摘 要： 針對(duì)加油站管理系統(tǒng)中的車牌定位問題，在對(duì)彩色圖像灰度化的基礎(chǔ)上，利用迭代法進(jìn)行圖像分割，利用行掃描技術(shù)并結(jié)合車牌字符特征，實(shí)現(xiàn)了車牌的準(zhǔn)確定位，實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性。
關(guān)鍵詞： 車牌定位; 迭代法; 二值圖像; 行掃描
加油站信息管理系統(tǒng)利用信息技術(shù)對(duì)油品銷售、油料配給等進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效、智能的監(jiān)控和管理，從而極大地降低了運(yùn)行和管理成本，減少投入，以較低代價(jià)獲取最佳的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,因此具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。國內(nèi)的大型鋼鐵、交通物流、港口碼頭等企業(yè)都有內(nèi)部加油站為本公司車輛加油，而且油料在生產(chǎn)成本中占據(jù)了很大比重。利用IC卡技術(shù)可在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的用油統(tǒng)計(jì)和管理，但無法完全杜絕用油中的漏洞,存在IC卡用于非對(duì)應(yīng)車輛加油現(xiàn)象。利用加油車輛的車牌信息判別是否為授權(quán)加油車輛，可最大程度地保證加油車輛的合法性，提高用油管理的等級(jí)，能在較大程度上杜絕用油漏洞。
加油站管理系統(tǒng)通過攝像頭對(duì)進(jìn)入加油站的車牌進(jìn)行圖像抓拍，并對(duì)抓拍的圖像進(jìn)行號(hào)碼自動(dòng)識(shí)別，獲得數(shù)字化信息來進(jìn)行有關(guān)的管理和控制，對(duì)登記過的合法車輛授權(quán)加油機(jī)進(jìn)行加油。車牌識(shí)別的工作過程分為兩個(gè)步驟：一是確定車牌在整個(gè)圖像中的位置；二是車牌號(hào)碼字符識(shí)別，即從車牌圖像中識(shí)別出車牌號(hào)碼，并輸出車牌號(hào)碼字符串。在加油站中，基于防爆考慮，拍照時(shí)不能進(jìn)行補(bǔ)光，采集的圖像較暗，尤其在晚上更為突出，因此研究一種快速有效的車牌定位技術(shù)顯得尤為必要。
國內(nèi)外學(xué)者對(duì)車牌定位進(jìn)行了廣泛的研究，提出了許多算法，如基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法[1]，該方法利用選取合適的結(jié)構(gòu)元素使車牌區(qū)域形成閉合的連通區(qū)域，通過這些連通區(qū)域的篩選可以將車牌找到，運(yùn)算量較小，但識(shí)別準(zhǔn)確率不高；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法[2-3]則需把圖像特征輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，計(jì)算量很大，同時(shí)存在網(wǎng)絡(luò)局部收斂、車牌定位時(shí)間長等問題；基于Hough變換進(jìn)行直線檢測(cè)的方法[4]，計(jì)算量較大，對(duì)于邊框小、連續(xù)的車牌，需附加大量的運(yùn)算；基于彩色圖像的車牌分割方法[5]一般將輸入的RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換成HIS空間的彩色圖像，需進(jìn)行大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，然后進(jìn)行色彩分割，再進(jìn)一步定位車牌，計(jì)算量很大；基于模糊邏輯的方法[6]需要在圖像屬性域和模糊域之間變換，實(shí)時(shí)性比較差。本文在利用迭代法生成二值圖像的基礎(chǔ)上，利用行掃描技術(shù)，結(jié)合車牌圖像的字符特征，研究了一種適合加油站使用的車牌定位技術(shù)，為后續(xù)的字符識(shí)別提供技術(shù)支持。
1 圖像的灰度化
視頻采集系統(tǒng)輸出的是24位真彩圖像,彩色圖像包含大量的顏色信息，圖像信息更加豐富,但也存在存儲(chǔ)空間大、計(jì)算量大等缺點(diǎn)，為此要把彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像的方法有以下三種：
對(duì)一幅彩色圖像進(jìn)行灰度化，其結(jié)果如圖1所示。
2 圖像閾值分割
直方圖閾值法是灰度圖像廣泛使用的一種分割方法，它基于對(duì)灰度圖像的這樣一種假設(shè)：目標(biāo)或背景內(nèi)部的相鄰像素間的灰度值相似，但不同目標(biāo)或背景上的像素灰度差異較大，反映在直方圖上，不同目標(biāo)或背景對(duì)應(yīng)不同的峰。選取的閾值應(yīng)位于兩個(gè)不同峰之間的谷上，以便將各個(gè)峰分開,典型的方法有Otsu方法、最大熵方法等?；谥狈綀D的方法要求直方圖是雙峰的，即要有明顯的谷底以便選取閾值。由于車牌圖像中，相對(duì)于車牌區(qū)域來講，背景比較復(fù)雜，圖像不一定有明顯峰值，因此本文采用迭代法來獲取閾值，因?yàn)榈ú灰笾狈綀D有明顯的雙峰。迭代法方法如下:
(1)求出圖像的最大灰度值和最小灰度值，分別記為Gmax、Gmin，使初始閾值為:
(2)在t步，根據(jù)t-1步計(jì)算的閾值,將圖像分割為背景和目標(biāo)，并利用式(6)計(jì)算目標(biāo)和背景的平均灰度，
g(i,j)為像素點(diǎn)(i,j)的灰度級(jí):
直到兩組的平均灰度值不再發(fā)生改變，這時(shí)得到的就是所需要的閾值。利用上述方法對(duì)圖1進(jìn)行圖像分割后的結(jié)果如圖2所示。
3 行掃描的車牌定位技術(shù)
3.1 車牌行掃描
牌照區(qū)域區(qū)別于其他區(qū)域的最明顯的特征是：牌照區(qū)域有按一定標(biāo)準(zhǔn)排列的字符，不僅字符和車牌底色在灰度上存在跳變，且在車牌區(qū)域有豐富的邊緣存在，呈現(xiàn)出規(guī)則的紋理特征，具體可歸結(jié)為該區(qū)域水平方向灰度變化頻度比較高。記圖像中第i行灰度變化函數(shù)為f(i)(0≤i≤M)，M為圖像的高度,使用水平掃描線獲取整幅圖像每行的灰度變化值，即二值化后圖像由黑到白或由白到黑的變化頻率。由于車身和背景的水平灰度變化值要低于車牌區(qū)域，據(jù)此設(shè)計(jì)的行掃描技術(shù)如下:
(1)統(tǒng)計(jì)二值化后圖像第i行的灰度變化值，采用的公式為：
g(i,j)表示在像素點(diǎn)(i,j)上的灰度級(jí)。即橫向掃描線掃描到的像素點(diǎn)，其值的變化從黑點(diǎn)變到白點(diǎn)，或者從白點(diǎn)變到黑點(diǎn)，這時(shí)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)加1，整行掃描完獲取的就是第i行的灰度變化值。
(2)求出圖像行灰度變化值大于零的行的灰度變化平均值，計(jì)算公式為：
(3)對(duì)f(i)進(jìn)行拷貝，得到fc(i)后，去除所有f(i)小于Ave的行，即將這些行的f(i)置為0。對(duì)圖2進(jìn)行行掃描后的結(jié)果如圖3所示。
3.2 車牌區(qū)塊狀化
利用上文所述方法進(jìn)行車牌掃描后，其結(jié)果可能把車牌區(qū)域的某幾行去除，當(dāng)然車牌區(qū)域大多數(shù)行仍然保留著，所以要進(jìn)行區(qū)域塊化，以保留完整的車牌區(qū)域。根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)表明，在車牌區(qū)域中行灰度變化值f(i)>0和f(i)=0的變化間距不會(huì)超過某個(gè)數(shù)值T1，因?yàn)檐嚺茀^(qū)域的字符是連貫的，而且車牌周圍的背景比較穩(wěn)定，所以以行距T1作為歸并車牌區(qū)域的閾值。T1在實(shí)際中可以取一個(gè)合適數(shù)值，如5或6。
具體算法如下：
(1)遍歷所有i(0≤i≤M)，只要滿足f(i-1)>0&&f(i)=0,進(jìn)行步驟(2)，否則繼續(xù)步驟(1);
(2)令j=i，滿足j>i+T1&&j≤M；若存在f(j)>0，則可以使i到j(luò)這幾行的f(j)=fc(j)，即讓其恢復(fù)原值，完成區(qū)域塊化；
(3)去除零散區(qū)域。由于車牌在整幅圖像中的寬度不可能小于T2個(gè)像素,同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明以T2取10~15作為去除零散區(qū)域的閾值比較合適。首先查找滿足f(i-1)>0&&f(i)=0的行，則第i-1行為此區(qū)域的邊界，從此邊界開始向下搜索T2個(gè)像素，如果存在f(i)=0，說明此區(qū)域的行寬不足T2，則去掉此零散區(qū)域，即令f(i)=0；
(4)判斷是否i≥M，如果是則退出,否則繼續(xù)步驟(1)。
利用此算法對(duì)圖3進(jìn)行處理的結(jié)果如圖4所示。
3.3 利用車牌特征選取條狀區(qū)域
在剩余的矩形區(qū)域中，統(tǒng)計(jì)每個(gè)矩形區(qū)域中灰度跳變點(diǎn)總數(shù)，將總數(shù)最大的那個(gè)區(qū)域確定為車牌區(qū)域，如圖5所示。若此區(qū)域不存在，則認(rèn)為圖像中無車牌圖像。接著，要在可能的條狀區(qū)域中選擇車牌可能在的塊狀區(qū)域。原始車牌中每個(gè)字寬45 mm，字高90 mm， 間隔符寬10 mm，每個(gè)單元間隔12 mm，根據(jù)這些尺寸，可以得出車牌區(qū)域中字高和字的總長比值約為1:5。
經(jīng)過前面的篩選，留下的條狀區(qū)域必然緊貼字符，假設(shè)可能的每個(gè)條狀區(qū)域的行高為H，按照1:5的比例，獲取此條狀區(qū)域中所有H×5H的塊狀區(qū)域,計(jì)算這些塊狀區(qū)域的灰度變化值B(i)，其中最大的B(i)值對(duì)應(yīng)的塊狀區(qū)域即為可能的車牌塊狀區(qū)域。
3.4 密度法獲取精確位置
由于車牌區(qū)域字符紋理的復(fù)雜性，其單位面積的灰度變化值應(yīng)該是最大的，若可能的第i塊車牌區(qū)域的灰度變化值為B(i),面積為A(i)，就可得到灰度變化值的密度為D(i)。比較所有的密度值，則最大的密度值對(duì)應(yīng)的區(qū)域即為車牌區(qū)域。其中，
利用此法獲取的車牌區(qū)域如圖6所示。
4 實(shí)驗(yàn)
在VC++6．0環(huán)境下開發(fā)車牌定位系統(tǒng), 在Pentium(2.2G)CPU、2 GB內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上對(duì)300幅車輛圖像進(jìn)行車牌牌照?qǐng)D像獲取測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，車牌定位總有效率在96%以上。算法中，由于在車牌區(qū)塊化的過程中對(duì)車牌行掃描中去除的車牌區(qū)域進(jìn)行了復(fù)原，因此車牌沒有出現(xiàn)漏檢區(qū)域，但是出現(xiàn)了將非車牌的背景區(qū)域也包含進(jìn)來的情況，算法有待進(jìn)一步改進(jìn)。
本文針對(duì)加油站管理系統(tǒng)中的車牌定位問題展開研究，在灰度化的圖像上進(jìn)行迭代法分割圖像，并采用行掃描技術(shù)結(jié)合車牌字符特征，對(duì)車牌區(qū)域進(jìn)行了準(zhǔn)確定位。本文提出的定位算法計(jì)算量小、處理速度快。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其總有效率達(dá)到了95％以上，具有較高的檢測(cè)速度和準(zhǔn)確率。
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