基于改進的K-means的車牌字符分割

李 金，宮寧生，張 蕾

(南京工業大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 211816)

基于改進的K-means的車牌字符分割

李 金，宮寧生，張 蕾

(南京工業大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 211816)

提出了一種基于改進的K-means的車牌字符分割方法。該方法首先利用均值跳變法對車牌區域進行精確定位，再利用改進的K-means算法對車牌字符進行聚類，最后根據K-means算法得到的聚類中心對車牌字符進行分割。實驗結果表明，該方法能夠準確地分割出車牌字符，且具有較強的抗干擾性。

車牌字符分割；均值跳變；K-means

隨著現代社會的發展，對交通的管理趨于智能化，其中車牌識別是智能交通系統一個很重要的組成部分。目前車牌自動識別主要用在高速公路收費站、道路交通情況監測、停車場等場合。車牌識別系統主要包括3個部分：車牌定位、車牌字符分割、車牌字符識別。其中車牌字符分割是車牌識別系統中很重要的一個環節，字符分割的準確度直接決定后面字符識別的正確與否。

目前常用的車牌字符分割方法主要有垂直投影法、基于Hough變換的方法、基于聚類分析的方法及質量退化法等。本文提出了一種基于改進的K-means的車牌字符分割方法，該方法通過改進的K-means方法，對精確定位后的車牌字符進行聚類，進而對車牌字符進行分割。通過實驗證明，該方法能較準確地分割出字符，具有很強的實用性。

1 預處理

本文的車牌字符分割是建立在車牌已經初步定位的基礎之上，由于初步定位得到的車牌圖像還含有邊框、鉚釘等，會對后續的操作造成影響，因此，需要對車牌進行精確定位。

1.1 圖像的均衡化

初次定位后得到的車牌區域包含大量的色彩信息，為便于處理，需要將其變成灰度圖像。同時，由于圖片采集時的環境、照明等條件互不相同，使得圖片的亮度也互不相同。為了提高圖像對比度，需要對其進行均衡化處理，即將特定區域內的像素拉開，使得它們均勻地分布在整個灰度空間中。

1.2 圖像的二值化

為了突出車牌底色與字符的區別，需要對其進行二值化處理。在這里選擇OTSU算法(最大類間方差法)，該算法被認為是圖像分割中閾值選取的最佳算法。

該算法的主要思想是按圖像的灰度特性，將圖像分成背景和目標兩部分。背景和目標之間的類間方差越大，說明構成圖像的兩部分差別越大。其表達式如下

σ2=ω0(u0-u)2+ω1(u1-u)2=ω0ω1(u0-u1)2

(1)

式中：σ2為類間方差；ω0為目標的像素點數占整幅圖像的比例；ω1為背景的像素點數占整幅圖像的比例；u0為目標像素點的平均灰度；u1為背景像素點的平均灰度；u為整個圖像的平均灰度。

源圖像和經過二值化處理后的圖像如圖1和圖2所示。

圖1 源圖像

圖2 二值化

1.3 均值跳變法

對前文二值化后的圖像，采用均值跳變法來確定車牌字符區域的上、下、左、右4個邊界。具體算法步驟如下：

1)將二值化后的圖像等分成若干個包含3×3像素點的小方格，如圖3所示。

圖3 分成小方格后的車牌

2)由上到下逐行遍歷小方格，統計每個小方格中包含像素點為0的點的個數，并計算每行中像素點為0的點的個數的均值。

3)由圖像的中間行分別向上、向下逐行遍歷，當向上遍歷時，若相鄰兩行中，下面一行方格的均值大于0.5，且上面一行方格的均值小于0.5，則可以認為上面一行為字符的上邊界；當向下遍歷時，若相鄰兩行中，上面一行方格的均值大于1，且下面一行方格的均值小于1，則可以認為下面一行為字符的下邊界。

4)在步驟3)確定的上下邊界基礎之上，從左到右逐列遍歷小方格，統計每個小方格中包含像素點為0的點的個數，并計算每列中像素點為0的點的個數的均值。

5)由圖像的兩端分別向右、向左逐列遍歷，當向右遍歷時，若相鄰兩列中，左邊一列方格的均值小于1，且右邊一列方格的均值大于1，則可以認為左邊一列為字符的左邊界；當向左遍歷時，若相鄰兩列中，右邊一列方格的均值小于1，且左邊一列方格的均值大于1，則可以認為右邊一列為字符的右邊界。

經過均值跳變法精確定位的車牌區域如圖4所示，圖中矩形框為精確定位后的車牌區域。

圖4 精確定位后的車牌

2 K-means算法基本思想

(2)

聚類中心為

(3)

輸入：聚類的數目k和包含n個對象的數據集。

輸出：滿足目標函數值最小的k個簇。

1)從n個數據對象中任意選擇k個作為初始聚類中心；

2)根據每個聚類對象的均值，計算每個對象與這些中心對象的距離，并且根據最小距離重新對相應的對象進行劃分；

3)重新計算每個聚類的均值；

4)循環2)和3)，直到目標函數E不再發生變化為止。

3 車牌字符分割

3.1 改進的K-means算法

通過觀察車牌的特征可知，一般的車牌只有7個字符，且其相對位置比較固定，為了提高K-means算法的效率，可以自行選定初始聚類中心，而不采用隨機產生的方法。改進的K-means算法具體步驟如下：

輸入：聚類的數目k和包含n個對象的數據集。

輸出：滿足目標函數值最小的k個簇。

1)選擇7個字符的中心點作為初始聚類中心；

2)根據每個聚類對象的均值，計算每個對象與這些中心對象的距離，并且根據最小距離重新對相應的對象進行劃分；

3)重新計算每個聚類的均值；

4)循環2)和3)，直到目標函數E不再發生變化為止。

3.2 字符分割方法

字符分割方法步驟為：

1)以車牌圖片的左上角為零點，逐行掃描圖片，統計圖片中像素點為0的個數及其坐標。

2)選取7個車牌字符的中心點作為初始聚類的中心，如圖5所示。

圖5 初始聚類中心

3)使用改進后的K-means算法對車牌字符進行聚類，將1)中點的坐標作為K-means算法的輸入，則經過改進的K-means算法聚類后得到的車牌字符如圖6所示。

4)根據K-means算法得到7個車牌字符的最終聚類中心，坐標數據如表1所示。

圖6 K-means算法聚類后的圖像

表1 聚類中心坐標

5)根據4)中得到的聚類中心橫坐標，分別向左、向右擴展9個像素作為邊界分割字符，其中第一個字符僅需向右擴展9個像素點，以圖片的左邊界作為其左邊界，最后一個字符僅需向左擴展9個像素點，以圖片的右邊界作為其右邊界，則字符分割示意圖如圖7所示。

圖7 字符分割示意圖

6)分割后的字符有可能大小不一樣，為了便于后續的字符識別操作，需要對得到的車牌進行調整大小，這里將車牌字符大小統一調整為20×30像素，調整后的字符圖像如圖8所示。

圖8 調整后的字符

4 實驗結果

本文中所有算法的實現都是基于VS2010和OpenCV開源視覺庫，實驗隨機選取了50張圖片，這些圖片都是由關卡固定的攝像頭拍攝的，且正對車頭方向，經過車牌初步定位后得到。限于篇幅，本文只選擇了其中的2幅車牌分割實驗效果圖，如圖9所示。

圖9 車牌分割效果圖

由于經典的垂直投影法簡單易于實現，經常用于車牌字符分割方法中。因此利用上述50幅圖像，將本文算法與垂直投影法做比較。采用垂直投影法，其字符分割效果如圖10所示。

通過對比投影法和本文算法可知，本文算法成功分割的正確率更高，達到了98%，而投影法分割成功的正確率只有88%。由此可見，運用本文算法分割字符具有較好的魯棒性，實驗結果如表2所示。

圖10 垂直投影法

表2 實驗結果對比

5 總結

本文提出的算法利用均值跳變法對車牌進行精確定位，再利用改進的K-means算法對車牌字符進行聚類后分割，經實驗證明該方法抗干擾能力強，車牌字符分割的準確度高，具有很強的實用性。

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李 金(1989— )，碩士生，研究方向為圖像處理；

宮寧生(1958— )，教授，碩士生導師，研究方向為模式識別、圖像處理；

張 蕾(1989— )，女，碩士生，研究方向為圖像處理。

責任編輯：任健男

License Plate Character Segmentation Based on Improved K-means Algorithm

LI Jin，GONG Ningsheng，ZHANG Lei

(CollegeofElectronicsandInformationEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing211816,China)

A character segmentation method of license plate is proposed based on improved K-means algorithm. This method firstly uses the mean jump method to locate the license plate precisely. And the character of license plate is clustered by using improved K-means algorithm. Finally, according to the cluster center, which is acquired by K-means algorithm, segment the character of license plate. The experimental results show that this method can segment the character of license plate accurately, and has a strong anti-interference.

license plate character segmentation；mean jump；K-means

國家重點基礎研究發展計劃項目(2005CB321901)；軟件開發環境國家重點開放實驗室開放課題(BUAA-SKLSDE-09KF-03)

TP391

A

10.16280/j.videoe.2015.01.034

2014-05-11

【本文獻信息】李金，宮寧生，張蕾.基于改進的K-means的車牌字符分割[J].電視技術,2015，39(1).