自动识别道路限速标志的车辆智能方法

摘要

一种车辆智能化技术领域的自动识别道路限速标志的车辆智能方法，包括以下步骤：步骤一，分别采集道路限速标志图像；步骤二，建立限速标志模板数据库；步骤三，采集限速标志图像；步骤四，对图像进行强化处理与去除噪声；步骤五，确定图像的限速标志搜寻区域；步骤六，调取对应类型数据库的限速标志模板进行匹配识别运算；步骤七，自动为其累计模板匹配率；步骤八，判断车辆“是否超速”；步骤九，在控制指令的作用下，自动将车速限制在限速范围内，并警示驾驶员掌握限速信息；步骤十，重复步骤三到步骤九的过程。本发明能够在保障车辆行驶安全方面进一步提高自动化和智能化水平，不会因为驾驶员的疏忽而使车辆行驶出现超速现象。

权利要求

1.一种自动识别道路限速标志的车辆智能方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，构建硬件系统，给车辆安装三个针孔摄像头，第一个针孔摄像头安装于车辆前视玻璃框的上沿正中位置，调整安装角度，用于采集道路前上方设置的限速标志图像；第二个针孔摄像头安装于车辆发动机前罩正中位置，调整安装角度，用于采集车辆前方路面上的限速标志图像；第三个针孔摄像头安装于右侧后视镜罩靠近右侧边缘的位置，调整安装角度，用于采集设置在道路右侧的限速标志图像：信号处理器对三个针孔摄像头采集到的三幅图像实时进行处理，在图像上识别出当前路段对车辆行驶的限速标志，并将限速识别结果转换成控制指令输出；当前车速大于限速识别数值时，在控制指令的作用下，车速操控机构实时地减小车辆燃料流量、降低车速，同时警示驾驶员当前超速状况；

步骤二，建立模板数据库，包括：第一类型数据库，用于存放设置在道路前上方的城市道路限速标志图像模板；第二类型数据库，用于存放车辆前方路面上的限速标志图像模板；

第三类型数据库，用于存放设置在道路右侧的限速标志图像模板；

步骤三，限速标志图像的采集，三个针孔摄像头定时采集各自视场内的限速标志图像；三个针孔摄像头将各自所采集到的图像沿着对应的三个图像传输通道输送至信号处理器；

步骤四，对图像进行强化处理与去除噪声，然后存放于缓存区；缓冲区每次存放三个针孔摄像头采集的三幅图像，每幅图像带有自己特定的帧头代码；

步骤五，针对来自不同传输通道的图像确定对应的限速标志搜寻区域；

步骤六，根据图像的帧头代码，调取对应类型数据库的限速标志模板，运用归一化转动惯量法进行匹配识别运算；

步骤七，每个模板每成功匹配一次，信号处理器自动为其累计模板匹配率λij，并更新该模板在数据库记录中<模板匹配率>字段变量的数据；

步骤八，将根据限速标志图像识别出来的车辆限速值与当前车辆行驶速度进行比较，判断车辆“是否超速”，车速v超过限速VM时，计算超速程度α，并根据车速v和超速程度α生成控制指令输出；

步骤九，在控制指令的作用下，车速操控机构自动将车速限制在限速范围内，并警示驾驶员掌握限速信息、谨慎驾驶；

步骤十，重复步骤三到步骤九的过程。

2.根据权利要求1所述的自动识别道路限速标志的车辆智能方法，其特征是，所述定时采集，是指信号处理器根据当前的车辆行驶速度确定三个针孔摄像头每次采集图像的时间间隔Δt，而且式中，u为车辆当前行驶速度，单位m/s；L为图像采样间距，单位m。

3.根据权利要求1所述的自动识别道路限速标志的车辆智能方法，其特征是，所述帧头代码“01”、“10”、“11”是指所采集图像分别来自第一、第二、第三的针孔摄像头，同时也表示所采集图像将要分别与第一、第二、第三类型数据库中的限速标志模板进行匹配识别运算。

4.根据权利要求1所述的自动识别道路限速标志的车辆智能方法，其特征是，所述针对来自不同传输通道的图像确定对应的限速标志搜寻区域，具体是指，以限速标志的附近区域作为模板与图像进行匹配识别运算的搜寻区域。

5.根据权利要求1所述的自动识别道路限速标志的车辆智能方法，其特征是，所述限速标志模板，在数据库中的记录包含模板匹配率λij，定义如下：其中，λij为第i类型数据库中第j个模板的匹配率，Ni为第i个针孔摄像头所采集到的被识别含有限速标志的图像帧数，nij为被第i类型数据库中第j个模板匹配的累计次数；λij随着车辆行驶里程不断地被累计更新。

6.根据权利要求1所述的自动识别道路限速标志的车辆智能方法，其特征是，所述归一化转动惯量法，是指借用物理上转动惯量概念对图像定义灰度图像的质心及其围绕质心的转动惯量，给出图像围绕质心的转动惯量，利用归一化转动惯量所具有的缩放、旋转和平移不变特性，将其作为物体的识别特征。

说明书

自动识别道路限速标志的车辆智能方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种信息处理技术领域的车辆智能方法，具体是一种自动识别道路限速标志的车辆智能方法。

背景技术

[0002] 为了道路及车辆的行驶安全，城市道路和高等级公路，尤其是高速公路，均要在每个路段设置车辆限速标志，以便提醒车辆驾驶员控制车速、谨慎驾驶，避免因为超速而造成违法甚至酿成交通事故。然而，当前方车辆较为稀少的时候，车辆驾驶员往往会疏忽自己的驾驶速度，出现超速的现象。尽管随着科技的进步，许多道路都已安装了车辆测速监控装置，但是从其作用效果来看，基本上是属于惩罚性的技术手段和措施，通过惩罚手段来警告司机必须遵守交通法规，现有的道路测速监控技术不能实时对车辆驾驶员发送警示信息显然存在着缺乏人性化的先天技术不足。

[0003] 这就需要通过先进的技术手段予以辅助实现，即，利用一种先进的技术使得所有的车辆具备对公路每个路段限速标志的自动识别功能，同时能够依据智能识别功能进一步实现对车辆行驶速度的自动控制。

[0004] 经对现有技术文献的检索发现，中国发明，专利号200510067875.4，专利名称为：高速公路行车超速全程检测方法，公开了一种高速公路行车超速全程检测方法，“从高速公路的入口处到出口处，沿途安装非测速电子基站，获取包括车辆经过各个电子基站的时间和电子基站位置编号以及车辆识别信息的全程信息，将全程信息传递给出口处的运算处理系统，根据已知各段路程，推算出该车是否超速。”该专利技术的目的在于：“进行全程检测，使得司机不再存有侥幸心理，遵章限速意识在全程加以强化。”该专利存在三个明显的不足之处：(1)投资成本巨大，维护、保养困难；(2)严重缺乏人性化管理，将所有司机一并视为“必然违法”者，并剥夺了司机的实时驾驶状态知情权；(3)加重高速公路出口处的处理违法工作量，很可能造成出口处的车辆堵塞。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种自动识别道路限速标志的车辆智能方法，使车辆在行驶过程能够自动、准确地识别道路上所设置的所有限速标志，并依据限速标志识别结果向驾驶员提供限速信息的同时，向车速操控机构发送限速指令实现车辆自动限速。

[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的，

[0007] 本发明具体步骤如下：

[0008] 步骤一，构建硬件系统

[0009] 给车辆安装三个针孔摄像头，第一个针孔摄像头安装于车辆前视玻璃框的上沿正中位置，调整安装角度，用于采集道路前上方设置的限速标志图像；第二个针孔摄像头安装于车辆发动机前罩正中位置，调整安装角度，用于采集车辆前方路面上的限速标志图像；第三个针孔摄像头安装于右侧后视镜罩靠近右侧边缘的位置，调整安装角度，用于采集设置在道路右侧的限速标志图像。

[0010] 本发明的针孔摄像头，其内核为场效应半导体图像传感芯片，是一种场效应半导体图像传感器，生成黑白图像，简称CMOS摄像头；配备远摄光学镜头，视角在20°以内。

[0011] 硬件系统的工作原理是：信号处理器对三个针孔摄像头采集到的三幅图像实时进行处理，在图像上识别出当前路段对车辆行驶的限速标志，并将限速识别结果转换成控制指令输出；当前车速一旦大于限速识别数值时，在控制指令的作用下，车速操控机构能够实时地减小车辆燃料流量、降低车速，同时警示驾驶员当前超速状况。

[0012] 步骤二，建立模板数据库

[0013] 模板数据库包括三类，即：第一类型数据库，用于存放设置在道路前上方的城市道路限速标志图像模板；第二类型数据库，用于存放车辆前方路面上的限速标志图像模板；第三类型数据库，用于存放设置在道路右侧的限速标志图像模板。

[0014] 第一类型数据库所存放的城市道路限速标志模板，以带圆圈的阿拉伯数字正视成像为特征；

[0015] 第二类型数据库所存放的限速标志图像模板，以粗字体阿拉伯数字正向斜视成像为特征；

[0016] 第三类型数据库所存放的限速标志图像模板，以带圆圈的LED显示数字侧向斜视成像为特征；

[0017] 每一个类型的数据库均具有同样的数据库结构，数据库结构包含字段变量：限速标志模板图像、模板图像帧头代码、限速数值、模板匹配率，即数据库中的每一条记录均包含<限速标志模板图像>、<模板图像帧头代码>、<限速数值>、<模板匹配率>四个字段变量的数据。

[0018] 三类数据库的模板均采用实拍方式对限速标志图像进行采集与提取；本发明的实拍方式，是指让实验车辆沿着城市道路、城市高架道路和高速公路对现有所有限速标志图像在确定的距离处进行采集；确定的距离，是指摄像头在采集限速标志图像时应该掌握合适的拍摄距离，其中，50米是采用配备远摄视角针孔摄像头能够采集到的限速标志最佳图像的拍摄距离。

[0019] 步骤三，限速标志图像的采集

[0020] 三个针孔摄像头定时采集各自视场内的限速标志图像，并将各自所采集到的图像沿着对应的三个图像传输通道输送至信号处理器。本发明的定时采集，是指，信号处理器根据当前的车辆行驶速度确定三个针孔摄像头每次采集图像的时间间隔Δt，而且[0021]

[0022] 式中，u为车辆当前行驶速度，单位m/s；L为图像采样间距，单位m，如：取L＝10，即表明车辆每间隔10m采集一幅图像。

[0023] 步骤四，对图像进行强化处理与去除噪声，然后存放于缓存区；缓冲区每次存放三个针孔摄像头采集的三幅图像，每幅图像带有自己特定的帧头代码，帧头代码代表对应针孔摄像头及其对应类型数据库，如：帧头代码“01”、“10”、“11”表示所采集图像分别来自第一、第二、第三的针孔摄像头，同时也表示所采集图像将要分别与第一、第二、第三类型数据库中的限速标志模板进行匹配识别运算。

[0024] 步骤五，针对来自不同传输通道的图像确定对应的限速标志搜寻区域，以限速标志的附近区域作为模板与图像进行匹配识别运算的主要搜寻区域。如：来自第一图像传输通道的图像所可能包含的限速标志图像是一种带圆圈的阿拉伯数字，信号处理器是对车前50m左右距离所采集的图像进行匹配识别运算，在此类图像中，如果含有限速标志，则一般带圆圈的阿拉伯数字限速标志均处于中间偏上位置，因此能够以该位置的附近区域作为识别运算的主要搜寻区域。以视场角为20°的远摄镜头、768×576图像分辨率的CMOS摄像头为例，考虑防止漏检所必须的冗余度，该限速标志落在所采集到的图像中的区域是：中心点四周192×144像素区，即中心点四周192×144像素区域将是模板与图像进行匹配识别运算的主要搜寻区域。

[0025] 步骤六，根据图像的帧头代码，调取对应类型数据库的限速标志模板，运用归一化转动惯量法进行匹配识别运算；

[0026] 如果被调取的限速标志模板与当前图像中的限速标志实现匹配，则转入步骤七；否则，从同一类型数据库中调取下一个限速标志模板与当前图像继续进行匹配识别运算，如果直至模板调用完毕仍然未实现匹配，说明当前图像中没有限速标志，重新读取下一个帧头代码图像，重复步骤六的匹配识别运算。

[0027] 本发明的限速标志模板，在数据库中的记录包含模板匹配率λij，定义如下：

[0028]

[0029] 其中，λij为第i类型数据库中第j个模板的匹配率，Ni为第i个针孔摄像头所采集到的被识别含有限速标志的图像帧数，nij为被第i类型数据库中第j个模板匹配的累计次数；λij随着车辆行驶里程不断地被累计更新；i＝1，2，3，j＝1，2，...；为了匹配识别运算，每次在调取模板时，先从高模板匹配率开始，其次是次高模板匹配率，依次类推，直至所有模板调用完毕，对相同匹配率的模板，按排列顺序调用，而且，匹配识别运算仅在图像的限速标志搜寻区域进行，能够缩短整个实现匹配识别运算的时间。

[0030] 本发明的归一化转动惯量(NMI)法，即借用物理上转动惯量概念对图像定义灰度图像的质心及其围绕质心的转动惯量，再给出图像围绕质心的转动惯量，利用NMI所具有的缩放、旋转和平移不变特性，将其作为物体的识别特征；具体是，定义灰度图像f(x，y)的质心(cx，cy)如下：

[0031]

[0032]

[0033] 其中，质心(cx，cy)代表图像灰度的重心；

[0034] 图像围绕质心(cx，cy)的转动惯量记为J：

[0035]

[0036] 根据图像的质心和转动惯量的定义，可给出灰度图像绕质心(cx，cy)的归一化转动惯量即NMI(Normalized Moment of Inertia)：

[0037]

[0038] 其中， 为图像质量，代表图像所有灰度值之和。

[0039] 所述NMI所具有的缩放、旋转和平移不变特性，是指对于给定区域的积分面积，对于数字图像可用求和代替积分，共有7个不变矩，它们对于平移、旋转与大小比例变化都是不变的。

[0040] 步骤七，每个模板每成功匹配一次，信号处理器自动为其累计模板匹配率λij，并更新该模板在数据库记录中<模板匹配率>字段变量的数据。

[0041] 步骤八，将根据限速标志图像识别出来的车辆限速值与当前车辆行驶速度进行比较，判断车辆“是否超速”，车速v超过限速VM时，即v-VM＞0，计算超速程度α[0042]

[0043] 并根据v和α生成控制指令输出；所述控制指令，为两个8位字节，第一个8位字节表示限速标志识别值，如：“01111000”即表明限速值为“120km/h”；第二个8位字节的最高位1位表示是否超速，低位7位表示车辆超速程度，如：“10110010”即代表当前车辆已经超速50％。

[0044] 步骤九，在控制指令的作用下，车速操控机构自动将车速限制在限速范围内，并警示驾驶员掌握限速信息、谨慎驾驶。

[0045] 步骤十，重复步骤三到步骤九的过程。

[0046] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：在保障车辆行驶安全方面进一步提高自动化和智能化水平，具体表现，第一、不会因为驾驶员的疏忽而使车辆行驶出现超速现象，其准确率达到99.5％；第二、能够明显降低道路监控、管理成本，节约经济资源；第三、能够显著降低因车辆超速而酿成的交通事故；第四、能够显著提高驾驶员的交通法制意识，增强交通执法和守法之间的和谐气氛。

附图说明

[0047] 图1为本发明实施例主程序系统框图；

[0048] 图2为限速标志识别流程框图。

具体实施方式

[0049] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0050] 如图1、2所示，实施例中自动识别道路限速标志的车辆智能方法，包括如下步骤：

[0051] 步骤一，构建硬件系统，给车辆安装三个针孔摄像头，第一个针孔摄像头安装于车辆前视玻璃框的上沿正中位置，调整合适的安装角度，用于采集道路前上方设置的限速标志图像；第二个针孔摄像头安装于车辆发动机前罩正中位置，调整合适的安装角度，用于采集车辆前方路面上的限速标志图像；第三个针孔摄像头安装于右侧后视镜罩靠近右侧边缘的位置，调整合适的安装角度，用于采集设置在道路右侧的限速标志图像。

[0052] 本实施例的针孔摄像头，配备远摄光学镜头、黑白CMOS，视角在20°以内。

[0053] 本实施例的信号处理器，包括：第一图像传输通道、第二图像传输通道、第三图像传输通道、第一图像模数转换模块、第二图像模数转换模块、第三图像模数转换模块、电压信号模数转换模块、图像处理模块、输出接口、内存模块。

[0054] 本实施例的车速操控机构，包括：第一数模转换器、整流二极管、功率放大器、电磁阀和电动刹车推杆。

[0055] 本实施例的语音提示器，包括：输入接口、译码器、数字语音模块、第二数模转换器、功率放大模块、扬声器。

[0056] 步骤二，建立模板数据库，包括：第一类型数据库，用于存放设置在道路前上方的城市道路限速标志图像模板；第二类型数据库，用于存放车辆前方路面上的限速标志图像模板；第三类型数据库，用于存放设置在道路右侧的限速标志图像模板。每一个类型的数据库均具有同样的数据库结构，数据库结构包含字段变量：限速标志模板图像、模板图像帧头代码、限速数值、模板匹配率，即数据库中的每一条记录均包含<限速标志模板图像>、<模板图像帧头代码>、<限速数值>、<模板匹配率>四个字段变量的数据。

[0057] 本实施例采用实拍方式建立模板数据库，即，让实验车辆沿着城市道路、城市高架道路和高速公路对现有所有限速标志图像在确定的距离处进行采集。摄像头在采集限速标志图像时的拍摄距离掌握在50m。

[0058] 步骤三，限速标志图像的采集

[0059] 三个针孔摄像头采集各自视场内的限速标志图像，按照 确定采集限速标志图像的时间间隔，如：取L＝10m，当u＝120km/h时，Δt＝0.3s，即每间隔300ms采集一幅图像；取L＝10m，当u＝30km/h时，Δt＝1.2s，即每间隔1.2s采集一幅图像；并将各自所采集到的图像沿着对应的三个图像传输通道输送至信号处理器。

[0060] 步骤四，对图像进行强化处理与去除噪声，然后存放于缓存区；缓冲区每次存放三个针孔摄像头采集的三幅图像，每幅图像带有自己特定的帧头代码，其中，帧头代码“01”、“10”、“11”表示所采集图像分别来自第一、第二、第三的针孔摄像头，同时也表示所采集图像将要分别与第一、第二、第三类型数据库中的限速标志模板进行匹配识别运算。

[0061] 步骤五，针对来自不同传输通道的图像确定对应的限速标志搜寻区域，经过实验确定来自三个针孔摄像头采集图像的限速标志搜寻区域为中心点四周192×144像素区具备足够的防止限速标志漏检的冗余度。

[0062] 步骤六，根据图像的帧头代码，调取对应类型数据库的限速标志模板，运用归一化转动惯量法进行匹配识别运算；被调取的限速标志模板与当前图像中的限速标志实现匹配，则转入步骤七；否则，从同一类型数据库中调取下一个限速标志模板与当前图像继续进行匹配识别运算，如果直至模板调用完毕仍然未实现匹配，说明当前图像中没有限速标志，重新读取下一个帧头代码图像，重复步骤六的匹配识别运算。

[0063] 步骤七，每个模板每成功匹配一次，信号处理器自动为其累计模板匹配率λij，并更新该模板在数据库记录中<模板匹配率>字段变量的数据。

[0064] 步骤八，将根据限速标志图像识别出来的车辆限速值与当前车辆行驶速度进行比较，判断车辆“是否超速”，车速v超过限速VM时，计算超速程度α，并根据v和α生成控制指令输出。

[0065] 步骤九，在控制指令的作用下，车速操控机构自动将车速限制在限速范围内，并警示驾驶员掌握限速信息、谨慎驾驶。

[0066] 步骤十，重复步骤三到步骤九的过程。