專利名稱：一種便于電子識(shí)別的交通標(biāo)牌及其識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于交通標(biāo)牌設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助駕駛技術(shù)以及交通圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種便于電子識(shí)別的交通標(biāo)牌及其識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
交通標(biāo)牌是管理者向道路使用者傳遞指引、告警和行為限制等信息的載體，是保障交通安全、有序、高效運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施。目前我國(guó)各級(jí)道路交通標(biāo)牌的設(shè)計(jì)按照 《GB5768》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，其中顏色、形狀、字符、圖形是交通標(biāo)牌的基本要素。在駕駛過程中， 隨著汽車行駛速度的提高，駕駛員的注視點(diǎn)前移，視野變窄，周界感減小，導(dǎo)致視覺感知信息的能力也相應(yīng)下降；當(dāng)靠近路邊的景物相對(duì)于駕駛員眼睛的回轉(zhuǎn)角度大于72° /s時(shí)，景物在視網(wǎng)膜上就不能清晰成像，車速越高就越看不清路邊近處的景物。此外，當(dāng)駕駛環(huán)境較為復(fù)雜時(shí)(如車距較小或出現(xiàn)頻繁換道的情況)，或者長(zhǎng)時(shí)間駕駛導(dǎo)致精力不足時(shí)，駕駛員往往會(huì)將注意力集中在前、后方車輛上而忽視路側(cè)的交通標(biāo)牌。最后，當(dāng)同一地點(diǎn)交通標(biāo)牌的數(shù)量過多時(shí)，駕駛者也無法完全看清各標(biāo)牌上的內(nèi)容。由于上述原因，駕駛員在車輛行駛過程中將不可避免地會(huì)忽略或來不及識(shí)別路邊交通標(biāo)牌上的信息，導(dǎo)致道路管理部門發(fā)布的信息(特別是管制、安全告警等重要信息)無法及時(shí)、準(zhǔn)確地為駕駛者所接收，這將在一定程度上影響道路交通的安全性和通行效率。計(jì)算機(jī)輔助駕駛是現(xiàn)代汽車的重要組成部分，利用其進(jìn)行交通標(biāo)牌識(shí)別能夠較好地解決駕駛員漏看、或者忽視交通標(biāo)牌信息的問題。我國(guó)的交通標(biāo)牌主要依據(jù)人體在動(dòng)視覺條件下的色彩、形狀辨識(shí)能力而制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)牌上圖像、文字的編排并沒考慮計(jì)算機(jī)圖像處理的要求，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在識(shí)別這些圖像所表達(dá)的信息時(shí)精度并不理想，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的引導(dǎo)。現(xiàn)有用于輔助駕駛的交通標(biāo)牌信息提示技術(shù)主要有
UGPS技術(shù)。利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)及“地理坐標(biāo)一交通坐標(biāo)一交通標(biāo)牌”數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛到達(dá)特定位置給予信息提示的目的。該方法的不足是所有交通坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的交通標(biāo)牌都必須預(yù)先錄入系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)缆飞系臉?biāo)牌信息變更、或者出現(xiàn)臨時(shí)標(biāo)牌時(shí)(如道路施工豎起的臨時(shí)標(biāo)牌)，系統(tǒng)難以及時(shí)進(jìn)行信息更新。2、短距離通信技術(shù)。通過無線電發(fā)射器向過往車輛的車載裝置發(fā)送交通信息，可以實(shí)現(xiàn)交通標(biāo)牌信息的及時(shí)傳達(dá)。該方法的不足在于需要配置路側(cè)通信裝置及相應(yīng)的供電系統(tǒng)，系統(tǒng)維護(hù)成本高；過多的標(biāo)牌信息發(fā)送站會(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重的電磁污染；信號(hào)會(huì)對(duì)對(duì)向行駛的車輛產(chǎn)生錯(cuò)誤的引導(dǎo)。3、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)是通過圖像攝取裝置(包括CMOS和CXD等傳感系統(tǒng))將目標(biāo)對(duì)象轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，并按照一定的采樣頻率將像素?cái)?shù)據(jù)傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、色彩等特征，提取需要的信息?，F(xiàn)有視頻圖像識(shí)別技術(shù)在動(dòng)視覺環(huán)境下辨識(shí)能力有限，難以準(zhǔn)確識(shí)別交通標(biāo)牌上的文字及符號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種同時(shí)面向駕駛員和計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的交通標(biāo)牌設(shè)計(jì)方法，以及針對(duì)該交通標(biāo)牌的計(jì)算機(jī)視覺辨識(shí)方法。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案如下
一種便于電子識(shí)別的交通標(biāo)牌，所述交通標(biāo)牌由便于被電子設(shè)備所攝取的純色圖塊根據(jù)空間關(guān)系進(jìn)行排列組合所組成，且該純色圖塊的顏色和/或其排列組合方式代表特定的標(biāo)識(shí)信息。上述技術(shù)方案中，所述純色圖塊包括規(guī)則圖塊和/或不規(guī)則圖塊，所述規(guī)則圖塊采用矩形、平行四邊形、方形、圓形、三角形和/或梯形。所述純色圖塊的排列組合方式包括水平、垂直和/或特定角度。所述交通標(biāo)牌設(shè)置在現(xiàn)有交通標(biāo)牌上。所述交通標(biāo)牌的識(shí)別方法，包括如下步驟
1)通過攝像機(jī)獲取的純色圖塊的圖像序列；
2)對(duì)每幀圖像進(jìn)行預(yù)處理，消除其中的空洞和不清晰邊界；
3)獲取像素組隊(duì)序列，根據(jù)純色圖塊的排列進(jìn)行像素組隊(duì)，其中每一像素對(duì)應(yīng)色彩空間的某個(gè)向量，具有多個(gè)分量的值；
4)在色彩空間中以最小化歐式距離為聚類依據(jù)對(duì)每個(gè)像素的色彩向量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；
5)以設(shè)定的誤差允許值對(duì)像素組隊(duì)進(jìn)行近鄰?fù)惡喜?，此時(shí)像素組隊(duì)中每個(gè)單元表示為具有2個(gè)元素的向量，分別對(duì)應(yīng)色彩向量標(biāo)準(zhǔn)化值和近鄰?fù)愡B續(xù)像素?cái)?shù)；
6)在像素組隊(duì)向量序列中搜尋已定義的模式，每一種已定義的模式對(duì)應(yīng)一種交通標(biāo)牌信息，當(dāng)搜尋到已定義的模式時(shí)，完成識(shí)別。所述步驟3)的像素組隊(duì)具體采用如下的一種或多種子步驟
31)純色圖塊按照水平方向組合，則按照逐行的方式將圖像中的像素組成像素組隊(duì)；
32)純色圖塊按照垂直方向組合，則按照逐列的方式將圖像中的像素組成像素組隊(duì)；
33)純色圖塊按照特定角度組合，則按照特定角度將圖像中相應(yīng)的像素組成像素組隊(duì)。所述步驟3)的色彩空間采用RGB (R為紅，G為綠，B為藍(lán))、YCbCr (Y為亮度，Cb 為藍(lán)色分量，Cr是紅色分量)HSV (H為色調(diào)、S為飽和度、V為數(shù)值)或HSI (色調(diào)、飽和度、 強(qiáng)度)。所述步驟2)中消除每幀圖像中空洞和不清晰邊界具體采用形態(tài)學(xué)圖像處理方法和拉普拉斯、羅伯特等邊界增強(qiáng)濾波法。所述步驟5)進(jìn)行近鄰?fù)惡喜r(shí)，先采用色彩空間的歐氏距離法進(jìn)行像素序列合并，再利用形如[A，*，B]的判決算子，消除兩個(gè)大區(qū)間A、B之間的小區(qū)間*。所述步驟6)搜尋已定義的模式，首先對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的色彩向量采用相應(yīng)的符號(hào)代替，此時(shí)每個(gè)像素組隊(duì)抽象為形如“3 (A) 4 (B) 2 (C)……”的游程編碼序列，其中“A”、“B”、 “C”代表標(biāo)準(zhǔn)色彩向量值，小括號(hào)外的數(shù)字代表此處色彩值取該向量的連續(xù)像素?cái)?shù)，在此基礎(chǔ)上采用正則表達(dá)式找出所有已定義的模式。本發(fā)明在現(xiàn)有交通標(biāo)牌標(biāo)準(zhǔn)(例如《GB5768》)的基礎(chǔ)上，提出一種同時(shí)面向駕駛員和計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的交通標(biāo)牌，該交通標(biāo)牌由便于被電子設(shè)備所攝取的純色圖塊根據(jù)空間關(guān)系進(jìn)行排列組合所組成，由于CCD/CMOS等傳感器成像需要一定時(shí)間，當(dāng)車輛處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，視頻圖像容易產(chǎn)生模糊現(xiàn)象，此時(shí)復(fù)雜圖像(例如目前大部分標(biāo)牌上的圖像)的邊沿容易鈍化甚至失真，辨別難度較大。而簡(jiǎn)單純色圖塊通過一定的處理，即便在高速行駛的過程中也具有相當(dāng)好的成像穩(wěn)定性。除此此外，采用純色圖塊按照一定的排列方式組成的圖案來表示某種信息的優(yōu)點(diǎn)還表現(xiàn)為不同文字背景的駕駛?cè)藛T均可理解、認(rèn)讀。本發(fā)明針對(duì)道路交通環(huán)境中計(jì)算機(jī)視覺的技術(shù)特點(diǎn)，制定一種同時(shí)面向駕駛員和計(jì)算機(jī)視覺辨識(shí)的交通標(biāo)牌設(shè)計(jì)方法，對(duì)開發(fā)智能輔助駕駛系統(tǒng)、提高道路通行效率和安全性具有重要的意義。


圖1為本發(fā)明的交通標(biāo)牌結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的識(shí)別方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。本發(fā)明的交通標(biāo)牌結(jié)構(gòu)如附圖1所示，在現(xiàn)有交通標(biāo)牌標(biāo)準(zhǔn)(例如《GB5768》)的基礎(chǔ)上，增加面向計(jì)算機(jī)視覺辨識(shí)的部分，具體做法是在保留現(xiàn)有標(biāo)牌內(nèi)容(包括顏色、形狀、 字符、圖形等)的情況下，增加專門用于計(jì)算機(jī)視覺辨識(shí)的純色圖塊，既保證駕駛員人為辨識(shí)標(biāo)牌不受影響，又為計(jì)算機(jī)辨識(shí)帶來便利性，增加的純色圖塊部分可設(shè)置在原標(biāo)牌的上邊，如圖1的(a)部分，也可設(shè)置在原標(biāo)牌的下邊，如圖1的(b)部分，也可設(shè)置在原標(biāo)牌的左邊，如圖1的(c)部分，也可設(shè)置在原標(biāo)牌的右邊，如圖1的(d)部分，還可以設(shè)置在原標(biāo)牌中間某空白處(以不干擾原標(biāo)牌的易讀性為原則)，如圖1的(e)部分，本發(fā)明的交通標(biāo)牌以純色圖塊(包括矩形、平行四邊形、方形、圓形、三角形、梯形等規(guī)則圖塊和其它不規(guī)則圖塊)按照一定空間關(guān)系(包括水平、垂直、特定角度以及以上3種排列方式的組合)進(jìn)行排列組合，通過圖塊顏色及其排列組合方式表達(dá)特定的交通標(biāo)識(shí)信息。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)在識(shí)別純色圖塊集合及其組合方式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過模式匹配的方式獲取標(biāo)牌所要表達(dá)的信息。構(gòu)造組合圖塊具有較高的靈活性，僅需使其在一般的交通場(chǎng)景中具有唯一性即可。如果圖塊顏色僅為黑色和白色，按照以上方法有可能形成類似條形碼的組合圖塊，也即是說， 產(chǎn)生條形碼型的組合圖塊是本方法的一種特例。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的交通標(biāo)牌可單獨(dú)設(shè)計(jì)，也可對(duì)現(xiàn)有標(biāo)牌進(jìn)行改造，若對(duì)原有標(biāo)牌的改造，可在標(biāo)牌邊緣加裝組合圖塊部分，或者直接在標(biāo)牌空隙處加貼組合圖塊，如是LED 等可變情報(bào)板，則在顯示圖像上增加純色圖塊的部分。純色圖塊大小的確定以攝像機(jī)中組合圖塊能夠完整、清晰成像為基本原則。由于實(shí)際應(yīng)用中成像效果與攝像機(jī)性能、車輛速度等因素有關(guān)，因此一般按照以下原則確定基本圖塊的大小參照《GB5768》的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于不同的道路(實(shí)際上對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)車速)，圖塊水平方向上(也即車輛行駛方向)的最大長(zhǎng)度不小于該類道路上標(biāo)牌字符寬度的1/3，圖塊垂直方向上的最大長(zhǎng)度不小于該類道路上標(biāo)牌字符寬度的1/6，在條件允許的情況下基本圖塊應(yīng)盡量大一些。本發(fā)明的交通標(biāo)牌的識(shí)別過程如附圖2所示，主要包括如下步驟
1、提取攝像機(jī)獲取的圖像序列；
2、對(duì)每幀圖像進(jìn)行預(yù)處理，消除其中空洞和邊界不清晰的情況；
3、獲取像素組隊(duì)序列具體方法是根據(jù)組合圖塊的排列方向進(jìn)行像素組隊(duì)，如圖塊按照水平(垂直)方向組合，則按照逐行(列)的方式將圖像中每一行的像素組成像素組隊(duì)，其中每一像素對(duì)應(yīng)色彩空間(如RGB空間)的某個(gè)向量；
4、在色彩空間中以最小化歐式距離為聚類依據(jù)對(duì)各像素的色彩向量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；
5、以設(shè)定的誤差允許值(表現(xiàn)為色彩空間中的向量距離)對(duì)像素組隊(duì)進(jìn)行近鄰?fù)惡喜?，此時(shí)組隊(duì)中每個(gè)單元可表示為具有2個(gè)元素的向量，分別對(duì)應(yīng)色彩向量標(biāo)準(zhǔn)化值和近鄰?fù)愡B續(xù)像素?cái)?shù)；
6、在像素組隊(duì)向量序列中搜尋已定義的模式(每一模式對(duì)應(yīng)一種標(biāo)牌)，當(dāng)搜尋到已定義的模式時(shí)，則完成識(shí)別，并可根據(jù)識(shí)別結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像記錄、語(yǔ)音播報(bào)等輔助駕駛活動(dòng)。其中，步驟2消除每幀圖像中空洞和邊界不清晰的情況可采用形態(tài)學(xué)圖像處理方法和拉普拉斯、羅伯特等邊界增強(qiáng)濾波法。步驟5以一定的誤差允許值對(duì)每個(gè)像素組隊(duì)進(jìn)行近鄰?fù)惡喜r(shí)，可先采用色彩空間的歐氏距離法進(jìn)行像素序列合并，再利用形如[A，*，B]的判決算子，消除兩個(gè)大區(qū)間 A、B之間的小區(qū)間*。步驟6在像素組隊(duì)序列中搜尋已定義的模式，首先對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的色彩向量采用相應(yīng)的符號(hào)代替，此時(shí)每個(gè)像素組隊(duì)可抽象為形如“3 (A) 4 (B) 2 (C)……，，的游程編碼序列， 其中“A”、“B”、“C”等代表標(biāo)準(zhǔn)色彩向量值，小括號(hào)外的數(shù)字代表此處色彩值取該向量的連續(xù)像素?cái)?shù)，在此基礎(chǔ)上可采用正則表達(dá)式等方法找出所有已定義的模式。
權(quán)利要求
1.一種便于電子識(shí)別的交通標(biāo)牌，其特征在于所述交通標(biāo)牌由便于被電子設(shè)備所攝取的純色圖塊根據(jù)空間關(guān)系進(jìn)行排列組合所組成，且該純色圖塊的顏色和/或其排列組合方式代表特定的標(biāo)識(shí)信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便于電子識(shí)別的交通標(biāo)牌，其特征在于所述純色圖塊包括規(guī)則圖塊和/或不規(guī)則圖塊，所述規(guī)則圖塊采用矩形、平行四邊形、方形、圓形、三角形和/或梯形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便于電子識(shí)別的交通標(biāo)牌，其特征在于所述純色圖塊的排列組合方式包括水平、垂直和/或特定角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便于電子識(shí)別的交通標(biāo)牌，其特征在于所述交通標(biāo)牌包括電子識(shí)別的部分，以及與現(xiàn)有交通標(biāo)牌相同的部分，與現(xiàn)有交通標(biāo)牌相同的部分面向駕駛員的人工識(shí)別。
5.一種權(quán)利要求1所述便于電子識(shí)別的交通標(biāo)牌的識(shí)別方法，其特征在于包括如下步驟1)通過攝像機(jī)獲取的純色圖塊的圖像序列；2)對(duì)每幀圖像進(jìn)行預(yù)處理，消除其中的空洞和不清晰邊界；3)獲取像素組隊(duì)序列，并根據(jù)純色圖塊的排列進(jìn)行像素組隊(duì)，其中每一像素對(duì)應(yīng)色彩空間的某個(gè)向量，具有多個(gè)分量的值；4)在色彩空間中以最小化歐式距離為聚類依據(jù)對(duì)每個(gè)像素的色彩向量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；5)以設(shè)定的誤差允許值對(duì)像素組隊(duì)進(jìn)行近鄰?fù)惡喜?，此時(shí)像素組隊(duì)中每個(gè)單元表示為具有2個(gè)元素的向量，分別對(duì)應(yīng)色彩向量標(biāo)準(zhǔn)化值和近鄰?fù)愡B續(xù)像素?cái)?shù)；6)在像素組隊(duì)向量序列中搜尋已定義的模式，每一種已定義的模式對(duì)應(yīng)一種交通標(biāo)牌信息，當(dāng)搜尋到已定義的模式時(shí)，完成識(shí)別。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的識(shí)別方法，其特征在于所述步驟3)的像素組隊(duì)具體采用如下的一種或多種子步驟31)純色圖塊按照水平方向組合，則按照逐行的方式將圖像中的像素組成像素組隊(duì)；32)純色圖塊按照垂直方向組合，則按照逐列的方式將圖像中的像素組成像素組隊(duì)；33)純色圖塊按照特定角度組合，則按照特定角度將圖像中相應(yīng)的像素組成像素組隊(duì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的識(shí)別方法，其特征在于所述步驟3)的色彩空間采用 RGB、YCbCr、HSV 或 HSI。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的識(shí)別方法，其特征在于所述步驟2)中消除每幀圖像中空洞和不清晰邊界分別采用形態(tài)學(xué)圖像處理方法和拉普拉斯、羅伯特等邊界增強(qiáng)濾波法。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的識(shí)別方法，其特征在于所述步驟5)進(jìn)行近鄰?fù)惡喜r(shí)，先采用色彩空間的歐氏距離法進(jìn)行近鄰像素合并，再利用形如[A，*，B]的判決算子，消除兩個(gè)大區(qū)間A、B之間的小區(qū)間*。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的識(shí)別方法，其特征在于所述步驟6)搜尋已定義的模式，首先對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的色彩向量采用相應(yīng)的符號(hào)代替，此時(shí)每個(gè)像素組隊(duì)抽象為形如 “3 (A) 4⑶2 (C)……，，的游程編碼序列，其中“A”、“B”、“C”代表標(biāo)準(zhǔn)色彩向量值，小括號(hào)外的數(shù)字代表此處色彩值取該向量的連續(xù)像素?cái)?shù)，在此基礎(chǔ)上采用正則表達(dá)式找出所有已定義的模式。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種便于電子識(shí)別的交通標(biāo)牌及其識(shí)別方法，所述交通標(biāo)牌除了保留現(xiàn)有面向駕駛員識(shí)別的部分外，還包括便于被電子設(shè)備所攝取、由純色圖塊根據(jù)空間關(guān)系進(jìn)行排列組合所組成的部分，且純色圖塊的顏色和/或其排列組合方式代表特定的標(biāo)識(shí)信息。本發(fā)明針對(duì)道路交通環(huán)境中計(jì)算機(jī)視覺的技術(shù)特點(diǎn)，制定一種同時(shí)面向駕駛員和計(jì)算機(jī)視覺辨識(shí)的交通標(biāo)牌設(shè)計(jì)方法，對(duì)開發(fā)智能輔助駕駛系統(tǒng)、提高道路通行效率和安全性具有重要的意義。
文檔編號(hào)G06K9/36GK102364560SQ201110318620
公開日2012年2月29日 申請(qǐng)日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者劉洋, 盧凱, 吳友寶, 徐建閩, 林培群, 賴武寧 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)