車牌自動識別系統(tǒng)技術

一、自動識別技術的基礎知識

    1．牌照中顏色、漢字、字母、數(shù)字全部識別的必要性

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

    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雜的算法，因此無法適應各種特殊情況，如全天候工作，污損車牌識別，各種環(huán)境光影響等；

    3．采用專用攝像頭的必要性

    普通攝像頭的設計是用以監(jiān)視目的的，因此他的設計是針對人的視覺的，而不是針對機器處理的，而人的視覺需求和機器的識別需求往往是不一致的，例如，人眼看計算機屏幕時感覺很好，但如用計算機抓拍就完全不同，有時抓到的圖像可能會僅有幾條掃描線(如抓牌攝像頭快門較快時)，所以，要想使得系統(tǒng)的識別率達到更高的水平，必須設計最適合機器識別用的專用攝像機。

    4．照明設計的必要性

    牌照識別系統(tǒng)包括成像和處理識別兩個關鍵，其中成像是基礎，要想達到較高的識別水平，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)在的國際識別算法水平，如果人的眼睛識別有難度，機器是絕對識別不了的。為了達到好的成像效果，必須設計好的照明方案，為了在成像瞬間，照明超過任何自然光，閃光照明是較好的選擇。在太陽直射、成鏡面反射或逆光時，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）保證牌照顏色識別，只有有了顏色識別，才能達到整牌識別，整牌識別的必要性在第1點中已經(jīng)說明了；
    2）利用牌照顏色可以直接區(qū)分軍警車和民用車；
    3）圖像數(shù)據(jù)庫的圖片需要有顏色；
    4）利用顏色信息可以提高牌照定位的準確率，從而提高牌照識別率。

    6．提供網(wǎng)絡連接的必要性

    1）上傳圖像；
    2）遠程維護（如遠程程序升級和故障診斷）；

    7．機器識別與人眼的比較

    總的來講，機器在識別方面要遠遠差與人眼，人眼無法辨別的圖片機器是絕對識別不了的。

    8．圖像特征提取的問題

    牌照中的字符和牌照顏色是牌照圖像的最明顯和最容易提取的特征，如果字符和牌照顏色識別不了，其它特征的提取是不可能的，而且是本末倒置。因為：

    1）圖像特征提取是一個比字符識別更難的問題；
    2）牌照圖像特征提取需要有牌照定位正確為前提，而無法識別的牌照往往是由于污損嚴重而無法定位的，因此根本談不上有用特征的提?。?br/>    3）圖像特征的提取必須是在定義了若干圖像特征之后，而這又是一個復雜的問題。

    9．牌照識別的技術關鍵

    汽車牌照識別對人來講是一件輕而易舉的事，但用計算機處理卻要難得多，他的算法難點包括：
    1）牌照區(qū)域定位；
    2）變形校正；
    3）旋轉(zhuǎn)校正；
    4）污損修復；
    5）字符切分；
    6）字符識別；
    成像環(huán)節(jié)中的難點包括：
    1）環(huán)境光影響（太陽定向反射、鏡面反射）；
    2）車輛高速運動中成像；
    系統(tǒng)運行環(huán)節(jié)中的難點：
    1）全天候連續(xù)工作；
    2）長的系統(tǒng)無故障時間；

    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性；
    2）利用高電子快門，保證高速車輛成像清晰；
    3）利用高電子快門和瞬間補光，達到抑制環(huán)境光的目的；

    二、牌照識別的“軟件方式”與“硬件方式”的比較

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

    在真正工程應用中，“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)為是否借用車道機的計算機硬件，“軟件方式”的唯一可取之處就是借用了車道機資源，可以使系統(tǒng)減少一些成本，但是由此帶來的問題是實際工程應用所不允許的，這里列舉如下：

    1）車道機是可靠性要求很高的設備，牌照識別是數(shù)據(jù)處理和交換量非常大的系統(tǒng)，它所需要的計算機資源（內(nèi)存和CPU時間）遠大于車道機本身，因此，將牌照識別軟件和硬件內(nèi)置與車道機中會大大降低車道機的可靠性，這是工程應用不允許的。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，在實際應用中，它也是當今國際上系統(tǒng)設計的主流模式。而在“軟件方式”中，可靠性要求極高的車道機卻負荷了資源消耗極大的牌照識別系統(tǒng)，這在理論上也是不合理的。

    2）由于牌照識別系統(tǒng)的復雜性，一般它都是由專業(yè)廠家開發(fā)生產(chǎn)，而車道機軟件通常由系統(tǒng)集成商設計，這樣，在實際應用中，“軟件方式”的牌照系統(tǒng)與車道機軟件的完善銜接是困難的。由于銜接的復雜，有些在調(diào)試中無法發(fā)現(xiàn)的問題可能會成為將后系統(tǒng)正常運行的巨大隱患。
    3）牌照系統(tǒng)和車道軟件銜接的復雜會造成系統(tǒng)集成商和牌照識別供應商的責任界線模糊不清，由此引系統(tǒng)連接調(diào)試和后期維護中的扯皮現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的正常運行。
    4）牌照識別系統(tǒng)是一個新產(chǎn)品，又由于它的軟件復雜性，因此它的可靠性無法與車道機相比擬。另外，作為收費系統(tǒng)的輔助手段，它的可靠性本身也不需要像車道機那么高。高可靠性的軟件揉合了一個低可靠性的軟件，并在一個計算機系統(tǒng)中應用，形成一個串聯(lián)的系統(tǒng)，最終的可靠性必然是比低的更低。
    5）“軟件方式”無法利用大量的硬件快速處理，最終識別率無法做的很高。
    6）目前，國內(nèi)成功地應用于實際工程的牌照識別系統(tǒng)沒有一個是采用“軟件方式”的。

    三、汽車牌照的基本元素

目前我國機動車使用的牌照主要是根據(jù)公安部一九九二年頒布的《中華人民共和國機動車號牌》標準（GA36-92）制作的。另外，部隊、武警等部門的汽車牌照也有自己的標準。但無論是哪種汽車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、黃、白、黑） 四、識別技術簡介

     汽車牌照識別技術是一個以特定目標為對象的專用計算機視覺系統(tǒng)。到目前為止，通用計算機視覺系統(tǒng)仍然是當今科學界尚未攻克的難題。究其原因主要是當前的串行計算機結(jié)構(gòu)難以完全適合做人工智能視覺工作。也許，只有新一代的計算機誕生了，真正的通用的計算機視覺系統(tǒng)才能實現(xiàn)。人們已經(jīng)意識到，光靠加快計算機計算速度是無法徹底解決機器視覺所遇到的問題。神經(jīng)網(wǎng)絡的出現(xiàn)曾給人們帶來一線曙光，但經(jīng)過十多年的努力，新一代計算機還是遙遙無期，而機器視覺系統(tǒng)仍然在黑暗中摸索。

    經(jīng)過反思，人們認為，在當前科學技術條件下，機器視覺系統(tǒng)的研究只能退而求其次，即首先研究針對特定對象的、專用的計算機視覺系統(tǒng)。汽車牌照識別器就是這一技術的典型應用，但就是要研究開發(fā)這種專用的視覺系統(tǒng)，也不是輕而易舉的。

    用計算機完成視覺任務，其主要困難就是串行計算機不適合作視覺工作，而人類卻恰好相反，人可以隨時隨地輕而易舉地完成無數(shù)的、令計算機無法想象的視覺任務。但是，計算機具有“忠實、吃苦、耐勞”和不怕重復、重復工作結(jié)果絕對一致等許多人類不具有的優(yōu)點，所以計算機視覺研究，特別是專用計算機視覺的研究具有絕對重要的價值。

    汽車牌照自動識別設備主要由觸發(fā)單元、抓拍單元、處理單元三部分組成。汽車牌照識別對人來講是一件輕而易舉的事，但用計算機處理卻要難得多。其中：

    算法難點包括：
    1）汽車牌照區(qū)域定位；
    2）變形校正；
    3）旋轉(zhuǎn)校正；
    4）污損修復；
    5）字符切分；
    6）字符識別；
    成像環(huán)節(jié)中的難點包括：
    1）環(huán)境光影響（太陽定向反射、鏡面反射）；
    2）車輛高速運動中成像；
    系統(tǒng)運行環(huán)節(jié)中的難點：
    1）全天候連續(xù)工作；
    2）系統(tǒng)無故障時間；

    四、不同識別技術方案的特點

    目前國內(nèi)外汽車牌照自動識別技術主要采用軟件方式及軟硬結(jié)合方式兩種技術方案。

    所謂軟件方式，就是通過識別軟件對普通的車輛圖像進行牌照識別，它的最大特點就是成本低，通用性好；

    所謂軟硬結(jié)合方式，就是首先通過專用的圖像抓拍設備獲取一幅適合于計算機識別汽車牌照的高質(zhì)量圖像，然后用軟件、硬件結(jié)合的方式對所獲取的專用圖像進行牌照識別，它的最大特點就是識別率高，能夠全天候工作。

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

    同樣，要想提高汽車牌照識別率，也必須從以上三方面著手。軟硬結(jié)合的汽車牌照識別技術方案，就是根據(jù)視覺的基本原理確定的，是一個集成像、光源、識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)合方式三個部分中的一部分。雖然軟件方式也能完成汽車牌照識別的功能，但識別率受成像質(zhì)量、環(huán)境光線影響太大，這也就是軟件方式的識別率為什么達到一定水平總是提不高的根本原因。