基于顏色—幾何形狀建模的道路交通標志識別技術(shù)的研究

崔盼+張榮輝

摘 要：交通標志的顏色具有鮮明特征與很強的分離性，而交通標志的幾何形狀也只有5種，因此文中提出了一種顏色形狀對的概念，并構(gòu)建了顏色-形狀對模型。該模型主要由3種基本顏色和5種幾何形狀構(gòu)成，保證一種交通標志對應(yīng)一種顏色-形狀對。同時它還降低了交通標志系統(tǒng)識別的復(fù)雜性。通過研究表明，該粗分類的識別率高達100%。

關(guān)鍵詞：交通標志；識別；顏色-形狀對；分離性

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）03-00-02

0 引 言

目前，城市道路交通狀況日趨嚴峻，交通標志的作用愈加重要。交通標志最顯著的特點就是顏色和形狀的信息。顏色是交通標志的重要屬性，與背景區(qū)域顏色對比，其主要區(qū)域顏色比較醒目。光照強弱容易引起對道路交通標志信息識別的偏差，由于不同顏色的灰度級別所包含的信息量差別不大，而灰度圖像所包含的信息量相對較少，所以光照變化會導致識別難度加大。因此采用RGB圖像進行交通標志處理的研究增多。交通標志的形狀也可以反映重要的特征信息，其主要目的在于提取有效的形狀特征信息。目前已有很多形狀描述的方法，可將其分為外部和內(nèi)部的形狀描述算法兩類[1]。外部形狀算法是對區(qū)域輪廓特征的描述，而內(nèi)部形狀描述算法是對輸入?yún)^(qū)域內(nèi)部面積參數(shù)的描述。交通標志以不同的幾何形狀和顏色在一定距離內(nèi)為駕駛員和行人提示交通信息[2]。本文以顏色-幾何形狀建模，提出顏色-形狀對概念，構(gòu)造7個子類，涵蓋3大類116種中國交通標志，大大降低了研究交通標志的復(fù)雜性，把交通標志進行有效分類，降低了識別難度。

1 交通標志

1.1 交通標志簡介

交通標志的設(shè)立是為了保證交通安全和道路暢通，具有標志醒目、清晰、安全、顯眼等特點，廣泛使用在具體的交通管理過程中。交通標志類型涵蓋多種，主要分為以下幾種：

（1）主要標志和輔助標志；

（2）可動式標志和固定式標志；

（3）照明標志、發(fā)光標志和反光標志；

（4）反映行車環(huán)境變化的可變信息標志。

我國現(xiàn)行與交通安全有關(guān)的交通標志主要分為3大類，共116種。其中警告類標志有45種，禁止類標志有42種，指示類標志有29種[3]。部分交通標志示例如圖1所示。

1.2 交通標志顏色信息

由圖1可知，交通標志主要由紅色、藍色、黃色、黑色、白色5種基本顏色相互搭配而成，但具體的含義和作用有所不同。紅色代表禁止、停止、危險，在交通標志設(shè)計中常用作邊框、底色、斜杠、警告性和線性誘導標志底色等；藍色代表指令、遵循，在交通標志設(shè)計中用于地名、路線、方向等行車信息的提醒；黃色代表警告；黑色在交通標志設(shè)計中主要用于書寫標志的文字、圖形符號和部分標志的邊框；白色在交通標志設(shè)計中用作底色填充，包括文字、圖形符號等。

由于大部分交通標志都有一個很細的外輪廓線，而實際拍攝中輪廓線都比較模糊，所以輪廓線對交通標志識別的影響可以忽略。忽略白色、黃色和其他影響因素后，3大類交通標志與顏色的關(guān)系如圖2所示。

1.3 交通標志幾何圖像信息

基于對我國目前道路交通標志的研究，把交通標志的形狀分為5種，分別為正三角形、圓形、倒三角形、八邊形、矩形。

（1）正等邊三角形：用于警告標志；

（2）圓形：用于禁令和指示標志；

（3）倒等邊三角形：用于“減速讓行”禁令標志；

（4）八邊形：用于“停車讓行”禁令標志；

（5）方形：用于指路標志，部分警告、禁令和指示標志，旅游區(qū)標志，輔助標志，告示標志燈。

幾何形狀與3大類交通標志之間的關(guān)系如圖3所示。

2 交通標志的顏色-形狀對模型

根據(jù)上述對交通標志顏色和形狀的分類，以及它們與3大類交通標志的關(guān)系，我們把圖2和圖3合并，找出了交通標志的顏色-幾何形狀與3大類交通標志間存在的關(guān)系。這種唯一的確定關(guān)系如圖4所示。

2.1 顏色-形狀對概念的提出

本文為了研究道路交通標志的顏色和形狀存在的唯一確定關(guān)系，提出了顏色形狀對及有關(guān)集合的概念。

定義：如果任意交通標志圖像的顏色屬性有m種，設(shè)該屬性是Ci|i=1，2，3，…，m。若幾何形狀屬性有n種，該屬性是Sj|j=1，2，3，…，n。那么該區(qū)域中任意一種顏色屬性和任意一種幾何形狀屬性都能構(gòu)成一個二元函數(shù)對（Ci，Sj），如果令（CS）k=（Ci，Sj）|k=1，2，3，…，l，其中l(wèi)=m×n，則把二元函數(shù)對（CS）k稱為圖像的一組顏色形狀對。

顏色-形狀對集合：若任意交通標志圖像的顏色屬性為Ci|i=1，2，3，…，m，幾何形狀屬性為Sj|j=1，2，3，…，n。則顏色屬性表示為C={C1，C2，C3，…，Cm}，幾何屬性表示為S={S1，S2，S3，…，Sn}。該顏色-形狀對表示為CSPk=（Ci，Sj）k|i=1，2，3，…，m；j=1，2，3，…，n；k=1，2，3，…，l。

在交通標志圖像檢測中，我們首先檢測出圖像的有效區(qū)域（如顏色和形狀的屬性），然后再進行分割處理等操作。以禁令標志為例來說明顏色-形狀對，禁令標志的基本顏色是紅色和黑色，其基本形狀是圓形、倒三角形和八邊形。這樣構(gòu)成的顏色形狀對為（紅色，圓形）、（紅色，倒三角形）、（紅色，八邊形）、（黑色，圓形）、（黑色，倒三角形）。由此我們可以得到顏色-形狀對構(gòu)建的幾何模型。

2.2 顏色-幾何模型的建立

設(shè)我國道路交通標志圖像的主要顏色有紅色、藍色、黑色，分別用C1、C2、C3（黃色和白色是輔助顏色，這里先不研究）代表，幾何形狀有倒三角形、八邊形、圓形、矩形、正三角形，分別用S1、S2、S3、S4、S5表示。由之前提出的定義可知，顏色屬性幾何集合為Ci=（C1，C2，C3），幾何形狀屬性集合為Sj=（S1，S2，S3，S4，S5），于是可以得出顏色-形狀對的集合是CSPk。而禁令標志、指示標志、警告標志的顏色-形狀對的子集分別為CSP1，CSP2，CSP3，則有：

CSP1={（C1，S1），（C1，S2），（C1，S3），（C3，S3）}

CSP2={（C2，S3），（C2，S4）}

CSP3={（C3，S5）}

（CSP）k={（CSP1），（CSP2），（CSP3）}={（C1，S1），（C1，S2），（C1，S3），（C3，S3），（C2，S3），（C2，S4），（C3，S5）}

根據(jù)上式可知，交通標志的顏色-幾何模型可以由4個禁令標志-顏色形狀對、2個指示標志-顏色形狀對和1個警告標志-顏色形狀對組成，表明我國116種道路交通標志可以由7個顏色-形狀對來表示，每個顏色-形狀對表示交通標志的1個子類。

把3大類116種道路交通標志分為7個子類，其中禁令標志有42個，可以分成4個子類，分別為38個紅色圓形標志、2個黑色圓形標志、1個紅色倒三角標志和1個紅色正八邊形標志；指示標志有29個可以分為2個子類，分別為16個藍色圓形標志和13個藍色矩形標志；警告標志有45個而只有1個子類，即黑色（里面含有黃色）三角形標志。顏色-幾何形狀模型的建立使每個子類的樣本數(shù)目大大減少，把116種道路交通標志轉(zhuǎn)化為7個子類去研究，不僅降低了研究難度，還為之后的細分類提供了良好的條件。

3 結(jié) 語

本文通過對道路交通標志的特性進行研究，提出了顏色形狀對的有關(guān)概念并建立了模型，顏色形狀對的概念充分反映出交通標志顏色與幾何形狀存在唯一確定關(guān)系。這個模型涵蓋了所有道路交通標志，實現(xiàn)了道路交通標志的粗分類，有利于構(gòu)建一個完整系統(tǒng)，降低了該系統(tǒng)的復(fù)雜性和難度。但在實際交通場景中，由于不同因素的干擾，這些特征會失真，影響模型的建立，因此該模型的建立還需要進一步研究。

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