基于機器視覺的校園車輛出入管理系統設計

張鋒， 唐志鴻， 鄭樹均， 劉穎君

（華南理工大學廣州學院，廣州 510800）

0 引言

隨著生活水平的提高，越來越多的人擁有機動車，這將給車輛管理方面造成很大的壓力。針對小區、辦公部門、校園以及停車場等場合，傳統的管理方式是采用感應卡和紙票介質，這種管理不僅耗費人力資源，自動化程度低而且效率低下，已經不能滿足人們的需要。車牌識別管理系統是一種嶄新的服務模式，它采用了先進的OCR技術，對各場所出入的車輛實現智能化管理。該設計旨在開發一套基于機器視覺的校園車輛出入管理系統，對進出校園的車輛進行智能管理。利用LabVIEW的VISION模塊以及下位機的相關硬件對系統進行搭建，實現對車牌的自動識別，然后再結合下位機的控制部分對車輛自動放行，實現無障礙不停車出入、車輛智能管理和出口自動計費等功能，大大地提高了車輛管理的效率。

1 系統組成

如圖1所示，系統由監控攝像頭、計算機、人機交互界面、圖像處理算法、數據庫和車輛放行裝置組成。監控攝像頭用于圖像的采集，然后把圖像傳到視覺系統，由于夜晚光線昏暗的原因，需要配合補光燈使用。計算機軟件部分包含圖像處理算法、數據庫以及人機交互界面，圖像處理算法用于特征的提取與識別，數據庫用于用戶數據的保存以及對車輛的進出信息進行記錄，人機交互界面包含了系統相關的控制設置以及對獲得的信息進行顯示。車輛放行裝置是系統的下位機部分，由ARM控制器、舵機及傳感器組成，ARM控制器在接收到上位機的信號之后，通過控制舵機控制攔車桿的升降，實現對車輛的放行。

圖1 系統框圖

基于機器視覺的車輛出入管理系統應用在校園出入口對進出的車輛進行智能管理，針對于入口通道，道路旁邊裝有2個光電傳感器，前面一個用于車輛的定位，當車輛到達相機的工作范圍時，將會觸發相機快門采集車輛的圖像，計算機獲取車輛的圖像后對車牌號碼進行定位識別，然后將車輛信息及進入時間記錄到數據庫當中，同時計算機發送信號給車輛放行裝置進行抬桿動作，當車輛完全通過第2個光電傳感器時攔車桿降下回到攔車狀態。出口通道相關硬件與入口通道相同，當相機采集圖像之后，計算機識別出車輛的車牌號碼，然后再利用數據庫中車輛出入的時間進行自動計費，待車主交費后自動放行車輛。設備布局如圖2所示。

圖2 設備布局

2 軟件設計

圖3 人機交互界面

軟件作為系統的上位機部分，主要包含圖像處理算法和數據庫，圖像處理算法是本系統中的核心部分，是機器視覺系統的大腦。軟件設計是利用美國NI公司開發的LabVIEW進行算法的編寫，LabVIEW中有專門的視覺開發工具包和數據庫工具包，而且采用圖形化的編程方式，能夠大大地縮短開發的周期。人機交互界面,如圖3所示。

2.1 圖像處理算法設計

當車輛到達相機的工作范圍時，觸發相機進行圖像采集，計算機接收到采集的圖像之后再經過初步定位模塊、精確定位模塊和識別模塊后將車牌號提取出來。總體算法流程程序如圖4所示。

圖4 總體算法流程程序

在車牌初步定位模塊中引用相機所拍攝的圖像，調整好圖像的分辨率，提取一個顏色面（藍色面），將上面產生的灰度圖對應的像素信息存儲在二維數組，通過輪廓算法將車牌的邊緣和車身進行分離，輪廓算法即通過比較前后兩個像素點的灰度值并且進行相減得到一個差值，再把這個差值還原出來成為一個新的灰度圖，這個新的灰度圖將會大大地減少外界的干擾因素，因為在現實生活中，車輛的車身顏色和車牌邊框邊緣的顏色是不同，利用這個特性將車身和車牌分離出來，同時也將周圍環境的影響大大降低。然后再合理調整一下閾值，將車牌輪廓調整得更加合理，為接下來尋找邊緣做鋪墊。通過尋找左右車牌邊緣，再經過一定的比較取舍關系，將車牌進行定位，由于左右邊緣相對于上下邊緣來說會更加容易找到。因為相機、攔車桿、停車標志的位置都是固定的，那就是意味著車輛被拍到的時候，車牌所占像素比例相對來說比較固定，變動范圍不是很大，所以橫向的距離相對來說比較固定，可以理解為一個常量。這個常量可以通過實際測量來合理確定。通過合理的圖像處理后進行左右邊緣的檢測，得到左邊緣的起始點、終點，右邊緣的起始點、終點，其坐標分別定義為（X1，Y1）,(X2，Y2),(X3，Y3),(X4，Y4)。另外取一個橫向距離的最大值、最小值，如果找不到左邊緣或者右邊緣，或者兩個邊緣的X值之差小于最小值或者大于最大值，則優先以左邊緣做標準。如果兩個邊緣的差值大于最大值則取最大值，小于最小值則取最小值。比較兩個邊緣的Y值，取用最大Y值。保證接下來所截取的車牌在所截取的圖像中，從而將車牌的區域進行初步確定，從而得到截取所需要的坐標信息，利用這個坐標信息將原圖中的車牌截取出來，完成車牌的初步定位。車牌初步定位部分程序和定位效果如圖5、圖6所示。而車牌的精確定位主要是利用車牌的上下邊緣來進行確定，通過相關的圖像處理得到一個比較容易尋找到上下邊緣的圖像，再進行上下邊緣的尋找，將車牌的位置范圍縮小，使車牌的位置更加精確，然后對車牌再次進行截取，得到精確定位后的車牌圖像。車牌精確定位部分程序及定位效果如圖7、圖8所示。

圖5 車牌初步定位的圖像處理部分程序

圖6 車牌初步定位效果圖

圖7 車牌精確定位的圖像處理部分程序

圖8 精確定位效果圖

圖9 OCR識別效果圖

車牌提取出來之后，利用OCR技術對車牌號碼進行識別，需要OCR識別的字符要事先進行多次訓練，并且將訓練后的信息存儲在一個．abc文件。在字符識別階段這個過程，首先通過一系列的圖像處理，然后調用出．abc文件將圖上的信息進行匹配并且顯示相關車牌信息。OCR識別效果如圖9所示。

圖10 數據庫人機交互界面

2.2 數據庫設計

數據庫作為整個系統的倉庫，負責存儲和管理獲得的相關數據，該系統把進出車輛的車牌號碼以及出入時間等信息保存到數據庫中，然后再把車輛的出入時間索引出來進行計費。數據庫還負責對每天出入的車輛進行計數，生成報表發送給管理員查閱，管理員還可以通過人機交互界面對數據庫當中的信息進行查詢、修改及刪除等操作。數據庫人機交互界面如圖10所示。

3 結 論

本系統能夠有效提高車輛通行效率，減少人工管理及刷卡停車場系統的管理難度，具有高效、安全、便捷等特點。系統為用戶提供了一種嶄新的服務模式，無論是管理方式、基本技術和設備、通行控制都突出了智能化，可用于小區、辦公大樓、超市、停車場、學校等場合，設計結合當前生活，具有很強的實用性。

[1] 趙鵬.機器視覺理論及應用[M].北京:電子工業出版社,2011.

[2] 張錚,王艷平,薛桂香.數字圖像處理與機器視覺[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[3] 吳福朝.計算機視覺[M].北京:科學出版社,2011.

[4] 陳呂洲.Arduino程序設計基礎[M].2版.北京:北京航空航天大學出版社,2015.

[5] 安城娜.數字圖像處理:原理與實踐(Matlab版)[M].北京:北京理工大學出版社,2008.