基于機(jī)器視覺的校園車輛出入管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張鋒， 唐志鴻， 鄭樹均， 劉穎君

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣州 510800）

0 引言

隨著生活水平的提高，越來越多的人擁有機(jī)動車，這將給車輛管理方面造成很大的壓力。針對小區(qū)、辦公部門、校園以及停車場等場合，傳統(tǒng)的管理方式是采用感應(yīng)卡和紙票介質(zhì)，這種管理不僅耗費(fèi)人力資源，自動化程度低而且效率低下，已經(jīng)不能滿足人們的需要。車牌識別管理系統(tǒng)是一種嶄新的服務(wù)模式，它采用了先進(jìn)的OCR技術(shù)，對各場所出入的車輛實(shí)現(xiàn)智能化管理。該設(shè)計(jì)旨在開發(fā)一套基于機(jī)器視覺的校園車輛出入管理系統(tǒng)，對進(jìn)出校園的車輛進(jìn)行智能管理。利用LabVIEW的VISION模塊以及下位機(jī)的相關(guān)硬件對系統(tǒng)進(jìn)行搭建，實(shí)現(xiàn)對車牌的自動識別，然后再結(jié)合下位機(jī)的控制部分對車輛自動放行，實(shí)現(xiàn)無障礙不停車出入、車輛智能管理和出口自動計(jì)費(fèi)等功能，大大地提高了車輛管理的效率。

1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，系統(tǒng)由監(jiān)控?cái)z像頭、計(jì)算機(jī)、人機(jī)交互界面、圖像處理算法、數(shù)據(jù)庫和車輛放行裝置組成。監(jiān)控?cái)z像頭用于圖像的采集，然后把圖像傳到視覺系統(tǒng)，由于夜晚光線昏暗的原因，需要配合補(bǔ)光燈使用。計(jì)算機(jī)軟件部分包含圖像處理算法、數(shù)據(jù)庫以及人機(jī)交互界面，圖像處理算法用于特征的提取與識別，數(shù)據(jù)庫用于用戶數(shù)據(jù)的保存以及對車輛的進(jìn)出信息進(jìn)行記錄，人機(jī)交互界面包含了系統(tǒng)相關(guān)的控制設(shè)置以及對獲得的信息進(jìn)行顯示。車輛放行裝置是系統(tǒng)的下位機(jī)部分，由ARM控制器、舵機(jī)及傳感器組成，ARM控制器在接收到上位機(jī)的信號之后，通過控制舵機(jī)控制攔車桿的升降，實(shí)現(xiàn)對車輛的放行。

圖1 系統(tǒng)框圖

基于機(jī)器視覺的車輛出入管理系統(tǒng)應(yīng)用在校園出入口對進(jìn)出的車輛進(jìn)行智能管理，針對于入口通道，道路旁邊裝有2個光電傳感器，前面一個用于車輛的定位，當(dāng)車輛到達(dá)相機(jī)的工作范圍時，將會觸發(fā)相機(jī)快門采集車輛的圖像，計(jì)算機(jī)獲取車輛的圖像后對車牌號碼進(jìn)行定位識別，然后將車輛信息及進(jìn)入時間記錄到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，同時計(jì)算機(jī)發(fā)送信號給車輛放行裝置進(jìn)行抬桿動作，當(dāng)車輛完全通過第2個光電傳感器時攔車桿降下回到攔車狀態(tài)。出口通道相關(guān)硬件與入口通道相同，當(dāng)相機(jī)采集圖像之后，計(jì)算機(jī)識別出車輛的車牌號碼，然后再利用數(shù)據(jù)庫中車輛出入的時間進(jìn)行自動計(jì)費(fèi)，待車主交費(fèi)后自動放行車輛。設(shè)備布局如圖2所示。

圖2 設(shè)備布局

2 軟件設(shè)計(jì)

圖3 人機(jī)交互界面

軟件作為系統(tǒng)的上位機(jī)部分，主要包含圖像處理算法和數(shù)據(jù)庫，圖像處理算法是本系統(tǒng)中的核心部分，是機(jī)器視覺系統(tǒng)的大腦。軟件設(shè)計(jì)是利用美國NI公司開發(fā)的LabVIEW進(jìn)行算法的編寫，LabVIEW中有專門的視覺開發(fā)工具包和數(shù)據(jù)庫工具包，而且采用圖形化的編程方式，能夠大大地縮短開發(fā)的周期。人機(jī)交互界面,如圖3所示。

2.1 圖像處理算法設(shè)計(jì)

當(dāng)車輛到達(dá)相機(jī)的工作范圍時，觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行圖像采集，計(jì)算機(jī)接收到采集的圖像之后再經(jīng)過初步定位模塊、精確定位模塊和識別模塊后將車牌號提取出來?？傮w算法流程程序如圖4所示。

圖4 總體算法流程程序

在車牌初步定位模塊中引用相機(jī)所拍攝的圖像，調(diào)整好圖像的分辨率，提取一個顏色面（藍(lán)色面），將上面產(chǎn)生的灰度圖對應(yīng)的像素信息存儲在二維數(shù)組，通過輪廓算法將車牌的邊緣和車身進(jìn)行分離，輪廓算法即通過比較前后兩個像素點(diǎn)的灰度值并且進(jìn)行相減得到一個差值，再把這個差值還原出來成為一個新的灰度圖，這個新的灰度圖將會大大地減少外界的干擾因素，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生活中，車輛的車身顏色和車牌邊框邊緣的顏色是不同，利用這個特性將車身和車牌分離出來，同時也將周圍環(huán)境的影響大大降低。然后再合理調(diào)整一下閾值，將車牌輪廓調(diào)整得更加合理，為接下來尋找邊緣做鋪墊。通過尋找左右車牌邊緣，再經(jīng)過一定的比較取舍關(guān)系，將車牌進(jìn)行定位，由于左右邊緣相對于上下邊緣來說會更加容易找到。因?yàn)橄鄼C(jī)、攔車桿、停車標(biāo)志的位置都是固定的，那就是意味著車輛被拍到的時候，車牌所占像素比例相對來說比較固定，變動范圍不是很大，所以橫向的距離相對來說比較固定，可以理解為一個常量。這個常量可以通過實(shí)際測量來合理確定。通過合理的圖像處理后進(jìn)行左右邊緣的檢測，得到左邊緣的起始點(diǎn)、終點(diǎn)，右邊緣的起始點(diǎn)、終點(diǎn)，其坐標(biāo)分別定義為（X1，Y1）,(X2，Y2),(X3，Y3),(X4，Y4)。另外取一個橫向距離的最大值、最小值，如果找不到左邊緣或者右邊緣，或者兩個邊緣的X值之差小于最小值或者大于最大值，則優(yōu)先以左邊緣做標(biāo)準(zhǔn)。如果兩個邊緣的差值大于最大值則取最大值，小于最小值則取最小值。比較兩個邊緣的Y值，取用最大Y值。保證接下來所截取的車牌在所截取的圖像中，從而將車牌的區(qū)域進(jìn)行初步確定，從而得到截取所需要的坐標(biāo)信息，利用這個坐標(biāo)信息將原圖中的車牌截取出來，完成車牌的初步定位。車牌初步定位部分程序和定位效果如圖5、圖6所示。而車牌的精確定位主要是利用車牌的上下邊緣來進(jìn)行確定，通過相關(guān)的圖像處理得到一個比較容易尋找到上下邊緣的圖像，再進(jìn)行上下邊緣的尋找，將車牌的位置范圍縮小，使車牌的位置更加精確，然后對車牌再次進(jìn)行截取，得到精確定位后的車牌圖像。車牌精確定位部分程序及定位效果如圖7、圖8所示。

圖5 車牌初步定位的圖像處理部分程序

圖6 車牌初步定位效果圖

圖7 車牌精確定位的圖像處理部分程序

圖8 精確定位效果圖

圖9 OCR識別效果圖

車牌提取出來之后，利用OCR技術(shù)對車牌號碼進(jìn)行識別，需要OCR識別的字符要事先進(jìn)行多次訓(xùn)練，并且將訓(xùn)練后的信息存儲在一個．a(chǎn)bc文件。在字符識別階段這個過程，首先通過一系列的圖像處理，然后調(diào)用出．a(chǎn)bc文件將圖上的信息進(jìn)行匹配并且顯示相關(guān)車牌信息。OCR識別效果如圖9所示。

圖10 數(shù)據(jù)庫人機(jī)交互界面

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫作為整個系統(tǒng)的倉庫，負(fù)責(zé)存儲和管理獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)把進(jìn)出車輛的車牌號碼以及出入時間等信息保存到數(shù)據(jù)庫中，然后再把車輛的出入時間索引出來進(jìn)行計(jì)費(fèi)。數(shù)據(jù)庫還負(fù)責(zé)對每天出入的車輛進(jìn)行計(jì)數(shù)，生成報表發(fā)送給管理員查閱，管理員還可以通過人機(jī)交互界面對數(shù)據(jù)庫當(dāng)中的信息進(jìn)行查詢、修改及刪除等操作。數(shù)據(jù)庫人機(jī)交互界面如圖10所示。

3 結(jié) 論

本系統(tǒng)能夠有效提高車輛通行效率，減少人工管理及刷卡停車場系統(tǒng)的管理難度，具有高效、安全、便捷等特點(diǎn)。系統(tǒng)為用戶提供了一種嶄新的服務(wù)模式，無論是管理方式、基本技術(shù)和設(shè)備、通行控制都突出了智能化，可用于小區(qū)、辦公大樓、超市、停車場、學(xué)校等場合，設(shè)計(jì)結(jié)合當(dāng)前生活，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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