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轮胎标识码识别系统的研究与设计中文摘要 轮胎标识码识别系统的研究与设计 中文摘要 轮胎是汽车上的一个重要部件，它的质量直接关系到汽车的运行性能和安全性 能。目前，轮胎生产厂家为了提高质量、规范生产管理，都在建立以轮胎标识码为索 引的信息管理系统。由于建立轮胎信息管理系统的传统方法( 人工抄号、键盘录入) 存在效率较低、人为输入错误等因素，所以为生产企业研发出一套识别轮胎标识码的 系统势在必行。 在整个系统设计中，我们构建了一个针对轮胎标识码图像的自动采集装置，该装 置由辅助光源、c c d 摄像机、图像采集卡和计算机构成；基于数字图像处理和字符 识别的理论、方法，我们提出了一个完整的识别方案和针对轮胎标识码识别的实用方 法。整个设计过程主要包括图像预处理、特征提取和识别两大部分。图像预处理与特 征提取部分主要方法有灰度转换、二值化、梯度锐化、字符倾斜校正、字符切分、归 一化、特征选择和提取等内容：在识别部分，鉴于神经网络具有良好的抗噪、容错能 力，在设计中选用b p 神经网络作为分类器并对其算法进行了改进，以提高轮胎标识 码的正确识别率。 整个系统的软件实现是基于v i s u a lc + + 6 0 编程环境，结合面向对象的程序设计 方法开发的。实验结果表明整个系统能够完成标识码的图像预处理和识别功能。 关键词：轮胎标识码，数字图像处理，人工神经网络 作者：刘涛 指导教师：施国梁 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no f t y r e c o d er e c o g n i t i o ns y s t e ma b s t r a c t t h er e s e a r c ha n d d e s i g no ft y r e c o d er e c o g n i t i o ns y s t e m a b s t r a c t t y r ei sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fc a r s ，a n di t sq u a l i t yh a sa l ld i r e c ti n f l u e n c eo nt h e p e r f o r m a n c ea n ds e c u r i t yf e a t u r e so fc a r s c u r r e n t l y , t y r em a n u f a c t u r e r sa r em a k i n ge f f o r t s t os e tu pa ni n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo f t y r e - c o d ef o ri n d e x i n gi no r d e rt oi m p r o v e t h eq u a l i t ya n ds t a n d a r d i z ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n t s i n c et h et r a d i t i o n a lm e t h o dw h i c hi s a r t i f i c i a lc o p ya n dk e y b o a r d - i n p u tf o re s t a b l i s h i n gt h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m e x i s t sl e s se f f i c i e n t ，h u m a ne r r o ra n do t h e rf a c t o r s ，i ti si m p e r a t i v et od e s i g nas e to f t y r e c o d er e c o g n i t i o ns y s t e mf o r t h ef a c t o r i e s i nt h ed e s i g no ft h es y s t e m ，a na u t o m a t i ci m a g ea c q u i s i t i o nd e v i c ei sc o n s t r u c t e d w h i c hi sc o n s i s t e do fa u x i l i a r yi l l u m i n a t i n gs o u r c e s ，c c dc a m e r a ，i m a g ea c q u i s i t i o nc a r d a n da c o m p u t e r o nt h eb a s i so ft h et h e o r ya n dm e t h o d so f t h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n d c h a r a c t e rr e c o g n i t i o n ，ap r a c t i c a lr e c o g n i t i o ns c h e m ei s p u tf o r w a r d t h er e c o g n i t i o n p r o c e s s i s m a i n l yc o m p r i s e d o f i m a g ep r e p r o c e s s i n g ，f e a t u r e e x t r a c t i o na n d r e c o g n i t i o n i m a g ep r e p r o c e s s i n ga n df e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o d sa l es o m eo ft h eg r a y c o n v e r s i o n , g r a d i e n ts h a r p e n i n g ， c h a r a c t e r s s l o p ea d j u s t m e n t ，s i n g l e c h a r a c t e r s e g m e n t a t i o n , n o r m a l i z a t i o n ，f e a t u r es e l e c t i o na n de x t r a c t i o n ；w h e r e a st h en e u r a ln e t w o r k h a sag o o da n t i - n o i s ea n df a u l t t o l e r a n tc a p a b i l i t y ，i nt h ed e s i g nb pn e t w o r k si ss e l e c t e da s ac l a s s i f i e ra n di t s a l g o r i t h mi si m p r o v e d t oe n h a n c et h ec o r r e c tr a t eo ft y r e - c o d e r e c o g n i t i o n s o r w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mi sb a s e do nt h ev i s u a lc + + 6 0e n v i r o n m e n t w i t l lo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee n t i r es y s t e mi sa b l et o c o m p l e t et h ef u n c t i o n so fi m a g ep r e p r o c e s s i n ga n dc h a r a c t e rr e c o g n i t i o n k e y w o r d s ：t y r e - c o d e ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s l i w r i t t e n b y ：l i ut a o s u p e r v i s e db y ：s h ig u o l i a n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：三监日 学位论文使用授权声明 期：加8 is ? 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 日期： 日期： 们p o 轮胎标识码识别系统的研究与设计第一章引言 第一章引言弟一早与ii 1 1 机器视觉概述 机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息进行 处理并加以理解，最终用于实际检i 贝! f 、测量和控制。一个典型的机器视觉应用系统包 括光源、光学系统、图像捕捉系统、图像数字化模块、数字图像处理模块、智能判断 决策模块和执行模块，如图卜1 所示【l l o 首先采用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电 荷耦合器件) 相机获得被测目标的图像信号，然后通过a d 转换变成数字信号传送 给专用的图像处理系统，根据像素分布、亮度和颜色等信息，进行各种运算来抽取目 标的特征，然后再根据预设的判别准则输出判断结果，去控制驱动执行机构进行相应 的处理。 图卜1 典型的工业机器视觉系统结构图 1 2 机器视觉在工业中的应用 目前，机器视觉已经成功地应用到工业检测领域，大幅度地提高了产品的质量和 可靠性。例如，产品包装、印刷质量的检测，饮料行业的容器质量检测，饮料填充检 测，饮料瓶封口检测，半导体集成块封装质量检测，卷钢质量检测，关键机械零件的 工业c t 等。 在闭路电视监控系统中机器视觉技术被应用于增强图像质量、捕捉突发事件，监 控复杂场景，鉴别身份，跟踪可疑目标等，它能大幅度地提高监控效率，减少危险事 件发生的概率；在交通管理系统中，机器视觉被用于车辆识别、调速，向交通管理与 指挥系统提供相关信息；在卫星遥感系统中，机器视觉技术被应用于分析各种遥感图 轮胎标识码识别系统的研究与设计第一章引言 像，进行环境检测、地理测量，根据地形、地貌的图像和图形特征，对地面目标进行 自动识别、理解和分类等。 1 3 基于机器视觉的字符识别技术的发展与应用 字符识别技术是机器视觉领域的一个重要分支。它涉及到模式识别、图像处理、 数字信号处理、人工智能、模糊数学、信息论等学科，是- i j 综合技术，在文字信息 处理、办公自动化、机器翻译、人工智能、信息过滤、实时监控系统等领域，有着极 其重要的使用价值和理论意义【2 ，孙。 欧美国家从2 0 世纪5 0 年代就开始了o c r ( o p t i c a lc h a r a c t e rr e c o g n i t i o n ，光学 字符识别) 技术的研究，以便代替键盘输入。一个o c r 系统就是把输入计算机的图 像作一个转换，把图像内的文字变成计算机文字，使影像资料的储存量减少，识别出 的文字可再使用及分析，当然也可节省键盘输入的人力与时间。 邮政编码识别和各种产品标识码识别、汽车牌照识别等都是字符识别技术在实际 中的典型应用。 每天通过邮局投递的信函数以万计，工作人员需要根据信封上的邮政编号及其它 信息对信件进行分拣。为了提高邮局信函处理业务的自动化水平，提高工作效率，使 用信函自动分拣系统可以实现函件抄登、存档、查询的自动化处理。它可以将信封图 像中的邮政编码、收件人地址以及姓名提取出来，并识别出其中的信息。 在工厂自动化( f a ，f a c t o r ya u t o m a t i o n ) 流水线生产过程中，对于不同产品在其 表面一般标有不同的字符，用于对其进行分类识别。在这方面，条形码提供了一定的 解决方案，但条形码只能通过特定的设备识别，工作人员无法直接读出其中的含义， 具有很大的局限性。而用数字和英文字符来标注，就有着很大的适用范围。配以字符 的自动识别系统可以为工厂的生产管理提供更好的解决方案。 随着我国经济的高速发展，汽车的保有量越来越大，交通管理部门的工作量也随 之增大。汽车牌照作为车辆的“身份证 号码，在交通管理中具有不可替代的作用。 一个牌照单独对应着一辆汽车，它的各种重要信息都可以通过对牌照的检索得到，通 过它可以记录车辆的违章信息，也可以用于收费管理等用途。如果能够自动地将图像 中的汽车牌照字符提取出来，并用计算机实时地识别它们，就可以在无需为车辆加装 其它特殊装置的情况下，实现对车辆的自动检测，这就给交通系统的自动管理提供了 2 轮胎标识码识别系统的研究与设计第一章引言 极大的方便，而且也可以加快交通管理信息化的进程。 1 4 课题研究的目的 轮胎是汽车上的一个重要部件，它的质量直接关系到汽车的运行性能和安全性 能。目前，各轮胎生产厂家为了在激烈的轮胎领域生存、发展，都在通过企业的信息 化改造来提高企业自身的管理水平、技术水平以及产品质量。企业的信息化管理有助 于实时、全面地掌握企业情况，加强对市场的快速反应能力，减小产品库存量，降低 生产和管理成本，增强企业的竞争能力。字符识别技术的采用使每条轮胎的生产信息 快速录入数据库，为企业的信息化管理提供了准确可靠的数据和高效、方便的途径。 对于怎样录入轮胎的生产信息，国内外采用的方法有所不同【4 】。 国外某些大型轮胎企业采用条形码技术来录入轮胎的生产信息。条形码的特点在 于它能快速准确地传递数据。轮胎专用条形码全部由橡胶制成，粘贴在轮胎的侧面。 轮胎专用条形码记录并跟踪从轮胎成型、硫化到成品全过程的各种信息，为生产信息 统计、生产质量控制及成品仓库管理提供支持。但是条形码易遭到破坏或脱落，给售 后服务带来困难。 此外，也有一些轮胎企业采用了射频识别( r f i d ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术。射频识别技术是将数据存储于一片硅芯片里，该芯片作为数据载体与一个相应 的阅读器之间通过无线电进行非接触的数据传输【5 j 。r f i d 芯片较轮胎专用条形码可以 记录更多信息，但价格较高，且读写设备与硅芯片之间有距离上的要求。 大多数国内轮胎企业仍沿用传统的方法来录入轮胎的生产信息。就是在轮胎硫化 过程中高温高压环境下，用印有字符的金属凸模放到轮胎胎体的侧面，形成一串凹陷 字符。这串凹陷字符记录了轮胎的相关信息，一般包括生产日期( 年、月、日) 、生产 班组及流水编号等信息，我们称其为轮胎标识码。由于轮胎标识码不容易磨损，所以 可以成为轮胎的永久身份标志。这种方法成本极低，并且印制的轮胎标识码肉眼容易 辨识，所以在国内企业中得到了广泛的应用。但由于这种方法不像条形码技术和射频 识别技术有成熟的自动录入方法，所以必须经手工抄写号码然后用键盘输入的方法输 入到轮胎管理数据库。 我国拥有大量的轮胎生产厂家，采用传统的方法( 手工抄号并键盘输入到轮胎管 理数据库中) 存在着效率较低、人为输入错误的不足；采用条形码技术存在轮胎出产 轮胎标识码识别系统的研究与设计第一章引言 后，专用条形码被人为剥落，造成信息丢失；射频技术需要对每一条轮胎植入射频识 别芯片，这大大增加了企业的成本，并且轮胎在高速运行后也会影响芯片信息的读取。 如何在保障轮胎信息不丢失和性能不受影响的基础上，找到一种切实有效、成本低廉 的方法来将轮胎生产信息自动识别并录入到计算机中，不仅具有很高的经济效益和广 泛的应用前景，而且可以提高国内轮胎企业的竞争力。 本课题研究的目的就是要尝试研究一种轮胎标识码自动识别方法，解决轮胎信息 管理系统中数据输入的瓶颈问题。对轮胎采用成像的方法得到轮胎标识码图像，然后 运用数字图像处理、字符识别、人工神经网络等理论知识来研究其识别方法并用软件 进行实现，这一尝试不仅具有一定的理论价值，而且具有很高的实用价值。 1 5 课题研究的内容和主要任务 本文首先设计了一个图像采集装置，该装置由辅助光源、c c d 摄像机、图像采 集卡和计算机构成。 其次，在深入研究数字图像处理和字符识别的理论和方法基础上，提出了一个完 整的识别方案和针对轮胎标识码识别的实用方法。整个识别过程主要包括图像预处理 与特征提取和标识码识别两大部分。图像预处理与特征提取部分主要有灰度转换、二 值化、梯度锐化、字符倾斜校正、字符切分、归一化、特征选择和提取等内容；在识 别部分，鉴于神经网络具有良好的抗噪、容错能力，在设计中选用b p 神经网络作为 分类器并对其算法进行了改进，以提高轮胎标识码的正确识别率。 最后，基于上述理论方法，使用m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc + + 6 0 作为开发工具， 结合面向对象的设计方法开发出了一套识别系统。 4 轮胎标识码识别系统的研究与设计第二章轮胎标识码识别系统的框架设计 第二章轮胎标识码识别系统的框架设计 2 1 系统总体框架 图像获取是图像预处理的重要基础，所以需要构建一套合适的成像系统，获得高 质量的图像。图像的质量关系着图像预处理的稳定性，甚至直接关系着图像预处理是 否成功。轮胎标识码识别系统的框架主要由照明设备、线扫描相机、图像采集卡和计 算机组成。系统结构如图2 一l 所示； 图2 - 1 系统总体框架图 2 2 系统的照明设备 好的光源与照明方案是整个系统成败的关键，起着非常重要的作用，它并不是简 单地照亮轮胎而已。光源与照明方案的配合应尽可能的突出轮胎标识码字符的特征 量。在轮胎标识码字符需要检测的部分与那些不重要的部分之间应尽可能地产生明显 的区别，同时还应该保证足够的整体亮度，轮胎位置的变化不应该影响成像的质量。 轮胎标识码不同于普通的印刷文字( 大多是白纸黑字) ，与背景具有较高的灰度 差，也不同于汽车牌照，有显著的颜色差，它完全是依靠对光线反射的强弱来决定字 符与背景的。所以，采用不同的辅助光源对识别有很大的影响。常见的光源【6 ，7 】包括 自炽灯、卤钨灯、荧光灯、钠灯、金属卤化物灯、l e d 光源等。几种主要光源的相 关特性如表2 - 1 所示： 轮胎标识码识别系统的研究与设计第二章轮胎标识码识别系统的框架设计 表2 - i 各种光源对比 光源颜色寿命h响应速度特点 卤素灯白色，偏黄 5 0 0 0 7 0 0 0 慢发热多，几乎没有光亮度和 色、温的变化，比较便宜 荧光灯白色，偏绿5 0 0 0 7 0 0 0慢发热少，扩散性好、适合大 面积均匀照射，比较便宜 l e d 灯红，黄，绿，6 0 0 0 ，1 0 0 0 0快 发热少，可做成很多形状，波 白，蓝 长可根据用途选择耗电小 氙灯白色，偏蓝3 0 0 0 7 0 0 0慢发热多，持续光 自然光的光线强度太弱，获取的图像整体较暗，字符和背景区分度不够；而荧光 灯光线过于集中，在成像时字符区域会出现局部光斑，两者都不适合作为轮胎标识码 图像采集装置的光源。发光二极管( l e d ) 作为光源具有散热效果好、光亮度稳定性好、 亮度可调、寿命长、制作方便、成本低等优点，所以在工业上已经有很多的应用。由 于轮胎标识码字符区域是外接成矩形形状的，这样我们将多个l e d 排列成矩形状焊 在p c b 印制板上面形成l e d 面阵光源，保证了光源对标识码字符区域的均匀照射。 另外再外加一个遮蔽罩，以充分利用光源的上半部分能量，减少光强度变化所造成的 影响。 按照照射方法【8 ，9 】可分为：背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。其中， 背向照明是将被测物放在光源和摄像机之间，它的优点是能获得高对比度的图像；前 向照明是光源和摄像机位于被测物的同一侧，这种方式便于安装；结构光照明是将光 栅或线光源等投射到被测物上，根据它们产生的畸变，解调出被测物的三维信息：频 闪光照明是将高频率的光脉冲照射到物体上，摄像机拍摄要求与光源同步。我们采用 的是前向照明的方法，如图2 - 2 所示： 轮胎表面 摄像机 图2 - 2 光源照射方法示意图 l e d 光源发射平行光，摄像机放置在入射光的反射光路上。如果照射到轮胎表 6 轮胎标识码识别系统的研究与设计第二章轮胎标识码识别系统的框架设计 面上，若表面平整，那么光源在表面上产生镜面反射，摄像机获取几乎所有的反射光， 成像后将是白色或灰度级高的图像；如果照射到标识码字符区域，因为标识码字符存 在凹槽并且表面粗糙，所以仅有少量的反射光，成像后的标识码字符将是黑色的。这 样获取的图像中轮胎标识码和背景具有较好的区分度。 2 3 光学镜头和相机的选择 2 3 1 光学镜头的选择 光学镜头相当于人眼睛的晶状体，在成像系统中起着非常重要的作用。一个镜头 成像质量的优劣，即其对像差校正的优良与否，可通过像差大小来衡量。常见的像差 有球差、慧差、像散、场曲、畸变、色差六种。对定焦镜头和变焦镜头【1 0 】来讲，同一 档次的定焦镜头的像差肯定比变焦镜头的小，因为变焦镜头必须折衷考虑，使各种不 同焦距下的成像质量都相对较好，不允许出现某个焦距( 在变焦范围内) 下很差的情 况。所以在成像系统中，根据被测目标的状态应优先选用定焦镜头；此外，综合考虑 图像的放大倍率、视场大小、光圈大小、焦距、视角大小等因素进行具体选择【1 1 1 。所 需考虑的方面有： 1 、成像面大小：成像面是入射光通过镜头后所成像的平面，这个面是一个圆形。 由于使用的是c c d 相机，其芯片大小有1 3 ，1 2 ，2 3 及l 英寸4 种大小，在选用镜 头时要考虑的就是该镜头的成像面与所用的c c d 相机是否匹配： 2 、焦距、视角、工作距离、视野：焦距是镜头到成像面的距离：视角是视线的 角度，也就是镜头能“看 多“宽 ：工作距离是镜头的最下端到景物之间的距离； 视野是镜头所能覆盖的有效工作区域。以上四个概念相互之间是关联的，其关系是： 焦距越小，视角越大，最小工作距离越短，视野越大。选择镜头的计算公式( 1 2 】如下三 式所示： 施：竺：旦( 2 一1 ) h od o f ：m i x d o ( 2 2 ) = 一 厶一厶j l + 朋i 三e = d i f = m i f ( 2 3 ) 其中，施是放大倍数，是焦距，皿是镜头范围，肋是像高，胁是物高，d f 是像距，d d 是物距。根据实际情况，考虑上述因素，可以基本确定所需镜头。本系 7 轮胎标识码识别系统的研究与设计第二章轮胎标识码识别系统的框架设计 统选用尼康5 0 r a mf 1 。4 da fn i k k o r 定焦镜头，以下是其主要参数： l 、镜头类型为：定焦镜头： 2 、最大光圈：1 4 ； 3 、最小光圈：f 1 6 ； 4 、最大放大倍率：1 ：6 8 ； 5 、最近对焦距离：4 5 c m ； 6 、焦距范围：5 0 r a m 。 2 3 2 相机的选择 相机的选择首先是选择感光芯片的类型，目前市场上有c c d 和c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ，互补性氧化金属半导体) 两种芯片的相 机。 c c d 相机，是目前绝大多数机器视觉系统中所使用的相机。现在市场上公开销 售的c c d 相机，无论是在图像格式、分辨率还是敏感度等各个方面都有着广阔的选 择空间。c c d 相机所提供的优越性能，可以满足大多数项目的要求。与c c d 相机相 比，c m o s 相机有着如工艺简单、成本低廉、低功耗、系统整合性好、区域读取图像 灵活等诸多优点，而且c m o s 对于高速的处理有优势。但是由于生产工艺上的差距， c m o s 目前在除噪及灵敏度方面仍逊于c c d ，目前还无法达到工业领域的要求。因 此在系统设计中选择c c d 相机s p 1 4 线阵数字相机【1 3 1 。 线阵相机是通过被摄物体的移动，利用单行像素的图像传感器( 一维) 来建立二维 图像。相对于面阵图像的获取，线阵图像在获取高分辨率的图像时成本低、动态范围 大、光敏感度高，而且允许被扫描物体有较高的移动速度。s p 1 4 支持5 1 2 、1 0 2 4 和 2 0 4 8 像素分辨率，单位像素大小为1 4 p m x1 4 ，t m ，最大传输频率3 0 m h z ，允许最大 线扫描频率5 0 k h z 。 2 4 图像采集卡的选择 一般图像采集卡包括板卡硬件部分和其附带的软件包两部分。系统中图像采集卡 的作用是把大量的来自摄像机的模拟信号转换成数字的图像阵列信号，并存放在帧存 储器中，以便于计算机处理。图像采集卡必须能实时的完成转换任务，并能实时地更 轮胎标识码识别系统的研究与设计第二章轮胎标识码识别系统的框架设计 新帧存储器中的内容。为了与s p 1 4 线阵数字相机配套，系统设计中采用p c d i g 1 4 】 图像采集卡。p c d i g 是c o r e c o 公司基于p c i 总线的高速视频信号采集卡，它支持各 种标准和非标准的面阵及线阵数字相机。p c - d i g 卡的使用非常灵活，它能与2 头或 4 头，2 4 位彩色相机或3 个8 位单色相机相接；在多相机或多头应用中，还可以将多 个p c 。d i g 板组合起来使用。通过可编程的控制信号，p c d i g 卡可以实现相机的不 同控制方式。p c d i g 可接受8 、1 6 和3 2 位的差分数据信号，并支持r s 4 2 2 和l v d s 两种接口方式。另外，完善的采集卡接口库可方便用户进行二次开发。i f c 是c o r e c o 公司提供的一种多功能的图像采集处理软件。它为c o r e c op c - d i g 板卡提供驱动、采 集存储模块以及相应的例子程序及源码。通过i f c 可对p c d i g 采集卡的所有寄存器 进行实时配置，以适应包括d a l s a 、k o d a k 等公司的几十种线阵和面阵相机的应用要 求。i f c s d k 1 5 1 是图像处理库，包含一般的图像处理算法，与v i s u a lc + + 兼容，二次 开发简单方便。 轮胎标识码识别系统的研究与设计第三章轮胎标识码图像的预处理方法 第三章轮胎标识码图像的预处理方法 3 1 图像在计算机中的表示 图像可以分为两大类：模拟图像和数字图像。模拟图像的信息是连续变化的量， 如一幅照片的内容是通过反射光强度的变化来体现的；数字图像是模拟图像经采样和 量化后的二维函数，从而便于使用计算机对图像进行处理。数字图像处理中通常将图 像表示成n x m 的矩阵( 或二维数组 ，矩阵中的每一个数称为图像相应位置上的图像 元素，即像素( p i x e o 。每个像素具有两个属性：位置和灰度。位置由采样点的两个坐 标决定，该像素位置上的亮暗程度的整数即为灰度。一幅有n x m 个像素的图像可以 用二维函数瓴y ) 表示，函数值为坐标( x ，力处的像素值【1 6 1 。 3 1 1b m p 格式图像 要进行图像分析和处理首先要得到图像数据，这些数据包括图像的宽、高、每个 像素点的颜色值【1 7 1 。系统设计中采用的输入图像是b m p 位图。b m p ( b i t m a p ) 文件 格式是w i n d o w s 本身可以直接提供读取支持的位图文件格式。b m p 文件可以用每像 素1 位，4 位，1 6 位或2 4 位来编码颜色信息，这个位数称作图像的颜色深度，它决定 了图像所含的最大颜色数。一幅1 - p ( 位每像素，b i t p e r p i x e l ) 的图像只能有两种颜 色，而一幅2 4 b p p 的图像可以有超过1 6 兆种不同的颜色。 一个典型的b m p 文件的结构( 以2 5 6 色也就是8 - b p p 为例) ，文件被分成4 个主 要的部分：一个位图文件头，一个位图信息头，一个调色板和位图数据本身。 l 、位图文件头 位图文件头( b i n 4 a p f i l e h e a d e r ) 包含关于这个文件的信息。如文件的类型、 文件大小和位图起始位置信息等等。可用如下结构来描述： t y p e d e f s t r u c tt a g a i t m a p f i l e h e a d e r w o r d b f t y p e ； 位图文件的类型，必须为“b m ” d w o r db f s i z e ； 位图文件的大小，以字节为单位 w o r db f r e s e r v e d l ： 位图文件保留字，必须为o 轮胎标识码识别系统的研究与设计第三章轮胎标识码图像的预处理方法 w o r db f r e s e r v e d 2 ； 位图文件保留字，必须为0 d w o r d b f o f f b i t s ； 位图数据的起始位置，以相对于位图文件头的偏 移量表示，以字节为单位 ) b i 咧ap f i l e h e a d e r ：该结构占据14 个字节 2 、位图信息头 位图信息头包含了单个像素所用字节数以及描述颜色的格式，此外还包括位图的 宽度、高度、目标设备的位平面数、图像的压缩格式。其结构如下： t y p e d e fs t m c tt a g b i t m a p i n f o h e a d e r d w o r db i s i z e ； 本结构所占用字节数 l o n gb i w i d t h ；位图的宽度，以像素为单位 l o n g b i h e i g h t ； 位图的高度，以像素为单位 w o r db i p l a n e s ；目标设备的位平面数，必须为1 w o r db i b i t c o u n t ； 每个像素的位数，必须是1 ( 双色) ，4 ( 1 6 色) ， 8 ( 2 5 6 色 或2 4 ( 真彩色) 之一 d w o r db i c o m p r e s s i o n ；位图的压缩类型，必须是0 ( 不压缩) ， 1 ( b ir l e 8 压缩类型) 或2 ( b i r l e 4 压缩类型) 之一 d w o r db i s i z e l m a g e ；位图的大小，以字节为单位 l o n gb i x p e l s p e r m e t e r ； 位图水平分辨率 l o n gb i y p e l s p e r m e t e r ；位图垂直分辨率 d w o r db i c l r u s e d ；调色板中实际使用的颜色数 d w o r db i c l r i m p o r t a n t ；显示位图时的颜色数 ) b i t m a p i n f o h e a d e r ； 该结构占据4 0 个字节 3 、调色板 用于说明位图中的颜色。它有若干个表项，每个表项是一个r g b q u a d 类型的 结构，定义一种颜色。r g b q u a d 结构的定义如下： t y p e d e fs t r e e tt a g r g b q u a d 轮胎标识码识别系统的研究与设计第三章轮胎标识码图像的预处理方法 b y t e r g b b l u e ； 蓝色的亮度( 值范围为0 - 2 5 5 ) b y t er g b g r e e n ；绿色的亮度( 值范围为0 - 2 5 5 ) b y t e r g b r e d ； 红色的亮度( 值范围为0 - 2 5 5 ) b y t er g b r e s e r v e d ；保留字，必须为0 ) r g b q u a d ； 颜色表中r g b q u a d 结构数据的个数由b i t m a p i n f o h e a d e r 中的b i b i t c o u n t 项来确定，当b i b i t c o t m 伊l ，4 ，8 时，分别有2 ，1 6 ，2 5 6 个颜色表项；当b i b i t c o u n t = 2 4 时，图像为真彩色，图像中每个像素的颜色用三个字节表示，分别对应r 、g 、b 值， 图像文件没有颜色表项。 4 、位图数据 位图数据记录了位图的每一个像素值或该对应像素的颜色表的索引值，图像记录 顺序是：在扫描行内是从左到右，扫描行之间是从下到上。这种格式我们又称为 b o t t o m _ u p 位图，当然与之相对的还有u p _ d o w n 形式的位图，它的记录顺序是从上 到下的，对于这种形式的位图，也不存在压缩形式。位图的一个像素值所占的字节数： 当b i b i t c o u n t = l 时，8 个像素占1 个字节；当b i b i t c o u n t = 4 时，2 个像素占1 个字节； 当b i b i t c o u n t = - 8 时，1 个像素占1 个字节；当b i b i t c o u n t = 2 4 时，1 个像素占3 个字节， 此时图像为真彩色图像。当图像不是真彩色时，图像文件中包含颜色表，位图的数据 表示对应像素点在颜色表中相应的索引值。当为真彩色时，每一个像素用三个字节表 示图像相应像素点的彩色值，每个字节分别对应r 、g 、b 分量的值，这时候图像文 件中没有颜色表。w i n d o w s 规定图像文件中一个扫描行所占的字节数必须是4 的倍数 ( 即以字为单位) ，不足的以0 填充，图像文件中一个扫描行所占的字节数计算方法是： d a t a s i z e p e r l i n e = ( b i w i d t h * b i b i t c o u n t + 3 1 ) 8 ；一个扫描行所占的字节数 位图数据的大小按下式计算( 不压缩情况下) ： d a t a s i z e = d a t a s i z e p e r l i n e 毒b i h e i g h t o 上述是b m p 文件格式的说明，弄清楚了它的结构，就可以正确的操作图像文件， 对它进行读或写操作了。 3 1 2 彩色图像转化为灰度图像 灰度图像是指只包含亮度信息，不包含色彩信息的图像，图像的每一个像素r 、 1 2 轮胎标识码识别系统的研究与设计 第三章轮胎标识码图像的预处理方法 g 、b 分量的值是相等的。要表示灰度图，r 就需要把亮度值量化，通常分成0 - 2 5 5 共 2 5 6 个级别，灰度值大的像素点比较亮( 像素值最大为2 5 5 ，为白色) ，反之比较暗( 像 素值最小为o ，为黑色) 。 c c d 摄像机获取的图像是彩色的。彩色图像的颜色种类较多，不利于图像处理。 由于2 5 6 级灰度比较简单，因此一般都是将彩色图像转换为灰度图像进行处理。图像 灰度化有各种不同的算法，比较直接的一种就是给像素的r 、g 、b 值各自加一个加 权系数，然后求和。可以根据式( 3 - 1 ) 灰度值和r g b 颜色对应关系进行灰度转换。 灰度值= 0 2 9 9 r + 0 5 8 7 c r + 9 1 1 4 b ( 3 1 ) 3 1 3 灰度图像二值化 在进行灰度化处理后，图像中的每一个像素只有一个值，即像素的灰度值。它的 大小决定了像素的明暗程度。为了后续处理，还要将其进行二值化处理。图像的二值 化就是把图像中的像素根据一定的标准处理成只有黑、白二值的灰度图像，用0 表示 黑，1 表示白。 3 2 去除噪声 图像在采集或者传输过程中夹带了噪声，所以在图像的预处理过程中要对采集到 的图像进行相应的去噪处理【1 8 】。通常去噪声是用滤波的方法，比如中值滤波、均值滤 波。在系统设计过程中，为了去除噪声的同时保护图像边缘，采用中值滤波。中值滤 波是一种邻域运算，它把待处理像素邻域中的像素按灰度级进行排序，形成一组按大 4 , 1 1 顷序排列的数组，位于数组中间位置上的数值称为中值。然后以这个中值作为输出 像素值。我们构造了一个以待处理像素点( m ，n ) 为中心的正方形模板，如表3 1 所示： 表3 13 3 中值滤波模板 ( i n - 1 ，n - 1 )( m ，n - 1 )( m + l ，n - 1 ) ( m - 1 ，n )( m ，n )( m + 1 ，n ) ( 皿_ l ，n + 1 )( m ，n + 1 )( m + 1 ，n + 1 ) 用这个3 x 3 的模板来处理原始图像。这时，中值滤波处理的图像在点( m ，n ) 。中 值滤波器处理的原理是：将模板内的9 个像素的灰度值由小到大排列( 或是由大到小 排列) 之后，按其排列顺序选取第5 个位置上的像素的灰度值( 中值) 作为滤波后该像 素点上的灰度值。中值滤波器是种低通滤波器，是一种非线性处理方法，在一定条 轮胎标识码识别系统的研究与设计 第三章轮胎标识码图像的预处理方法 件下可以克服线性滤波器带来的图像细节模糊，而且对滤除脉冲干扰及图像扫描噪声 比较有效。同时不影响阶跃信号和斜坡信号，对图像边缘有保护作用。 3 3 目标字符定位 摄像机拍摄到的图像是轮胎标识码及其周围区域。由于字符的倾斜、噪声，以及 照射限制等原因造成一部分背景与字符灰度接近，如果直接用投影法很难定位出字符 区域。我们采用基于边缘的投影法来定位轮胎标识码区域【1 9 】，经过大量试验证明，能 够很好的解决字符定位问题。该方法共分两个步骤：第一步是边缘的提取，第二步是 轮胎标识码区域上下边界的确定。 首先，采用s o b e l 边缘检测算子提取边缘，然后对其进行二值化处理，并对二值 化后的图像取反。其次，将边缘图像水平投影，从图3 - i 中可以看到字符区域在水平 投影方向上有一个比较明显的波峰；而对于背景和噪声，在水平投影方向上只有很小 的值。可以通过以下的方法确定其上下边界。其步骤如下： 图3 一l 轮胎标识码边缘图像水平投影 1 、求出边缘二值图像在水平方向的投影 假设边缘二值图像为，( f ，歹) ，i = 1 ，2 ，h e i g h t ；j = 1 ，2 ，w i d t h ，其中加泐f 为图像 的高度，w i d t h 为图像的宽度，则水平投影为： w i d t h 日( f ) = f ( i ，_ ，) 其中f = 1 ，2 ，h e i g h t ( 3 2 ) ；l 1 4 轮胎标识码识别系统的研究与设计第三章轮胎标识码图像的预处理方法 2 、求出水平投影h ( i ) 的最大值： 风。阳m 跏a 蜘x t o o ( 3 3 ) 3 、选取阈值既 1 = 专k ( 3 4 ) 4 、求出水平投影为阂值的两点坐标，其中较小值记为印，较大值记为d o w n ； 5 、上下边界的确定 上边界：u p = u p - & ( 3 5 ) 下边界：d o w n = d o w n + 万( 3 - 6 ) 其中万为余量，它的取值不能过小，否则容易造成字符被切割掉；也不能太大， 否则导致定位不精确。根据实际处理中的情况，万取5 - 8 个像素即可以满足要求，在 系统设计中万取6 。用上述方法可以很好的定位出上下边界。 3 4 图像的梯度锐化 边缘模糊是图像中常出现的问题，由此造成的轮廓不清晰、线条不鲜明使图像特 征提取、识别难以进行，所以要对图像进行锐化处理使模糊的图像变得清晰，同时还 可以对噪声起到一定的去除作用。图像锐化的方法很多，有微分法、高通滤波法和掩 模法等。 在系统设计中采用r o b e r s 梯度算子对图像进行锐化，它是微分法的一种。对于 图像函数f ( x ，y ) ，它在点( x ，y ) 处的梯度是一个矢量，定义为： g f c x ，y ) 】- 封 ( 3 - 7 ) 在( x ，y ) 点处的梯度，其方向是函数f ( x ，y ) 在这点变化率最大的方向，而其长度 用g f ( x ，j ，) 表示，并用式( 3 8 ) 计算： ( 3 - 8 ) i 一2 2 矽一砂 l + 2 5 鲈一缸 ，l = 、jy 石 ， g 轮胎标识码识别系统的研究与设计第三章轮胎标识码图像的预处理方法 对于数字图像来说，则用差分来近似微分。常用的差分算法有两种：一种是典型 的水平垂直差分算法，用式( 3 9 ) 来表示： g f ( i ，) = 【厂( f ，) 一f ( i + l ，歹) 】2 + 【( f ，歹) 一厂( f ，歹+ 1 ) 】2 ) i ( 3 9 ) 由于式( 3 - 9 ) 在计算机上运行时耗费时间很长，因此，在实际应用中采用绝对 差分算法，则式( 3 - 9 ) 可简化为： g f ( i ，) 】剖f ( i ，力- f ( i + l ，力f + f 厂( f ，) - f ( i , j + 1 ) j ( 3 1 0 ) 变换后的图像g ( x ，y ) 定义为： 如= p 锹潞玎( 3 - 1 1 ) 式中，是一个非负的阂值，选择合适乃既可以明显突出图像中的边缘轮廓，而 且又不会破坏原始图像灰度变化平缓的区域，可以减弱和消除一些细小的噪声。 3 5 字符倾斜度调整 图像的倾斜调整也是光学字符识别和车牌识别中经常遇到的问题。