基于圖像識別技術(shù)的公交報站器研究

周正林，孫 浩，周 越

（1.黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050；2.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙410025）

隨著計算機和信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，基于圖像識別技術(shù)的智能化公交報站器的研發(fā)成為一種可能。它的工作原理是公交車在行駛的過程中，車上的攝像頭將圖像信息傳入計算機中，計算機經(jīng)過處理后得到實時的圖像信息，與先前創(chuàng)建的各站點圖像數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比對，判斷到哪個車站，然后啟動語言播報及LED屏提示系統(tǒng)。這樣就可以讓司機專心開車，避免漏報誤報，同時又方便乘客辨別位置。

1 研究現(xiàn)狀

主要有以下幾種類型：

1）人工觸發(fā)式。某些公司開發(fā)的報站設(shè)備，每到一站就需要駕駛員觸發(fā)報站按鈕，如果忘了就會出現(xiàn)錯誤的報站信息。司機勞動強度大，易分散駕駛員的精力，有一定的局限性。

2）GPS報站系統(tǒng)。類似于車載導(dǎo)航儀，但此方法有較大的缺陷。該報站系統(tǒng)只能給出一個范圍性的信息，誤差較大，價格也比較貴。

3）紅外傳感報站系統(tǒng)。需要在站臺周圍若干米處設(shè)立紅外線發(fā)射器，在每輛公交車上裝紅外接收器，通過辨別信息達到報站的目的。由于這種方法必須在每個站臺安裝紅外線發(fā)射裝置，雖然技術(shù)可行但工程量浩大，很難實現(xiàn)。

基于圖像識別技術(shù)的公交報站器是一種類似于人腦的智能化報站系統(tǒng)，它將圖像處理和人臉識別技術(shù)應(yīng)用于智能化報站系統(tǒng)中［2－3］。

2 技術(shù)路線

大家對從黑龍江工程學(xué)院到哈爾濱站的沿途景物都很熟悉，公交車每到一站，看到站點周圍的景物就知道到哪里了，這是由于沿途的景物深深地印在你的腦海里?；谶@種原因，先對某條公交線路的上下行各站點景物的圖像進行處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，存儲在專用的數(shù)據(jù)庫中。在每輛公交車的右前方安裝一個攝像頭，實時獲取視頻圖像，同時對獲取的畫面進行處理，將獲得的結(jié)果與數(shù)據(jù)庫中的信息進行比對，如果兩者基本一致時就觸發(fā)報站系統(tǒng)，圖1為系統(tǒng)設(shè)計框圖。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

1）數(shù)據(jù)庫的建立。具體到某一條公交線路，需要做的是將公交路線上、下行方向的每一個公交站點周圍景物進行照相，對照片進行篩選，選出具有標志性的建筑照片（選取的景物盡可能不受季節(jié)變化的影響），用圖像處理技術(shù)對每幀圖像進行處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，存儲到數(shù)據(jù)庫中。由于圖像處理的效果與拍攝的角度、距離、照度、季節(jié)等多種因素有關(guān)，為了提高報站的可靠性，選取每個站點不同角度、距離及季節(jié)的多幅圖像，得到沿線各個站點景物的信息數(shù)據(jù)庫。

2）圖像處理。公交車在行使的過程中攝像頭進行連續(xù)攝像，具體到視頻流的某一幀圖像，將圖像從背景中分離出來并自動將其保存。對獲取的圖像信息進行預(yù)處理（前處理）以濾去干擾、噪聲，作幾何、彩色校正，有時由于信息微弱，無法辨識，還得進行增強。所采集到的圖像經(jīng)過預(yù)處理后再對其進行邊緣檢測、邊緣增強、銳化3個處理步驟，得到可與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)比對的圖像數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)庫中存放的圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)過處理）。圖像的處理過程為［5－6］：

圖2 公交站點的圖像處理過程

邊緣處理：圖像f用式（1）表示，其中σ被稱為邊緣模糊度。

由原圖像得到左邊緣檢測后的亮度Il，根據(jù)上述邊緣檢測處理過程依次檢測出上下左右4個方向的邊緣亮度，將其組合得到邊緣檢測圖像f（i，j）［7］。

邊緣增強：將采集到的圖片進行灰度變換，邊緣檢測得到的數(shù)據(jù)提高其灰度值以突出邊緣，便于比對。邊緣圖像進行45°方向增強算法

在保證圖像識別精度的前提下提高比對速度，根據(jù)不同的建筑物，選取多個特征點（某個像素點及其領(lǐng)域像素），這樣在比對時不必再進行逐個像素點掃描式的比對方式，只需將處理后實時圖像與數(shù)據(jù)庫中圖像的特征點做比對。具體做法是：將數(shù)據(jù)庫中的圖像g（i，j）選取若干個特征點（A，B）、（C，D）、（E，F(xiàn)）…（X，Y），實時圖像處理后對應(yīng)選取同樣個數(shù)的特征點（a，b）、（c，d）、（e，f）…（x，y），再將兩套特征點的灰度值一一對應(yīng)做減法，若差在0～10內(nèi)則可視為兩點相吻合，若90%的特征點相吻合，則視為兩圖所描述的圖像一致［10］。此時將識別出的圖像進行譯碼，啟動播報系統(tǒng)。

本項目硬件部分主要由高清晰度CCD攝像頭、視頻采集卡及PC機等組成。其中圖像數(shù)據(jù)是在GENPLUS.GP－19CCCD彩色數(shù)字圖像傳感器上采集得到的，采集得到的圖像數(shù)據(jù)通過視頻采集卡，經(jīng)PCI總線傳送到PC機上，應(yīng)用程序進行編碼和處理［1］。圖2為公交站點的圖像處理過程。

3）播報及顯示系統(tǒng)。具體到某一條公交線路，可以對每個站點的語音提示進行錄音，建立一個語音數(shù)據(jù)庫。同時編寫點陣屏到站顯示程序，存儲在存儲器之中。這樣就可以用語音及顯示屏進行到站信息的播報和顯示。具體過程如圖3所示。

圖3 語音播報及LED顯示

3 需要解決的關(guān)鍵問題

1）在自動公交報站器的研究中，對車站周圍景物的圖像信息識別是關(guān)鍵問題，將直接影響報站器的準確性。這個問題主要依靠CCD攝像頭的支持，CCD攝像頭所獲取的圖像質(zhì)量直接影響到后期的處理及識別階段。若所拍攝的圖像清晰則經(jīng)過簡單的線性變換、中值濾波、銳化、邊緣檢測就可快速達到目的；若成像質(zhì)量較差，那么不但要花費長時間采取多種方式來處理圖像，而且即使經(jīng)過處理，圖像的辨識度較低，很難與數(shù)據(jù)庫的圖像進行比對，精準度自然無法達標。

2）圖像處理的實時性能否滿足要求。①由于公交車主要行駛于城市內(nèi)，攝像頭采集圖像的速度不會太高，目前CCD攝像頭的捕捉速度已經(jīng)能夠滿足要求；②由于識別比對要求采集圖像的畫質(zhì)，那么所采集到的視屏圖像像素會很高，則數(shù)據(jù)量也非常巨大。龐大的數(shù)據(jù)量讓處理階段的計算量加大，這里會耗費大量的時間。這點可以考慮在保證圖像質(zhì)量的前提下壓縮數(shù)據(jù)［8］。③由于數(shù)據(jù)庫的圖像信息與實時采集的圖像在拍攝時焦距無法固定一致，所以在比對時建筑物呈現(xiàn)的大小也會有所不同，這又給比對階段增加了難度［9］。

4 結(jié)束語

基于圖像處理技術(shù)的智能公交車報站器，它的工作原理類似于人的大腦把眼睛看到的事物做出判斷一樣，具有實時智能化的特性。到目前為止，雖然在實時性、準確性和性價比等方面還有待于提高，但隨著圖像處理技術(shù)的日趨成熟，實時性、準確性也必將大大增強。因此，基于圖像處理的智能化公交車報站器必將取代傳統(tǒng)的報站方式。

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［8］孟憲元.可編程 ASIC集成數(shù)字系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1998：213－240.

［9］潘松，王國棟.VHDL實用教程［M］.成都：電子科技大學(xué)出版社，2000：170－201.

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