試論車牌識(shí)別技術(shù)在中遠(yuǎn)海運(yùn)客滾船舶的應(yīng)用

鞠強(qiáng)

（中海電信有限公司大連分公司，遼寧大連，116001）

車牌識(shí)別(Vehicle License Plate Recognition，VLPR)是現(xiàn)代智能交通系統(tǒng)中的重要組成部分之一，應(yīng)用十分廣泛。它以數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)為基礎(chǔ)，對攝像機(jī)所拍攝的車輛圖像或者視頻序列進(jìn)行分析，得到每一輛汽車唯一的車牌號碼，從而完成識(shí)別過程。通過一些后續(xù)處理手段可以實(shí)現(xiàn)船舶車輛自動(dòng)化監(jiān)管等功能。對于維護(hù)交通安全和船舶安全，加強(qiáng)績效管理，實(shí)現(xiàn)船舶交通自動(dòng)化管理有著現(xiàn)實(shí)的意義。

1 車牌識(shí)別技術(shù)的現(xiàn)狀

早在上個(gè)世紀(jì)九十年代初，汽車身份識(shí)別已經(jīng)引起了全世界的廣泛重視，人們開始研究有關(guān)汽車身份證―汽車牌照自動(dòng)識(shí)別的相關(guān)問題。幾年后，汽車的另一個(gè)重要的身份象征―汽車標(biāo)志識(shí)別也成為了熱門話題。車牌識(shí)別的一般途徑為：采用計(jì)算機(jī)圖象處理技術(shù)對車牌進(jìn)行分析后，自動(dòng)提取車牌信息以確定車牌號。車標(biāo)識(shí)別則基于邊緣直方圖和模板匹配相關(guān)系數(shù)混合的算法。目前車牌與車標(biāo)識(shí)別的理論已經(jīng)成熟，離線算法識(shí)別率已經(jīng)達(dá)到較高的水平，同時(shí)正向著集成化、智能化方向發(fā)展。

汽車身份識(shí)別相當(dāng)于VC++中的“基類”地位，即智能化交通管理系統(tǒng)中的其他子模塊需要在汽車身份識(shí)別的基礎(chǔ)上進(jìn)行繼承和發(fā)展。所以我們認(rèn)為，汽車身份識(shí)別要求較高的集成度，最好能由可以嵌入到其他系統(tǒng)中的、集成度高的模塊來完成，如單片機(jī)、CPLD。

我們小組選擇了嵌入式汽車身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)作為我們本次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的選題。我們計(jì)劃以嵌入式完成汽車身份識(shí)別后，將處理完的數(shù)字信息傳遞到智能化交通管理系統(tǒng)的其他模塊中。用嵌入式代替電腦處理汽車身份識(shí)別將大大提高智能化交通管理系統(tǒng)的集成度，降低成本。區(qū)別于單一的識(shí)別系統(tǒng)，我們設(shè)計(jì)完成的汽車身份識(shí)別系統(tǒng)將車牌識(shí)別與車標(biāo)識(shí)別相結(jié)合，并輔以汽車顏色識(shí)別。

2 車牌識(shí)別工作原理

車牌識(shí)別（LPR）系統(tǒng)是以圖像處理、模式識(shí)別等技術(shù)為基礎(chǔ)的智能識(shí)別系統(tǒng)，通過攝像機(jī)所拍攝道路上行駛的車輛圖像進(jìn)行車牌號碼的識(shí)別。

車輛檢測：可采用埋地線圈檢測、紅外檢測、雷達(dá)檢測技術(shù)、視頻檢測等多種方式感知車輛的經(jīng)過，并觸發(fā)圖像采集抓拍。

圖像采集：通過高清攝像抓拍主機(jī)對通行車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)、不間斷記錄、采集。

預(yù)處理：噪聲過濾、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)曝光以及伽馬校正、邊緣增強(qiáng)、對比度調(diào)整等。

車牌定位：在經(jīng)過圖像預(yù)處理之后的灰度圖像上進(jìn)行行列掃描，確定車牌區(qū)域。

字符分割：在圖像中定位出車牌區(qū)域后，通過灰度化、二值化等處理，精確定位字符區(qū)域，然后根據(jù)字符尺寸特征進(jìn)行字符分割。

字符識(shí)別：對分割后的字符進(jìn)行縮放、特征提取，與字符數(shù)據(jù)庫模板中的標(biāo)準(zhǔn)字符表達(dá)形式進(jìn)行匹配判別。

結(jié)果輸出：將車牌識(shí)別的結(jié)果以文本格式輸出。

圖1

3 船舶車輛識(shí)別的難點(diǎn)

車牌識(shí)別的難度在于識(shí)別率，再完美的技術(shù)也達(dá)不到100%的識(shí)別率。具體實(shí)施中，受制于光線、車速、觸發(fā)裝置等諸多因素影響。船舶由于特殊性，客觀條件受限制非常嚴(yán)重，要想實(shí)現(xiàn)高識(shí)別率具有更大的難度，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

■3.1 光照強(qiáng)度

由于船舶?？坎次坏牟淮_定性，極大的增加了成像清晰度的難度?？赡馨滋?、也可能夜間；可能順光，也可能逆光；而且由于艙內(nèi)艙外光照強(qiáng)度反差極大，對成像質(zhì)量也會(huì)造成極大影響。

■3.2 觸發(fā)裝置

車牌識(shí)別系統(tǒng)有兩種觸發(fā)方式，一種是外設(shè)觸發(fā)，另一種是視頻觸發(fā)。視頻觸發(fā)方式是指車牌識(shí)別系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)序列圖像分析處理技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測車道上車輛移動(dòng)狀況，發(fā)現(xiàn)車輛通過時(shí)捕捉車輛圖像，識(shí)別車牌照，并進(jìn)行后續(xù)處理。視頻觸發(fā)方式不需借助線圈、紅外或其他硬件車輛檢測器。該方法的優(yōu)點(diǎn)是施工方便，不需要切割地面鋪設(shè)線圈，也不需要安裝車檢器等零部件，但其缺點(diǎn)也十分顯著，由于算法的極限，該方案的觸發(fā)率與識(shí)別率較之外設(shè)觸發(fā)都要低很多。外設(shè)觸發(fā)工作方式是指采用線圈、紅外或其他檢測器檢測車輛通過信號，車牌識(shí)別系統(tǒng)接受到車輛觸發(fā)信號后，采集車輛圖像，自動(dòng)識(shí)別車牌，以及進(jìn)行后續(xù)處理。該方法的優(yōu)點(diǎn)是觸發(fā)率高，性能穩(wěn)定；缺點(diǎn)是需要切割地面鋪設(shè)線圈，施工量大。也可以通過發(fā)放遠(yuǎn)距離非接觸卡片（譬如藍(lán)牙卡）來實(shí)現(xiàn)拍照觸發(fā)，但由于卡片不屬于一次性使用，需要來回收發(fā)循環(huán)使用，既加長了車輛駛?cè)腭偝龅臅r(shí)間，也加大了工作人員的工作量。

由于船舶全船都是鋼鐵結(jié)構(gòu)，敷設(shè)地感線圈根本無法感應(yīng)車輛。船舶車輛進(jìn)出艙口寬度只有十幾米，長度更是只有不到2米，安裝紅外檢測器也無法準(zhǔn)確判斷人員或者非機(jī)動(dòng)車輛，誤報(bào)率極高，也不適合在船舶上使用。

4 解決方案

■4.1 光照強(qiáng)度

由于中?？瓦\(yùn)滾裝船會(huì)根據(jù)不同航班班期調(diào)整，在不同的時(shí)間段停泊在不同的泊位，對車牌抓拍識(shí)別造成非常大的困難。有時(shí)，可能在白天艙口正對陽光直射處，艙內(nèi)艙外光線反差非常大；有時(shí)，又會(huì)在夜間，艙內(nèi)燈光亮，艙外很暗，同時(shí)，車輛遠(yuǎn)光燈開啟，對車牌識(shí)別也增加了一定的難度。根據(jù)分析，我們決定為車牌識(shí)別系統(tǒng)增加強(qiáng)光補(bǔ)光燈。在實(shí)地測試前，我們以為白天光照強(qiáng)度較大，可以不用補(bǔ)光；夜間光線較暗，應(yīng)該增加光線補(bǔ)光。但實(shí)地測試后，才發(fā)現(xiàn)，白天艙內(nèi)艙外光線反差極大，如果不進(jìn)行補(bǔ)光，由于車輛的撤檔，車牌一片漆黑模糊，根本無法準(zhǔn)確識(shí)別出車牌；夜間由于艙內(nèi)正常的燈光補(bǔ)光，艙外光線強(qiáng)度又非常低，反而不需要增加額外的補(bǔ)光，就能很清晰的成像。經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，我們最終采用下列方法，解決了光線強(qiáng)度影響成像質(zhì)量的問題。

（1）增加補(bǔ)光燈

監(jiān)控補(bǔ)光燈分為白光燈和紅外燈兩大類，紅外燈比較隱蔽，不會(huì)干擾民區(qū)；白光燈能夠還原彩色圖像監(jiān)控，畫面對比度好，在車牌識(shí)別、高清監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。我們采用LED監(jiān)控白光補(bǔ)光燈，該燈使用IP67防水等級一體化散熱外殼，304不銹鋼緊固螺絲，完全可以滿足船舶的使用要求。同時(shí)采用高顯色性指數(shù)燈珠，更接近自然光，可以使被照物體產(chǎn)生漫反射，消除過亮或者過暗現(xiàn)象。

根據(jù)攝像機(jī)的鏡頭焦距選擇合適光束角度，光束角度過小，則出現(xiàn)“手電筒效應(yīng)”，光束角度過大，則出現(xiàn)光源浪費(fèi)，補(bǔ)光距離短。原則上，鏡頭焦距越大，補(bǔ)光燈的光束角度就越小，反之亦然，具體可參照以下表格。

圖2

（2）增加光線強(qiáng)度傳感器

在艙口處增加光線強(qiáng)度傳感器，采用對弱光也有較高靈敏度的硅蘭光伏探測器作為傳感器；根據(jù)船舶艙口，配合相對的量程，使用標(biāo)準(zhǔn) 1個(gè)單位的照度大約為1個(gè)燭光在1米距離的光亮度。設(shè)定光照強(qiáng)度為 300～400Lux（日出、日落）時(shí)觸發(fā)；通過232/485網(wǎng)絡(luò)輸出開光量信號。當(dāng)光照強(qiáng)度超過300Lux時(shí)，輸出信號給PLC控制器，PLC控制器會(huì)控制監(jiān)控補(bǔ)光燈開啟；當(dāng)光照強(qiáng)度低于300Lux時(shí) ，停止輸出信號給PLC控制器，PLC控制器會(huì)控制監(jiān)控補(bǔ)光燈關(guān)閉。

經(jīng)過光線強(qiáng)度傳感器感應(yīng)光線強(qiáng)度，并通過PLC控制器控制燈光開啟或者關(guān)閉，在適當(dāng)?shù)那闆r下進(jìn)行補(bǔ)光，很好的解決了光照強(qiáng)度變化對車牌抓拍成像的影響。

■4.2 觸發(fā)裝置

國內(nèi)多數(shù)車牌識(shí)別系統(tǒng)有兩種觸發(fā)方式，一種是外設(shè)線圈觸發(fā)，另一種是視頻觸發(fā)。但經(jīng)過實(shí)地測試，這2種方式在船舶客觀條件限制下，都無法做到很高的車牌識(shí)別率，不能滿足中海客運(yùn)滾裝船的要求。單獨(dú)的外設(shè)觸發(fā)，會(huì)由于人員及其他非機(jī)動(dòng)車輛的進(jìn)出，造成大量的勿拍無效識(shí)別；單獨(dú)的視頻觸發(fā)，又會(huì)因?yàn)楦鞣N原因漏拍，識(shí)別率過低。為此，經(jīng)過多次試驗(yàn)，我們提出了第三種解決方案，就是外設(shè)+視頻觸發(fā)的方式。

圖3 國內(nèi)常見車牌識(shí)別系統(tǒng)

由于船舶為全鋼鐵建造，地感線圈無法檢測到車輛。開始我們采用了紅外觸發(fā)的方式。其工作原理為，在警戒區(qū)域內(nèi)安裝有發(fā)射和接收機(jī)，它們收發(fā)的結(jié)果就會(huì)在防范區(qū)域內(nèi)形成了一個(gè)光束。發(fā)射機(jī)可向接收機(jī)發(fā)射出平行的不可見光束，接收機(jī)在接收到激光信號后就與發(fā)射機(jī)形成了一個(gè)完整的光通路，當(dāng)有入侵者入侵時(shí)，就會(huì)阻斷光通路內(nèi)的接收，從而實(shí)現(xiàn)終端觸發(fā)信號。

我們在船舶滾裝車輛入口，增加了一對紅外對射作為觸發(fā)裝置。但是測試后發(fā)現(xiàn)，該裝置雖然能很好的觸發(fā)，但是人員和其他非機(jī)動(dòng)的車輛的進(jìn)出都會(huì)遮擋到紅外線的收發(fā)、造成大量的誤觸發(fā)，導(dǎo)致抓拍識(shí)別過多，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為有很多無牌車輛。

圖4 車牌觸發(fā)抓拍流程圖

然后，我們采用了一前一后2對紅外對射，并通過對PLC可編程控制器進(jìn)行編程，大大減少了誤拍。我們設(shè)定靠近船艙車輛入口外側(cè)的一對紅外對射為1號對射，靠近船艙車輛入口內(nèi)側(cè)的另一對紅外對射為2號對射，1號對射與2號對射之間的距離大約為80cm。當(dāng)1號對射觸發(fā)并保持時(shí)，2號對射也被觸發(fā)，此時(shí)PLC可編程控制器才輸出觸發(fā)信號給監(jiān)控補(bǔ)光燈及監(jiān)控抓拍攝像機(jī)，監(jiān)控抓拍攝像機(jī)視頻觸發(fā)啟動(dòng)，開始識(shí)別車牌。這樣，當(dāng)長度小于80cm的物體（人員和自行車燈）通過艙門時(shí)，都不會(huì)觸發(fā)車牌識(shí)別系統(tǒng)。同時(shí)，通過對PLC可編程控制器編程，保證了1號對射和2號對射的觸發(fā)順序，有效過濾了駛出艙門的車輛。通過這套裝置，有效增加了機(jī)動(dòng)車的識(shí)別率，大量減少了誤觸發(fā)。

然而，試運(yùn)行一段時(shí)間后，確發(fā)現(xiàn)由于艙門寬度只有不到10米，紅外對射漫反射過大，1號2號紅外對射的發(fā)射端紅外信號，都可以同時(shí)被1號2號紅外對射接收端接收，造成無法準(zhǔn)確識(shí)別車輛進(jìn)入或駛出。通過查詢資料，我們又改用了工業(yè)機(jī)床常用的激光對射取代紅外對射，作為前端觸發(fā)裝置。

激光入侵探測系統(tǒng)與同類主動(dòng)探測系統(tǒng)相比，對惡劣氣候環(huán)境的適應(yīng)性顯著增強(qiáng)。激光束發(fā)射的功率密度大，發(fā)散角小，光束集中，方向性好，使用同等功率器件的條件下，在百米處，目標(biāo)接接收激光束的功率密度是紅外發(fā)光二極管光束的數(shù)倍，因而穿透雨、雪、霧、風(fēng)沙能力強(qiáng)，極大降低了誤報(bào)率。

激光報(bào)警系統(tǒng)自身抗電磁干擾性強(qiáng)，并對警戒激光束傳播通路以外的區(qū)域、設(shè)備無任何電磁干擾。由于激光發(fā)散角小，光束集中，光束只在閉路中傳輸，當(dāng)用多組激光探測器在直線方向接續(xù)傳輸或小轉(zhuǎn)折角傳輸時(shí)，均無紅外線探測器所產(chǎn)生的相互串?dāng)_現(xiàn)象，從而消除此時(shí)紅外線探測器產(chǎn)生的漏報(bào)警。對周圍環(huán)境無任何光散射、污染。

圖5

1號2號紅外對射接收端同時(shí)接收發(fā)射信號的問題被很好的解決了。但是，試用一段時(shí)間以后，又發(fā)現(xiàn)由于船體震動(dòng)，激光的對射的精度過高，很容易發(fā)射端和接收端發(fā)生偏移，導(dǎo)致無法正常觸發(fā)。最終，我們選用漫反射激光對射，既避免了1個(gè)發(fā)射源被2個(gè)接收源同時(shí)接收的問題，也同時(shí)避免了精度過高導(dǎo)致的系統(tǒng)故障。

通過以上措施，我們很好的實(shí)現(xiàn)了中?？瓦\(yùn)滾裝船舶車輛車牌自動(dòng)抓拍識(shí)別的問題，改系統(tǒng)已運(yùn)行1年以上，穩(wěn)定可靠，識(shí)別率可達(dá)到95%。為中遠(yuǎn)海運(yùn)客運(yùn)加強(qiáng)內(nèi)部管理和外部安全提供了良好的保障。