高新興車牌識(shí)別系統(tǒng)在智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

　　智能交通系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱ITS）作為平安城市、智慧城市的重要組成部分，正在各大城市興起并加速發(fā)展，ITS所管理的主要對(duì)象就是車輛，在目前車輛管制體系下，汽車牌照號(hào)碼即車牌是標(biāo)識(shí)車輛的唯一身份識(shí)別（注：雖然RFID等技術(shù)也可以識(shí)別車輛，但尚未推廣到整個(gè)車輛管理體系，且需要車輛加以改裝，目前不具備普適性），車牌自動(dòng)識(shí)別技術(shù)可以在汽車不作任何改動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)汽車身份的自動(dòng)登記及驗(yàn)證，所以車牌識(shí)別系統(tǒng)是現(xiàn)代智能交通系統(tǒng)的重要組成部分之一。

　　車牌識(shí)別系統(tǒng)目前在智能交通中的主要應(yīng)用體現(xiàn)在公路車輛智能監(jiān)測(cè)記錄和違章自動(dòng)記錄（包括闖紅燈、禁左、壓線、逆行、超速等），用于記錄下車輛的號(hào)牌，從而索引到車輛檔案和車主檔案，進(jìn)行交通管理執(zhí)法，并可以衍生到查假套牌車應(yīng)用。除此外，車牌識(shí)別技術(shù)還可應(yīng)用到公路收費(fèi)、停車管理、稱重系統(tǒng)、交通誘導(dǎo)、公路稽查、車輛調(diào)度、車輛檢測(cè)等各種場(chǎng)合。

　　車牌識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，也會(huì)面對(duì)各種場(chǎng)景和特殊情況，車牌識(shí)別技術(shù)如何更好服務(wù)于這些應(yīng)用，有沒(méi)有面臨新的問(wèn)題，我們從車牌識(shí)別系統(tǒng)如何工作說(shuō)起。

　　車牌識(shí)別系統(tǒng)工作原理

　　車牌識(shí)別是利用車輛的動(dòng)態(tài)視頻或靜態(tài)圖像進(jìn)行車牌號(hào)碼、車牌顏色自動(dòng)識(shí)別的模式識(shí)別技術(shù)。技術(shù)的核心包括車牌定位算法、車牌字符分割算法和光學(xué)字符識(shí)別算法等。一個(gè)完整的車牌識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)包括車輛檢測(cè)、圖像采集、車牌識(shí)別等幾部分。當(dāng)車輛檢測(cè)部分檢測(cè)到車輛到達(dá)時(shí)觸發(fā)圖像采集單元，采集當(dāng)前的視頻圖像。車牌識(shí)別單元對(duì)圖像進(jìn)行處理，定位出車牌位置，再將車牌中的字符分割出來(lái)進(jìn)行識(shí)別，然后組成車牌號(hào)碼輸出。

　　車輛檢測(cè)部分通常采用地感線圈或雷達(dá)，某些車牌識(shí)別系統(tǒng)還具有通過(guò)視頻圖像判斷是否有車的功能，稱之為視頻車輛檢測(cè)。

　　由于道路上24小時(shí)都通車，車牌識(shí)別系統(tǒng)需要全天時(shí)、全天候工作，為保障夜間識(shí)別準(zhǔn)確率，還會(huì)配備LED頻閃燈或閃光燈來(lái)補(bǔ)光。

　　一個(gè)典型的車牌識(shí)別系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如下圖所示，前端設(shè)備通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)連到后端平臺(tái)上。

圖1 車牌識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)成（線圈觸發(fā)方式）

　　而車牌識(shí)別系統(tǒng)通常會(huì)經(jīng)過(guò)下列步驟完成識(shí)別輸出的工作：

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

　　圖像采集：通過(guò)高清攝像抓拍主機(jī)對(duì)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(guò)濾、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)曝光以及伽馬校正、邊緣增強(qiáng)、對(duì)比度調(diào)整等。

　　車牌定位：在經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)分割后的字符進(jìn)行縮放、特征提取，與字符數(shù)據(jù)庫(kù)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2 車牌識(shí)別的流程

車牌識(shí)別系統(tǒng)功能與應(yīng)用

　　目前市場(chǎng)中車牌識(shí)別系統(tǒng)主要功能包括：

　　1）車輛牌照自動(dòng)識(shí)別，信息包括完整的牌照信息，顏色、字符、漢字、數(shù)字；

　　2）車速的自動(dòng)檢測(cè)；

　　3）違法黑牌車輛的識(shí)別報(bào)警；

　　4）車輛識(shí)別信息與車管所車輛信息的聯(lián)動(dòng)控制；

　　5）車輛行駛方向判斷監(jiān)測(cè)。

　　目前市場(chǎng)中車牌識(shí)別系統(tǒng)主要應(yīng)用范圍包括：

　　1）交通路口的智能化交通管理；

　　2）交通信息的自動(dòng)采集 ；

　　3）警方及其它執(zhí)法機(jī)關(guān)設(shè)立臨時(shí)稽查站，對(duì)來(lái)往車輛實(shí)施稽查，優(yōu)先識(shí)別待查車輛；

　　4）路橋、隧道等卡口的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)；

　　5）現(xiàn)代住宅小區(qū)、停車場(chǎng)、重要機(jī)關(guān)單位的汽車出入口管理；

　　6）道路治安卡口抓拍識(shí)別，車流量監(jiān)測(cè)。

　　車牌識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

　　車牌識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案通常有三類，一是抓拍相機(jī)+工控機(jī)，這是最早應(yīng)用的一種方案，由攝像機(jī)（線圈、雷達(dá)觸發(fā)或視頻檢測(cè)）抓拍車輛圖像，由工控機(jī)中軟件來(lái)識(shí)別車牌，一臺(tái)工控機(jī)同時(shí)可以管理多臺(tái)攝像機(jī)（多車道）；二是抓拍相機(jī)+嵌入式分析主機(jī)，將可靠性較低的工控機(jī)改為嵌入式主機(jī)，而抓拍攝像機(jī)不用變，所以這種方式已逐漸替代第一種方案；三是嵌入式一體化抓拍相機(jī)，集抓拍、控制、識(shí)別、錄像、壓縮、傳輸于一體，大大簡(jiǎn)化管理終端設(shè)備和后端平臺(tái)的工作，同時(shí)在可靠性、安全性、安裝維護(hù)便利性、環(huán)境適應(yīng)性等方面都得到提升，正成為最具前景的實(shí)現(xiàn)方案。

表1 車牌識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案比較

　　項(xiàng)目抓拍機(jī)+工控機(jī)抓拍機(jī)+嵌入式主機(jī)一體化抓拍機(jī)

　　系統(tǒng)可靠性Windows系統(tǒng)，可靠性較低，易染毒嵌入式Linux系統(tǒng)，可靠性高嵌入式Linux系統(tǒng)，可靠性高

　　環(huán)境適應(yīng)性一般，要求在-10℃~+55℃一般適應(yīng)惡劣環(huán)境，要求在-30℃~+70℃

　　數(shù)據(jù)安全性在工控機(jī)加密，安全性一般在嵌入式主機(jī)中加密，安全性較好在抓拍機(jī)內(nèi)加密，安全性好

　　使用便利性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，安裝、維護(hù)麻煩結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便一體化，安裝簡(jiǎn)易

　　功耗近百瓦共約35W15W

　　這里談一下目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的集車輛視頻檢測(cè)與車牌識(shí)別一體化的高清抓拍相機(jī)產(chǎn)品，相對(duì)傳統(tǒng)的線圈觸發(fā)方式，采用視頻檢測(cè)可以避免破壞路面、不必附加外部檢測(cè)設(shè)備、不需矯正觸發(fā)位置、節(jié)省開支，可以更靈活地檢測(cè)車輛的行為（如違章掉頭、壓線、左轉(zhuǎn)等），而且更適合移動(dòng)式、便攜式應(yīng)用的要求。但車牌識(shí)別系統(tǒng)要進(jìn)行視頻車輛檢測(cè)，需要具備很高的處理速度并采用優(yōu)秀的算法，在基本不丟幀的情況下實(shí)現(xiàn)圖像采集、處理。若處理速度慢，則導(dǎo)致丟幀，使系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)到行駛速度較快的車輛，同時(shí)也難以保證在有利于識(shí)別的位置開始識(shí)別處理，影響系統(tǒng)識(shí)別率。因此，將視頻車輛檢測(cè)與牌照自動(dòng)識(shí)別相結(jié)合具備一定的技術(shù)難度，這也是目前出現(xiàn)的產(chǎn)品還不多的原因。

　　一個(gè)車牌識(shí)別系統(tǒng)除了前端的抓拍機(jī)與分析主機(jī)，還應(yīng)有對(duì)應(yīng)的后臺(tái)管理系統(tǒng)，而且它影響到這個(gè)車牌識(shí)別系統(tǒng)是否好用。后臺(tái)管理系統(tǒng)的功能通常包括：

　　1、識(shí)別結(jié)果和車輛圖像數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)，當(dāng)多功能的系統(tǒng)操作使得網(wǎng)絡(luò)出差錯(cuò)時(shí)能保護(hù)圖像數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，同時(shí)便于事后人工排查；

　　2、有效的自動(dòng)比對(duì)和查詢技術(shù)，被識(shí)別的車牌照號(hào)碼要同數(shù)據(jù)庫(kù)中成千上萬(wàn)的車牌號(hào)碼自動(dòng)比對(duì)和提示報(bào)警，如果車牌照號(hào)碼沒(méi)有被正確讀取時(shí)就要采用模糊查詢技術(shù)才能得出相對(duì)“最佳”的比對(duì)結(jié)果；

　　3、對(duì)于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，提供實(shí)時(shí)通信、網(wǎng)絡(luò)安全、遠(yuǎn)程維護(hù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)更新、硬件參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)故障診斷等功能。

車牌識(shí)別系統(tǒng)的評(píng)價(jià)

　　我國(guó)公安部對(duì)道路交通與車輛行駛監(jiān)測(cè)有明確的技術(shù)規(guī)范和管理?xiàng)l例，主要包括《闖紅燈自動(dòng)記錄系統(tǒng)通用技術(shù)條件》（GA/T 496-2009）、《公路車輛智能監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)通用技術(shù)條件》（GA/T 497-2009）、《道路交通安全違法行為圖像取證技術(shù)規(guī)范》（GA/T 832-2009）、《機(jī)動(dòng)車號(hào)牌圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)規(guī)范》（GA/T 833-2009）等。

　　從技術(shù)上評(píng)價(jià)一個(gè)車牌識(shí)別系統(tǒng)，主要有兩個(gè)指標(biāo)，即識(shí)別準(zhǔn)確率、識(shí)別速度。

　　識(shí)別準(zhǔn)確率

　　一個(gè)車牌識(shí)別系統(tǒng)是否實(shí)用，最重要的指標(biāo)是識(shí)別率和識(shí)別準(zhǔn)確率。根據(jù)GA/T 497-2004和GA/T 497-2009中定義：

　　識(shí)別率 = 號(hào)牌被自動(dòng)識(shí)別的車輛數(shù)/號(hào)牌信息有效的車輛總數(shù)。

　　識(shí)別準(zhǔn)確率 = 號(hào)牌信息識(shí)別正確的車輛數(shù)/號(hào)牌信息有效的車輛總數(shù)。

　　（注：號(hào)牌信息有效是指車輛號(hào)牌完整、清晰、安裝規(guī)范,且無(wú)遮擋、無(wú)污損。）

　　在新頒發(fā)的GA/T 497-2009中，號(hào)牌識(shí)別率指標(biāo)評(píng)價(jià)被取消，只保留號(hào)牌識(shí)別準(zhǔn)確率，且規(guī)定白天車輛號(hào)牌識(shí)別準(zhǔn)確率應(yīng)不小于 90%；夜間車輛號(hào)牌識(shí)別準(zhǔn)確率應(yīng)不小于 80%。

　　由于對(duì)號(hào)牌信息有效這一結(jié)論需要人工判定，所以還需要將車輛號(hào)牌圖像和識(shí)別結(jié)果都存儲(chǔ)下來(lái)，以便調(diào)取查看。然后，通過(guò)對(duì)實(shí)際通過(guò)的車輛圖像以及正確的人工識(shí)別結(jié)果進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)，以得到識(shí)別率和識(shí)別準(zhǔn)確率，以及可信度、誤識(shí)率這些中間結(jié)果。

　　為了測(cè)試一個(gè)車牌識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別率，需要將該系統(tǒng)安裝在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，全天候運(yùn)行24小時(shí)以上，采集至少1000輛自然車流通行時(shí)的車牌照進(jìn)行識(shí)別。

　　識(shí)別速度

　　識(shí)別速度決定了一個(gè)車牌識(shí)別系統(tǒng)是否能夠滿足實(shí)時(shí)實(shí)際應(yīng)用的要求。一個(gè)識(shí)別率很高的系統(tǒng)，如果需要幾秒鐘，甚至幾分鐘才能識(shí)別出結(jié)果，那么這個(gè)系統(tǒng)就會(huì)因?yàn)闈M足不了實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)時(shí)要求而毫無(wú)實(shí)用意義。例如，在高速公路收費(fèi)中車牌識(shí)別應(yīng)用的作用之一是減少通行時(shí)間，速度是這一類應(yīng)用里減少通行時(shí)間、避免車道堵車的有力保障。

　　根據(jù)GA/T 833-2009中要求，識(shí)別時(shí)間≤（A/B）×（K×100）（ms）。

　　上述式子中的A表示用于識(shí)別的圖像分辨率；B為固定常數(shù)，其值為768×576=442368；K為圖像中存在的車牌數(shù)量。

　　即車牌圖像為768×576像素點(diǎn)時(shí)，當(dāng)圖像中存在一個(gè)號(hào)牌時(shí)，其識(shí)別時(shí)間≤100ms；當(dāng)圖像中存在二個(gè)號(hào)牌時(shí)，其識(shí)別時(shí)間≤200ms；當(dāng)圖像中存在三個(gè)號(hào)牌時(shí)，其識(shí)別時(shí)間≤300ms；當(dāng)圖像中存在四個(gè)號(hào)牌時(shí)，其識(shí)別時(shí)間≤400ms。

　　車牌識(shí)別系統(tǒng)的問(wèn)題與新技術(shù)應(yīng)用

　　從上文可知，車牌識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別率和識(shí)別準(zhǔn)確率越高越好，但我們必須清楚地認(rèn)識(shí)到識(shí)別率達(dá)到100%是不可能的，一方面因?yàn)檐嚺莆蹞p、模糊、遮擋，或者糟糕的天氣（下雪﹑冰雹﹑大霧等等）都會(huì)嚴(yán)重影響識(shí)別的效果，另一方面一些中英文字符的分割與識(shí)別本身難度較大，比如“川”字易錯(cuò)誤分割，以及“0-Q”、“2-Z”、“4-A”、“5-S”、“7-T”、“8-B”、“O-D”等易混淆字符。因?yàn)樽R(shí)別率的統(tǒng)計(jì)是以號(hào)牌信息有效的車輛總數(shù)為基礎(chǔ)的，所以，如果考慮了各種環(huán)境、情況下的車牌，車牌識(shí)別系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的識(shí)別率會(huì)大打折扣，在無(wú)法識(shí)別時(shí)仍依賴人工進(jìn)行判斷、識(shí)別。

　　針對(duì)傳統(tǒng)車牌識(shí)別算法中字符識(shí)別率偏低的缺點(diǎn)，目前出現(xiàn)了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別方法，通過(guò)對(duì)車牌字符圖像的樣本學(xué)習(xí)，優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)每層的權(quán)值參數(shù)，從而在很大程度上提高車牌的字符識(shí)別率。仿真結(jié)果表明，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別方法對(duì)車牌照中的字符進(jìn)行識(shí)別，正確識(shí)別率可以到達(dá)99%，識(shí)別率和抗干擾性明顯優(yōu)于結(jié)構(gòu)特征法、模板匹配法等傳統(tǒng)識(shí)別方法（后兩者分別只有94%、95%）。

　　利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，采用一種改進(jìn)的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別機(jī)制對(duì)車牌照中的字符進(jìn)行識(shí)別。該識(shí)別方法通過(guò)對(duì)理想預(yù)處理?xiàng)l件下的車牌字符圖片的學(xué)習(xí)，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各層的權(quán)值參數(shù)，大大提高了車牌照中的字符識(shí)別率。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于前期預(yù)處理出現(xiàn)的車牌定位不清、字符分割錯(cuò)誤等缺點(diǎn)，如果進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，則可以識(shí)別預(yù)處理較差條件下的車牌字符。

　　作者：高新興科技集團(tuán)股份有限公司平安城市與智能交通事業(yè)部