降低車位占用告警誤報(bào)率的策略與方法研究

魏慧玲，相 偉

（青島艾瑞信息科技有限公司，山東 青島 266100）

0 引言

隨著車輛保有量的增加，停車成為城市中的一大難題。當(dāng)前，新型社區(qū)和工業(yè)園區(qū)在建設(shè)立項(xiàng)時(shí)，對(duì)車位配比也做了明確要求，但是仍然難以滿足全部的停車要求，亂停車現(xiàn)象難以避免。一些高端社區(qū)為提升業(yè)務(wù)停車體驗(yàn)，針對(duì)亂停車現(xiàn)象進(jìn)行針對(duì)性的治理，對(duì)于停放到他人專用車位的車輛進(jìn)行聲光電等提示，必要時(shí)人工干預(yù)，要求其駛離車位。

相比較于地磁傳感器、超聲波雷達(dá)等監(jiān)測(cè)機(jī)制[1-3]，基于車位相機(jī)的車位占用告警系統(tǒng)，不但能監(jiān)測(cè)車位是否有車，并且能根據(jù)圖像信息，進(jìn)一步識(shí)別是否是非法占用，獲取車型、車色、乘車人員等信息，及時(shí)跟進(jìn)處理。

基于車位相機(jī)的車位占用告警系統(tǒng)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理車位占用事件，并提供自動(dòng)化的處理方式。車位占用告警系統(tǒng)通常需要在停車場(chǎng)加裝車位相機(jī)，識(shí)別停放車輛車牌等信息，并根據(jù)車輛與車位的歸屬關(guān)系，判斷該車輛是否停放到正確位置。如果發(fā)現(xiàn)車輛與車位不匹配，現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)發(fā)出語(yǔ)音、燈光提示告警，并通過(guò)軟件后臺(tái)及時(shí)通知物業(yè)或者停車場(chǎng)管理人員，到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行干預(yù)，減少由于車位占用導(dǎo)致的糾紛，提升業(yè)主停車體驗(yàn)。

圖1 車位占用告警系統(tǒng)Fig.1 Parking space occupation warning system

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于車牌號(hào)碼識(shí)別誤差，會(huì)產(chǎn)生一定的誤報(bào)幾率，這不僅會(huì)導(dǎo)致工作人員的無(wú)效工作增加，還會(huì)影響業(yè)主的體驗(yàn)，導(dǎo)致業(yè)主投訴。為了減少誤報(bào)，可以提高相機(jī)的硬件性能來(lái)提高識(shí)別率，但這會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致硬件成本增加。基于此，本文提出了通過(guò)軟件算法減小誤報(bào)率的策略和方法，取得了較好的效果。

1 總體方案

車位占用告警系統(tǒng)通常由車位相機(jī)及管理后臺(tái)構(gòu)成，管理后臺(tái)負(fù)責(zé)維護(hù)車位及車牌的綁定關(guān)系，接收車位相機(jī)上報(bào)的車輛駛?cè)胧录鶕?jù)綁定關(guān)系判斷是否授權(quán)車輛，對(duì)于非授權(quán)車輛則需要提示告警，并控制現(xiàn)場(chǎng)車位相機(jī)設(shè)備通過(guò)語(yǔ)音及燈光，提醒駕駛?cè)藛T正在占用他人車位。車位相機(jī)主要是用來(lái)檢測(cè)停車位上有無(wú)泊車以及車輛的車牌信息，并能根據(jù)外部指令顯示不同的燈光顏色，指示是否有車及車輛是否授權(quán)停放，部分車位相機(jī)也可以接收外部指令進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。

車位及車輛的綁定關(guān)系由工作人員錄入，當(dāng)業(yè)主購(gòu)買、租借車位時(shí)，工作人員在管理后臺(tái)錄入車位使用人員信息，并登記業(yè)主車輛信息。業(yè)主所屬的車輛與車位建立綁定關(guān)系，授權(quán)業(yè)主車輛在車位停放，此時(shí)業(yè)主任一車輛停放到任意業(yè)主車位均不需要提示告警。業(yè)主還可以預(yù)約訪客，授權(quán)訪客車輛在指定的時(shí)間段內(nèi)停放到所屬車位，則在預(yù)約時(shí)間段內(nèi)訪客車輛停放到業(yè)主車位也不會(huì)提示車位占用告警。其他車輛停放到業(yè)主車位，或者業(yè)主車輛停放到其他業(yè)主車位，則提示告警。

圖2 車位占用告警過(guò)濾Fig.2 Parking space occupation alarm filtering

車輛駛?cè)胲囄粫r(shí)，車位相機(jī)分析視頻流并提取到車牌號(hào)碼信息，上報(bào)車輛駛?cè)胧录焦芾砗笈_(tái)。管理后臺(tái)判斷車牌號(hào)碼是否為授權(quán)停放車輛，如果是則忽略車輛駛?cè)胧录环駝t生成車位占用告警記錄提示工作人員，并下發(fā)指令控制現(xiàn)場(chǎng)燈光打開，或者語(yǔ)音提示駕駛員占用他人車位需要盡快離開。當(dāng)車輛駛離時(shí)，車位相機(jī)上報(bào)車輛駛離事件到管理后臺(tái)，管理后臺(tái)關(guān)閉告警狀態(tài)，并下發(fā)指令控制現(xiàn)場(chǎng)燈光關(guān)閉，告警事件結(jié)束。

由于車輛停放位置、光線強(qiáng)度、相機(jī)安裝角度、車牌遮擋或者變形等問(wèn)題，車牌號(hào)碼的識(shí)別分析存在一定的誤差，導(dǎo)致授權(quán)車輛被識(shí)別為其他號(hào)碼從而產(chǎn)生錯(cuò)誤告警提示。要消除這種誤差，可以提高車位相機(jī)的分辨率并且提高硬件分析能力來(lái)提高車牌號(hào)碼識(shí)別的準(zhǔn)確率，以此降低識(shí)別誤差導(dǎo)致的錯(cuò)誤告警比率，但是跟隨硬件能力的提高而來(lái)的是成本的增加。

在某些特定的情況下，由于車牌號(hào)碼拍攝不完整，比如部分車牌號(hào)碼被遮擋，或者由于角度問(wèn)題車牌的上沿被遮擋導(dǎo)致車牌號(hào)碼無(wú)法完整拍攝提取，此時(shí)無(wú)法通過(guò)提高識(shí)別率的方式來(lái)降低誤報(bào)。本文針對(duì)提出基于軟件算法的告警過(guò)濾方式，在不增加硬件成本的前提下通過(guò)軟件算法過(guò)濾告警降低誤報(bào)率的方案。

2 降低告警信息誤報(bào)率的軟件算法

降低錯(cuò)誤告警比率可以有多種方式，一種是通過(guò)提高相機(jī)的分辨率及分析能力提高車牌號(hào)碼識(shí)別的準(zhǔn)確率。這能夠有效降低誤報(bào)率，但同時(shí)會(huì)提高系統(tǒng)的硬件成本。還有一種方式是修改告警算法對(duì)告警信息進(jìn)行過(guò)濾，也就是當(dāng)識(shí)別為未授權(quán)的車牌號(hào)碼時(shí)，針對(duì)號(hào)碼的特性判斷是否為識(shí)別錯(cuò)誤，如果認(rèn)定為識(shí)別錯(cuò)誤，則忽略告警事件。而由不同原因?qū)е碌牟煌R(shí)別錯(cuò)誤類型可以采用不同的過(guò)濾方法，最終降低誤報(bào)率。

2.1 基于萊文斯坦距離的不可預(yù)測(cè)過(guò)濾方法

導(dǎo)致車牌識(shí)別錯(cuò)誤的原因有很多，常見(jiàn)的原因有：車位現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比如部分車位光線較暗，相機(jī)安裝角度針對(duì)車位較大等情況，會(huì)導(dǎo)致車牌號(hào)碼識(shí)別不準(zhǔn)確；停放車輛前方的物體會(huì)遮擋車牌號(hào)碼，導(dǎo)致車牌號(hào)碼識(shí)別不完整；系統(tǒng)或者環(huán)境存在抖動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致一定幾率的車牌識(shí)別錯(cuò)誤，此類錯(cuò)誤往往無(wú)法事先預(yù)測(cè)準(zhǔn)確的識(shí)別號(hào)碼，無(wú)法通過(guò)人工干預(yù)的方式避免。

實(shí)際識(shí)別的錯(cuò)誤號(hào)碼存在不確定性，但是均與正確號(hào)碼相似，比如僅其中的一位存在錯(cuò)誤。考慮到相似號(hào)碼占用車位的情況在現(xiàn)實(shí)中較為少見(jiàn)，在判斷車牌號(hào)碼是否授權(quán)號(hào)碼時(shí)并不需要車牌號(hào)碼完全相同，可以計(jì)算識(shí)別出車牌號(hào)碼與授權(quán)號(hào)碼的相似度，如果相似度滿足閾值條件，就認(rèn)為兩個(gè)車牌號(hào)碼相同。計(jì)算車牌號(hào)碼的相似度可以通過(guò)計(jì)算兩個(gè)車牌號(hào)碼編輯距離的方式實(shí)現(xiàn)，如果編輯距離小于閾值，就認(rèn)為兩個(gè)車牌號(hào)碼相同，可以過(guò)濾掉大部分識(shí)別錯(cuò)誤的車牌號(hào)碼從而降低誤報(bào)率。

編輯距離是針對(duì)兩個(gè)字符串（例如英文字母或數(shù)字）的差異程度的量化量測(cè)[4-6]，量測(cè)方式是看至少需要多少次的處理才能將一個(gè)字符串變成另一個(gè)字符串。編輯距離有幾種不同的定義，差異在可以對(duì)字符串進(jìn)行的處理，本文使用了萊文斯坦距離和最長(zhǎng)公共子序列兩種方式計(jì)算車牌號(hào)碼的相似度。

萊文斯坦距離（Levenshtein Distance），由俄羅斯科學(xué)家弗拉基米爾·萊文斯坦提出[5,6]，指兩個(gè)字串之間由一個(gè)轉(zhuǎn)成另一個(gè)所需的最少編輯操作次數(shù)。允許的編輯操作包括將一個(gè)字符替換成另一個(gè)字符，插入一個(gè)字符，刪除一個(gè)字符。如果兩個(gè)車牌號(hào)碼的萊文斯坦距離較小，比如小于等于2，則可以認(rèn)為兩個(gè)車牌號(hào)碼相似。萊文斯坦距離的計(jì)算方式參考下面說(shuō)明：

如果分別用|a|和|b|表示a,b兩個(gè)字符串的長(zhǎng)度，那么他們的萊文斯坦距離為leva,b(|a|, |b|)，它符合：

1(ai≠bj)是一個(gè)指示函數(shù)（indicator function），當(dāng)ai=bj時(shí)，其值為0，其他時(shí)候等于1。leva,b(i,j)表示a的前i個(gè)字符與b的前j個(gè)字符之間的萊文斯坦距離（i和j都是從1 開始的下標(biāo)）。

匹配車牌號(hào)碼時(shí)，計(jì)算上報(bào)車牌號(hào)碼與每個(gè)授權(quán)車牌號(hào)碼的萊文斯坦距離，如果字符編輯距離小于閾值，則認(rèn)為兩個(gè)號(hào)碼匹配，否則需要進(jìn)一步判斷是否滿足其他過(guò)濾條件。

2.2 基于最長(zhǎng)公共子序列的不可預(yù)測(cè)過(guò)濾方法

最長(zhǎng)公共子序列（LCS）是一個(gè)在一個(gè)序列集合中（通常為兩個(gè)序列）用來(lái)查找所有序列中最長(zhǎng)子序列的問(wèn)題[7,8]。一個(gè)數(shù)列，如果分別是兩個(gè)或多個(gè)已知數(shù)列的子序列，且是所有符合此條件序列中最長(zhǎng)的，則稱為已知序列的最長(zhǎng)公共子序列。如果兩個(gè)車牌號(hào)碼的公共子序列足夠長(zhǎng)，比如在7 位車牌號(hào)碼中公共子序列長(zhǎng)度達(dá)到5 位，則兩個(gè)車牌號(hào)碼相似。其計(jì)算公式如下：

設(shè)Aa 和Bb 的最長(zhǎng)公共子序列為Zz：

1）如果Aa=Bb 則Aa=Bb=Zz，Aa-1 和Bb-1 的最長(zhǎng)公共子序列為Zz-1。

2）如果Aa ≠Bb 并且Aa ≠Zz，Aa-1 和Bb 的最長(zhǎng)公共子序列為Zz。

3）如果Aa ≠Bb 并且Bb ≠Zz，Aa 和Bb-1 的最長(zhǎng)公共子序列為Zz。

根據(jù)以上3 條可以使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方式解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)數(shù)組T[a][b]用于存儲(chǔ)最長(zhǎng)公共子序列的情況，則T[a][b]的計(jì)算方式如下：

匹配車牌號(hào)碼時(shí)計(jì)算兩個(gè)車牌號(hào)碼的最長(zhǎng)公共子序列長(zhǎng)度，如果長(zhǎng)度大于閾值，則認(rèn)為兩個(gè)號(hào)碼匹配。如果小于閾值，則認(rèn)為兩個(gè)車牌號(hào)碼不匹配。上報(bào)車牌號(hào)碼匹配任一授權(quán)車牌號(hào)碼時(shí)忽略告警，否則需要進(jìn)一步判斷是否滿足其他過(guò)濾條件。

2.3 可預(yù)測(cè)識(shí)別錯(cuò)誤的過(guò)濾方法

除了上述不確定的識(shí)別錯(cuò)誤，還有一類由于車牌外形或者外部環(huán)境導(dǎo)致的識(shí)別錯(cuò)誤。這類錯(cuò)誤與實(shí)際的車牌號(hào)碼并不相似，無(wú)法通過(guò)號(hào)碼的相似度進(jìn)行過(guò)濾。但是錯(cuò)誤號(hào)碼相對(duì)穩(wěn)定，是可以通過(guò)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的，可以人工干預(yù)對(duì)這類錯(cuò)誤進(jìn)行針對(duì)性的過(guò)濾。

車牌由于彎折或者輕微污損，比如部分車牌在撞擊過(guò)后產(chǎn)生變形，導(dǎo)致無(wú)法正確識(shí)別車牌號(hào)碼。在識(shí)別車牌號(hào)碼時(shí)可能與實(shí)際車牌號(hào)碼完全沒(méi)有相關(guān)性，這就導(dǎo)致業(yè)主車輛停放到車位上時(shí)，車輛被識(shí)別為非業(yè)主車輛，車位上方亮燈提示，并語(yǔ)音提示車主停放錯(cuò)誤，影響業(yè)主體驗(yàn)。在實(shí)際識(shí)別時(shí)，由于車牌的外形是穩(wěn)定的，雖然號(hào)碼與實(shí)際號(hào)碼并不相關(guān)，但是也會(huì)表現(xiàn)為一組穩(wěn)定的互相關(guān)聯(lián)的號(hào)碼。針對(duì)此類錯(cuò)誤，初次識(shí)別時(shí)無(wú)法確認(rèn)是否需要過(guò)濾，但是工作人員確認(rèn)號(hào)碼是業(yè)主號(hào)碼識(shí)別錯(cuò)誤后，允許手動(dòng)標(biāo)記為業(yè)主車輛，并記錄實(shí)際車牌號(hào)碼。后續(xù)再次識(shí)別到該車牌號(hào)碼時(shí)，管理后臺(tái)查找標(biāo)記記錄確認(rèn)為業(yè)主車輛及實(shí)際號(hào)碼，忽略告警。

為了便于尋找及管理車位，通常會(huì)在車位前方或者車位中噴涂車位號(hào)碼。在提取圖片進(jìn)行車牌號(hào)碼識(shí)別時(shí)，由于空車位反光會(huì)存在一定的幾率把車位號(hào)識(shí)別為車牌號(hào)碼，此時(shí)識(shí)別出的車牌號(hào)碼一般會(huì)包含車位號(hào)。針對(duì)這一特點(diǎn)，可以對(duì)全部或者部分車位設(shè)置是否過(guò)濾車位號(hào)碼。如果選擇是，則在識(shí)別到占用事件時(shí)上報(bào)車牌號(hào)碼包含車位號(hào)碼，忽略告警。

除了車位反光，現(xiàn)場(chǎng)擺放的其他物體也有可能導(dǎo)致識(shí)別錯(cuò)誤，通常會(huì)被識(shí)別為特定的一個(gè)或者一組號(hào)碼。這類錯(cuò)誤需要人工確認(rèn)后單獨(dú)配置過(guò)濾號(hào)碼，一旦配置后則在指定的車位對(duì)于指定的號(hào)碼進(jìn)行告警過(guò)濾。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

綜合運(yùn)用上述降低車位占用告警誤報(bào)率的策略和方法，如表1 所示，在白天光線充足的情況下，車位占用告警正確率為98.7%；在白天陰雨天時(shí)，由于光線不足，車位占用告警正確率為97.6%；在夜間，由于光線不足，攝像頭補(bǔ)光不充分，車位占用告警正確率可達(dá)96.2%。配合人工干預(yù)，基本可以滿足智慧社區(qū)車位占用告警的實(shí)際需求。

表1 實(shí)際應(yīng)用結(jié)果Table 1 Actual application results

3 結(jié)論

本文針對(duì)車位占用告警系統(tǒng)中的識(shí)別錯(cuò)誤提出了告警過(guò)濾的方法，針對(duì)環(huán)境或者系統(tǒng)引起的不確定錯(cuò)誤通過(guò)計(jì)算車牌號(hào)碼相似度的方式進(jìn)行過(guò)濾，并通過(guò)手動(dòng)確認(rèn)標(biāo)記的方式過(guò)濾掉由于車牌號(hào)碼變形及污損、空車位反光、現(xiàn)場(chǎng)固定環(huán)境導(dǎo)致的識(shí)別錯(cuò)誤，進(jìn)一步提高降低錯(cuò)誤告警比率。綜合車位占用告警的正確識(shí)別率達(dá)到98%，可以滿足智慧社區(qū)車位占用告警的實(shí)際需求，在實(shí)際工程應(yīng)用中取得較好的效果。