嵌入式汽車身份自動識別系統
壹、項目介紹
（研究目標、研究背景及現狀、工作原理和方案設想、計劃進度安排等）
見附錄。
二、項目自我評價
1、先進性：
在數字信息技術和網絡技術高速發展的後PC時代，隨著嵌入式處理器性能的不斷提高，高性能的處理器已經能滿足復雜算法應用和其他復雜功能應用，嵌入式將不可避免得走進各個領域。另壹方面，伴隨著我國經濟的快速發展和北京奧運會的舉行，“交通智能化”將毋庸質疑的成為熱門話題。由於交通行業的特殊性，其對ITS設備的技術參數、使用條件都有苛刻的要求，而嵌入式恰好能夠滿足此要求，因此嵌入式智能交通設備的大範圍應用是必然趨勢。嵌入式汽車身份自動識別系統是智能化交通管理系統的重要組成部分，是嵌入式技術與汽車身份識別技術的完美結合，他涵蓋了嵌入式車牌識別、嵌入式車標識別以及汽車顏色識別三大主體功能，力求將汽車目標壹次性鎖定。
它擁有以下優點：
1、高度獨立：使用嵌入式技術，僅通過通信接口與應用系統連接，獨立性高。
2、功能齊全：同時識別汽車車牌、車標及顏色，壹次性鎖定目標，具有現有系統所沒有的強大功能。
3、可塑性強：前端可與信號觸發裝置等上遊產品結合，末端內置無線網絡及多種串口接口以便與下遊產品結合。系統功能與使用範圍得到極大拓展。
4、易於維護：修理、維護僅涉及本系統而不影響其他模塊，維護成本遠低於同類產品。
5、便攜靈活：設備高度集成，小巧靈活，使用方便。
2、可操作性和可實現性：
目前，車牌識別、車標識別等技術日趨成熟與完善，相關資料較易獲取。現有的嵌入式技術也比較成熟。故，從技術難度上講該選題較於其他的前沿科學容易實現。選題所涉及的設備和材料也較易獲得，且成本適中。
3、創新點：
現有的車牌識別裝置壹般使用電腦處理數據，有些甚至需要若幹臺電腦合作完成，占用大量空間與資源。即使偶有由嵌入式完成的系統其功能也僅限於車牌識別或車標識別。本系統創造性地將嵌入式與車牌識別、車標識別以及汽車顏色識別相結合，壹次性解決了目前設備體系臃腫、集成難度大、穩定性差，維護難，功能單壹等問題。
4、可能存在的問題：
目前，主要問題是嵌入式集成度及無線傳輸的距離。我們所設想的理想情況是：針對現在大多使用電腦整機處理數據，設備靈活性差的缺點，開發出便攜式、數據可無線傳輸的汽車身份識別系統。但是由於我們時間、精力和資金的限制，“便攜的程度”是目前最大的難題。另外車速與景深對圖像識別的影響問題也是我們可能會面對的難題。
三、預期成果
（成果的具體形式，如：申請專利、公開發表論文、制作科技實物（含軟件程序）等，可以同時有多種成果形式）
我們預計我們的實驗成果有以下幾個方面。
首先，我們計劃制作出科技實物，即確實地完成該嵌入式系統，拿出實實在在的成果。
第二，從我們對市場現狀的分析來看，該嵌入式汽車身份識別系統的市場前景非常樂觀，故可以將我們的產品申請專利並投入市場進行生產。
第三方面，由於汽車顏色、車牌、車標的組合識別還沒有合適的算法，所以在完成本系統的過程中我們不可避免的要完成算法設計，而這部分成果可以通過公開發表論文的形式進行展示。
因為我們計劃完成壹個系統，所以我們需要同時完成該系統的硬件和軟件兩個部分。從大的角度來看，軟件及算法部分的成果可以通過論文發表，而硬件方面的成果則可以通過投入生產和申請專利來體現。無疑，我們的成果形式會比只做軟件部分或者只做硬件部分的選題多。這也是我們的壹大優勢。
實驗環境要求
經費預算 內容 用途 預算金額 預計執行時間
CCD攝像部分 前端圖像的獲取，購買攝像頭或攝像機 3000 07.12~ 08.2月
輔助光源 針對特殊環境進行光線補充 1500 07.12~ 08.2月
圖像采集卡 模擬信號數字化 2500 07.12~ 08.2月
嵌入式系統硬件設施 圖像的處理 4000 08.3~ 08.10月
硬盤錄像機 視頻信息的存儲 2500 08.10~ 08.12月
顯示裝置 輸出圖像識別結果 1500 08.12~ 09.2月
無線收發或有線傳輸裝置 信息的傳輸 2500 09. 2~ 09.3月
機械加工 機械零件組裝成樣機 2000 最後階段
合計：19500元
學院審批意見
專家委員會評審意見
學校審批意見
附錄壹：選題的現狀、背景及意義
自1885年，世界上第壹臺汽車誕生至今，汽車為我們日常工作與生活的帶來了翻天覆地的影響。壹百多年來，汽車以其價格低廉，操作方便等優勢逐漸被大眾所接受，走入了千家萬戶。在我國，每年都有許多人加入有車壹族。隨之而來的自然是越來越快捷方便的生活方式以及由此引發的壹系列問題：汽車盜竊案每年逾萬，交通事故時有發生……無疑，汽車需要規範管理。現在，我國的大部分汽車管理工作都是由人來操作完成的。不難想象，面對越來越龐大的汽車隊伍，人工操作明顯的力不從心。所以“交通智能化”將成為未來交通管理的必然趨勢。
要實現交通智能化怎麽可以沒有“汽車身份”的識別呢。早在上個世紀九十年代初，汽車身份識別已經引起了全世界的廣泛重視，人們開始研究有關汽車身份證——汽車牌照自動識別的相關問題。幾年後，汽車的另壹個重要的身份象征——汽車標誌識別也成為了熱門話題。車牌識別的壹般途徑為：采用計算機圖象處理技術對車牌進行分析後自動提取車牌信息以確定車牌號。車標識別則基於邊緣直方圖和模板匹配相關系數混合的算法。目前車牌與車標識別的理論已經成熟，離線算法識別率已經達到較高的水平，同時正向著集成化、智能化方向發展。
在智能化交通管理系統中，汽車身份識別相當於vc++中的“基類”地位，即智能化交通管理系統中的其他子模塊需要在汽車身份識別的基礎上進行繼承和發展。所以我們認為，汽車身份識別要求較高的集成度，最好能由可以嵌入到其他系統中的、集成度高的模塊來完成，如單片機、CPLD。而現階段的汽車身份識別大部分卻是依靠計算機來完成的。
另外，由於汽車身份識別的“基類”定位，使用時對“能否唯壹的鎖定汽車”以及“能否很快地判定是哪輛車”就有了壹定的要求。而現階段的汽車身份識別卻僅依靠單純的識別車牌來完成。市場上存在的也多是車牌或是車標的單獨識別系統，將二者結合的系統則非常罕見。而這些單壹的系統顯然很難達到真正的識別鎖定汽車身份的目的。
結合智能化交通管理系統的要求，現今汽車身份識別的現狀以及二者的發展趨勢，我們小組選擇了嵌入式汽車身份自動識別系統作為我們本次創新實驗計劃的選題。我們計劃以嵌入式完成汽車身份識別後，將處理完的數字信息傳遞到智能化交通管理系統的其他模塊中。用嵌入式代替電腦處理汽車身份識別將大大提高智能化交通管理系統的集成度，降低成本。區別於單壹的識別系統，我們設計完成的汽車身份識別系統將車牌識別與車標識別相結合，並輔以汽車顏色識別。同時識別，同時輸出，從而從多方面判斷並鎖定汽車，力求達到萬無壹失。從而極大地方便了該系統在各個領域的使用。
公安交管領域，該嵌入式汽車身份自動識別系統可被應用在交管系統中。將本產品嵌入到用來測速、測超載的其他交通設施中，就可以完成壹系列的管理工作；與終端電腦處理系統相連，傳輸的是已經經過處理的數字信息而非圖片信息，大大節省了終端電腦的處理時間和內存空間，提高反應速度與處理效率，有效解決交管領域人手不足的現狀。
在園區車輛管理方面，本嵌入式汽車身份自動識別系統將留有端口，使其可以與園區的業主入住時所登記的汽車信息庫相連。在園區大門處，安裝我們的車牌自動識別系統，以對進出車輛自動識別，然後將數據傳到數據庫並根據數據庫中的車牌數據判斷是否是園區內的車輛，然後分情況處理。這將大大增加園區汽車的安全系數，而使用該系統的成本遠低於使用電腦處理的系統的成本。
關於停車場管理，我們的嵌入式車牌自動識別系統可以完成智能化管理過程。將系統安裝在停車場的出、入口處，用來對進出停車場的車輛進行自動識別，而處理後的數據將傳入終端電腦，由終端電腦結合傳入的信息與數據庫判斷是否屬已買（或租）車位的車輛做出相應處理。
綜上，我們有理由相信我們計劃完成的嵌入式車牌自動識別系統可以在未來的交通智能化管理系統中發揮舉足輕重的作用，是值得去研究和探索的。
附錄二：工作原理及方案設想
本汽車身份識別系統包含車牌識別、車色以及車標的識別，本系統將使用嵌入式系統完成此三部分的識別。由於我們剛接觸這部分內容，所以想法不是很成熟。
下面將分車牌識別與車色、車標識別以及嵌入式三個部分介紹我們的工作原理和方案。
第壹部分：車牌識別
1、總體結構
車牌自動識別系統主要分為三大模塊:（1）觸發：即前端設備的數據入口處，如測速系統等。(2)圖像處理部分：分為圖像采集、車牌定位、字符分割和字符識別四部分。(3)無線傳輸系統將所處理得的數據傳送至後端應用系統，如交通違規管理系統，只能停車場系統，安檢系統等。
2、算法部分
①前端CCD攝像機：
原始圖像獲取
由CCD攝像機及輔助照明裝置組成。獲取圖像質量的好壞直接影響到後端處理和識別的效果. 要獲得比較清晰的圖像, 需要考慮許多影響圖像質量的因素, 主要包括: 攝像頭和圖像卡的選取, 攝像機的位置標定, 汽車的車速, 出入單位的汽車車隊之間的距離, 天氣、光線等情況對攝像機所攝圖像曝光量的影響。
判斷是否有車輛進入觀測區
采用圖像差值法來判斷監測區是否有目標進入，即首先將視頻圖像灰度化，然後比較兩幅圖像對應像素點的灰度值，看是否有變化以及變化有多少。
圖像差分只能測定監測區中是否有物體經過，但它是否交通車輛，尚未可知。鑒於圖像差分所產生的噪聲、行人、自行車比汽車所占區域小得多，設計尺度濾波器將尺度較小的物體及噪聲濾掉。
②車牌定位及預處理
左圖為車牌定位的主要算法。完成基本的車牌定位後，還需要對車牌進行壹些基本的預處理。包括傾斜矯
正與鉚釘和邊框的去除。
I、車牌字符的傾斜矯正
車牌字符分割的難點在有些車牌是傾的，直接分割效果不好，需要做校正。首先求出車牌的傾斜率，根據此斜率對車牌做旋轉校正。
II、車牌邊框和鉚釘的去除
先驗知識：對於標準車牌，字符間間距為12mm，第2、3個字符間間距為34mm，其中，中間小圓點l0mm寬，小圓點與第2、3個字符間間距分別為12mm。在車牌邊框線的內側，通常有四個鉚釘，他們不同程度地與第2個字符或第6個字符粘連，如果不去除鉚釘，將給第2和第6在字符的識別造成困難。
將車牌圖像進行二值化後，圖像僅黑、白二值。白色像素點(灰度值255)取1，黑色像素點(灰度值0)取0，這裏采用的是白底黑字模式。對車牌圖像逐行進行從內向外式掃描，當掃描到車牌圖像某壹行中，白色像素點的寬度大於某壹閥值時(第壹個符合條件的行)，則認為是車牌字符的邊沿處，切除這壹行以上或以下的所有行。
③車牌字符分割
右圖為車牌
字符分割的主要
算法。
在此，由於
我們的知識有限
就不對這些算法
做具體介紹了。
④字符識別方法
字符
識別是車
牌識別的
核心部分。
常見的車
牌字符識
別算法包
括六種。
我們將他
們羅列在
右圖中。
其中，我們比較感興趣的是基於神經網絡的字符識別算法。下面，我們具體介紹兩種比較簡單且普遍的算法以及基於神經網絡的字符識別算法。
I、模板匹配車牌字符識別
中國車牌的字符模板分為漢字、英文字母和數字模板，由統計方法構造並保存到數據庫中。模板匹配是將字符模板和標準化了的車牌字符進行匹配來識別字符。
II、特征匹配車牌字符識別
車牌識別的方法中，可利用的字符特征很多，大致可以分為結構特征、象素分布特征及其他特征。
在這裏，我們擬重點突破神經網絡法，因為人工神經網絡技術具有非線性描述、大規模並行分布處理能力、高度魯棒性和自學習與聯想等特點，適用於非線性時變大系統的模擬與在線控制。具體步驟如下圖所示：
此外，我們還會嘗試將各種算法結合起來，以揚長避短，如：將遺傳算法與人工神經網絡結合起來，既能利用遺傳算法能並行計算且能快速、全局搜索的優點又能克服神經網絡固有的搜索速度慢且易陷入局部旱熱的缺點等。
由於我們還在大學二年級學習專業基礎課程，對圖像處理的最新算法還不夠了解，我們會在實際操作過程中，選擇壹種最優的方案並且結合我們的系統特征提出改進意見。
第二部分：車色以及車標識別
①、車身顏色識別
顏色特征具有對圖像本身的尺寸、方向、視角等依賴小、魯棒性高等優點，因此在基於內容的圖像索引技術和智能交通系統以及眾多的I業(如造紙、紡織、印刷等)系統中有著極其重要的應用。長期以來，由於各種原因，人們提出了數量眾多的彩色空間模型，主要可分為三類:第壹類是基於人類視覺系統(HumanV isionS ystem,H VS)的彩色空間，它包括RGB,H SI,M unsell彩色空間等；第二類是基於特定應用的彩色空間，它包括電視系統中所采納的YUV和YIQ、攝影行業如柯達的YCC、打印系統的CMY (K)彩色空間；第三類是CIE彩色空間(包括CIE XYZ, CIE Lab和CIE Luv等)。這些彩色空間各有優缺點，它們在各自的領域裏發揮了重要的作用。
我們擬采用RGB彩色空間完成我們的系統。RGB彩色空間在計算機相關領域裏應用廣泛，例如用於常見的CRT顯示器等。在RGB彩色空間中，各彩色值用R、G、B三通道值的組合來***同表示，而其相應的通道值是通過圖形采集卡或者CCD傳感器等類似器件中的光感受器來獲得的。其中，各通道值用入射光及其相應光感受器的光敏函數值之和來表示:
R=
G=
B=
其中，S (A)是光譜，R(A)、G(A)和B(A)分別是R,G,B傳感器的靈敏度函數。從上式可以看出，該彩色空間是設備相關的，它與具體捕獲設備的光敏函數相關。然而，由於RGB值易於獲得和在計算機中計算和表示，因此通常可以用來表示其他各彩色空間，即把RGB值轉換為其他彩色空間值。RGB彩色空間的標準色差定義為：
）
由於不同的彩色對人主觀感受的影響不同，為了更好的表示色差，在本顏色識別子系統中使用經驗色差公式：
對於我們擬設計的車身顏色識別系統主要分以下四大步驟完成車身顏色識別
1．識別區域的選取
為了準確識別出車身顏色，識別區域的選取至關重要。本實驗選取車臉前部靠近排氣扇的部分
2．顏色直方圖計算
對所選區域，計算出現次數最多的顏色。在實際應用中，由於其他彩色空間模型的分量值均可用RGB值來表示，為了計算簡便，在計算顏色直方圖時可僅針對RGB彩色空間模型進行。
3．色差計算
根據相應彩色空間模型的色差計算公式，計算其與 顏色模板間的色差。
4、顏色識別
在得到樣本色與標準色在各個彩色空間模型中的對應色差後，就可以根據其結果進行顏色識別。即選取前壹步計算得到的色差中的最小值，作為識別結果。
②、車標識別部分
毋庸質疑，車牌和車標的自動、實時識別是運動車輛類型精確識別系統中至關重要的兩個部分。目前人們已經提出了眾多的車牌定位算法，主要可以分為兩大類:基於黑白圖像的車牌定位算法和基於彩色圖像的車牌定位算法。基於黑白圖像的車牌定位算法又可以分為多類，如基於特征的車牌定位算法基於自適應能量濾波的車牌定位算法，基於小波變換和形態學處理相結合的車牌定位算法，基於二值投影的車牌定位算法，以及基於遺傳算法的車牌定位算法等。
這些車牌定位算法各有優缺點，但他們都可以在壹定程度上作為車標定位的參考。
車標定位與識別無論在國內還是國外都是壹個較為嶄新的領域。由於車標本身固有的特殊性：目標小、相似性大、受尺寸和光照影響大、背景不統壹，以及不同汽車公司的車標形狀大小不壹致等，使得其精確定位識別成為壹個難點。
我們將車標識別分為以下幾個主要步驟:
(l)車牌定位:根據車牌的紋理特征，基於多分辨率分析快速獲取車牌區域 ；
(2)車頭定位:根據車頭區域能量較高且較為集中的特點，通過OTSU二值化算法 進 行 圖像二值化，然後利用二值投影，並結合車牌位置信息進行車頭快速定位 ；
(3)中軸定位:在車頭區域內，根據軸對稱性定位車頭中軸；
(4)車標粗定位:在定位出車頭的基礎上，根據車標與車牌的先驗知識，得到車標經驗搜矩形；
(5)車標精確定位:在第(4)步的基礎上，利用車標紋理特征進行車標的精確定位。主要包括兩步:壹是根據車標區域在垂直方向上具有能量高且相對集中的特點，利用能量增強和自適應形態學濾波進行車標的壹次定位；二是利用改進的模板匹配算法進行車標的精確定位。車標識別系統是運動車輛識別系統中的重要組成部分，與車牌識別壹樣，它也包括了定位和識別兩項關鍵技術。
上圖為車標識別系統結構示意圖，與典型的目標識別系統壹樣，它包括了離線的訓練過程和在線的識別過程。在訓練過程中，首先將手工采集得到的車標樣本進行圖像歸壹化、尺度歸壹化等預處理，然後分別進行模板提取以得到車標標準模板庫。車標標準模板庫中的模板不僅用於車標定位，還用於進行特征提取以得到車標特征模型庫用於車標識別。在定位過程中，除了輸入汽車圖像外，還需輸入車牌的位置信息。這是因為各類車標不具有穩定的紋理特征，且大小、形狀各不相同，所以在復雜的背景下直接利用特征匹配或模板匹配進行車標定位是非常困難的。因此必須利用車牌位置、車輛對稱性等先驗信息進行粗定位，在此基礎上再利用相關圖像處理技術和模板匹配進行精確定位。車標定位以後，車標識別問題就轉化為壹個2D形狀的識別問題，這可以通過模板匹配的方法實現。但是在實際采集的圖像中，往往存在光照、噪聲、部分遮擋和形狀相似等問題的影響，常規的模板匹配方法難以達到滿意的識別效果。因此通常還需要壹種合適的特征提取和識別方法來輔助進行車標識別，以提高系統的識別率。
第三部分：嵌入式
按照歷史性、本質性、普遍性要求，嵌入式系統應定義為：“嵌入到對象體系中的專用計算機系統”。“嵌入性”、“專用性”與“計算機系統”是嵌入式系統的三個基本要素。對象系統則是指嵌入式系統所嵌入的宿主系統。
嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器，它有4個優點：
(1) 對實時和多任務有很強的支持能力，能完成多任務並且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時操作系統的執行時間減少到最低限度；
(2) 具有功能很強的存儲區保護功能。
(3) 可擴展的處理器結構，可以迅速地擴展出滿足應用的高性能的嵌入式微處理器；
(4) 嵌入式微處理器的功耗很低，尤其是用於便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，功耗只能為 mW甚至μ W級，這對於能源越來越稀缺昂貴的時代，無疑是十分誘人的。
另外，嵌入式實時操作系統提高了系統的可靠性。這些都值得我們去做壹個嵌入式車牌識別系統。
考慮到通常車牌以及車標識別算法的運算量大，同時又要滿足實時性要求。因此，我們準備采用32位ARM嵌入式微處理器作為核心單元，以CPLD作為時序控制單元，采用基於ARM 9 S3C 241 C的嵌入式圖像采集處理系統，在內嵌Linux操作系統的草礎上，充分利用了ARM器件體積小、能力強以及功耗低的特點，實現並行數據總線/USB日接口圖像接入、圖像快速處理、圖像信息的本地壓縮存儲和IP化數數據傳輸。該系統可使整個系統簡化電路並且減少占用資源。
系統設計構成
整個系統由USB圖像采集子系統，ARM處理子系統和網絡數據傳輸子系統成攝像頭采集現場視頻數據通過U SB傳輸至ARM處理板;ARM處理板內嵌Linux操作系統，采用快速圖像算法對圖像序列進行處理，並根據處理結果采取相應的措施;網絡傳輸子系統可以處理數據上傳監控中心做進壹步後續處理，系統結構下圖所示。
ARM圖像處理子系統擬采用S3C 2410處理器，能滿足圖像處理速度的要求；USB圖像接入，可以保證圖像傳輸速度;擴展64M SD RAM與64M Flash,大容量的RAM能夠保存多幅圖像，便於圖像的分析與處理;無線網絡接口實現了數據信息的網絡化管理。
當然，以上只是我們的初步設想這些設想都將在我們以後的大量實驗過程中得到論證和優化！
附錄三：計劃進度與安排
計劃進度安排：
1.用約15天時間買壹些實驗所需的基本用品。
2.利用課余時間學習所需知識。
3.用約七個月時間完成編程，解決軟件方面問題。
4.用約壹年完成硬件方面，並制作樣機。
5.初步檢查，花費約壹個月。
6.以六個月時間調試樣機，發現缺陷並修正。反復試驗，直至達到壹個令人滿意的水平。
綜上，我們是計劃用兩年左右的時間拿下這個項目。當然，以上只是大體計劃，以後會隨實驗的實際進度進行適當調整。