試論車牌識別技術在中遠海運客滾船舶的應用

鞠強

（中海電信有限公司大連分公司，遼寧大連，116001）

車牌識別(Vehicle License Plate Recognition，VLPR)是現代智能交通系統中的重要組成部分之一，應用十分廣泛。它以數字圖像處理、模式識別、計算機視覺等技術為基礎，對攝像機所拍攝的車輛圖像或者視頻序列進行分析，得到每一輛汽車唯一的車牌號碼，從而完成識別過程。通過一些后續處理手段可以實現船舶車輛自動化監管等功能。對于維護交通安全和船舶安全，加強績效管理，實現船舶交通自動化管理有著現實的意義。

1 車牌識別技術的現狀

早在上個世紀九十年代初，汽車身份識別已經引起了全世界的廣泛重視，人們開始研究有關汽車身份證―汽車牌照自動識別的相關問題。幾年后，汽車的另一個重要的身份象征―汽車標志識別也成為了熱門話題。車牌識別的一般途徑為：采用計算機圖象處理技術對車牌進行分析后，自動提取車牌信息以確定車牌號。車標識別則基于邊緣直方圖和模板匹配相關系數混合的算法。目前車牌與車標識別的理論已經成熟，離線算法識別率已經達到較高的水平，同時正向著集成化、智能化方向發展。

汽車身份識別相當于VC++中的“基類”地位，即智能化交通管理系統中的其他子模塊需要在汽車身份識別的基礎上進行繼承和發展。所以我們認為，汽車身份識別要求較高的集成度，最好能由可以嵌入到其他系統中的、集成度高的模塊來完成，如單片機、CPLD。

我們小組選擇了嵌入式汽車身份自動識別系統作為我們本次創新實驗計劃的選題。我們計劃以嵌入式完成汽車身份識別后，將處理完的數字信息傳遞到智能化交通管理系統的其他模塊中。用嵌入式代替電腦處理汽車身份識別將大大提高智能化交通管理系統的集成度，降低成本。區別于單一的識別系統，我們設計完成的汽車身份識別系統將車牌識別與車標識別相結合，并輔以汽車顏色識別。

2 車牌識別工作原理

車牌識別（LPR）系統是以圖像處理、模式識別等技術為基礎的智能識別系統，通過攝像機所拍攝道路上行駛的車輛圖像進行車牌號碼的識別。

車輛檢測：可采用埋地線圈檢測、紅外檢測、雷達檢測技術、視頻檢測等多種方式感知車輛的經過，并觸發圖像采集抓拍。

圖像采集：通過高清攝像抓拍主機對通行車輛進行實時、不間斷記錄、采集。

預處理：噪聲過濾、自動白平衡、自動曝光以及伽馬校正、邊緣增強、對比度調整等。

車牌定位：在經過圖像預處理之后的灰度圖像上進行行列掃描，確定車牌區域。

字符分割：在圖像中定位出車牌區域后，通過灰度化、二值化等處理，精確定位字符區域，然后根據字符尺寸特征進行字符分割。

字符識別：對分割后的字符進行縮放、特征提取，與字符數據庫模板中的標準字符表達形式進行匹配判別。

結果輸出：將車牌識別的結果以文本格式輸出。

圖1

3 船舶車輛識別的難點

車牌識別的難度在于識別率，再完美的技術也達不到100%的識別率。具體實施中，受制于光線、車速、觸發裝置等諸多因素影響。船舶由于特殊性，客觀條件受限制非常嚴重，要想實現高識別率具有更大的難度，主要體現在以下幾個方面：

■3.1 光照強度

由于船舶停靠泊位的不確定性，極大的增加了成像清晰度的難度?？赡馨滋?、也可能夜間；可能順光，也可能逆光；而且由于艙內艙外光照強度反差極大，對成像質量也會造成極大影響。

■3.2 觸發裝置

車牌識別系統有兩種觸發方式，一種是外設觸發，另一種是視頻觸發。視頻觸發方式是指車牌識別系統采用動態運動目標序列圖像分析處理技術，實時檢測車道上車輛移動狀況，發現車輛通過時捕捉車輛圖像，識別車牌照，并進行后續處理。視頻觸發方式不需借助線圈、紅外或其他硬件車輛檢測器。該方法的優點是施工方便，不需要切割地面鋪設線圈，也不需要安裝車檢器等零部件，但其缺點也十分顯著，由于算法的極限，該方案的觸發率與識別率較之外設觸發都要低很多。外設觸發工作方式是指采用線圈、紅外或其他檢測器檢測車輛通過信號，車牌識別系統接受到車輛觸發信號后，采集車輛圖像，自動識別車牌，以及進行后續處理。該方法的優點是觸發率高，性能穩定；缺點是需要切割地面鋪設線圈，施工量大。也可以通過發放遠距離非接觸卡片（譬如藍牙卡）來實現拍照觸發，但由于卡片不屬于一次性使用，需要來回收發循環使用，既加長了車輛駛入駛出的時間，也加大了工作人員的工作量。

由于船舶全船都是鋼鐵結構，敷設地感線圈根本無法感應車輛。船舶車輛進出艙口寬度只有十幾米，長度更是只有不到2米，安裝紅外檢測器也無法準確判斷人員或者非機動車輛，誤報率極高，也不適合在船舶上使用。

4 解決方案

■4.1 光照強度

由于中?？瓦\滾裝船會根據不同航班班期調整，在不同的時間段停泊在不同的泊位，對車牌抓拍識別造成非常大的困難。有時，可能在白天艙口正對陽光直射處，艙內艙外光線反差非常大；有時，又會在夜間，艙內燈光亮，艙外很暗，同時，車輛遠光燈開啟，對車牌識別也增加了一定的難度。根據分析，我們決定為車牌識別系統增加強光補光燈。在實地測試前，我們以為白天光照強度較大，可以不用補光；夜間光線較暗，應該增加光線補光。但實地測試后，才發現，白天艙內艙外光線反差極大，如果不進行補光，由于車輛的撤檔，車牌一片漆黑模糊，根本無法準確識別出車牌；夜間由于艙內正常的燈光補光，艙外光線強度又非常低，反而不需要增加額外的補光，就能很清晰的成像。經過多次反復試驗，我們最終采用下列方法，解決了光線強度影響成像質量的問題。

（1）增加補光燈

監控補光燈分為白光燈和紅外燈兩大類，紅外燈比較隱蔽，不會干擾民區；白光燈能夠還原彩色圖像監控，畫面對比度好，在車牌識別、高清監控領域應用廣泛。我們采用LED監控白光補光燈，該燈使用IP67防水等級一體化散熱外殼，304不銹鋼緊固螺絲，完全可以滿足船舶的使用要求。同時采用高顯色性指數燈珠，更接近自然光，可以使被照物體產生漫反射，消除過亮或者過暗現象。

根據攝像機的鏡頭焦距選擇合適光束角度，光束角度過小，則出現“手電筒效應”，光束角度過大，則出現光源浪費，補光距離短。原則上，鏡頭焦距越大，補光燈的光束角度就越小，反之亦然，具體可參照以下表格。

圖2

（2）增加光線強度傳感器

在艙口處增加光線強度傳感器，采用對弱光也有較高靈敏度的硅蘭光伏探測器作為傳感器；根據船舶艙口，配合相對的量程，使用標準 1個單位的照度大約為1個燭光在1米距離的光亮度。設定光照強度為 300～400Lux（日出、日落）時觸發；通過232/485網絡輸出開光量信號。當光照強度超過300Lux時，輸出信號給PLC控制器，PLC控制器會控制監控補光燈開啟；當光照強度低于300Lux時 ，停止輸出信號給PLC控制器，PLC控制器會控制監控補光燈關閉。

經過光線強度傳感器感應光線強度，并通過PLC控制器控制燈光開啟或者關閉，在適當的情況下進行補光，很好的解決了光照強度變化對車牌抓拍成像的影響。

■4.2 觸發裝置

國內多數車牌識別系統有兩種觸發方式，一種是外設線圈觸發，另一種是視頻觸發。但經過實地測試，這2種方式在船舶客觀條件限制下，都無法做到很高的車牌識別率，不能滿足中?？瓦\滾裝船的要求。單獨的外設觸發，會由于人員及其他非機動車輛的進出，造成大量的勿拍無效識別；單獨的視頻觸發，又會因為各種原因漏拍，識別率過低。為此，經過多次試驗，我們提出了第三種解決方案，就是外設+視頻觸發的方式。

圖3 國內常見車牌識別系統

由于船舶為全鋼鐵建造，地感線圈無法檢測到車輛。開始我們采用了紅外觸發的方式。其工作原理為，在警戒區域內安裝有發射和接收機，它們收發的結果就會在防范區域內形成了一個光束。發射機可向接收機發射出平行的不可見光束，接收機在接收到激光信號后就與發射機形成了一個完整的光通路，當有入侵者入侵時，就會阻斷光通路內的接收，從而實現終端觸發信號。

我們在船舶滾裝車輛入口，增加了一對紅外對射作為觸發裝置。但是測試后發現，該裝置雖然能很好的觸發，但是人員和其他非機動的車輛的進出都會遮擋到紅外線的收發、造成大量的誤觸發，導致抓拍識別過多，系統會認為有很多無牌車輛。

圖4 車牌觸發抓拍流程圖

然后，我們采用了一前一后2對紅外對射，并通過對PLC可編程控制器進行編程，大大減少了誤拍。我們設定靠近船艙車輛入口外側的一對紅外對射為1號對射，靠近船艙車輛入口內側的另一對紅外對射為2號對射，1號對射與2號對射之間的距離大約為80cm。當1號對射觸發并保持時，2號對射也被觸發，此時PLC可編程控制器才輸出觸發信號給監控補光燈及監控抓拍攝像機，監控抓拍攝像機視頻觸發啟動，開始識別車牌。這樣，當長度小于80cm的物體（人員和自行車燈）通過艙門時，都不會觸發車牌識別系統。同時，通過對PLC可編程控制器編程，保證了1號對射和2號對射的觸發順序，有效過濾了駛出艙門的車輛。通過這套裝置，有效增加了機動車的識別率，大量減少了誤觸發。

然而，試運行一段時間后，確發現由于艙門寬度只有不到10米，紅外對射漫反射過大，1號2號紅外對射的發射端紅外信號，都可以同時被1號2號紅外對射接收端接收，造成無法準確識別車輛進入或駛出。通過查詢資料，我們又改用了工業機床常用的激光對射取代紅外對射，作為前端觸發裝置。

激光入侵探測系統與同類主動探測系統相比，對惡劣氣候環境的適應性顯著增強。激光束發射的功率密度大，發散角小，光束集中，方向性好，使用同等功率器件的條件下，在百米處，目標接接收激光束的功率密度是紅外發光二極管光束的數倍，因而穿透雨、雪、霧、風沙能力強，極大降低了誤報率。

激光報警系統自身抗電磁干擾性強，并對警戒激光束傳播通路以外的區域、設備無任何電磁干擾。由于激光發散角小，光束集中，光束只在閉路中傳輸，當用多組激光探測器在直線方向接續傳輸或小轉折角傳輸時，均無紅外線探測器所產生的相互串擾現象，從而消除此時紅外線探測器產生的漏報警。對周圍環境無任何光散射、污染。

圖5

1號2號紅外對射接收端同時接收發射信號的問題被很好的解決了。但是，試用一段時間以后，又發現由于船體震動，激光的對射的精度過高，很容易發射端和接收端發生偏移，導致無法正常觸發。最終，我們選用漫反射激光對射，既避免了1個發射源被2個接收源同時接收的問題，也同時避免了精度過高導致的系統故障。

通過以上措施，我們很好的實現了中?？瓦\滾裝船舶車輛車牌自動抓拍識別的問題，改系統已運行1年以上，穩定可靠，識別率可達到95%。為中遠海運客運加強內部管理和外部安全提供了良好的保障。