智能交通之汽車車牌定位識(shí)別軟硬件設(shè)計(jì)方案

基于計(jì)算機(jī)圖象處理和字符識(shí)別技術(shù)的車牌自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，有著極其廣闊的推廣應(yīng)用前景。
　　1、車牌識(shí)別技術(shù)在地方上的應(yīng)用
　　基于計(jì)算機(jī)數(shù)字識(shí)別技術(shù)的車牌自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在收費(fèi)站、停車場(chǎng)、加油站和居民小區(qū)、高級(jí)賓館、飯店出入口等場(chǎng)所，有著極其廣闊的推廣應(yīng)用前景，可以實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)登記、自動(dòng)查詢等功能，也可以用于集裝箱，貨運(yùn)列車的自動(dòng)抄號(hào)等。
　　用于高速公路收費(fèi)管理：一旦車牌自動(dòng)識(shí)別技術(shù)到了實(shí)用階段，它可以首先推廣應(yīng)用到高速公路收費(fèi)站管理。它可以使高速公路行駛的車輛不必停車而實(shí)現(xiàn)收費(fèi)管理。
　　用于城市交通車輛管理：車牌自動(dòng)識(shí)別技術(shù)還可以與汽車的外形、顏色等參數(shù)結(jié)合起來(lái)使用，有其可以適用于城市機(jī)動(dòng)車輛的檔案管理工作、特殊的交通管理工作，能有效地提高交通流量，加強(qiáng)安全保衛(wèi)工作，如幫助交管部門自動(dòng)捕捉違章汽車牌照號(hào)碼，自動(dòng)捕獲違章車輛；幫助公安部門自動(dòng)監(jiān)測(cè)在逃車輛、尋找罪犯汽車，解決通緝車輛、套牌車輛和被盜汽車的自動(dòng)稽查問(wèn)題，可以自動(dòng)告警，通知執(zhí)勤人員攔查，克服了人工攔查工作量大、漏報(bào)率高、工作危險(xiǎn)性大等問(wèn)題。
　　停車場(chǎng)管理：在停車場(chǎng)出、入口處，設(shè)有車牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)出停車場(chǎng)的車輛自動(dòng)識(shí)別，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的車牌數(shù)據(jù)判斷是否是已買（或租）車位的車輛，對(duì)已買（或租）的車輛放行，并自動(dòng)記錄其出入停車場(chǎng)時(shí)間，以便出現(xiàn)車輛被盜等情況時(shí)查詢，對(duì)進(jìn)入停車場(chǎng)的已買（或租）車位的車輛自動(dòng)將其車位處的擋車器打開(kāi)，以便車輛停放；對(duì)其它車輛，將自動(dòng)記錄其出入停車場(chǎng)的時(shí)間，以便計(jì)時(shí)收費(fèi)，對(duì)進(jìn)入停車場(chǎng)的其他車輛自動(dòng)分配車位并將其車位處的擋車器打開(kāi)，以便車輛停放。
　　2、車牌識(shí)別技術(shù)在部隊(duì)的應(yīng)用
　　車牌自動(dòng)識(shí)別技術(shù)作為車輛識(shí)別的先迸技術(shù)手段，在部隊(duì)可以用于以下幾個(gè)方面：
　　軍事禁區(qū)車輛出、入識(shí)別：對(duì)某部軍車進(jìn)行登記，其車牌及外貿(mào)、顏色等信息記錄在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，在該軍事禁區(qū)大門處，設(shè)置車牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)出車輛自動(dòng)識(shí)別，并根據(jù)數(shù)據(jù)中的車牌數(shù)據(jù)和外貌、顏色等特征參數(shù)，判斷是否時(shí)該部軍車，對(duì)該部軍車自動(dòng)放行，使其能夠不停車甚至不減速通過(guò)，這種快速通行能力會(huì)為軍事行動(dòng)贏得寶貴的時(shí)間；同時(shí)，自動(dòng)實(shí)施記錄軍車出入大門的時(shí)間，以便及時(shí)準(zhǔn)確地掌握出車情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的精確管理，如有車輛未按時(shí)歸隊(duì)，該系統(tǒng)能自動(dòng)報(bào)警；對(duì)該部對(duì)外車輛，自動(dòng)識(shí)別并禁止通行，按有關(guān)規(guī)定要求登記、審批后，方可允許其進(jìn)入。
　　動(dòng)車場(chǎng)（庫(kù)）車輛出、入管理：在車場(chǎng)（庫(kù)）出入口設(shè)置車牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)出車輛自動(dòng)進(jìn)行識(shí)別并實(shí)時(shí)記錄車輛出入大門的時(shí)間，以便及時(shí)準(zhǔn)確地掌握出車情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的精確管理，如有車輛未按時(shí)返回，該系統(tǒng)能自動(dòng)報(bào)警。
　　哨所（關(guān)卡）車輛通行管理：在哨所（關(guān)卡）設(shè)置車牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，準(zhǔn)許通行車輛的車牌信息輸入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，可被自動(dòng)識(shí)別并放行，往返一次后，數(shù)據(jù)庫(kù)中的車牌信息隨即刪除；其余車輛自動(dòng)識(shí)別后一律禁止通行并自動(dòng)報(bào)警，通知警衛(wèi)人員攔查、等級(jí)后移交保衛(wèi)部門處理。
　　三、車牌識(shí)別的技術(shù)難點(diǎn)
　　車牌識(shí)別系統(tǒng)發(fā)展迅速，各國(guó)公司都相繼推出是何本國(guó)車牌特征的LPR系統(tǒng)，LPR研究由于受到多方面的限制，其技術(shù)還存在著一些不足。目前車牌識(shí)別技術(shù)存在的最大的問(wèn)題是不確定性引起的識(shí)別率的問(wèn)題，特別是針對(duì)不同條件LPR系統(tǒng)的滿足適應(yīng)性條件下的識(shí)別率問(wèn)題。
　　從采用車牌識(shí)別技術(shù)的高速公路管理部門反饋的信息來(lái)看，目前這種技術(shù)能夠達(dá)到的最大精度只有95％，還有5％的車輛系統(tǒng)識(shí)別不出車牌。影響識(shí)別率的原因較多，大致歸結(jié)于車牌本身的特征和外界特征兩大方面：
　?。?） 車牌的外形設(shè)計(jì)、制造等多方面因素使得車牌識(shí)別系統(tǒng)的復(fù)雜性提高， 不確定性增大。這些情況包括：
　?。╝） 車牌缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)中華人民和國(guó)公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)動(dòng)車輛牌的有關(guān)規(guī)定，車牌的規(guī)格、顏色和適用范圍各不相同。例如：小汽車牌用的是藍(lán)底白字；大型汽車所用的黃底黑字；軍用或警用的是白底黑字、紅字。缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得車牌識(shí)別過(guò)程中字符分割難度較大，缺乏統(tǒng)一的模式規(guī)則的指 導(dǎo)作用。
　?。╞） 車牌的質(zhì)量無(wú)法保證。有些車牌比較臟或已污損，有些車牌的字符模糊不清，對(duì)光線的散射性不好。這些不確定性都極大的影響車牌識(shí)別的準(zhǔn)確率。
　?。╟） 車牌附近環(huán)境惡劣，有較復(fù)雜的外形或擋車器等，不利于車牌定位分割。
　?。?） 外界環(huán)境特征也是增加車牌識(shí)別系統(tǒng)不確定性，影響識(shí)別率的重要因素之一。這些情況包括：
　?。╝） 外界光照條件各不相同，白天和晚上光照不同。光照對(duì)圖象質(zhì)量的影響較大。不同光照的角度，對(duì)車牌反光的不均勻度影響也較大。不同時(shí)間，不同的其后條件，以及背景光、車牌反光程度最終決定了車牌區(qū)域的亮度特征。從實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以看出這些外界條件對(duì)車牌的粗定位和精確定位影響較大。
　?。╞） 外界背景的復(fù)雜度也影響著車牌的定位率。背景中也車牌區(qū)域特征相似區(qū)域的大小反映了背景的噪聲程度。如與車牌字符相似的背景遠(yuǎn)處的廣告牌易影響車牌的粗定位 。
　　四、車牌定位的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)頂層電路結(jié)構(gòu)
　　本設(shè)計(jì)使用Atlys Spartan?-6 FPGA 開(kāi)發(fā)套件硬件平臺(tái)，利用其上的Xilinx Spartan?-6 XC6LX16-CS324的大容量邏輯資源完成車牌定位的FPAG全硬件設(shè)計(jì)。車牌定位電路應(yīng)用的FPGA型號(hào)為XC6LX16-CS324，此FPGA具有 2278個(gè)slice，32個(gè)DSP48A1，Block RAM blocks最大是576kb，2個(gè)CMT（4個(gè)DCM，2個(gè)PLL）。
　　對(duì)于本設(shè)計(jì)的車牌定位電路是一個(gè)圖像處理的電路，因此對(duì)存儲(chǔ)器資源要求的比較大。在Atlys Spartan?-6 FPGA 開(kāi)發(fā)套件硬件平臺(tái)上有48Mbytes 的外部存儲(chǔ)器資源可用。
　　系統(tǒng)整體框圖如下：
　　
　　圖1. 車牌定位的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)頂層電路結(jié)構(gòu)
　　五、車牌定位的FPGA實(shí)現(xiàn)的各個(gè)子模塊
　　5.1車牌圖像的預(yù)處理
　　圖像預(yù)處理的作用是突出圖像中的有用信息，不同的圖像預(yù)處理對(duì)應(yīng)于不同的圖像分割以獲得最佳的車牌特征。車牌定位預(yù)處理目標(biāo)是突出車牌區(qū)域的特征，抑制其它無(wú)用的特征。圖像的預(yù)處理包括圖像灰度化、平滑濾波、銳化等內(nèi)容。
　　5.1.1 圖像的灰度化
　　灰度圖的特征是：只有亮度信息，沒(méi)有顏色信息。彩色位圖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以處理，灰度圖較簡(jiǎn)單，易于處理?；叶葓D的亮度信息，已經(jīng)足以判斷對(duì)車牌進(jìn)行定位了，所以選擇較容易處理的灰度圖。灰度圖是只含亮度信息不含色彩信息的圖像，其中亮度值量化為256級(jí)。灰度圖進(jìn)行算法處理比較方便，并且更為重要的是可以在FPGA處理時(shí)大大的節(jié)省存儲(chǔ)空間。
　　首先RGB值一樣，且圖像數(shù)據(jù)就是調(diào)色板索引值，也就是實(shí)際的RGB的亮度值，又因調(diào)色板是256色的，所以圖像數(shù)據(jù)中一個(gè)字節(jié)代表一個(gè)。如果是彩色的256色圖，則經(jīng)過(guò)圖像處理算法后，可能會(huì)產(chǎn)生不屬于這256種顏色的新顏色，而真彩色RGB圖像必須用三個(gè)與圖像尺寸相同的矩陣來(lái)存儲(chǔ)，這樣計(jì)算代價(jià)過(guò)大。所以，一般采用256級(jí)灰度圖來(lái)進(jìn)行處理。由于采集的圖像是彩色圖像，所以要把彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像?；叶茸儞Q有時(shí)又被稱為圖像的對(duì)比度增強(qiáng)或?qū)Ρ榷壤?。假定輸入圖像中的一個(gè)像素的灰度級(jí)為Z，經(jīng)過(guò)T（Z）函數(shù)變換后輸出圖像對(duì)應(yīng)的灰度級(jí)為Z，其中要求Z和Z都要在圖像的灰度范圍之內(nèi)。根據(jù)T（）形式，可以將灰度變換分為線性變換和非線性變換。具體應(yīng)用中采用何種T（），需要根據(jù)變換的要求而定?；叶茸儞Q的具體方法是：首先將原始圖像從RGB空間轉(zhuǎn)化為YCbCr空間，Y分量包含亮度信息，Cb和Cr分量包含色度和飽和度信息，然后僅提取Y分量生成灰度圖。彩色圖像由RGB空間變換為YCbCr空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為： 彩色圖像由YCbCr空間變換為RGB空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：