紙幣冠字號預(yù)處理及組合特征識別方法

梁 楊，任勝兵，胡志剛

（中南大學(xué) 軟件學(xué)院，湖南 長沙410075）

0 引 言

紙幣冠字號識別作為目前模式識別領(lǐng)域的一項重要應(yīng)用，主要涉及圖像預(yù)處理、字符分割和字符識別三大模塊。圖像預(yù)處理是冠字號識別系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，主要包括冠字號定位［1］，旋轉(zhuǎn)校正［2］，二值化［3，4］，去噪濾波［5］等環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的圖像定位方法中，有的依靠經(jīng)驗值對圖像進行粗略截取，定位誤差較大，有的通過掃描圖像某些特征來截取目標(biāo)區(qū)域，抗干擾性差且耗時。傳統(tǒng)的幾何坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)算法雖然實現(xiàn)簡單，但需要對每個點都進行包含乘加運算的坐標(biāo)變換，非常耗時，并且待旋轉(zhuǎn)圖像越大其執(zhí)行速度越會成為系統(tǒng)瓶頸。傳統(tǒng)的二值化主要有全局閾值法和局部閾值法，全局閾值法根據(jù)圖像的灰度統(tǒng)計確定閾值，算法速度快，但抗干擾能力差；局部閾值法需要對每個點及其鄰域的灰度信息進行判斷，有一定的抗噪性，但速度很慢。字符識別作為識別系統(tǒng)的核心，其識別率和識別速度直接影響整個系統(tǒng)的性能。根據(jù)特征提取方法不同，常用的識別方法有模板匹配法［6－8］，小矩量法［9］和網(wǎng)格法［10］。文獻(xiàn) ［6－8］介紹的模板匹配法相對簡單，但比較耗時，而且識別率較低；文獻(xiàn) ［9］利用小波矩提取的特征向量維數(shù)較高，算法收斂速度慢，識別率較低；文獻(xiàn) ［10］介紹的網(wǎng)格法需要計算每個網(wǎng)格的統(tǒng)計特征，雖然網(wǎng)格特征容易提取，但其抗位置變化能力差，字符的傾斜、偏移會導(dǎo)致網(wǎng)格間錯位，使識別率降低。

針對以上方法處理速度和準(zhǔn)確率的不足，改進了預(yù)處理的關(guān)鍵算法并提出了一種組合特征識別方法。預(yù)處理階段，提出一種幾何定位算法，達(dá)到了精確性和實時性的要求；改進旋轉(zhuǎn)算法，提高了執(zhí)行速度；提出一種可變滑窗二值化算法和一種濾波算法，改善了二值化效果。識別階段，通過有針對性地提取字符的必選特征和若干可選特征，采用多叉樹作為分類器，高效地進行分類識別。以美元冠字號為例的測試驗證了該方法可以達(dá)到較高的識別率和識別速度，滿足工程應(yīng)用的要求。

1 紙幣冠字號碼識別流程

一般地，冠字號識別流程可分為圖像采集、圖像預(yù)處理、字符分割、字符識別等四大步驟。其中，圖像采集一般由圖像傳感器等硬件部分完成，本文主要研究圖像采集后軟件算法的改進。冠字號識別系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 冠字號識別系統(tǒng)整體框架

2 預(yù)處理關(guān)鍵算法改進

2.1 冠字號區(qū)域定位

如果對整張美元圖像進行處理，很多無關(guān)信息并不需要，而且數(shù)據(jù)量大，效率低。所以定位的目的就是得到包含完整冠字號碼的圖片部分，盡量切掉冠字號周圍無關(guān)的圖像，因此首先要根據(jù)冠字號的位置特點將冠字號區(qū)域初步定位下來。本文提出一種幾何定位方法，算法思想如下：

（1）采用邊界找點法確定紙幣圖像四條邊上的若干點（點的個數(shù)根據(jù)實驗確定，但至少為2），以此來線性擬合出紙幣的四條邊界線。

（2）根據(jù)最小二乘法原理求出紙幣圖像四條邊界線的斜率和截距。

（3）確定目標(biāo)區(qū)域上邊線到紙幣上邊界線的距離、目標(biāo)區(qū)域左邊線到紙幣左邊界線的距離、目標(biāo)區(qū)域的高度和寬度。

（4）根據(jù)直線平移原理以及步驟 （3）中確定的距離、寬度和高度參數(shù)，平移四條邊界線，將目標(biāo)區(qū)域包含在四條直線圍成的矩形區(qū)域內(nèi)。

（5）求出平移后四條直線的交點，然后根據(jù)交點坐標(biāo)將目標(biāo)區(qū)域截取出來，即可準(zhǔn)確地定位出包含冠字號的區(qū)域。

2.2 圖像旋轉(zhuǎn)校正

為了方便后續(xù)分割與識別，需要對定位后傾斜的冠字號區(qū)域進行旋轉(zhuǎn)校正。旋轉(zhuǎn)應(yīng)先考慮到如下三方面：①為了使處理的數(shù)據(jù)量小，對目標(biāo)區(qū)域旋轉(zhuǎn)時超出整幅圖像邊界的部分需要裁剪掉；②繞圖像中心進行旋轉(zhuǎn)，確保冠字號不會被切割掉；③由于圖像的像素坐標(biāo)只能為整數(shù)，而經(jīng)過坐標(biāo)變換后，原圖像與旋轉(zhuǎn)后圖像的點不是一一對應(yīng)關(guān)系，旋轉(zhuǎn)后點的坐標(biāo)出現(xiàn)小數(shù)，需要估算該點的灰度值。

字符識別系統(tǒng)主要應(yīng)用于嵌入式平臺，因此針對實時性和準(zhǔn)確性的問題，旋轉(zhuǎn)算法有三點改進：

（1）采用查表法建立每一度傾角對應(yīng)的正弦、余弦映射表，并把相應(yīng)的正余弦值擴大為真實值的256 倍，使運算過程中只有整數(shù)沒有浮點數(shù)，所有乘除運算均通過移位運算實現(xiàn)。

（2）只選取每行的第一個點根據(jù)式 （1）進行坐標(biāo)變換，該行其余點根據(jù)式 （2）進行坐標(biāo)變換

其中，θ為旋轉(zhuǎn)角度，式 （1）中 （X0，Y0）為旋轉(zhuǎn)前的點，（X，Y）為旋轉(zhuǎn)后的點，式 （2）中 （X，Y）為前一個旋轉(zhuǎn)后的點，（Xnext，Ynext）為下一個旋轉(zhuǎn)后的點，式 （2）根據(jù)同一行前后兩個點橫坐標(biāo)的關(guān)系得出。

（3）采用雙線性插值法估計旋轉(zhuǎn)后點的灰度值。把旋轉(zhuǎn)后像素坐標(biāo) （X，Y）分解成 （x＋u，y＋v），其中x、y代表坐標(biāo)點的整數(shù)部分，u、v 代表坐標(biāo)點的小數(shù)部分。如式 （3）所示

由式 （3）可以看出，用距離點 （x＋u，y＋v）最近的4個點估計 （x＋u，y＋v）灰度值，f （x＋u，y＋v）的值即為旋轉(zhuǎn)校正后點 （X0，Y0）的灰度值。距離點 （x＋u，y＋v）越近，對 （X0，Y0）灰度值影響越大。

2.3 二值化

二圖像的好值壞直接影響字符特征的提取，進而影響識別率。提出了一種可變滑窗二值化算法，主要思想是：將原圖像用滑動窗口分成若干子圖像，再分別用OTSU 算法進行二值化，滑窗大小根據(jù)整幅圖像中噪音多少自適應(yīng)調(diào)整。算法簡述如下：

算法1：可變滑窗二值化算法輸入：原始圖像F（x，y）輸出：二值圖像B（x，y）Begin If F（x，y）中灰度值在80到140間的點數(shù)大于常數(shù)K Then滑窗寬度WIN＝COL／N1 Else 滑窗寬度WIN ＝COL／N2 ‘N2 ＜N1 EndIf For j＝1：COL If（j＞0）AND（j% WIN＝0） Then 用OTSU 算法計算當(dāng)前窗口閾值并二值化，二值化結(jié)果保存在B（x，y）中 EndIf EndFor Output B（x，y）End

2.4 濾波算法

實際應(yīng)用中，二值化后的圖像里難免存在噪聲干擾，為進一步提高二值圖像質(zhì)量，提出了一種能降低離散噪聲的濾波算法，主要思想是：如果該點為前景點0，并且其一周至少有3個背景點1，并且其相鄰右邊3個點或下面3個點不全為0時，將其置為1。算法簡述如下：

算法2：濾波算法輸入：二值圖像B（x，y）輸出：濾波圖像T（x，y）Begin T（x，y）＝B（x，y）For i＝2：ROW－1 For j＝2：COL－1 If （T（i，j）＝0） AND（（T（i－1，j）＋T（i＋1，j）＋T（i，j－1）＋T（i，j＋1））＞2） AND （（T（i＋1，j）＋T（i＋2，j）＋T（i＋3，j）＞0）） AND （（T（i，j＋1）＋B（i，j＋2）＋T（i，j＋3）＞0）） Then T（i，j）＝1； EndIf EndFor EndFor Output T（x，y）End

3 特征提取與識別

3.1 組合特征提取

字符特征提取是字符識別的關(guān)鍵，通過研究字符的結(jié)構(gòu)特征和統(tǒng)計特征，提出了一種高效的組合特征提取方案，具體方法如下：

（1）橫豎線特征：大量實驗發(fā)現(xiàn)，橫豎線特征作為字符的一種結(jié)構(gòu)特征，非常具有代表性，分類效果明顯。為此，首先給出橫豎線的定義，假設(shè)字符外接矩形的高度為H，寬度為W。

定義1 字符圖像中，垂直線高度大于αH，稱為豎線。

定義2 字符圖像中，水平線寬度大于βW，稱為橫線。

其中，α是豎線特征比閾值，β是橫線特征比閾值，0.5＜α＜1，0.5＜β＜1。

此外，規(guī)定橫豎線特征向量為兩位，表示為 （colFeature，rowFeature），colFeature 代表豎線特征，取值為0、1、2、3、4，分別代表：無左右豎線、僅有左豎線、僅有右豎線、僅有中豎線、兩側(cè)均有豎線；rowFeature代表橫線特征，取值為0、1、2、4，分別代表：無上下橫線、僅有上橫線、僅有下橫線、上下均有橫線。

提取字符豎線特征的步驟：①從左到右掃描字符的每一列，計算該列最大連續(xù)黑色像素點的個數(shù)N。②如果N／H＞＝α，說明該列為豎線，如果N／H＜α，說明該列不是豎線。③如果該字符所有列都不存在豎線，則colFeature＝0；如果只有前三列存在豎線，則colFeature＝1；如果只有后三列存在豎線，則colFeature＝2；如果只有中間三列存在豎線，則colFeature＝3；如果前三列和后三列同時存在豎線，則colFeature＝4。

橫線特征提取步驟和豎線類似，在此不再贅述。

通過提取橫豎線特征，得到僅有兩個特征值的二維向量，分類效率高。不僅能有效區(qū)分1和4，I和H 等結(jié)構(gòu)特征差別較大的字符，也能有效區(qū)分N 和K，6和5等一些形似字符。

對訓(xùn)練樣本集提取了不同字符的橫豎線特征后，首先要進行字符集的劃分。在實際應(yīng)用中由于存在字符傾斜、噪聲干擾等影響，可能造成同一字符對應(yīng)多個特征向量的情況。由于篇幅所限，這里以特征向量 （1，0）， （4，2）為例，給出對應(yīng)的字符集見表1。

表1 字符集舉例

（2）連通域特征：字符的連通域特征非常穩(wěn)定，不受字符傾斜的影響，抗干擾能力強，很好地彌補了字符橫豎線特征的不足。

二值圖像的連通域標(biāo)記是指在白色像素 （通常用1表示）和黑色像素 （通常用0表示）組成的一幅點陣圖像中，把互相鄰接 （一般4－鄰接或8－鄰接）的像素值為1的像素集合提取出來，為圖像中不同的連通域填入不同的數(shù)字標(biāo)記，并統(tǒng)計連通域的數(shù)目。

字符連通域特征的提取步驟如下：

令標(biāo)記變量flag 初值為2，為方便連通域掃描，在分割完的字符四周加上一圈背景像素點1，如圖2 （a）所示；

從坐標(biāo)為 （0，0）的點開始順序掃描，如果值為1，則標(biāo)記為flag 的值，然后坐標(biāo)先進棧，判斷如果棧非空，則棧頂坐標(biāo)出棧，同時遍歷該出棧點4鄰域內(nèi)的點，如果為1，則進棧，標(biāo)記為flag 的值，否則不標(biāo)記。如此循環(huán)判斷棧的狀態(tài)，非空則出棧并進行遍歷和標(biāo)記。直到?？眨瓿梢粋€連通域的標(biāo)記，并使flag 值加1以便標(biāo)記下一個連通域；

直到該字符圖像中所有點均已被標(biāo)記，即不存在值為1的像素點時，所有連通域標(biāo)記結(jié)束，該字符連通域個數(shù)＝flag－2。

以字母D 為例，其連通域的標(biāo)記如圖2所示。

圖2 字母D 的連通域標(biāo)記

由圖2 （b）可知，對字母D 標(biāo)記完值為3 的連通域后，flag 加1變?yōu)?，此時所有點都已進行過標(biāo)記，則D的連通域個數(shù)為2。因此根據(jù)連通域特征能準(zhǔn)確進行字符分類，很好地區(qū)分外部輪廓相似而內(nèi)部特征差異較大的字符，如B和D，0和8等。

（3）縱向交點數(shù)特征：不同字符在某些列縱向交點數(shù)上存在差異，如數(shù)字2和7，字母C和E，在中間幾列交點數(shù)有明顯不同。因此，字符的交點信息可以作為字符分類的有效信息。字符縱向交點數(shù)的提取就是掃描字符的某一列前景像素點與背景像素點相交的個數(shù)。以字母C 和E 為例，提取其中間列的交點特征如圖3所示。

在圖3中，C 和E 在中間列的交點數(shù)不同，可以快速識別出來。實際應(yīng)用中，由于筆畫偶爾會有噪音干擾或斷裂情況，所以計算交點時一般會同時掃描前后相鄰的幾列，綜合進行判定。

圖3 字母C和E交點特征對比

（4）橫向交點數(shù)特征：橫向交點數(shù)特征的提取和縱向類似，需要掃描該字符某幾行前景像素點與背景像素點相交的個數(shù)，在此不再贅述。

（5）橫向交點坐標(biāo)位置特征：橫向交點坐標(biāo)位置特征的提取是指在字符的某一行中，從左往右或者從右往左掃描，第一次碰到前景像素點時，記錄該點的橫坐標(biāo)，然后判斷此坐標(biāo)是在字符的左半部分還是右半部分，進而區(qū)分具有此特征的字符。以數(shù)字2和5 為例，選擇第5 行，從右往左掃描交點，如圖4所示。

圖4 數(shù)字2和5橫向交點位置特征對比

在圖4的掃描行中，第一次碰到前景像素點時，數(shù)字2的橫坐標(biāo)位于字符中線的右側(cè)，數(shù)字5的位于中線的左側(cè)。從而快速識別出結(jié)構(gòu)相似的字符2和5。

（6）縱向交點坐標(biāo)位置特征：縱向交點坐標(biāo)位置特征的提取和橫向類似，需要在字符的某一列中，從上往下或者從下往上掃描，第一次碰到前景像素點時，記錄該點的縱坐標(biāo)，然后根據(jù)此坐標(biāo)的位置來識別字符，在此不再贅述。

（7）斜線特征：斜線特征提取首先在字符4個頂點的位置找到一個基點，然后從此基點開始尋找有無從該點延伸的斜線。斜線就是有從基點出發(fā)的前景點能往斜向 （如左上）游走兩次以上的特征。以字母O 和Q 為例，基點選取的基準(zhǔn)是在右下的3×3的框中找到1個前景像素點，使其縱、橫坐標(biāo)之和最大，若縱、橫坐標(biāo)之和相等，則取縱坐標(biāo)較大的點做為基點。因此，字母Q 有從基點出發(fā)向左上角的斜線，而字母O 沒有此斜線，由此可以將字母Q 和O 識別出來。

（8）環(huán)位置特征：環(huán)是指字符中由前景點圍成的一個閉合區(qū)域。環(huán)位置特征適用于連通域個數(shù)相同的形似字符的識別，其特征提取需要借助連通域標(biāo)記好的數(shù)字，從上往下或者從下往上掃描，第一次碰到該標(biāo)記值時，記錄該點的縱坐標(biāo)，然后判斷環(huán)位于字符的上半部還是下半部，進而識別出字符。例如數(shù)字6 和9，由于連通域個數(shù)都為2，顯然環(huán)在數(shù)字6的下半部，在數(shù)字9的上半部，從而能夠快速區(qū)分。

（9）環(huán)內(nèi)前景點統(tǒng)計特征：環(huán)內(nèi)前景點統(tǒng)計特征的提取在連通域掃描時完成，即統(tǒng)計環(huán)內(nèi)具有同一標(biāo)記的點的個數(shù)。例如，字母O 內(nèi)的像素點明顯要多于字母A，從而很快區(qū)分出字母O 和A。

（10）區(qū)域統(tǒng)計特征：區(qū)域統(tǒng)計特征是計算字符圖像中選定矩形區(qū)域內(nèi)前景點或背景點的個數(shù)，其作為字符圖像重要的統(tǒng)計特征，具有很好的區(qū)分性和穩(wěn)定性。

3.2 分類識別

采用多叉樹的方法進行分類識別。首先提取待識別字符的橫豎線特征進行第一次分類，如果不是最終結(jié)果，則根據(jù)分支特點繼續(xù)提取其它合適的特征進行再次分類，直至識別出結(jié)果。以美元數(shù)字0－9為例，識別過程如圖5所示。

圖5 數(shù)字識別過程

從圖5可以看出，一般地，對單個字符而言，平均2－3次分類即可完成識別，個別字符最少需要1次分類，最多不超過4次分類。因此，組合特征提取方法靈活，針對性強，識別率高，而且字符的特征空間維度低，平均分類次數(shù)少，識別速度快。字母識別過程和數(shù)字類似，由于篇幅所限，不再贅述。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 系統(tǒng)實驗結(jié)果

實驗環(huán)境：集成德州儀器公司DM642 芯片的開發(fā)板，Code Composer Studio V3.3 開發(fā)環(huán)境，仿真器，點鈔機。用點鈔機的掃描管在白光下隨機掃描2000張美元圖片作為測試集，全部保存為.dat格式的數(shù)據(jù)文件。在開發(fā)板上，依次導(dǎo)入這2000張美元圖片并在線測試，實驗結(jié)果表明，基于該方法的字符識別率達(dá)到96.80%，平均識別時間為22.5ms／張。

4.2 結(jié)果分析和比較

4.2.1 定位算法實驗結(jié)果

以小頭版的100美元為例，分別在紙幣的4 個邊上選取20個點進行線性擬合，根據(jù)幾何定位算法定位出冠字號區(qū)域。幾何定位效果如圖6所示。

圖6可以看出，冠字號區(qū)域在紙幣上的相對位置固定，所以根據(jù)實驗確定距離、寬度和高度的參數(shù)。幾何定位法可以精確地定位到紙幣上任意指定的區(qū)域，并且選擇較少的點進行線性擬合可以明顯提高算法速度。與傳統(tǒng)的經(jīng)驗值定位相比，幾何定位法更準(zhǔn)確，與依靠掃描圖像某些特征區(qū)域的定位方法相比，幾何定位算法速度更快，抗干擾性更強。

4.2.2 旋轉(zhuǎn)校正算法實驗結(jié)果

以大小為240×480的圖像進行旋轉(zhuǎn)校正，表2給出傳統(tǒng)幾何旋轉(zhuǎn)和改進旋轉(zhuǎn)算法的性能比較。

圖6 幾何定位效果

表2結(jié)果表明，由于采用加減運算、查表法、移位運算等，代替了需要占用更多指令周期的乘除、三角和浮點運算，改進的旋轉(zhuǎn)算法比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)算法執(zhí)行速度更快，效率更高。

表2 傳統(tǒng)幾何旋轉(zhuǎn)和改進旋轉(zhuǎn)算法性能對比

4.2.3 二值化算法實驗結(jié)果

取一個略有噪聲的冠字號圖像，分別采用傳統(tǒng)OTSU算法和可變滑窗二值化算法效果如圖7所示。

圖7 圖像二值化效果對比

圖7效果說明，由于可變滑窗二值化算法會根據(jù)噪聲多少自適應(yīng)調(diào)整滑窗大小，然后按其大小分塊采用OTSU算法計算閾值，兼顧了全局閾值法的速度和局部閾值法的效果，與傳統(tǒng)OTSU 算法相比，可變滑窗二值化算法抗干擾性更強，二值圖像質(zhì)量更好，為特征提取打下良好基礎(chǔ)。

4.2.4 濾波算法實驗結(jié)果

實驗證明，提出的濾波算法能有效減少二值圖像中的離散噪音點，如圖8所示。

4.2.5 分類識別算法實驗結(jié)果

圖8 濾波前后效果對比

為檢驗提出的組合特征識別算法性能，在本系統(tǒng)中分別集成了幾種傳統(tǒng)的字符識別算法作為對比模型，選擇字符的識別率和識別時間作為評價標(biāo)準(zhǔn)，對這2000張美元圖片進行實驗測試，見表3。

表3 組合特征識別法與傳統(tǒng)特征識別法性能對比

實驗結(jié)果表明，由于組合特征識別法不需要存儲模板，占用資源少，一般只需提取包含字符橫豎線特征在內(nèi)的2～3個特征，即可通過多叉樹分類器完成識別，因此采用組合特征的字符識別算法識別率高，識別速度快，優(yōu)于其它3種傳統(tǒng)識別算法。

5 結(jié)束語

研究了嵌入式平臺上字符識別的關(guān)鍵算法，改進了預(yù)處理的關(guān)鍵算法，提出了一種組合特征識別方法。首先提出了幾何定位算法，通用性強，定位精度高，速度快，穩(wěn)健性強；其次改進了圖像旋轉(zhuǎn)算法，圖像校正速度顯著提高；然后提出了一種可變滑窗的二值化算法和一種濾波算法，自適應(yīng)性強，二值圖像質(zhì)量提高，為特征提取打下了良好的基礎(chǔ)；最后提出了一種組合特征提取方案，并采用多叉樹結(jié)構(gòu)進行字符分類，識別率高，速度快，魯棒性好。對比4種分類算法的總體性能可以看出，組合特征識別方法具備識別率高和耗時短的優(yōu)點，更能滿足實際系統(tǒng)的要求。研究圖像在頻率域上的可用特征，豐富組合特征的提取，改進識別方法，使識別率和識別速度進一步提高是下一步的研究方向。

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