淺談一種新型的智能船名號(hào)牌

李 康/重慶海事局長(zhǎng)江瀘州通信管理處

淺談一種新型的智能船名號(hào)牌

李 康/重慶海事局長(zhǎng)江瀘州通信管理處

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水上交通的重要性也日益提高，船舶數(shù)量增加給水上交通帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，在航道資源有限的情況下，如何確保船舶航行安全、有序，是目前全球航運(yùn)界研究的課題。除傳統(tǒng)的雷達(dá)、無(wú)線對(duì)講等設(shè)備外，國(guó)際海事組織要求裝配AIS（自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)），防止碰撞、但市場(chǎng)價(jià)格非常高，推廣難度大。若是有一種新型的智能船名號(hào)牌類(lèi)似車(chē)牌一樣，方便我們海事部門(mén)去監(jiān)管，將是一件具有深遠(yuǎn)意義的事。

智能船名號(hào)牌

1.引言

目前，現(xiàn)有船名號(hào)在識(shí)別方面存在諸多不足，通常以噴涂方式標(biāo)示的船名通常粉刷于船舷兩側(cè)，容易被水淹沒(méi)，監(jiān)控?cái)z像機(jī)無(wú)法捕獲船名號(hào)信息，霧天及夜晚更無(wú)法識(shí)別。目前船名標(biāo)志牌亮度不夠，透霧性不強(qiáng)，標(biāo)志牌的整體發(fā)光導(dǎo)致船名模糊，對(duì)船名號(hào)的視頻識(shí)別影響很大；標(biāo)志牌耗能很大，光伏供電無(wú)法滿足其正常運(yùn)行。在夜晚和霧天的時(shí)候，有的船民為逃避檢查會(huì)主動(dòng)關(guān)閉標(biāo)志牌。標(biāo)志牌內(nèi)普遍使用普通燈管，耗能高、損壞率高且維護(hù)更換成本高。

使用一種新型LED船名牌，無(wú)論在夜晚還是霧天等光線不足的環(huán)境下，LED船名牌都能夠被攝像機(jī)有效識(shí)別。通過(guò)太陽(yáng)能光伏板，新型LED船名牌可以實(shí)現(xiàn)自主供電。

2.智能船名號(hào)牌所具有的功能

保證各角度都能清晰被看并且船名牌燈箱可以節(jié)能供電

基于便于船名號(hào)能被視頻有效識(shí)別的考慮，把LED船名號(hào)燈箱設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體，其中前側(cè)盒面與后側(cè)盒面顯示船名牌，燈箱內(nèi)部放置LED燈，為了節(jié)省空間，把其他側(cè)面設(shè)置成較小的面積，這樣就可以從多個(gè)不同的角度識(shí)別船名號(hào)，增加了識(shí)別的準(zhǔn)確性。為了便于對(duì)船名號(hào)燈箱進(jìn)行持續(xù)供電，在船名號(hào)燈箱下面設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)方體底座。在底座的頂面放置太陽(yáng)能電板，在底座的內(nèi)部放置一塊蓄電池，用來(lái)對(duì)LED進(jìn)行供電，同時(shí)為了保證在沒(méi)有陽(yáng)光的時(shí)候能持續(xù)的供電，還設(shè)計(jì)了直流電源接口。并且還在燈箱與底座連接的位置放置一個(gè)光傳感器。用于控制有無(wú)陽(yáng)光時(shí)對(duì)電池供電進(jìn)行判斷。

（2）保證船名號(hào)牌能給被智能識(shí)別

箱體上的船名號(hào)，用白色3M反光透光膜制成，用背光LED照射，以便在光線不好的時(shí)候能準(zhǔn)確識(shí)別船名號(hào)。同時(shí)，為了確保視頻對(duì)船名號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和撲捉，在前側(cè)盒面和后側(cè)盒面的每個(gè)面的四個(gè)角分別安置一個(gè)紅外線發(fā)射器。例如，當(dāng)一艘船駛過(guò)一片海域時(shí)，攝像頭首先對(duì)紅外線進(jìn)行撲捉和定位，由此保證船名號(hào)牌可以在夜間及霧天等天氣不好的情況下進(jìn)行有效識(shí)別。

完成以上方案之后，LED船名號(hào)牌燈箱就設(shè)計(jì)好了，下面需要視頻的智能識(shí)別技術(shù)來(lái)進(jìn)行配合。當(dāng)攝像頭通過(guò)紅外線對(duì)船名號(hào)牌進(jìn)行準(zhǔn)確定位后，視頻要對(duì)船名號(hào)牌進(jìn)行智能識(shí)別，該處采用一種快速可行的魯棒性較強(qiáng)的船名號(hào)圖像二值化識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船名號(hào)圖像有普遍適用性的圖像二值化方法；結(jié)合設(shè)計(jì)的快速連通體標(biāo)記方法 、二值圖像簡(jiǎn)化算法及動(dòng)態(tài)船名號(hào)模板搜索算法,實(shí)現(xiàn)了從船名號(hào)圖像中快速定位船名號(hào)字符及船名號(hào)本身并同時(shí)獲得船名號(hào)符輪廓信息的新方法。該方法對(duì)船名號(hào)及其字符定位準(zhǔn)確率高 ,且對(duì)不同條件下獲得的不同狀態(tài)下的船名號(hào)圖像有較好的適應(yīng)性。

3.智能船名號(hào)牌采用的圖像識(shí)別算法

通過(guò)圖像采集系統(tǒng)獲得船名號(hào)牌的彩色圖像后, 先進(jìn)行灰度變換、平滑濾波和開(kāi)運(yùn)算等處理，為下面的操作提供良好的基礎(chǔ)。本算法設(shè)計(jì)了一種魯棒性的直接二值化方法獲得船名號(hào)牌圖像的二值化圖像，效果好，速度快。然后，通過(guò)快速連通體偵測(cè)算法和圖像簡(jiǎn)化算法可以盡可能地剔除非字符部分，保留可能的船名號(hào)牌字符部分。最后利用一種基于模板的船名號(hào)牌字符偵測(cè)模塊，便可準(zhǔn)確地獲得船名號(hào)牌上的所有字符單元。使用這種單元也可獲知字符的大小、傾斜角度等主要信息,然后依據(jù)這些信息通過(guò)字符糾偏及歸一化處理來(lái)處理字符單元,字符識(shí)別模塊便可獲得準(zhǔn)確的信息,如圖（1）所示。

具體實(shí)施步驟如下：

（1）灰度化處理

彩色圖像在RGB空間表達(dá),將RGB彩色船名號(hào)牌圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，通常彩色圖像灰度化有三種轉(zhuǎn)換方發(fā)：

灰度化方法一：

灰度化方法二：

灰度化方法三：

為了使視覺(jué)感受更加明顯，灰度圖像邊緣更加突出，結(jié)合這三種灰度處理方法，本文提出了一種新的灰度處理方法，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，得出當(dāng)這三種灰度轉(zhuǎn)化方法所占比例分別為50%、30%、20%時(shí)，便可得到最佳的灰度處理效果。即：

（2）平滑濾波和開(kāi)運(yùn)算處理

為了消除各種噪聲因素的干擾，也為了保留圖像的銳度，因此需要在灰度圖像上進(jìn)行一次中值濾波。此外，為了消除船名號(hào)牌字符之間可能存在的黏連、搭接等現(xiàn)象，在下面的操作中, 可以運(yùn)用形態(tài)學(xué)算子，即先做腐蝕運(yùn)算，再做膨脹運(yùn)算。采用這種“開(kāi)”算子處理圖像，便盡可能的達(dá)到使圖像中的字符分離的目的，因此，為接下來(lái)的字符定位與讀取奠定基礎(chǔ)。

（3）船名號(hào)牌圖像的二值化方法

為了獲得穩(wěn)定可靠的船名號(hào)牌二值化圖像，此處采用一種船名號(hào)牌圖像的魯棒性的二值化方法，由于船名號(hào)牌圖像因船名號(hào)牌破損、斑點(diǎn)、骯臟、光照過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱等因素的影響 , 尋求全局化閾值將船名號(hào)牌字符從船名號(hào)牌圖像中分離出來(lái)是非常困難的。考慮到船名號(hào)牌字符與船名號(hào)牌背景的灰度差異顯著是這一分類(lèi)船名號(hào)牌的共同特征，利用它設(shè)計(jì)船名號(hào)牌圖像二值化方法將具有良好的魯棒性與普遍適用性。考慮到任一像素的合適鄰域 ,應(yīng)先找到此鄰域的極大極小灰度像素，若二者的差值小于某一個(gè)閾值，便可認(rèn)為該鄰域的灰度是相同的，因而可以根據(jù)該像素的灰度值進(jìn)行判定該鄰域?yàn)槊骰蛘甙担蝗绻麡O大極小灰度之差大于某一個(gè)閾值，則便可判定該鄰域中那些接近極大值的像素為前景，接近極小值的像素為背景。該二值化方法的本質(zhì)是一種區(qū)域化域值方法，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

（4）船名號(hào)牌字符的定位與后續(xù)處理

二值化方法盡可能保留船名號(hào)牌字符及其特征不被破壞。在此基礎(chǔ)上,可進(jìn)行船名號(hào)牌字符信息的挖掘。為了準(zhǔn)確地獲取船名號(hào)牌字符的位置及其字模信息便可根據(jù)船名號(hào)牌特征來(lái)進(jìn)行，本文主要考慮如下船名號(hào)牌特征: (a)除漢字外，所有船名號(hào)牌字符均是單一連通體；(b)每個(gè)船名號(hào)牌字符的高和寬的比例，在一定的范圍內(nèi)變化；(c)每個(gè)船名號(hào)牌字符的高和寬的比例均在一定的范圍內(nèi)；(d)每個(gè)船名號(hào)牌字符連通體的面積與其外包絡(luò)矩形的面積之比在一定的范圍內(nèi)變化；(e)相鄰船名號(hào)牌字符的位置在水平和垂直方向上有一致的關(guān)聯(lián)關(guān)系。由上述準(zhǔn)備作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了船名號(hào)牌字符位置偵測(cè)與字模讀取算法。

對(duì)船名號(hào)牌二值圖像進(jìn)行清理

二值化的船名號(hào)牌圖像包含大量信息，不利于快速獲得船名號(hào)牌字符, 因此根據(jù)上述船名號(hào)牌的特征先進(jìn)行一次清除，以消除明顯非字符信息。先進(jìn)行連通體的識(shí)別，連通體的識(shí)別有許多的算法，這里主要解決的問(wèn)題是執(zhí)行時(shí)間的長(zhǎng)短，為了節(jié)省時(shí)間，此處采用一種輪廓線跟蹤技巧，不但可以標(biāo)記連通體，同時(shí)還可以獲得該連通體的輪廓信息，其執(zhí)行速度比一般算法提高了十幾倍到幾十倍不等。經(jīng)連通體標(biāo)記之后，可獲得每個(gè)連通體的外包絡(luò)矩形。根據(jù)上述船名號(hào)牌特征，將不可能是船名號(hào)牌字符的連通體全部去除。

船名號(hào)牌模板的匹配

為了提高船名號(hào)牌定位和字符讀取的速度及算法普遍適用性該處采用了一種動(dòng)態(tài)的模板方式搜索和定位船名號(hào)牌及其字符。在清理后的船名號(hào)牌圖像中，先根據(jù)船名號(hào)牌字符的大小及關(guān)聯(lián)關(guān)系，搜索2 ～ 3個(gè)可能的船名號(hào)牌的字符連通體，接著計(jì)算出船名號(hào)牌字符的大小與其間距。結(jié)合探索船名號(hào)牌的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，建立完整的船名號(hào)牌中包含有字符的所有位置的船名號(hào)牌模板，將該模板與可能的船名號(hào)牌字符對(duì)齊，進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，觀察船名號(hào)牌模板相對(duì)應(yīng)的位置是否有船名號(hào)牌字符存在。若符合，則搜索成功，反之，則根據(jù)其他可能的船名號(hào)牌字符連通體，重新調(diào)整船名號(hào)牌模板，繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，直到搜索完成為止。

船名號(hào)牌字符糾偏與歸一化處理

根據(jù)模板偵測(cè)到的字符，其中不少是有傾斜角度的，為了使字符識(shí)別更加方便，需要進(jìn)行糾偏。依據(jù)最終確定的所有船名號(hào)牌字符的位置，可以計(jì)算出整個(gè)船名號(hào)牌的坐標(biāo)位置，然后依據(jù)常規(guī)糾偏方法糾偏即可。當(dāng)糾偏后的字符大小歸一化到標(biāo)準(zhǔn)大小之后，便可調(diào)用字符識(shí)別模塊，從而獲取船名號(hào)牌字符文本。

4.結(jié)語(yǔ)

智能船舶的技術(shù)雖然剛剛起步，很多技術(shù)還不成熟，但隨著船舶技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，特別是“大數(shù)據(jù)”的智能應(yīng)用，正推動(dòng)著智能船舶的加速出現(xiàn)。一種新型的智能船名號(hào)牌，通過(guò)對(duì)船名號(hào)燈箱的改造和視頻的智能分析，能實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的解析出船名號(hào)，對(duì)于海事機(jī)構(gòu)執(zhí)法具有重大的意義。

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李康，1984，男，重慶市奉節(jié)人，重慶工學(xué)院計(jì)算機(jī)信息管理，專(zhuān)科，從事長(zhǎng)江海事通信管理及維護(hù)工作。