車(chē)牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)技術(shù)

一、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)

    1．牌照中顏色、漢字、字母、數(shù)字全部識(shí)別的必要性

牌照識(shí)別在收費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用除了防止“換卡”舞弊外，還有如下重要功能：
    1）防止同車(chē)“倒卡”。判斷車(chē)輛是否“倒卡”需要在網(wǎng)上搜索車(chē)輛的最新入口，這需要全牌識(shí)別；
    2）防止通行卡流失。全牌識(shí)別以后，系統(tǒng)可以知道每個(gè)卡的具體流向，從而可以知道未回收的卡在那輛車(chē)上，并可以把該車(chē)列為黑名單，一旦該車(chē)再次進(jìn)入系統(tǒng)就會(huì)馬上被抓出；
    3）公免、軍警車(chē)放行。全牌識(shí)別以后，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)公免、軍警、內(nèi)部車(chē)輛的自動(dòng)識(shí)別和放行，杜絕收費(fèi)員作弊，并提升系統(tǒng)的自動(dòng)化水平；
    4）提升系統(tǒng)管理水平。全牌識(shí)別以后，系統(tǒng)的管理可以精確到每個(gè)車(chē)輛，由此，可以使系統(tǒng)的管理水平發(fā)生質(zhì)的飛躍。例如，異常車(chē)輛的檢索查詢(xún)和作弊車(chē)輛的證據(jù)檢索，收費(fèi)員的稽查，黑名單車(chē)輛的現(xiàn)場(chǎng)稽查等在沒(méi)有全牌識(shí)別時(shí)是很難實(shí)施的，而有了全牌識(shí)別則變得輕而易舉。

    2．硬件處理的必要性

    圖像的數(shù)據(jù)量極大，單純軟件處理不可能采用大量的復(fù)雜的算法，因此無(wú)法適應(yīng)各種特殊情況，如全天候工作，污損車(chē)牌識(shí)別，各種環(huán)境光影響等；

    3．采用專(zhuān)用攝像頭的必要性

    普通攝像頭的設(shè)計(jì)是用以監(jiān)視目的的，因此他的設(shè)計(jì)是針對(duì)人的視覺(jué)的，而不是針對(duì)機(jī)器處理的，而人的視覺(jué)需求和機(jī)器的識(shí)別需求往往是不一致的，例如，人眼看計(jì)算機(jī)屏幕時(shí)感覺(jué)很好，但如用計(jì)算機(jī)抓拍就完全不同，有時(shí)抓到的圖像可能會(huì)僅有幾條掃描線(xiàn)(如抓牌攝像頭快門(mén)較快時(shí))，所以，要想使得系統(tǒng)的識(shí)別率達(dá)到更高的水平，必須設(shè)計(jì)最適合機(jī)器識(shí)別用的專(zhuān)用攝像機(jī)。

    4．照明設(shè)計(jì)的必要性

    牌照識(shí)別系統(tǒng)包括成像和處理識(shí)別兩個(gè)關(guān)鍵，其中成像是基礎(chǔ)，要想達(dá)到較高的識(shí)別水平，除了優(yōu)秀的算法以外，必須有優(yōu)秀的成像系統(tǒng)作保證。按照現(xiàn)在的國(guó)際識(shí)別算法水平，如果人的眼睛識(shí)別有難度，機(jī)器是絕對(duì)識(shí)別不了的。為了達(dá)到好的成像效果，必須設(shè)計(jì)好的照明方案，為了在成像瞬間，照明超過(guò)任何自然光，閃光照明是較好的選擇。在太陽(yáng)直射、成鏡面反射或逆光時(shí)，保證成像效果的唯一辦法就是加閃光照明。

    5．選用彩色攝像頭的必要性

    1）保證牌照顏色識(shí)別，只有有了顏色識(shí)別，才能達(dá)到整牌識(shí)別，整牌識(shí)別的必要性在第1點(diǎn)中已經(jīng)說(shuō)明了；
    2）利用牌照顏色可以直接區(qū)分軍警車(chē)和民用車(chē)；
    3）圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的圖片需要有顏色；
    4）利用顏色信息可以提高牌照定位的準(zhǔn)確率，從而提高牌照識(shí)別率。

    6．提供網(wǎng)絡(luò)連接的必要性

    1）上傳圖像；
    2）遠(yuǎn)程維護(hù)（如遠(yuǎn)程程序升級(jí)和故障診斷）；

    7．機(jī)器識(shí)別與人眼的比較

    總的來(lái)講，機(jī)器在識(shí)別方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)差與人眼，人眼無(wú)法辨別的圖片機(jī)器是絕對(duì)識(shí)別不了的。

    8．圖像特征提取的問(wèn)題

    牌照中的字符和牌照顏色是牌照?qǐng)D像的最明顯和最容易提取的特征，如果字符和牌照顏色識(shí)別不了，其它特征的提取是不可能的，而且是本末倒置。因?yàn)椋?/span>

    1）圖像特征提取是一個(gè)比字符識(shí)別更難的問(wèn)題；
    2）牌照?qǐng)D像特征提取需要有牌照定位正確為前提，而無(wú)法識(shí)別的牌照往往是由于污損嚴(yán)重而無(wú)法定位的，因此根本談不上有用特征的提??；
    3）圖像特征的提取必須是在定義了若干圖像特征之后，而這又是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。

    9．牌照識(shí)別的技術(shù)關(guān)鍵

    汽車(chē)牌照識(shí)別對(duì)人來(lái)講是一件輕而易舉的事，但用計(jì)算機(jī)處理卻要難得多，他的算法難點(diǎn)包括：
    1）牌照區(qū)域定位；
    2）變形校正；
    3）旋轉(zhuǎn)校正；
    4）污損修復(fù)；
    5）字符切分；
    6）字符識(shí)別；
    成像環(huán)節(jié)中的難點(diǎn)包括：
    1）環(huán)境光影響（太陽(yáng)定向反射、鏡面反射）；
    2）車(chē)輛高速運(yùn)動(dòng)中成像；
    系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)中的難點(diǎn)：
    1）全天候連續(xù)工作；
    2）長(zhǎng)的系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)間；

    10．成像環(huán)節(jié)采取的解決方案

    1）定向反射成像與漫反射自然光成像相結(jié)合，充分利用二者的互補(bǔ)性；
    2）利用高電子快門(mén)，保證高速車(chē)輛成像清晰；
    3）利用高電子快門(mén)和瞬間補(bǔ)光，達(dá)到抑制環(huán)境光的目的；

    二、牌照識(shí)別的“軟件方式”與“硬件方式”的比較

    “軟件方式”一般是指將牌照識(shí)別處理軟件和圖像抓拍處理硬件內(nèi)置于車(chē)道機(jī)的方式，而“硬件”方式是指將牌照識(shí)別軟硬件作為獨(dú)立模塊外置，而與車(chē)道機(jī)的關(guān)系僅為識(shí)別結(jié)果交換的方式。

    在真正工程應(yīng)用中，“硬件方式”是一種比較合理的方案，而“軟件方式”一般是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期采用的一種方案。

    兩種方案在產(chǎn)品形式上體現(xiàn)為是否借用車(chē)道機(jī)的計(jì)算機(jī)硬件，“軟件方式”的唯一可取之處就是借用了車(chē)道機(jī)資源，可以使系統(tǒng)減少一些成本，但是由此帶來(lái)的問(wèn)題是實(shí)際工程應(yīng)用所不允許的，這里列舉如下：

    1）車(chē)道機(jī)是可靠性要求很高的設(shè)備，牌照識(shí)別是數(shù)據(jù)處理和交換量非常大的系統(tǒng)，它所需要的計(jì)算機(jī)資源（內(nèi)存和CPU時(shí)間）遠(yuǎn)大于車(chē)道機(jī)本身，因此，將牌照識(shí)別軟件和硬件內(nèi)置與車(chē)道機(jī)中會(huì)大大降低車(chē)道機(jī)的可靠性，這是工程應(yīng)用不允許的。另外，理論已經(jīng)證明，為保證高可靠性，分布式多CPU的處理控制模式是最佳的，在實(shí)際應(yīng)用中，它也是當(dāng)今國(guó)際上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流模式。而在“軟件方式”中，可靠性要求極高的車(chē)道機(jī)卻負(fù)荷了資源消耗極大的牌照識(shí)別系統(tǒng)，這在理論上也是不合理的。

    2）由于牌照識(shí)別系統(tǒng)的復(fù)雜性，一般它都是由專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，而車(chē)道機(jī)軟件通常由系統(tǒng)集成商設(shè)計(jì)，這樣，在實(shí)際應(yīng)用中，“軟件方式”的牌照系統(tǒng)與車(chē)道機(jī)軟件的完善銜接是困難的。由于銜接的復(fù)雜，有些在調(diào)試中無(wú)法發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題可能會(huì)成為將后系統(tǒng)正常運(yùn)行的巨大隱患。
    3）牌照系統(tǒng)和車(chē)道軟件銜接的復(fù)雜會(huì)造成系統(tǒng)集成商和牌照識(shí)別供應(yīng)商的責(zé)任界線(xiàn)模糊不清，由此引系統(tǒng)連接調(diào)試和后期維護(hù)中的扯皮現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
    4）牌照識(shí)別系統(tǒng)是一個(gè)新產(chǎn)品，又由于它的軟件復(fù)雜性，因此它的可靠性無(wú)法與車(chē)道機(jī)相比擬。另外，作為收費(fèi)系統(tǒng)的輔助手段，它的可靠性本身也不需要像車(chē)道機(jī)那么高。高可靠性的軟件揉合了一個(gè)低可靠性的軟件，并在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用，形成一個(gè)串聯(lián)的系統(tǒng)，最終的可靠性必然是比低的更低。
    5）“軟件方式”無(wú)法利用大量的硬件快速處理，最終識(shí)別率無(wú)法做的很高。
    6）目前，國(guó)內(nèi)成功地應(yīng)用于實(shí)際工程的牌照識(shí)別系統(tǒng)沒(méi)有一個(gè)是采用“軟件方式”的。

    三、汽車(chē)牌照的基本元素

目前我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)使用的牌照主要是根據(jù)公安部一九九二年頒布的《中華人民共和國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)號(hào)牌》標(biāo)準(zhǔn)（GA36-92）制作的。另外，部隊(duì)、武警等部門(mén)的汽車(chē)牌照也有自己的標(biāo)準(zhǔn)。但無(wú)論是哪種汽車(chē)牌照都由四大基本元素組成：
    1）漢字
    2）英文字母（A～Z）
    3）數(shù)字（0～9）
    4）顏色（藍(lán)、黃、白、黑） 四、識(shí)別技術(shù)簡(jiǎn)介

     汽車(chē)牌照識(shí)別技術(shù)是一個(gè)以特定目標(biāo)為對(duì)象的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)。到目前為止，通用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)仍然是當(dāng)今科學(xué)界尚未攻克的難題。究其原因主要是當(dāng)前的串行計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)難以完全適合做人工智能視覺(jué)工作。也許，只有新一代的計(jì)算機(jī)誕生了，真正的通用的計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。人們已經(jīng)意識(shí)到，光靠加快計(jì)算機(jī)計(jì)算速度是無(wú)法徹底解決機(jī)器視覺(jué)所遇到的問(wèn)題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)曾給人們帶來(lái)一線(xiàn)曙光，但經(jīng)過(guò)十多年的努力，新一代計(jì)算機(jī)還是遙遙無(wú)期，而機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)仍然在黑暗中摸索。

    經(jīng)過(guò)反思，人們認(rèn)為，在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)條件下，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的研究只能退而求其次，即首先研究針對(duì)特定對(duì)象的、專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)。汽車(chē)牌照識(shí)別器就是這一技術(shù)的典型應(yīng)用，但就是要研究開(kāi)發(fā)這種專(zhuān)用的視覺(jué)系統(tǒng)，也不是輕而易舉的。

    用計(jì)算機(jī)完成視覺(jué)任務(wù)，其主要困難就是串行計(jì)算機(jī)不適合作視覺(jué)工作，而人類(lèi)卻恰好相反，人可以隨時(shí)隨地輕而易舉地完成無(wú)數(shù)的、令計(jì)算機(jī)無(wú)法想象的視覺(jué)任務(wù)。但是，計(jì)算機(jī)具有“忠實(shí)、吃苦、耐勞”和不怕重復(fù)、重復(fù)工作結(jié)果絕對(duì)一致等許多人類(lèi)不具有的優(yōu)點(diǎn)，所以計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究，特別是專(zhuān)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)的研究具有絕對(duì)重要的價(jià)值。

    汽車(chē)牌照自動(dòng)識(shí)別設(shè)備主要由觸發(fā)單元、抓拍單元、處理單元三部分組成。汽車(chē)牌照識(shí)別對(duì)人來(lái)講是一件輕而易舉的事，但用計(jì)算機(jī)處理卻要難得多。其中：

    算法難點(diǎn)包括：
    1）汽車(chē)牌照區(qū)域定位；
    2）變形校正；
    3）旋轉(zhuǎn)校正；
    4）污損修復(fù)；
    5）字符切分；
    6）字符識(shí)別；
    成像環(huán)節(jié)中的難點(diǎn)包括：
    1）環(huán)境光影響（太陽(yáng)定向反射、鏡面反射）；
    2）車(chē)輛高速運(yùn)動(dòng)中成像；
    系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)中的難點(diǎn)：
    1）全天候連續(xù)工作；
    2）系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)間；

    四、不同識(shí)別技術(shù)方案的特點(diǎn)

    目前國(guó)內(nèi)外汽車(chē)牌照自動(dòng)識(shí)別技術(shù)主要采用軟件方式及軟硬結(jié)合方式兩種技術(shù)方案。

    所謂軟件方式，就是通過(guò)識(shí)別軟件對(duì)普通的車(chē)輛圖像進(jìn)行牌照識(shí)別，它的最大特點(diǎn)就是成本低，通用性好；

    所謂軟硬結(jié)合方式，就是首先通過(guò)專(zhuān)用的圖像抓拍設(shè)備獲取一幅適合于計(jì)算機(jī)識(shí)別汽車(chē)牌照的高質(zhì)量圖像，然后用軟件、硬件結(jié)合的方式對(duì)所獲取的專(zhuān)用圖像進(jìn)行牌照識(shí)別，它的最大特點(diǎn)就是識(shí)別率高，能夠全天候工作。

    從視覺(jué)基本原理分析，要想看清一幅圖像必須具備三個(gè)條件：
    1．圖像本身必須清晰；
    2．眼睛視力必須好；
    3．必須要有適當(dāng)?shù)墓饩€(xiàn)。

    同樣，要想提高汽車(chē)牌照識(shí)別率，也必須從以上三方面著手。軟硬結(jié)合的汽車(chē)牌照識(shí)別技術(shù)方案，就是根據(jù)視覺(jué)的基本原理確定的，是一個(gè)集成像、光源、識(shí)別三位一體的完整的方案；而軟件方式在某種程度上可以理解為僅僅是軟硬結(jié)合方式三個(gè)部分中的一部分。雖然軟件方式也能完成汽車(chē)牌照識(shí)別的功能，但識(shí)別率受成像質(zhì)量、環(huán)境光線(xiàn)影響太大，這也就是軟件方式的識(shí)別率為什么達(dá)到一定水平總是提不高的根本原因。