馮凌穎，陳耀武

（浙江大學(xué)數(shù)字技術(shù)及儀器研究所，杭州310027）

智能車輛出入控制系統(tǒng)的低時(shí)延處理實(shí)現(xiàn)

馮凌穎，陳耀武

（浙江大學(xué)數(shù)字技術(shù)及儀器研究所，杭州310027）

基于車牌識(shí)別的智能車輛出入控制系統(tǒng)對(duì)道閘車輛放行有較高的實(shí)時(shí)性要求，為此，提出一種車輛檢測(cè)至道閘放行過程的低時(shí)延處理方案。從攝像機(jī)預(yù)處理、圖像傳輸、工控機(jī)后續(xù)圖像處理3個(gè)環(huán)節(jié)入手，通過區(qū)域自動(dòng)曝光的攝像機(jī)預(yù)處理提高后續(xù)車牌識(shí)別性能，攝像機(jī)抓拍圖片時(shí)使用異步I/O傳輸，同時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)合區(qū)域提取的圖像分塊傳輸流程，優(yōu)化工控機(jī)客戶端圖像顯示過程，提高系統(tǒng)各個(gè)處理環(huán)節(jié)的效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在確保車牌識(shí)別準(zhǔn)確率的前提下，該方案可使系統(tǒng)車輛圖像采集、接收、處理和送顯過程的總時(shí)延降低到136 m s，達(dá)到業(yè)界車輛出入控制系統(tǒng)的領(lǐng)先水平。

車輛出入控制系統(tǒng)；低時(shí)延；圖像傳輸；區(qū)域提取；車牌識(shí)別；自動(dòng)曝光

1 概述

隨著科學(xué)的進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，車輛己成為人們出行以及貨物運(yùn)輸?shù)闹匾煌üぞ摺ｋS著車輛數(shù)目的急劇增加，不僅城市公路的管理建設(shè)需要加強(qiáng)，而且各種小區(qū)和停車場(chǎng)對(duì)進(jìn)出車輛的管理也顯得尤為重要。

目前比較成熟的車輛出入控制系統(tǒng)主要是基于射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID），它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)［1-3］。但需要用戶持有射頻卡才能正常使用，應(yīng)用范圍受限制，并且不具備射頻卡和車輛綁定功能，存在車輛被掉包等安全隱患。針對(duì)車輛出入的隨意性及應(yīng)用場(chǎng)合的復(fù)雜性等現(xiàn)狀，新一代的方案是基于圖像車牌識(shí)別的車輛出入控制系統(tǒng)［4-5］，采用高清攝像機(jī)抓拍出入車輛的車牌，但該類型傳統(tǒng)圖像上傳并進(jìn)行車牌識(shí)別的方案會(huì)具有較大的時(shí)延，通常都是大于500 m s，導(dǎo)致車輛通行低效。

車牌識(shí)別的時(shí)延已成為目前智能車輛出入控制系統(tǒng)的瓶頸，針對(duì)該問題，本文提出一種車輛檢測(cè)至道閘放行過程的低時(shí)延處理方案。采用攝像機(jī)預(yù)處理提高后期車牌識(shí)別性能，攝像機(jī)與工控機(jī)間使用異步I/O傳輸圖像減少資源消耗，并設(shè)計(jì)結(jié)合車牌區(qū)域提取的優(yōu)化圖像上傳過程方案，同時(shí)改進(jìn)客戶端圖像顯示過程，降低從圖像采集到車牌識(shí)別整個(gè)過程的時(shí)延。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

車輛出入控制系統(tǒng)主要部署在公共停車場(chǎng)、工業(yè)園區(qū)和住宅小區(qū)等應(yīng)用場(chǎng)景。本文整套系統(tǒng)主要分為部署在各個(gè)出入口的崗?fù)け镜叵到y(tǒng)、后臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)中心以及中心管理員操作的管理中心客戶端。系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)期用戶車牌號(hào)碼在后臺(tái)建立一個(gè)白名單數(shù)據(jù)庫(kù)，將用戶信息錄入，對(duì)于白名單車輛道閘進(jìn)行免費(fèi)進(jìn)出放行，非白名單車輛進(jìn)出需要收取一定的費(fèi)用。

崗?fù)け镜叵到y(tǒng)裝有地感線圈、高清攝像機(jī)、道閘、LED顯示屏和工控機(jī)。當(dāng)車輛壓到地感線圈后，觸發(fā)高清攝像機(jī)抓拍號(hào)牌圖片，上傳圖片到工控機(jī)，然后對(duì)號(hào)牌進(jìn)行識(shí)別，再將識(shí)別后的結(jié)果與數(shù)據(jù)服務(wù)中心的白名單進(jìn)行比對(duì)，如果該車輛具有通行權(quán)限，則向車輛道閘控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，驅(qū)使其升起閘桿，同時(shí)向LED顯示屏系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)顯示相關(guān)字幕，道閘欄桿自動(dòng)升起，車輛可以順利通過；如果該車輛不具有通行權(quán)限，則打印臨時(shí)通行證，讓車輛進(jìn)入園區(qū)。

圖1為本文基于車牌圖像識(shí)別的車輛出入控制系統(tǒng)框架，其中，工控機(jī)中主要分為圖像接收、圖像處理、圖像送顯3個(gè)模塊。圖像處理的任務(wù)順序劃分為車牌定位、字符分割和字符識(shí)別3個(gè)部分。

圖1 基于高清圖像識(shí)別的智能車輛出入控制系統(tǒng)框架

3 系統(tǒng)低時(shí)延方案設(shè)計(jì)

基于高清圖像識(shí)別的車輛出入控制系統(tǒng)，其核心就是車牌識(shí)別，它主要包括圖像采集、圖像預(yù)處理、車牌定位、車牌字符分割、車牌字符識(shí)別等模塊［6］。為提高系統(tǒng)的圖片處理效率，本文將重點(diǎn)放在圖片傳輸過程和車牌識(shí)別過程，設(shè)計(jì)一種結(jié)合區(qū)域提取的優(yōu)化圖像上傳流程。

在傳統(tǒng)基于車牌識(shí)別的車輛出入控制系統(tǒng)中，將攝像機(jī)端（前端）只負(fù)責(zé)攝像機(jī)預(yù)處理、圖像采集和圖像上傳，工控機(jī)端（后端）負(fù)責(zé)圖像接收以及后續(xù)的處理，如圖2所示。本文的設(shè)計(jì)將一部分圖像車牌識(shí)別預(yù)處理移至攝像機(jī)前端進(jìn)行，提高后續(xù)工控機(jī)圖片處理效率，其流程如圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)車輛出入控制系統(tǒng)流程

圖3 本文PACS系統(tǒng)流程

下文將從前端攝像機(jī)端預(yù)處理、圖像傳輸方案、工控機(jī)客戶端圖像送顯3個(gè)部分來(lái)分析系統(tǒng)的改善，提高整個(gè)PACS的響應(yīng)性能。

3.1 攝像機(jī)端預(yù)處理

在PACS系統(tǒng)中，車輛圖片的前端采集部分是系統(tǒng)的前沿部分，把檢測(cè)的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為圖像和數(shù)據(jù)信息，傳送給工控機(jī)。抓拍識(shí)別部分的效果及圖像質(zhì)量將影響到后續(xù)圖像處理的速度，也是整個(gè)系統(tǒng)性能響應(yīng)的直接因素。本文的高清攝像機(jī)采用基于圖像分區(qū)的自動(dòng)曝光算法［7］，并將一部分圖像的車牌識(shí)別預(yù)處理移至前端高清攝像機(jī)進(jìn)行。

3.1.1 基于圖像分區(qū)的自動(dòng)曝光

本文采用工業(yè)級(jí)高清攝像機(jī)Davinci系列的TMS320DM 368視頻處理器作為視頻采集設(shè)備，使用3A技術(shù)［8-9］中的自動(dòng)曝光（Auto Exposure，AE）尋找并配置最佳攝像機(jī)參數(shù)，使得抓拍到的車輛圖像質(zhì)量能夠提高后續(xù)工控機(jī)端車牌識(shí)別的效率。由于圖像的后續(xù)處理部分主要集中在車輛的車牌區(qū)域，且攝像機(jī)安裝的位置和角度固定，車輛觸發(fā)地感線圈的位置也在某個(gè)范圍內(nèi)，因此可以在拍攝區(qū)域中劃定某個(gè)區(qū)域?yàn)楦信d趣區(qū)域（Region of Interest，ROI），并賦予該區(qū)域不同的權(quán)值，從而計(jì)算圖像的加權(quán)平均亮度值。

基于車牌區(qū)域的局部自動(dòng)曝光劃分區(qū)域如圖4所示，其中，ROI區(qū)域是攝像機(jī)拍攝場(chǎng)景中車牌的主要位置。根據(jù)式（1）分配區(qū)域權(quán)值來(lái)計(jì)算當(dāng)前亮度均值，Y值是所在區(qū)域的亮度均值，a和b分別是對(duì)應(yīng)的區(qū)域權(quán)值，使ROI區(qū)域的權(quán)值比背景（Background）區(qū)域的更大。

圖4 基于車牌區(qū)域的局部自動(dòng)曝光劃分

計(jì)算出當(dāng)前亮度均值curY后，與光圈配合，保證進(jìn)光量達(dá)到符合主觀視覺要求的大小。再根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)亮度targetY，利用式（2）計(jì)算比例ratio：

將當(dāng)前幀的亮度值與目標(biāo)亮度值進(jìn)行比較，判斷是否在目標(biāo)范圍內(nèi)，如果不在，則進(jìn)行分步長(zhǎng)調(diào)節(jié)曝光。根據(jù)比例ratio調(diào)整曝光時(shí)間、傳感器增益與芯片數(shù)字增益3項(xiàng)參數(shù)。

3.1.2 車牌識(shí)別預(yù)處理

為提高后續(xù)工控機(jī)車牌識(shí)別的效率，在前端攝像機(jī)采取圖像降采樣和車牌初定位的預(yù)處理方案［10］。

（1）圖像降采樣

為了提高圖像識(shí)別效率，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸負(fù)載，將攝像機(jī)采集到的車輛圖片在攝像機(jī)端進(jìn)行降采樣，使得圖像的分辨率符合工控機(jī)端顯示區(qū)域大小并生成圖像的縮略圖，由1 080 p（1 280×1 024像素）轉(zhuǎn)換至D1（704×576像素）分辨率。降采樣之后對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波來(lái)改善圖像質(zhì)量。為了能夠使圖像區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行平滑的同時(shí)，區(qū)域之間的邊緣保持不變，從而提高后續(xù)車牌初定位邊緣提取的準(zhǔn)確性。本文采用保持邊緣的高斯平滑濾波器（Edge Preserving Gaussian Filter，EPGF）［11］，它可以在平滑區(qū)域內(nèi)部像素的同時(shí)，有效保持目標(biāo)之間的邊緣及光照真實(shí)感。

令G（x，y）表示高斯卷積核，（i，j）是模板的中心，σ是標(biāo)準(zhǔn)差，則保持邊緣的高斯平滑濾波器EPGF定義如式（3）所示。

其中，ΔE是（i，j）和（x，y）位置處的2個(gè)像素之間的色差；th是恰可分辯色差閾值。卷積時(shí)，首先判斷鄰域內(nèi)某位置處的像素和中心像素之間的色差是否大于閾值，如果是，則令此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的權(quán)值為0；否則，仍為初始值。在式（3）的基礎(chǔ)上，利用EPGF對(duì)圖像濾波的過程可以用式（4）描述：

其中，f（x，y）表示輸入彩色圖像，包含RGB 3個(gè)顏色通道。經(jīng)過EPGF對(duì)輸入圖像進(jìn)行平滑后，同一區(qū)域內(nèi)部的像素，其顏色更趨于一致，并且能有效保留區(qū)域之間的邊界。

（2）車牌初定位

圖片經(jīng)過降采樣平滑后，對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)及二值化，初步定位車牌區(qū)域。從邊緣二值化圖像逐行進(jìn)行掃描，根據(jù)車牌垂直邊緣跳變比較劇烈的特點(diǎn)找到疑似車牌的區(qū)域［6］，并設(shè)置車牌區(qū)域最大閾值T，過濾不必要過大的區(qū)域。其處理流程如圖5所示。通過初定位可以把整幅圖像中疑似車牌的區(qū)域大體定位，加入到區(qū)域目標(biāo)集合中，等待分塊傳輸。

圖5 攝像機(jī)端車牌初定位流程

3.2 圖像傳輸優(yōu)化方案

3.2.1 抓拍圖片異步I/O傳輸方案

當(dāng)前主流的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)均具備FTP文件傳輸協(xié)議功能，傳統(tǒng)基于高清圖像的PACS系統(tǒng)通常采用攝像機(jī)抓拍到圖像，并上傳至工控機(jī)的FTP服務(wù)器相應(yīng)目錄，由系統(tǒng)程序定時(shí)去讀取并判斷相應(yīng)目錄下是否有新圖像，從而獲取當(dāng)前出入口處是否有新車輛。

這種方法不具備足夠的實(shí)時(shí)性能，并且消耗較多系統(tǒng)資源。為彌補(bǔ)該缺陷，降低系統(tǒng)的時(shí)延，本文采取了攝像機(jī)抓拍圖像后主動(dòng)向工控機(jī)上報(bào)的異步I/O方法［12］，其傳輸運(yùn)行時(shí)序圖如圖6所示。

圖6 抓拍圖片傳輸時(shí)序圖

由圖6可知，傳統(tǒng)方案是由工控機(jī)應(yīng)用程序定時(shí)間隔T時(shí)間（如100 ms）掃描FTP目錄是否有新圖像，如果有新圖像則進(jìn)行下一步圖像處理，如果沒有，則繼續(xù)等待T時(shí)間重新檢查目錄。圖中在T3時(shí)刻目錄下不存在新車輛圖像，T3過后，新圖像2即刻上傳結(jié)束，但圖像2的處理必須等待一個(gè)周期，直到T4時(shí)刻才能進(jìn)行處理。同理，圖像3的處理也延遲了一個(gè)周期。本文方案實(shí)現(xiàn)非阻塞異步I/O，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)抓拍圖像通過網(wǎng)絡(luò)套接字socket發(fā)送至工控機(jī)，立即可以進(jìn)行圖像處理，有效降低了延時(shí)，同時(shí)減少了線程定時(shí)循環(huán)檢查FTP目錄的不必要資源開銷。

3.2.2 結(jié)合區(qū)域提取的圖像分塊傳輸

由3.1節(jié)可知，攝像機(jī)抓拍到的圖像經(jīng)過降采樣并平滑濾波后，再進(jìn)行車牌初定位，得到類車牌區(qū)域的傳輸集合。將集合上的所有目標(biāo)區(qū)域，通過

3.2.1 節(jié)方案發(fā)送至工控機(jī)端。同時(shí)，集合中不可避免存在偽區(qū)域，在工控機(jī)端結(jié)合車牌識(shí)別算法中排除偽區(qū)域，其流程如圖7所示。

圖7 圖像分塊傳輸流程

由圖7可知，此方案避免了傳統(tǒng)方案中工控機(jī)需要等待全部圖像從攝像機(jī)端完整上傳才可以進(jìn)行車牌識(shí)別的缺陷。只要攝像機(jī)采集到圖像，根據(jù)3.1節(jié)進(jìn)行預(yù)處理后，就能得到類車牌區(qū)域的集合，并通過網(wǎng)絡(luò)分塊順序發(fā)送至工控機(jī)，那么工控機(jī)直接可以進(jìn)行車牌識(shí)別，并且一旦排除一部分偽車牌區(qū)域，找到最終的車牌區(qū)域，就可以直接忽略后續(xù)的集合區(qū)域，直接將結(jié)果送達(dá)至客戶端。

3.3 工控機(jī)客戶端圖像送顯優(yōu)化

本文在客戶端圖像顯示上采用高效的YUV轉(zhuǎn) RGB圖像格式轉(zhuǎn)換算法，使得提升系統(tǒng)的響應(yīng)。在色彩空間轉(zhuǎn)換過程中涉及的計(jì)算都需要進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，而每個(gè)像素點(diǎn)的運(yùn)算都是按單字節(jié)（8 bit）逐點(diǎn)進(jìn)行，這些都嚴(yán)重影響了算法的計(jì)算效率［13］。為提高處理速度，本文對(duì)算法進(jìn)行浮點(diǎn)轉(zhuǎn)定點(diǎn)優(yōu)化。用整型算法代替浮點(diǎn)運(yùn)算，采用移位的方法如式（5）～式（7）所示。

實(shí)際上人眼能夠分辨的顏色數(shù)量遠(yuǎn)小于224，因此，計(jì)算機(jī)中一般使用RGB空間的一個(gè)子集：RGB8∶8∶8（真彩色）來(lái)描述顏色，其中，R，G，B為0～255的整數(shù)。同理，Y，U，V也為0～255的整數(shù)。為防止溢出，還需要判斷計(jì)算結(jié)果是否在0～255范圍內(nèi)。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 攝像機(jī)端車牌初定位結(jié)果

圖8和圖9為攝像機(jī)端在圖像分塊發(fā)送前車牌初定位的結(jié)果。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可知：有些車牌誤定位到地面或者車身，這是由于地面或者車身存在大量的噪點(diǎn)而導(dǎo)致。若車牌的邊緣信息不豐富，邊緣檢測(cè)及二值化后會(huì)檢測(cè)不到車牌。但本文在對(duì)圖像降采樣后，采用保持邊緣的高斯平滑濾波器（EPGF），它可以在平滑區(qū)域內(nèi)部像素的同時(shí)，有效保持目標(biāo)之間的邊緣及光照真實(shí)感。因此，本文設(shè)計(jì)的車牌初定位模塊，能夠有效地提取到包含車牌的有效區(qū)域。

圖8 車輛出入口抓拍原始圖像

圖9 圖8左邊車輛車牌初定位結(jié)果

4.2 系統(tǒng)降低延時(shí)效果

系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的延時(shí)測(cè)試的結(jié)果如表1所示。由數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)從車輛圖像采集到圖像接收，再到圖像處理和圖像送顯，總時(shí)延僅為136.42 m s，表明該系統(tǒng)具有高效的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能。

表1 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)耗時(shí)m s

此外，本文系統(tǒng)在南京某集團(tuán)園區(qū)投入運(yùn)行，測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知，本文方案在確保車牌準(zhǔn)確率的情況下，采用D1分辨率的圖像進(jìn)行車牌識(shí)別，降低了系統(tǒng)的時(shí)延，有效地將上下班高峰期車輛通行速度由原來(lái)的1.2輛/m in提高到1.9輛/m in，提高了園區(qū)車輛出行的效率。

表2 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)基于車牌識(shí)別的智能車輛出入控制系統(tǒng)，本文提出了車輛放行低時(shí)延處理的設(shè)計(jì)方案，將系統(tǒng)分為各個(gè)出入口的崗?fù)け镜叵到y(tǒng)、后臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)中心以及管理中心客戶端3個(gè)模塊。優(yōu)化方案主要針對(duì)崗?fù)け镜叵到y(tǒng)，從攝像機(jī)預(yù)處理、圖像傳輸過程和工控機(jī)后續(xù)圖像處理3個(gè)環(huán)節(jié)入手，采用區(qū)域自動(dòng)曝光的攝像機(jī)預(yù)處理方案提高后續(xù)車牌識(shí)別性能，攝像機(jī)抓拍圖片使用異步I/O傳輸，并設(shè)計(jì)一種結(jié)合區(qū)域提取的圖像分塊傳輸流程，同時(shí)優(yōu)化客戶端圖像顯示過程。系統(tǒng)從車輛圖像采集到圖像接收，再到圖像處理和圖像送顯，總延時(shí)僅為136 ms，且于南京某集團(tuán)園區(qū)投入運(yùn)行以來(lái)，在確保車牌識(shí)別準(zhǔn)確率的前提下，將上下班高峰期車輛通行速度由原來(lái)的1.2輛/m in提高到1.9輛/m in，具有較高的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能，為城市交通車輛管理提供了車牌識(shí)別準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性的雙重保障。下一步工作將研究當(dāng)多個(gè)崗?fù)こ鋈肟诖罅坎l(fā)向后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)中心發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，如何提高服務(wù)器軟件系統(tǒng)響應(yīng)及數(shù)據(jù)庫(kù)查詢優(yōu)化，從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

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編輯 金胡考

Realization of Low Latency Processing in Intelligent Vehicle Access Control System

FENG Lingying，CHEN Yaowu
（Institute of Digital Technology and Instrument，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Considering the demand of low latency of intelligent vehicle access control system based on license plate recognition，a design for reducing the latency of system response performance from vehicle detection to lane release is proposed.This design mainly focuses on three aspects——pre-process in camera，image transmission and later-process in Industrial Personnel Computing（IPC）.Using regional Auto Exposure（AE）in camera and asynchronous I/O image transmission to improve the performance of later license plate recognition，it realizes a kind of block transmission method combined with image region extraction while also optimizing image display in client-side of IPC，to improve the efficiency of the system's each processing part.Experimental results show that from image acquisition to receiving，to processing and at last to show，this scheme can make system take about 136 ms while at the same time ensuring the accuracy of license plate recognition，which reaches the leading level in the field of vehicle access control system.

vehicle access control system；low latency；image transmission；region extraction；license plate recognition；Auto Exposure（AE）

馮凌穎，陳耀武.智能車輛出入控制系統(tǒng)的低時(shí)延處理實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2015，41（11）：13-17，23.

英文引用格式：Feng Lingying，Chen Yaowu.Realization of Low Latency Processing in Intelligent Vehicle Access Control System［J］.Computing Engineering，2015，41（11）：13-17，23.

1000-3428（2015）11-0013-05

A

TP18

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.11.003

浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金資助項(xiàng)目（2011R09021-02）。

馮凌穎（1990-），女，碩士研究生，主研方向：智能交通，嵌入式網(wǎng)絡(luò)多媒體；陳耀武，教授、博士生導(dǎo)師。

2014-12-22

2015-01-13 E-m ail：fenglingyingFLY@126.com