基于GPS 和圖像識(shí)別技術(shù)的城市車位引導(dǎo)系統(tǒng)

魏曉鵬 陳偉利

（吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130118）

1 概述

1.1 研發(fā)背景。隨著人民物質(zhì)生活水平提高，幾乎大部分家庭至少有一輛甚至幾輛汽車。由于汽車保有量的快速增長(zhǎng)，車位缺乏的問(wèn)題也日益顯著，雖然政府興建了停車場(chǎng)，但由于車輛基數(shù)太大，“停車難”的問(wèn)題一直沒(méi)有得到有效的解決。許多非公共停車場(chǎng)還出現(xiàn)了亂停放的現(xiàn)象。除此之外，司機(jī)在道路上邊開(kāi)車邊找路邊停車位，容易導(dǎo)致交通堵塞問(wèn)題，嚴(yán)重的還可能引發(fā)交通事故。有車位卻找不到，停車效率低，這類問(wèn)題需要用現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來(lái)更好地解決。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。針對(duì)車位緊張，車位不能得到合理使用的問(wèn)題。我國(guó)現(xiàn)在解決此問(wèn)題的方法還不夠完善，主要的解決辦法還是新建地下停車場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，技術(shù)上的成就有以下幾個(gè)：指向型停車場(chǎng)的車位引導(dǎo)系統(tǒng)，和基于PLC的車庫(kù)停車位引導(dǎo)系統(tǒng)，小車智能車位管理系統(tǒng)等。這些現(xiàn)有科技大部分只顧及到了停車場(chǎng)的空余車位，而沒(méi)涉及到一些路邊停車位。此外，這些科技雖采用了本文提到的迪杰斯特拉算法來(lái)查找最近的空車位，但缺乏實(shí)際的AR 語(yǔ)音導(dǎo)航，不能更好地引導(dǎo)司機(jī)找到空停車位。由于沒(méi)有GPS的實(shí)時(shí)定位，司機(jī)在使用此類APP 時(shí)，實(shí)時(shí)車位刷新時(shí)間間隔相對(duì)較長(zhǎng)。

總之，現(xiàn)有這方面科技技術(shù)還不夠完善，功能不夠全面，不方便司機(jī)的使用，技術(shù)方面仍需進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。

1.3 研發(fā)意義。利用導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)時(shí)拍攝的道路圖像，將其中空停車位與駕駛員的GPS位置信息導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)就近停車的目的。一方面提高了停車的效率，同時(shí)也減少了汽車在路上尋找車位的路程和時(shí)間，緩解了交通壓力，達(dá)到了節(jié)能減排效果。若當(dāng)停車距離超過(guò)1 千米時(shí)，也提供收費(fèi)停車場(chǎng)空余車位及導(dǎo)航信息，方便駕駛員進(jìn)行選擇。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)概要。研究思路是基于了解當(dāng)前城市道路的“停車難”狀況和市場(chǎng)上現(xiàn)有技術(shù)的不完善，以及考慮到這方面的欠缺，在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主改進(jìn)的一種新型的技術(shù)。在保持原有功能的同時(shí)，新增許多功能，完善許多缺點(diǎn)，方便了用戶的使用，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.2 整體設(shè)計(jì)。建立一套基于GPS定位，查找周圍1 千米內(nèi)停車空位的系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，即“基于GPS和圖像識(shí)別技術(shù)的城市車位引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。如圖1。

圖1 車位引導(dǎo)系統(tǒng)

2.3 運(yùn)行流程。駕駛員用手機(jī)APP 發(fā)出停車請(qǐng)求的信號(hào)給服務(wù)器，服務(wù)器利用導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)時(shí)拍攝的道路圖像，將其中空停車位與駕駛員的GPS位置信息導(dǎo)航，并將導(dǎo)航信息返回給駕駛員。駕駛員根據(jù)導(dǎo)航提示信息找到最近空停車位，實(shí)現(xiàn)就近停車。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 車位狀態(tài)檢測(cè)。車位存在判斷算法采用基于視頻的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)來(lái)完成對(duì)車位狀態(tài)的粗檢測(cè)。對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)中的背景差分法和幀間差分法的研究和比較發(fā)現(xiàn)，這兩種方法的實(shí)質(zhì)都是將兩幀圖像進(jìn)行減運(yùn)算，以此作為啟示，可以將動(dòng)態(tài)圖像中連續(xù)兩幀進(jìn)行差運(yùn)算，然后再將其和背景差進(jìn)行與運(yùn)算，這樣就達(dá)到了加大目標(biāo)信息權(quán)重的目的，同時(shí)還能減小靜態(tài)背景的影響，得到更多的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，更好地將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)從背景圖像中分離出來(lái)。

車位狀態(tài)檢測(cè)的目的主要包括兩個(gè)方面：一是檢測(cè)車位區(qū)域是否有變化；二是確認(rèn)變化是否來(lái)自于車輛。

3.2 算法設(shè)計(jì)。檢測(cè)算法：本文所提出的特征聯(lián)合檢測(cè)方法，實(shí)質(zhì)上是同時(shí)結(jié)合采用了三種不同的檢測(cè)算法.首先采用邊緣檢測(cè)算法，計(jì)算邊緣像素的個(gè)數(shù)，設(shè)定閥值后，進(jìn)入待決策1；與此同時(shí)，第二路檢測(cè)，依據(jù)邊緣像素檢測(cè)結(jié)果，對(duì)圖像中的封閉輪廓進(jìn)行計(jì)數(shù)，并設(shè)定閾值后，進(jìn)入待決策2；第三路檢測(cè)，加入了前景/背景信息檢測(cè)結(jié)果，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)定閥值后，進(jìn)人待決策3。待三種決策過(guò)程全部完成后，最終采用加權(quán)表決的辦法，取2/3 多數(shù)，來(lái)最終判定車位是否被占用這樣做的好處是，即使有- 路檢測(cè)因受復(fù)雜因素影響出現(xiàn)錯(cuò)誤，也不會(huì)對(duì)整個(gè)檢測(cè)結(jié)果有太大影響，不僅提高了識(shí)別的可靠性，還大幅提高了檢測(cè)的寬容度當(dāng)然，理論上，參與檢測(cè)的方法越多越好，即參與的方法越多，表決結(jié)果的正確性越高，但在實(shí)際中，必須要在復(fù)雜度與易用性之間做出取舍。

邊緣像素檢測(cè)與封閉輪廓檢測(cè)原本屬于同一類檢測(cè)，只是細(xì)節(jié)上，采用了不同的處理方法，為便于分析，我們將這兩種處理過(guò)程放在了一起進(jìn)行描述。

邊緣像素檢測(cè)是在邊緣對(duì)象檢測(cè)基礎(chǔ)上的細(xì)化判斷，檢測(cè)中采用了基于Prewitt 邊緣算子的邊緣檢測(cè)算法，如表1 所示。

式中，Gx和Gy為潛在邊緣值的最大值，即：

G（x，y）=max[Gx，Gy]如果大于某- 閾值，則認(rèn)為該像素點(diǎn)為邊緣像素。

表1 prewitt 算子

為實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)車位上的邊緣像素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，需要設(shè)計(jì)- 種車位濾波器來(lái)定義每個(gè)車位區(qū)域，并給每個(gè)停車位分配編號(hào)。攝像頭的位置是固定的，因此所拍攝的圖像中車位的邊界也是固定的，為此我們可以用4 個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)或者——個(gè)平行四邊形作為車位濾波器。在使用Prewitt 算子之后，利用車位濾波器提取每個(gè)停車位的邊緣信息來(lái)計(jì)算邊緣數(shù)。需要指出的是，停車位濾波器只包含訓(xùn)練所得的預(yù)先設(shè)定的車位的邊緣像素，如果邊緣像素的數(shù)量小于某一值，則認(rèn)為該停車位為空閑狀態(tài)。

4 性能分析

現(xiàn)有科技大部分只顧及到了停車場(chǎng)的空余車位，而沒(méi)涉及到一些路邊停車位，基于GPS和圖像識(shí)別技術(shù)的城市車位引導(dǎo)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)合理利用路邊停車位資源，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了實(shí)際的AR語(yǔ)音導(dǎo)航，能更好地引導(dǎo)司機(jī)找到空停車位。通過(guò)GPS的實(shí)時(shí)定位，利用導(dǎo)航衛(wèi)星拍攝停車位置附近實(shí)時(shí)照片，再與數(shù)據(jù)庫(kù)中車位信息圖對(duì)比，將空余車位信息推送到手機(jī)APP 上。在導(dǎo)航過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)車位狀態(tài)，一但有人先占用車位，自動(dòng)切換為其它目的地選擇。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，更加方便，快捷，可靠，迎合市場(chǎng)需求。

5 前景

由于汽車保有量的迅速增加，停車位嚴(yán)重不足，“停車難”是目前亟待解決的問(wèn)題。想擺脫此類停車煩惱的駕駛員們是這個(gè)城市車位引導(dǎo)系統(tǒng)的一個(gè)潛在市場(chǎng)。由于此引導(dǎo)系統(tǒng)方便，運(yùn)行可靠，費(fèi)用低，產(chǎn)品的推廣能夠使駕駛員有效利用空余車位，這對(duì)解決城市交通問(wèn)題做出了巨大貢獻(xiàn)。

此產(chǎn)品適應(yīng)了當(dāng)今的交通狀況，提高停車效率，同時(shí)減少了汽車在路上尋找車位的路程和時(shí)間，緩解了交通堵塞狀況，迎合了我國(guó)所倡導(dǎo)的節(jié)能減排的主題，所以，該裝置應(yīng)用前景十分廣泛。