基于DSP的嵌入式車牌識(shí)別系統(tǒng)淺析

隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車數(shù)量也逐漸增多，交通管理問題日漸嚴(yán)峻。如何建立一個(gè)科學(xué)有效的交通管理系統(tǒng)是交通管理的重點(diǎn)。智能交通系統(tǒng)（TTS）隨著科技的興起，是未來交通管理發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是電子信息技術(shù)的一個(gè)前沿課題。車牌識(shí)別系統(tǒng)（License Plate Recognition System，LPRS）是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，在自動(dòng)化管理、信息統(tǒng)計(jì)、車輛跟蹤等方面均具有重要意義。雖然國(guó)外在LPRS上已取得了較好的效果，而國(guó)內(nèi)因起步較晚，目前仍需要對(duì)眾多的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入的研究與實(shí)現(xiàn)。

基于Blackfin561的LPRS替代了人工識(shí)別車牌的角色，這可節(jié)省大量人力物力。本文討論的LPRS可用于高速收費(fèi)站口及小區(qū)門口，以實(shí)現(xiàn)車流量統(tǒng)計(jì)和車輛跟蹤等功能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與架構(gòu)

嵌入式車牌識(shí)別系統(tǒng)是一個(gè)能夠完成車牌識(shí)別與信息處理的獨(dú)立系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)包括視頻采集模塊，圖像處理模塊與通訊模塊。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括道路圖像的采集、圖像預(yù)處理、車牌定位、字符分割，字符識(shí)別和結(jié)果發(fā)送6大部分。

1.1 基于DSP的嵌入式車牌識(shí)別系統(tǒng)

由于DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，使得它在嵌入式圖像處理領(lǐng)域占據(jù)了重要地位，尤其是雙核DSP，更是在視頻處理應(yīng)用中上升勢(shì)頭迅猛?；贒SP的嵌入式車牌識(shí)別系統(tǒng)一般采用主機(jī)與DSP分布式處理結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低、可靠性好、便于升級(jí)。系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)主要分圖像采集、DSP處理和PC機(jī)數(shù)據(jù)管理3部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖像采集模塊包括視頻的輸入部分與圖像的提取部分，其功能是通過CCD攝像頭采集亮度信號(hào)，輸出模擬的復(fù)合視頻電信號(hào)，并通過視頻解碼芯片解碼出所需的數(shù)字圖像信號(hào)。DSP處理模塊主要由DSP處理器及其外圍電路，外部存儲(chǔ)器以及與主機(jī)的接口電路組成。其中外部存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)圖像的大量數(shù)據(jù)，供DSP處理器調(diào)用。與主機(jī)的通訊接口常用的有UART、PCI、USB和以太網(wǎng)等。由于系統(tǒng)通常要考慮其自身的擴(kuò)展性、終端與主機(jī)的遠(yuǎn)距離通信、布線的難易程度等因素，故以太網(wǎng)應(yīng)用較為普遍，但缺點(diǎn)就是在無集成以太網(wǎng)功能的DSP上，需外加芯片，提高了系統(tǒng)的成本。PC機(jī)數(shù)據(jù)管理模塊因系統(tǒng)應(yīng)用的目的不同而異，主要包括人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)庫(kù)與相應(yīng)的處理機(jī)制。

1.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)架

基于Blanckfin561的車牌識(shí)別硬件平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示，主要包括ADI公司的Blackfin561處理器，ADV7183A視頻解碼芯片、Flash、SDR AM以及DM9000。Blackfin561通過I2C總線對(duì)ADV7183A進(jìn)行復(fù)位及初始化與工作模式的配置。視頻信號(hào)由Blackfin561的并行外部接口（PPI）采集，并存儲(chǔ)到外部SDRAM，Blackfin561對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，輸出的識(shí)別結(jié)果通過DM9000傳輸?shù)?a target="_blank">上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車牌識(shí)別系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示，主要包括圖像采集、圖像預(yù)處理、車牌定位、字符分割和與上位機(jī)通訊等模塊。

1.3.1 圖像采集

系統(tǒng)加電后，DSP通過I2C總線對(duì)ADV7183A的寄存器進(jìn)行配置，對(duì)攝像頭采集到的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行解碼，輸出YCrCb為4：2：2格式的數(shù)字視頻信號(hào)。由于算法只處理亮度信號(hào)，故通過二維DMA采取間隔2 Byte采1Byte的方法，只提取Y通道的亮度信號(hào)存入到SDRAM中，同時(shí)在SDRAM中采用乒乓存儲(chǔ)機(jī)制存儲(chǔ)連續(xù)的兩幀圖像，使系統(tǒng)能夠達(dá)到實(shí)時(shí)處理的要求。

1.3.2 圖像預(yù)處理

由于采集到的圖像會(huì)因?yàn)樘鞖狻④嚺普麧嵍群凸饩€等因素造成圖像被噪聲污染，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，這會(huì)給后續(xù)的識(shí)別工作帶來麻煩。因此，需對(duì)采集到的原始圖像進(jìn)行必要的預(yù)處理，以提高圖像的信噪比，并使灰度值和對(duì)比度達(dá)到理想狀態(tài)。由于去噪點(diǎn)的算法會(huì)不同程度地使圖像邊緣變模糊，不利于后續(xù)車牌的定位，故將去噪工作放到車牌定位之后。這里預(yù)處理主要是通過直方圖均衡法調(diào)整圖像的灰度范圍與對(duì)比度，達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。處理前后的對(duì)比效果如圖4和圖5所示。

1.3.3 車牌定位

根據(jù)道路與攝像頭的相對(duì)位置，車速范圍以及道路寬度信息等，可預(yù)先判定車牌在攝像頭坐標(biāo)系中出現(xiàn)的范圍，這便可以大幅減小運(yùn)算量。在預(yù)定車牌檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，通過大率法對(duì)圖像進(jìn)行二值化，然后進(jìn)行形態(tài)學(xué)運(yùn)算中的開運(yùn)算與閉運(yùn)算，得到如圖6所示的圖像。對(duì)圖像進(jìn)行豎直投影，尋找白色像素點(diǎn)最多的一行，之后以這一行為中心向兩邊尋找邊界，找出車牌的上下邊。對(duì)縱坐標(biāo)在上下邊范圍內(nèi)的圖像進(jìn)行水平投影，尋找連續(xù)的白色區(qū)域，以確定左右邊界。兩次尋找邊界時(shí)均要結(jié)合車牌大小的先驗(yàn)尺寸知識(shí)來確定車牌的區(qū)域，若不符合尺寸要求則排除此次找出的區(qū)域并重新尋找。

1.3.4 字符分割

根據(jù)車牌的邊界信息提取出車牌區(qū)域的原始亮度數(shù)據(jù)，對(duì)車牌區(qū)域再用大率法進(jìn)行二值化。這樣可消除圖像其他部分對(duì)車牌灰度范圍的影響。然后對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行水平投影，根據(jù)車牌字符的寬度來對(duì)車牌字符進(jìn)行分割。再對(duì)每個(gè)分割出的字符進(jìn)行豎直投影，并依據(jù)車牌字符高度尺寸來去掉上下的黑邊，得到待識(shí)別的字符圖像，如圖7所示。

1.3.5 字符識(shí)別

字符識(shí)別采用的是離散型Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其是一種循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的輸出會(huì)反饋到輸入端，產(chǎn)生不斷變化的狀態(tài)。如果網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)能收斂的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，則這一反饋與迭代的計(jì)算過程所產(chǎn)生的變化會(huì)越來越小。一旦達(dá)到了穩(wěn)定平衡狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)便會(huì)輸出一個(gè)穩(wěn)定的恒值，關(guān)鍵在于確定其在穩(wěn)定條件下的權(quán)系數(shù)。

首先對(duì)車牌的標(biāo)準(zhǔn)字符進(jìn)行離散化，變成16×32的二值圖像，即有512個(gè)神經(jīng)元。這樣網(wǎng)絡(luò)可記憶的樣本數(shù)最多為512×0.15=76.8個(gè)。根據(jù)車牌的特點(diǎn)，要建立兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)：一個(gè)是車牌漢字的網(wǎng)絡(luò)，包括36個(gè)漢字;一個(gè)是數(shù)字與字母的網(wǎng)絡(luò)，包括36個(gè)元素。

可看到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)均不會(huì)產(chǎn)生偽樣本。通過Matlab對(duì)標(biāo)準(zhǔn)字符數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，得到網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的權(quán)系數(shù)，然后將參數(shù)提取出來供DSP計(jì)算使用。

在DSP中將分割后的字符圖像進(jìn)行歸一化處理，使字符圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像大小一致，然后輸入到網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)公式（1）進(jìn)行計(jì)算。其中，Wij和θi是通過Matlab仿真得到的權(quán)系數(shù)，x為圖像數(shù)據(jù)。通過循環(huán)迭代計(jì)算，由式（2），當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的能量函數(shù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，就得到了識(shí)別出的字符，將識(shí)別出的字符與標(biāo)準(zhǔn)字符相減，且差值累加，其差值累加最小的字符便是識(shí)別出的結(jié)果。由于Hopfield網(wǎng)絡(luò)有聯(lián)想記憶的功能，故抗干擾性較強(qiáng)、對(duì)有噪聲、筆畫斷開、筆畫粘連等現(xiàn)象均有良好的識(shí)別效果，如圖8所示。

1.3.6 與上位機(jī)通訊

識(shí)別結(jié)束后，將識(shí)別結(jié)果以ASCII的形式通過DM9000發(fā)送到PC機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。

2 結(jié)束語

車牌識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是車牌定位、字符分割與字符識(shí)別。本文結(jié)合硬件平臺(tái)對(duì)3個(gè)重要部分進(jìn)行了程序?qū)崿F(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)證明以Blanc fin561雙核DSP為核心的嵌入式系統(tǒng)配合Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能較好地完成車牌識(shí)別工作，并可使速度與識(shí)別率得到全面提高。基于嵌入式的整體結(jié)構(gòu)也使得系統(tǒng)的擴(kuò)充工作變得簡(jiǎn)單，有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。