淺談一種新型的智能船名號牌

李 康/重慶海事局長江瀘州通信管理處

淺談一種新型的智能船名號牌

李 康/重慶海事局長江瀘州通信管理處

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水上交通的重要性也日益提高，船舶數(shù)量增加給水上交通帶來了新的挑戰(zhàn)，在航道資源有限的情況下，如何確保船舶航行安全、有序，是目前全球航運(yùn)界研究的課題。除傳統(tǒng)的雷達(dá)、無線對講等設(shè)備外，國際海事組織要求裝配AIS（自動識別系統(tǒng)），防止碰撞、但市場價(jià)格非常高，推廣難度大。若是有一種新型的智能船名號牌類似車牌一樣，方便我們海事部門去監(jiān)管，將是一件具有深遠(yuǎn)意義的事。

智能船名號牌

1.引言

目前，現(xiàn)有船名號在識別方面存在諸多不足，通常以噴涂方式標(biāo)示的船名通常粉刷于船舷兩側(cè)，容易被水淹沒，監(jiān)控?cái)z像機(jī)無法捕獲船名號信息，霧天及夜晚更無法識別。目前船名標(biāo)志牌亮度不夠，透霧性不強(qiáng)，標(biāo)志牌的整體發(fā)光導(dǎo)致船名模糊，對船名號的視頻識別影響很大；標(biāo)志牌耗能很大，光伏供電無法滿足其正常運(yùn)行。在夜晚和霧天的時(shí)候，有的船民為逃避檢查會主動關(guān)閉標(biāo)志牌。標(biāo)志牌內(nèi)普遍使用普通燈管，耗能高、損壞率高且維護(hù)更換成本高。

使用一種新型LED船名牌，無論在夜晚還是霧天等光線不足的環(huán)境下，LED船名牌都能夠被攝像機(jī)有效識別。通過太陽能光伏板，新型LED船名牌可以實(shí)現(xiàn)自主供電。

2.智能船名號牌所具有的功能

保證各角度都能清晰被看并且船名牌燈箱可以節(jié)能供電

基于便于船名號能被視頻有效識別的考慮，把LED船名號燈箱設(shè)計(jì)成長方體，其中前側(cè)盒面與后側(cè)盒面顯示船名牌，燈箱內(nèi)部放置LED燈，為了節(jié)省空間，把其他側(cè)面設(shè)置成較小的面積，這樣就可以從多個不同的角度識別船名號，增加了識別的準(zhǔn)確性。為了便于對船名號燈箱進(jìn)行持續(xù)供電，在船名號燈箱下面設(shè)計(jì)一個長方體底座。在底座的頂面放置太陽能電板，在底座的內(nèi)部放置一塊蓄電池，用來對LED進(jìn)行供電，同時(shí)為了保證在沒有陽光的時(shí)候能持續(xù)的供電，還設(shè)計(jì)了直流電源接口。并且還在燈箱與底座連接的位置放置一個光傳感器。用于控制有無陽光時(shí)對電池供電進(jìn)行判斷。

（2）保證船名號牌能給被智能識別

箱體上的船名號，用白色3M反光透光膜制成，用背光LED照射，以便在光線不好的時(shí)候能準(zhǔn)確識別船名號。同時(shí)，為了確保視頻對船名號進(jìn)行準(zhǔn)確定位和撲捉，在前側(cè)盒面和后側(cè)盒面的每個面的四個角分別安置一個紅外線發(fā)射器。例如，當(dāng)一艘船駛過一片海域時(shí)，攝像頭首先對紅外線進(jìn)行撲捉和定位，由此保證船名號牌可以在夜間及霧天等天氣不好的情況下進(jìn)行有效識別。

完成以上方案之后，LED船名號牌燈箱就設(shè)計(jì)好了，下面需要視頻的智能識別技術(shù)來進(jìn)行配合。當(dāng)攝像頭通過紅外線對船名號牌進(jìn)行準(zhǔn)確定位后，視頻要對船名號牌進(jìn)行智能識別，該處采用一種快速可行的魯棒性較強(qiáng)的船名號圖像二值化識別算法，實(shí)現(xiàn)了對船名號圖像有普遍適用性的圖像二值化方法；結(jié)合設(shè)計(jì)的快速連通體標(biāo)記方法 、二值圖像簡化算法及動態(tài)船名號模板搜索算法,實(shí)現(xiàn)了從船名號圖像中快速定位船名號字符及船名號本身并同時(shí)獲得船名號符輪廓信息的新方法。該方法對船名號及其字符定位準(zhǔn)確率高 ,且對不同條件下獲得的不同狀態(tài)下的船名號圖像有較好的適應(yīng)性。

3.智能船名號牌采用的圖像識別算法

通過圖像采集系統(tǒng)獲得船名號牌的彩色圖像后, 先進(jìn)行灰度變換、平滑濾波和開運(yùn)算等處理，為下面的操作提供良好的基礎(chǔ)。本算法設(shè)計(jì)了一種魯棒性的直接二值化方法獲得船名號牌圖像的二值化圖像，效果好，速度快。然后，通過快速連通體偵測算法和圖像簡化算法可以盡可能地剔除非字符部分，保留可能的船名號牌字符部分。最后利用一種基于模板的船名號牌字符偵測模塊，便可準(zhǔn)確地獲得船名號牌上的所有字符單元。使用這種單元也可獲知字符的大小、傾斜角度等主要信息,然后依據(jù)這些信息通過字符糾偏及歸一化處理來處理字符單元,字符識別模塊便可獲得準(zhǔn)確的信息,如圖（1）所示。

具體實(shí)施步驟如下：

（1）灰度化處理

彩色圖像在RGB空間表達(dá),將RGB彩色船名號牌圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，通常彩色圖像灰度化有三種轉(zhuǎn)換方發(fā)：

灰度化方法一：

灰度化方法二：

灰度化方法三：

為了使視覺感受更加明顯，灰度圖像邊緣更加突出，結(jié)合這三種灰度處理方法，本文提出了一種新的灰度處理方法，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，得出當(dāng)這三種灰度轉(zhuǎn)化方法所占比例分別為50%、30%、20%時(shí)，便可得到最佳的灰度處理效果。即：

（2）平滑濾波和開運(yùn)算處理

為了消除各種噪聲因素的干擾，也為了保留圖像的銳度，因此需要在灰度圖像上進(jìn)行一次中值濾波。此外，為了消除船名號牌字符之間可能存在的黏連、搭接等現(xiàn)象，在下面的操作中, 可以運(yùn)用形態(tài)學(xué)算子，即先做腐蝕運(yùn)算，再做膨脹運(yùn)算。采用這種“開”算子處理圖像，便盡可能的達(dá)到使圖像中的字符分離的目的，因此，為接下來的字符定位與讀取奠定基礎(chǔ)。

（3）船名號牌圖像的二值化方法

為了獲得穩(wěn)定可靠的船名號牌二值化圖像，此處采用一種船名號牌圖像的魯棒性的二值化方法，由于船名號牌圖像因船名號牌破損、斑點(diǎn)、骯臟、光照過強(qiáng)或過弱等因素的影響 , 尋求全局化閾值將船名號牌字符從船名號牌圖像中分離出來是非常困難的。考慮到船名號牌字符與船名號牌背景的灰度差異顯著是這一分類船名號牌的共同特征，利用它設(shè)計(jì)船名號牌圖像二值化方法將具有良好的魯棒性與普遍適用性?？紤]到任一像素的合適鄰域 ,應(yīng)先找到此鄰域的極大極小灰度像素，若二者的差值小于某一個閾值，便可認(rèn)為該鄰域的灰度是相同的，因而可以根據(jù)該像素的灰度值進(jìn)行判定該鄰域?yàn)槊骰蛘甙?；如果極大極小灰度之差大于某一個閾值，則便可判定該鄰域中那些接近極大值的像素為前景，接近極小值的像素為背景。該二值化方法的本質(zhì)是一種區(qū)域化域值方法，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

（4）船名號牌字符的定位與后續(xù)處理

二值化方法盡可能保留船名號牌字符及其特征不被破壞。在此基礎(chǔ)上,可進(jìn)行船名號牌字符信息的挖掘。為了準(zhǔn)確地獲取船名號牌字符的位置及其字模信息便可根據(jù)船名號牌特征來進(jìn)行，本文主要考慮如下船名號牌特征: (a)除漢字外，所有船名號牌字符均是單一連通體；(b)每個船名號牌字符的高和寬的比例，在一定的范圍內(nèi)變化；(c)每個船名號牌字符的高和寬的比例均在一定的范圍內(nèi)；(d)每個船名號牌字符連通體的面積與其外包絡(luò)矩形的面積之比在一定的范圍內(nèi)變化；(e)相鄰船名號牌字符的位置在水平和垂直方向上有一致的關(guān)聯(lián)關(guān)系。由上述準(zhǔn)備作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了船名號牌字符位置偵測與字模讀取算法。

對船名號牌二值圖像進(jìn)行清理

二值化的船名號牌圖像包含大量信息，不利于快速獲得船名號牌字符, 因此根據(jù)上述船名號牌的特征先進(jìn)行一次清除，以消除明顯非字符信息。先進(jìn)行連通體的識別，連通體的識別有許多的算法，這里主要解決的問題是執(zhí)行時(shí)間的長短，為了節(jié)省時(shí)間，此處采用一種輪廓線跟蹤技巧，不但可以標(biāo)記連通體，同時(shí)還可以獲得該連通體的輪廓信息，其執(zhí)行速度比一般算法提高了十幾倍到幾十倍不等。經(jīng)連通體標(biāo)記之后，可獲得每個連通體的外包絡(luò)矩形。根據(jù)上述船名號牌特征，將不可能是船名號牌字符的連通體全部去除。

船名號牌模板的匹配

為了提高船名號牌定位和字符讀取的速度及算法普遍適用性該處采用了一種動態(tài)的模板方式搜索和定位船名號牌及其字符。在清理后的船名號牌圖像中，先根據(jù)船名號牌字符的大小及關(guān)聯(lián)關(guān)系，搜索2 ～ 3個可能的船名號牌的字符連通體，接著計(jì)算出船名號牌字符的大小與其間距。結(jié)合探索船名號牌的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，建立完整的船名號牌中包含有字符的所有位置的船名號牌模板，將該模板與可能的船名號牌字符對齊，進(jìn)行動態(tài)掃描，觀察船名號牌模板相對應(yīng)的位置是否有船名號牌字符存在。若符合，則搜索成功，反之，則根據(jù)其他可能的船名號牌字符連通體，重新調(diào)整船名號牌模板，繼續(xù)進(jìn)行動態(tài)掃描，直到搜索完成為止。

船名號牌字符糾偏與歸一化處理

根據(jù)模板偵測到的字符，其中不少是有傾斜角度的，為了使字符識別更加方便，需要進(jìn)行糾偏。依據(jù)最終確定的所有船名號牌字符的位置，可以計(jì)算出整個船名號牌的坐標(biāo)位置，然后依據(jù)常規(guī)糾偏方法糾偏即可。當(dāng)糾偏后的字符大小歸一化到標(biāo)準(zhǔn)大小之后，便可調(diào)用字符識別模塊，從而獲取船名號牌字符文本。

4.結(jié)語

智能船舶的技術(shù)雖然剛剛起步，很多技術(shù)還不成熟，但隨著船舶技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，特別是“大數(shù)據(jù)”的智能應(yīng)用，正推動著智能船舶的加速出現(xiàn)。一種新型的智能船名號牌，通過對船名號燈箱的改造和視頻的智能分析，能實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的解析出船名號，對于海事機(jī)構(gòu)執(zhí)法具有重大的意義。

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李康，1984，男，重慶市奉節(jié)人，重慶工學(xué)院計(jì)算機(jī)信息管理，?？?，從事長江海事通信管理及維護(hù)工作。