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基于MATLAB的车牌定位系统设计与开发

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基于MATLAB的车牌定位系统设计与开发

I摘要车辆牌照识别系统(VEHICLELICENSEPLATERECOGNITIONSYSTEM,简称LPR)是现代智能交通系统中的一项重要研究课题,是实现智能交通的重要环节,涉及领域异常广阔。智能交通系统可以在不影响汽车正常行驶的状态下自动完成对牌照的有效识别,很显然这一技术的发明对于交通管理工作起到了很大的推动作用。目前,车辆牌照识别技术已经广泛应用于高速公路的监测,电子收费,交通违规管理,安全停车管理,偷盗车辆辨别等重要领域。由于牌照拍摄场景的复杂性以及车牌位置和图像质量的不可预知性,车牌定位系统一直都未做到令人满意,所以车牌定位一直是这个领域研究的热点。因此对于汽车牌照识别技术的研究具有重要的现实意义。车牌识别技术主要包括车牌定位和车牌识别两部分,而车牌定位是该系统的关键之一。本文针对车牌识别系统中关于静态图片中的车牌定位问题。在车牌定位系统中,在MATLAB开发平台上,我们分别对图像预处理、图像的边缘检测和分割的若干方法进行编程实验,通过对静态图片进行灰度变换,二值化,中值滤波等一系列处理,提出了基于垂直边缘检测算子的车牌定位方法,根据汽车牌照区域的垂直边缘统计特性,从图像中确定可能存在的牌照候选区,在利用车牌几何形状的特点对这些候选区进行筛选,得到车牌位置,为进一步的字符识别打下基础。关键词车牌定位;图像处理;边缘检测;MATLABIIABSTRACTTHEVEHICLELICENSEPLATERECOGNITIONSYSTEMVEHICLELICENSEPLATERECOGNITIONSYSTEM,REFERREDTOASLPRISANIMPORTANTRESEARCHSUBJECTINMODERNINTELLIGENTTRANSPORTATIONSYSTEM,ISANIMPORTANTPARTOFREALIZINGINTELLIGENTTRANSPORTATION,RELATESTOTHEVERYBROADFILEDINTELLIGENTTRANSPORTATIONSYSTEMSCANAUTOCOMPLETESTATEDOESNOTAFFECTTHENORMALDRIVINGLICENSEIDENTIFICATION,ITISCLEARTHATTHEINVENTIONOFTHISTECHNOLOGYFORTRAFFICMANAGEMENTHASPLAYEDASIGNIFICANTROLEINPROMOTINGATPRESENT,THEVEHICLELICENSEPLATERECOGNITIONTECHNOLOGYHASBEENWIDELYUSEDINHIGHWAYMONITORING,ELECTRONICTOLLCOLLECTION,TRAFFICVIOLATIONMANAGEMENT,SECURITY,PARKINGMANAGEMENT,VEHICLETHEFTTOIDENTIFYIMPORTANTAREASSUCHASLICENSESHOOTINGSCENECOMPLEXITYASWELLASTHELICENSEPLATELOCATIONANDIMAGEQUALITYOFTHEUNPREDICTABILITYOFTHE,LICENSEPLATEPOSITIONINGSYSTEM,NONEHASBEENDONESATISFACTORILY,SOLICENSEPLATELOCATIONHASBEENAHOTRESEARCHOFTHISAREATHEREFORE,THEVEHICLELICENSEPLATERECOGNITIONTECHNOLOGYHASIMPORTANTPRACTICALSIGNIFICANCELICENSEPLATERECOGNITIONTECHNOLOGYMAINLYINCLUDESTWOPARTSOFTHELICENSEPLATELOCATIONANDLICENSEPLATERECOGNITION,THELICENSEPLATELOCATIONISONEOFTHEKEYSOFTHESYSTEMINTHISPAPER,THELICENSEPLATELOCATIONFORLICENSEPLATERECOGNITIONSYSTEMONASTATICPICTURELICENSEPLATEPOSITIONINGSYSTEM,INTHEMATLABDEVELOPMENTPLATFORM,WEUSEIMAGEPREPROCESSING,IMAGEEDGEDETECTIONANDSEGMENTATIONMETHODFORPROGRAMMINGEXPERIMENT,BYGRAYSCALETRANSFORMATIONOFTHESTILLPICTURES,THETWOVALUES,MEDIANFILTERINGANDASERIESOFPROCESSING,PUTFORWARDLICENSEPLATELOCATIONMETHODBASEDONVERTICALEDGEDETECTIONOPERATOR,ACCORDINGTOTHEVERTICALEDGESOFTHESTATISTICALCHARACTERISTICSOFTHEVEHICLELICENSEAREA,IDENTIFYPOSSIBLELICENSECANDIDATEFROMTHEIMAGE,ONTHEUSEOFLICENSEPLATEGEOMETRYCHARACTERISTICSOFTHESECANDIDATESCREENING,LICENSEPLATELOCATION,ANDLAYTHEFOUNDATIONFORFURTHERCHARACTERRECOGNITIONKEYWORDSLICENSEPLATELOCATION;IMAGEPROCESSING;EDGEDETECTION;MATLABIII目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111本课题的研究背景和意义112国内外的发展概况113本课题主要研究的内容214我国车牌的特点215设计的总体思想316本文各章节内容安排317开发工具及运行环境32基础知识和技术介绍521基础知识522MATLAB简介63车牌定位详细设计1131图像预处理12311车牌的基本特征12312彩色图像的灰度化12313图像灰度变换17314线性变换17315分段线性灰度变换18316非线性灰度变换19317图像平滑1932平滑处理19321噪声的基本概念19322空间域平滑20323频率域平滑2233图像边缘检测22331引言22332梯度算子22333ROBERTS算子23334PREWITT算子23335SOBEL算子24336CANNY算子25337LAPLACIAN算子2634牌照的定位与分割27341形态学去噪28IV342牌照区域的分割32343车牌图像二值化32344中值滤波34345字符的分割与归一化3635本章小结374车牌定位系统实现与测试3941系统构成3942实验结果及分析3943本程序对其他图片的识别效果4444本章小结505结论与展望5151结论5152研究工作的展望51致谢53参考文献54汽车牌照定位系统设计与开发11绪论11本课题的研究背景和意义20世纪90年代以来,随着我国经济的快速发展,人民生活水平的不断提高,国内高速公路、城市道路、停车场建设越来越多,汽车数量急剧增加。但伴随经济高速发展而产生的负产物也日益明显,即交通状况的不断恶化,尤其是近十多年来,无论是发达国家还是发展中国家,都不同程度的受交通问题的困扰。时常发生交通拥挤、事故等。面对日益严重的交通问题。智能交通系统(INTELLIGENTTRANSPORTATIONSYSTEM,简称ITS)已经成为当前交通管理发展的主要方向,而车牌识别技术作为智能交通系统的核心,起着举足轻重的作用,它在高速公路,城市道路,停车场等项目中占有无可取代的重要地位。目前,国外车牌识别系统已经成功应用于实际交通系统中,而国内的车牌识别系统的应用虽然也有部分成功事例,但基本上整体还处于试验阶段。如果引进国外的车牌识别系统不仅费用较高,而且由于我国车牌自身的特点与国外车牌有着很大的不同之处,特别是我国牌照中的汉字的识别问题,国外技术就无法实现。这就要求我们研制出适合我国国情的车牌识别系统。车牌定位是车牌识别系统中的关键性的第一步,很大程度上决定了车牌识别系统的准确性,鉴于车牌定位的重要性,本课题就是在这一背景下提出的。汽车牌照识别技术是现代交通管理中的一个非常重要的研究课题,是实现交通管理智能化的重要环节,它可广泛在高速公路、城市道路、停车场等的车辆管理,交通流量检测,交通管理,免停车自动收费,闯红灯等违章车辆监控以及车辆安全防盗等领域,智能交通系统(ITS)已成为当前交通管理发展的主要方向。车牌识别系统在ITS系统中扮演着越来越重要的角色。所以,车牌识别系统的研究具有极大的市场价值。112国内外的发展概况汽车牌照识别系统不管采用哪种方法,有两个问题是必须解决的第一如何清楚的拍摄到清晰的汽车牌照图像。即是不论是刮风还是下雨,顺光还是逆光,白天还是黑夜。都能将牌照拍的清晰。第二怎样在图像中准确的识别出汽车牌照,就是适应个中国环境下所拍摄到的图像。一般来讲汽车牌照识别系统主要包括3个方面,即汽车牌照定位、汽车牌照切割、汽车牌照识别。汽车牌照定位的主要功能就是在图像中给出汽车牌照的位置并且分割出来,汽车牌照切割的主要功能就是把已获得的汽车牌照中的字符逐个切分出来,形成单个的字符图像块。汽车牌照识别是整个系统的最后一个步骤。即把切割出来的字符进行识别处理,得到可以用于计算机处理的信息格式(如文本格式)。国外最早提出的是在20世纪80年代,该阶段并没有形成完整的理论系统知识,而是对车牌识别的某一种特定环境的应用或某一个问题进行了讨论,采用简单的图像处理技术来解决问题。国外正式开始出现车牌识别系统化的研究是20世纪90年代以后。1990年,国外的第一个车牌识别系统成功被研制,其主要途径就是对车牌的图像进行分析,自动提取车牌信息,进而确定汽车车牌号码。在现代,以色列HITECH公司的SEE/CARSYSTEM系列,新加坡OPTASIA公司的VLPRS系列无锡太湖学院学士学位论文2都是比较成熟的产品。其中,VLPRS产品主要适合与新加坡的车牌识别,HITECH公司的SEE/CARSYSTEM有多种变形产品来分别适应于某一个国家的车牌识别。SEE/CARCHINESE系统也可以针对中国大陆的车牌进行识别,但是存在着一定的局限性,不能较好的识别车牌中的汉字,另外日本、加拿大、德国、意大利、英国等国家都有适合于本国的车牌识别系统。国内在20世纪90年代已经开始对车牌识别系统进行了相关的研究,其中的北京汉王公司的“汉王眼”、成都西图科技有限公司生产的CIAS.T2003车牌识别稽查系统、亚洲视觉生产的VECONVIS车辆牌照识别系统以及等产品牌照识别率都达到了95%以上。上海交通大学戚飞虎提出了基于彩色分割的拍照识别方法;华中科技大学黄心汉提出了基于模板匹配和神经网络的拍照识别方法。另外,西安交通大学的郑南宁等人提出了多层次纹理分析的牌照识别方法也对车辆牌照识别系统也有极大价值的研究。众多的牌照识别技术的研究促进了适合我国车辆牌照识别产品的问世,国内的牌照识别产品相继问世并且投入使用。13本课题主要研究的内容车牌定位LICENSEPLATELOCATION,简称LPL就是要在一副拥有复杂背景的车辆图像中把汽车牌照区域分割出来,它是汽车牌照识别系统中的第一步却是至关重要的一步。对于一幅车辆图像来说,车牌区域只占全图的一小部分,要想将其准确定位并分割出来是及其困难的,这就要求研究人员对车牌区域内的字符的纹理特征和字符与其背景之间的灰度特征进行分析,寻找它们之间的差别。当前最常见的定位技术主要有“基于边缘检测的方法、“基于彩色分割的方法”、“基于小波变换的方法和遗传算法等。本论文是基于SOBEL边缘检测和数学形态学的车牌定位系统。针对车牌四周边框,采取了一种水平垂直结构元素的方法,有效地削弱它们对车牌定位准确率的不利影响,该方法主要利用了边缘检测和数学形态学中的开运算、图像膨胀和腐蚀、区域填充等对车牌图像进行处理。有效地提高了车牌定位准确率。14我国车牌的特点我国机动车使用的牌照主要是根据公安部1992年颁发的中华人民共和国机动车号牌标准(GA3692)制作的。我国现有车辆牌照可分为四类蓝底白字、黄底黑字、黑底白字和白底黑字。字符分为四种类型中文字符、英文字母、阿拉伯数字、圆点分隔符。所有车辆具有以下特点(1)1车辆牌照由7个字符组成的字符串呈水平排列。待识别的字符模板可分为以下三类,汉字、英文字母、阿拉伯数字。(2)车辆牌照区域牌底和牌字颜色对照大,边缘非常丰富。(3)车辆牌照原始尺寸每个字宽45MM,字高90MM,间隔符宽10MM,每个单元间隔12MM。(4)汽车牌照的悬挂位置不唯一。(5)我国对于不同车辆、车型、用途使用不同类型的牌照(如军车、民用车、大型车辆)此次研究主要研究最常见的蓝底白字的车牌。汽车牌照定位系统设计与开发315设计的总体思想本文介绍了课题设计的内容和步骤,然后分析了图像与处理中运用到得处理方法,如灰度变换,边缘检测,中值滤波等最后检测车牌上下界和左右界,从而定位出车牌。设计总体思想如图11所示。输入图像图像预处理车牌定位字符分割图11系统整个过程第一步在进行图像处理前先将位图读入到内存,这一步相当于车牌识别系统的汽车图像数据的采集。第二步图像的预处理包括灰度转换、边缘检测、背景干扰消弱、中值滤波等处理。第三步车牌区域定位采用水平投影和垂直投影法来获得车牌的具体位置。第四步裁减车牌并显示在获得车牌的坐标位置的灰度图像上裁减车牌并显示出来。16本文各章节内容安排第一章主要介绍了课题的研究背景及意义,重点阐述了车牌识别技术的研究现状,并对研究内容和论文结构作了详细描述。第二章基本知识和MATLAB的基本原理介绍。第三章车牌定位详细设计第四章实验结果测试第五章结论与展望17开发工具及运行环境车牌定位系统作为汽车牌照识别系统中重要的一个环节,合理选取开发工具,不仅会对系统的研究与开发产生重大影响,而且还有可能大幅度降低开发成本,并提高系统的稳定性和可维护性。车牌定位功能的开发属于一个较为复杂的图像处理程序。换句话讲就是该功能对稳定性、可维护性有极为严格的要求,为此,本文决定选取MATLAB作为开发工具。软件环境XP/WIN7。无锡太湖学院学士学位论文4汽车牌照定位系统设计与开发52基础知识和技术介绍21基础知识普通的显示器屏幕是由许多个点构成的,我们称之为像素。显示器显示时采用扫描的方法为电子枪每次从左到右扫描一行,为每个像素着色,然后从上到下扫描若干行,就扫过了一屏。为了防止闪烁,每秒要重复上诉过程几十次。例如我们常说的屏幕分辨率为1024768,刷新频率为60HZ,意思是说每行要扫描1024个像素,一共有768行,每秒重复扫描屏幕60次。我们称这种显示器为位映像设备。所谓位映像,就是指一个二维的像素矩阵,而位图就是采用位映像方法显示和存储的图像。大自然界中,人眼直接看到的是连续的模拟信号。色度学理论认为,任何颜色都可以由红、绿、蓝三种基本颜色按照不同的比例混合而得到,这三种颜色被称为三基色。因此,人们常称这三种光为三基色或三原色。有的颜色含有蓝色成分多一些,如深蓝;而有的含有蓝色成分少一些,如浅蓝。针对含有蓝色成分的多少,可以分成0到255共256个等级,0表示不含蓝色成分;255级表示含有100的蓝色成分。同样的,红色和绿色也被分成256个等级。这种分级称为量化。这样,根据红、绿、蓝各种不同的组合我们就能表示出256256256,约1600万种颜色。2由于计算机处理的是离散数据,因此要处理图像,则需要将图像进行离散化。这一过程叫做图像采集。图像采集系统包括三个基本单元,即成像系统、采集系统和量化器。在WINDOWS操作系统中,常用的图像格式是位图格式,即BMP图像。位图图像BITMAP,亦称为绘制图像或点阵图像,是由称作像素(图片元素)的单个点组成的。这些点可以进行不同的排列和染色以构成图样。BMP格式的图像是一种设备无关位图。设备无关的含义是指格式中包含了完整的位图信息似的该位图可以在各种不同的设备上重现。位图保持为磁盘文件时,包含了4个部分位图文件头、位图信息头、调色板、实际的位图数据。如图21所示。图21BMP文件格式这四个部分是以BMP文件格式存储的。1位图文件头包含文件类型,必须是0X424D,即字符串“BM”,并且指定文件大小,文件头到实际的位图数据的偏移字节数。2位图信息头信息包含有这个结构的长度,指定图像的宽度,单位是像素指定图象的高度,单位是象素。指定位图是否压缩,有效值为BI_RGB,BI_RLE8,BI_RLE4,BIBITFIELDS都是一些WINDOWS定义好的常量。指定实际的位图数据占用的字节数指位图文件头位图信息头调色板实际的位图数据无锡太湖学院学士学位论文6定目标设备的水平分辨率,单位是每米的象素个数,指定目标设备的垂直分辨率指定本图像实际用到的颜色数。3调色板调色板实际上是一个数组存有RGB信息。它有若干个表项,每一个表项是一个RGBQUAD类型的结构,定义的一种颜色。4实际位图数据用到调色板的位图,图像数据就是该象素在调色板中的索引值。对于真彩图,图像数据就是实际的R、G、B值对于2色位图,用1位就可以表示该象素的颜色(一般0表示黑,1表示白),所以一个字节可以表示8个象素。对于256色位图,一个字节刚好可以表示一个象素。对于真彩图,三个字节才能表示1个象素。WINDOWS规定一个扫描行所占的字节数必须是4的倍数即以LONG为单位,不足的以0填充。22MATLAB简介MATLAB是矩阵实验室(MATRIXLABORATORY)之意。除具备卓越的数值计算能力外,它还提供了专业水平的符号计算,文字处理,可视化建模仿真和实时控制等功能。在70年代中期,CLEVEMOLER博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序库,LINPACK是解线性方程的程序库在当时,这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。到70年代后期,身为美国NEWMEXICO大学计算机系系主任的CLEVEMOLER,在给学生讲授线性代数课程时,想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库,但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间,于是他开始自己动手,利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。CLEVEMOLER给这个接口程序取名为MATLAB,该名为矩阵MATRIX和实验室LABOTATORY两个英文单词的前三个字母的组合。在以后的数年里,MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用,并面向大众作为免费软件而广为流传。1984年由LITTLE、MOLER、STEVEBANGERT合作成立了的MATHWORKS公司正式把MATLAB推向市场。表21给出了MATLAB的版本更新情况。3表21MATLAB版本更新情况版本建造编号发布时间MATLAB101984MATALB21986MATLAB31987MATLAB351990MATLAB41992MATLAB42CR71994MATLAB50R81996MATLAB51R91997MATLAB511R911997MATLAB52R101998MATLAB521R1011998MATLAB53R111999汽车牌照定位系统设计与开发7续表21版本建造编号发布时间MATLAB531R1111999MATLAB60R122000MATLAB61R1212001MATLAB65R132002MATLAB651R13SP12003MATLAB652R13SP22003MATLAB7R142004MATLAB701R14SP12004MATLAB704R14SP22005MATLAB71R14SP32005MATLAB72R2006A2006MATLAB73R2006B2006MATLAB74R2007A2007MATLAB75R2007B2007MATLAB76R2008A2008MATLAB77R2008B2008MATLAB78R2009A200936MATLAB79R2009B200994MATLAB710R2010A201035MATLAB711R2010B201093MATLAB712R2011A201148MATLAB713R2011B201191MATLAB714R2012A201231MATLAB80R2012B2012911MATLAB81R2013A201337MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多。当前流行的MATLAB53/SIMULINK30包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包TOOLBOX工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类。开放性使MATLAB广受用户欢迎除内部函数外,所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。在当30多个数学类科技应用软件中,就软件数学处理的原始内核而言,可分为两大类一类是数值计算型软件,如MATLAB,XMATH,GAUSS等,这类软件擅长于数值计算,对处理大批数据效率较高。另一类是数学分析型软,MATHEMATICA,MAPLE等,这类软件以符号计算见长,能给出解析解和任意精确解,其缺点是处理大量数据时效率较低。MATHWORKS公司顺应多功能需求之潮流,在其卓越数值计算和图示能力的基础上,又率先在专业水平上开拓了其符号计算,文字处理,实时控制能力和可视化建模,开发了适合多学科,多部无锡太湖学院学士学位论文8门要求的新一代科技应用软件MATLAB。经过多年的不断努力,MATLAB已经占据了数值软件市场的主导地位。时至今日,经过MATHWORKS公司的不断完善,MATLAB已经发展成适合多学科,多种工作平台的功能强大的大型软件。特别是在数值分析、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等领域发挥着着较强的优势。在国外,MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校,MATLAB已经成为线性代数,自动控制理论,数理统计,数字信号处理,时间序列分析,动态系统仿真等高级课程的基本教学工具;成为攻读学位的大学生,硕士生,博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门,MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。在国内,特别是工程界,MATLAB一定会盛行起来。可以说,无论你从事工程方面的哪个学科,都能在MATLAB里找到合适的功能。一种语言之所以能如此迅速地普及,显示出如此旺盛的生命力,是由于它有着不同于其他语言的特点,正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样,被称作为第四代计算机语言的MATLAB,利用其丰富的函数资源,使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的,符合人们思维习惯的代码,代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观,最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。(1)语言简洁紧凑,使用方便灵活,库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由,利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务,压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写,用户不必担心函数的可靠性。可以说,用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上。具有FORTRAN和C等高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