，從功能組成上都可以理解為由圖像采集模塊和車牌識(shí)別模塊組成。差異在于嵌入式一體化高清抓拍單元是將車牌識(shí)別算法集成在攝像機(jī)中；而前者是集成在一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備單元中。

2.1 模塊

圖像采集模塊：主要由專用、高清CCD 攝像機(jī)及專業(yè)鏡頭組成，為車牌識(shí)別提供高清晰數(shù)字化圖像數(shù)據(jù)。

車牌識(shí)別模塊：對(duì)接收到的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理、車牌定位、字符分割、車牌識(shí)別、二值化處理。然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將車牌信息傳送到ETC 收費(fèi)系統(tǒng)。

2.2 主要功能

主要功能有：車輛檢測(cè)功能、圖像捕獲功能、字符識(shí)別功能、數(shù)據(jù)壓縮功能和數(shù)據(jù)傳輸功能。

（1）車輛檢測(cè)功能：通過(guò)車輛檢測(cè)器I/O 接口或自動(dòng)視頻檢測(cè)的方式，能夠檢測(cè)通過(guò)其監(jiān)控區(qū)域的所有車輛。

（2）圖像捕獲功能：能夠捕獲通過(guò)其監(jiān)控區(qū)域的所有車輛的汽車前部高清數(shù)字圖像。

（3）字符識(shí)別功能：能夠識(shí)別符合“GA36-92”（92 式牌照）和“GA36.1-2001”（02 式新牌照）標(biāo)準(zhǔn)的民用車、警車及12 式新武警牌照等牌照的漢字、英文字母、數(shù)字等完整信息，實(shí)現(xiàn)整牌識(shí)別。

（4）數(shù)據(jù)壓縮功能：不僅能夠?qū)⒉东@到的車頭圖像按照標(biāo)準(zhǔn)的JPEG 格式進(jìn)行壓縮，而且能夠?qū)④嚺茍D像二值化后進(jìn)行壓縮。

（5）數(shù)據(jù)傳輸功能：能夠向ETC 實(shí)時(shí)提供汽車牌照的整牌完整信息，包括牌照顏色、及牌照字母與數(shù)字（漢字、英文字母、數(shù)字）、牌照二值化圖像、整車前部圖像。

3 視頻二義性解決方案在ETC 系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著我國(guó)高速公路的不斷發(fā)展，目前我國(guó)已形成了密布的高速公路交通網(wǎng)，各省高速公路進(jìn)行大范圍的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)，達(dá)到了節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本、統(tǒng)一管理的較高水平。然而，對(duì)于進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的高速公路網(wǎng)來(lái)說(shuō)，不可避免的存在有高速公路環(huán)路情況，這種環(huán)路現(xiàn)象造成了高速公路收費(fèi)運(yùn)營(yíng)中的“路徑二義性問(wèn)題”，即從甲地可以通過(guò)多種路徑到達(dá)乙地，而通行路徑不同使得通行距離不同、計(jì)費(fèi)不同、收費(fèi)主體不同，因此需要解決路徑二義性問(wèn)題。

解決路徑二義性問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何獲得車輛行駛的路線，而這要在高速公路的主線標(biāo)識(shí)站設(shè)置車輛識(shí)別設(shè)備，目前主要方法有2 種：（1）基于ETC 技術(shù)的車輛身份識(shí)別；（2）基于視頻車牌識(shí)別技術(shù)的車輛身份識(shí)別。

基于ETC 技術(shù)的車輛身份識(shí)別，雖具有識(shí)別率高的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也是不言而喻的。具體表現(xiàn)在：（1）基于ETC 技術(shù)的標(biāo)識(shí)設(shè)備投資較大；（2）只能對(duì)持有ETC 卡的車輛進(jìn)行標(biāo)識(shí)；（3）與目前國(guó)家交通部正在推廣的交通流調(diào)查設(shè)備不兼容；（4）與目前國(guó)家公安部正在推廣的超速監(jiān)測(cè)設(shè)備不兼容。

基于視頻車牌識(shí)別技術(shù)的車輛身份識(shí)別，雖然暫時(shí)還沒(méi)有基于ETC 技術(shù)的車輛身份識(shí)別的識(shí)別率高，但其優(yōu)點(diǎn)十分突出。例如：（1）基于視頻車牌識(shí)別技術(shù)的標(biāo)識(shí)設(shè)備投資較小；（2）不僅能對(duì)持有ETC 卡的車輛進(jìn)行標(biāo)識(shí)，還能對(duì)所有未持有ETC 卡的車輛進(jìn)行標(biāo)識(shí)，對(duì)高速公路全部通行車輛而言，其標(biāo)識(shí)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出基于ETC 技術(shù)的標(biāo)識(shí)設(shè)備；（3）與目前國(guó)家交通部正在推廣的交通流調(diào)查設(shè)備兼容，在進(jìn)行車輛路徑標(biāo)識(shí)的同時(shí)，采集了國(guó)家交通部需要的交通流量數(shù)據(jù)；（4）能夠記錄車輛經(jīng)過(guò)道路節(jié)點(diǎn)的圖像信息，收費(fèi)稽查取證、路徑標(biāo)示留證更直觀，說(shuō)服力更強(qiáng)；（5）與目前國(guó)家公安部正在推廣的超速監(jiān)測(cè)設(shè)備兼容，在進(jìn)行車輛路徑標(biāo)識(shí)的同時(shí)，取證了所有超速違法車輛證據(jù)，而且作為卡口數(shù)據(jù)為公安部門(mén)打擊涉車犯罪提供第一手資料和證據(jù)。

高速公路單向多為兩車道或三車道。為了保證系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的捕獲任意一個(gè)行駛車輛，一般只需配置一臺(tái)高清攝像機(jī)進(jìn)行抓拍，才能避免從車道中線行駛造成的數(shù)據(jù)丟失。

在高速公路主線標(biāo)識(shí)站配置的車輛識(shí)別設(shè)備與高速公路收費(fèi)站配置的車牌識(shí)別設(shè)備，基本功能和主要技術(shù)參數(shù)大體相同，但增加了一些功能，在一些技術(shù)參數(shù)上要求更高。例如：（1）如與交調(diào)設(shè)備兼容，需增加交通流量信息提取功能，包括車輛數(shù)量、車型車長(zhǎng)、通行密度等。（2）如與超速設(shè)備兼容，需增加測(cè)速功能。（3）允許車輛行駛速度要比收費(fèi)站更快些。（4）單車牌照識(shí)別時(shí)間要比收費(fèi)站更短些。（5）燈光照明要求更高些，一方面是燈光與被拍攝車輛距離遠(yuǎn)，另一方面是照明燈光對(duì)駕駛員影響要小。

4 視頻車牌識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

視頻車牌識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)規(guī)范一般按照適用標(biāo)準(zhǔn)、輔助標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)3 部分匯總?cè)缦拢?/p>

4.1 適用標(biāo)準(zhǔn)

適用標(biāo)準(zhǔn)有：《汽車號(hào)牌視頻自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)》JT/T604-2004；《公路車輛智能監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)通用技術(shù)條件》GA/T497-2004；《闖紅燈自動(dòng)記錄系統(tǒng)通用技術(shù)條件》GA/T496-2009。

4.2 輔助標(biāo)準(zhǔn)

輔助標(biāo)準(zhǔn)有：《信息技術(shù)、軟件包 質(zhì)量要求和測(cè)試》GB/T 17544-1998；《計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)檢測(cè)規(guī)范》DB21/T 1202-2000；《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)》GB/T 2423；《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)》GB/T 17626；《民用閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB/T 50198；《全國(guó)道路交通管理信息數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范》GA 329；《交通技術(shù)監(jiān)控信息數(shù)據(jù)規(guī)范》GA 648。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)有：《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JTG B01-2003；《高速公路交通工程及沿線設(shè)施設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D80-2006；《電氣裝置安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50254～50259-96；《通信管道工程施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》YD5103-2003；《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTJ041-2000；《收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)要求》交通部2007 年第35 號(hào)公告。

5 視頻車牌識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

目前先進(jìn)的視頻車牌識(shí)別一般采用美國(guó)TI 公司的DaVinci平臺(tái)數(shù)字媒體處理器（主流的代表型號(hào)如TMS320DM8127）、日本SONY 公司彩色逐行掃描CCD 傳感器和Linux 操作系統(tǒng)，將攝像機(jī)、微處理器、存儲(chǔ)器、數(shù)字A/D、智能視覺(jué)嵌入式軟件等集成在一起。CCD 傳感器采用全幀快門(mén)，能夠外部觸發(fā)，逐行掃描，快門(mén)速度5 微秒～20 秒。TI DaVinci 系列DSP 是當(dāng)前交通行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的DSP，具有運(yùn)行速度快、處理能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

6 視頻車牌識(shí)別系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)和DSP 技術(shù)的飛躍式提高，可以比以前加入更多、更好的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的預(yù)處理、牌照搜索、字符分割、字符識(shí)別，達(dá)到更高的識(shí)別率和更快的處理速度，實(shí)現(xiàn)實(shí)用的目的。

6.1 牌照分割技術(shù)研究

在干擾嚴(yán)重、特征失真的圖像環(huán)境中，利用紋理、色彩、投影、拓?fù)?、邊緣等特性進(jìn)行牌照字符分割、識(shí)別的快速、準(zhǔn)確的算法設(shè)計(jì)。

由于汽車圖像攝于背景復(fù)雜且光照不均的自然場(chǎng)景下，因而怎樣從自然背景中準(zhǔn)確可靠地定位出車牌區(qū)域，是很關(guān)鍵的。為此，人們進(jìn)行了很多研究，提出了許多定位算法。其中大部分算法是基于車牌的不同特征進(jìn)行的，目前較為成熟的算法有：

自適應(yīng)邊界搜索法利用倒L 型、水平直線、垂直直線這些結(jié)構(gòu)元素搜索、定位字符，然后找出符合一定格式的字符群，即認(rèn)為是車牌；區(qū)域生長(zhǎng)法是對(duì)邊緣圖像進(jìn)行均勻性區(qū)域生長(zhǎng)以獲得潛在的車牌區(qū)域，然后利用車牌的幾何特征以及車牌區(qū)域內(nèi)的邊緣灰度直方圖統(tǒng)計(jì)特征刪除偽車牌，即得真實(shí)車牌；灰度圖像數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算法則利用車牌形狀特征、字符排列格式特征，對(duì)預(yù)處理后的灰度圖像進(jìn)行一系列的形態(tài)學(xué)運(yùn)算，得到直線與一定數(shù)目的字符相鄰的區(qū)域即認(rèn)為是車牌；基于字符串特征增強(qiáng)的分割方法采用一種線性濾波器突出牌照區(qū)域的紋理，再采用取閾值的方法來(lái)分割牌照區(qū)域；模糊聚類法則利用模糊邏輯系統(tǒng)，根據(jù)一些分類參量判別由粗分割得到的圖像中不確定部分是隸屬于背景還是目標(biāo)，從而分割出車牌；基于灰度圖的車牌定位和分割法首先選取適當(dāng)?shù)拈撝涤玫ǖ玫蕉祱D，再根據(jù)車牌中文字筆畫(huà)的垂直邊緣特征做車牌定位；DFT 變換法是先對(duì)圖像逐行做DFT 變換，然后把頻率系數(shù)逐行累加、平均并根據(jù)這些平均值做出頻譜曲線，根據(jù)頻譜曲線中的“峰”的起始點(diǎn)位置確定車牌水平位置，對(duì)這一水平區(qū)域逐行做DFT 變換可確定車牌豎直位置。

車牌區(qū)域定位算法目前很多，且許多在實(shí)際應(yīng)用中都取得了很好的效果。因此，要解決汽車牌照自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一的車牌定位技術(shù)。

6.2 字符識(shí)別技術(shù)研究

基于色彩、灰度圖像的字符綜合特征定義、提取及識(shí)別的新算法，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車牌照中數(shù)字、英文、漢字的快速、準(zhǔn)確識(shí)別。字符分割與識(shí)別是先將車牌區(qū)域分割成單個(gè)的字符，然后再進(jìn)行識(shí)別，難點(diǎn)是模糊、斷裂的字符的識(shí)別。

字符分割目前一般采用垂直投影法。由于字符塊在豎直方向上的投影必然在字符間或字符內(nèi)的間隙處取得局部最小值，因此字符的正確分割位置應(yīng)該在上述局部最小值的附近，并且這個(gè)位置應(yīng)滿足車牌的字符書(shū)寫(xiě)格式、字符尺寸限制和一些其他條件。利用垂直投影法，對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的汽車圖像中的字符分割有較好的效果。

字符識(shí)別方法目前主要有基于模板匹配算法和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法?；谀０迤ヅ渌惴ㄊ紫劝汛R(shí)別字符二值化并將其尺寸大小縮放為字符數(shù)據(jù)庫(kù)中模板的大小，然后與所有的模板進(jìn)行匹配，最后選最佳匹配作為結(jié)果。由于這種匹配算法穩(wěn)定性較差、時(shí)間花費(fèi)也較大，因此在此基礎(chǔ)上提出了基于關(guān)鍵點(diǎn)的匹配算法。此算法先對(duì)待識(shí)別字符進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)提取，然后對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)去噪，最后再確定字符的分類。這種匹配算法只利用了字符的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行匹配，因此提高了識(shí)別速度又具有較高的識(shí)別率。基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法主要有2 種：一種是先對(duì)待識(shí)別字符進(jìn)行特征提取，然后用所獲得的特征來(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器；另一種方法是直接把待處理圖像輸入網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)特征提取直至識(shí)別出結(jié)果。前一種方法識(shí)別結(jié)果與特征提取有關(guān)，而特征提取比較耗時(shí)，因此特征提取是關(guān)鍵。后一種方法無(wú)須特征提取和模板匹配，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，這種方法更實(shí)用。

6.3 算法的綜合分析及應(yīng)用

由以上分析可知，汽車牌照自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)車牌區(qū)域定位技術(shù)和字符分割與字符識(shí)別技術(shù)現(xiàn)今發(fā)展都日趨成熟，且算法比較多。目前在實(shí)際應(yīng)用中，車牌區(qū)域定位算法大多將自適應(yīng)邊界搜索法和灰度圖像數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算法結(jié)合起來(lái)使用，以提高定位的精度；車牌字符識(shí)別算法大多采用運(yùn)算速度較快的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。每一種算法均有其優(yōu)缺點(diǎn)，只有經(jīng)過(guò)工程實(shí)際檢驗(yàn)的算法，才是最佳的算法。

7 結(jié)語(yǔ)

在高速公路自動(dòng)化收費(fèi)系統(tǒng)中，視頻車牌識(shí)別技術(shù)具有良好的市場(chǎng)前景，它不會(huì)因ETC 技術(shù)的出現(xiàn)而退出歷史舞臺(tái)，兩者會(huì)相得益彰的共同發(fā)展、共同繁榮。

［1］沈莉兵.車輛牌照識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：專業(yè)版，2007（9）.

［2］王金紅，柳延領(lǐng)，王麗俠.數(shù)字圖像處理在車牌識(shí)別中的應(yīng)用［J］.價(jià)值工程，2010（21）.

［3］王鈺.車輛識(shí)別系統(tǒng)中的基礎(chǔ)性算法研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2010.

［4］魯飛.車牌定位與字符分割算法的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011.

［5］陳培良，王凌霄.二義性路徑識(shí)別系統(tǒng)方案探索和實(shí)踐［J］.中國(guó)交通信息產(chǎn)業(yè)，2008（12）.