摘要：提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)和深度學(xué)習(xí)的智能路牌識(shí)別系統(tǒng)。采用嵌入式的ARM9作為前端采集系統(tǒng)，在服務(wù)器上采用圖像處理算法先對(duì)前端采集的路牌圖像進(jìn)行文字區(qū)域的提取和分割，然后用訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)分割的文字進(jìn)行識(shí)別，最后將識(shí)別信息以語(yǔ)音的形式反饋給使用者。使用前端硬件在高速公路上采集路牌圖像并在服務(wù)器的CAFFE框架上進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地將路牌信息以語(yǔ)音的方式播報(bào)給使用者。

0 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，現(xiàn)今的生活中，汽車已經(jīng)成為主要的交通工具，路牌也成為一種重要的導(dǎo)航工具。無(wú)論是高速公路還是國(guó)道、省道，到處都樹(shù)立著路牌。然而，由于路牌常常被豎立在路的兩邊，當(dāng)司機(jī)需要了解路旁路牌的信息時(shí)，注意力很容易被分散，當(dāng)駕駛者對(duì)自己所在道路不熟悉的時(shí)候，前方路況和各種標(biāo)志的路牌會(huì)讓駕駛者的心里壓力變大，駕駛者由于減速觀看路牌很容易發(fā)生交通堵塞和交通事故，使得交通狀況變得更加惡劣。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外一些研究學(xué)者對(duì)路牌的識(shí)別進(jìn)行了研究[1]，但效果不是很理想，將路牌識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的更是少之又少。智能路牌識(shí)別系統(tǒng)能有效地提取路牌信息，幫助駕駛者理解路牌的信息，對(duì)于安全駕駛有著極其重要意義，對(duì)將來(lái)智能駕駛戰(zhàn)略也將做出突出的貢獻(xiàn)。

1 智能路牌識(shí)別控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由基于嵌入式技術(shù)的前端采集、通信傳輸系統(tǒng)和遠(yuǎn)程云服務(wù)器識(shí)別系統(tǒng)組成。前端采集傳輸采用基于三星Cortex-A9架構(gòu)的核心板，配備一千萬(wàn)像素?cái)z像頭、語(yǔ)音播報(bào)模塊和4G通信模塊構(gòu)建智能路牌識(shí)別系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。攝像頭采集含有路牌的圖像，由主控芯片對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，壓縮后的圖像在4G模塊下通過(guò)SOCKET程序傳送到云服務(wù)器上。采用云平臺(tái)服務(wù)器作為智能路牌識(shí)別器的數(shù)據(jù)處理中心，在服務(wù)器上通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練文字識(shí)別網(wǎng)絡(luò)，將分割后的圖像在訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行識(shí)別，然后將得到的結(jié)果傳輸?shù)角岸耍ㄟ^(guò)語(yǔ)音模塊播報(bào)給使用者。智能路牌識(shí)別器的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 智能路牌識(shí)別控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控單元模塊

該模塊采用ARM9核心的處理器作為中央控制單元模塊，用它實(shí)現(xiàn)對(duì)前端采集系統(tǒng)各個(gè)單元模塊所采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總分析和處理，對(duì)各個(gè)功能模塊發(fā)出控制指令，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。中央控制單元完成圖像采集，根據(jù)預(yù)先板載的壓縮算法程序完成圖像壓縮，通常可達(dá)到6：1的壓縮率，并發(fā)給云服務(wù)器，減小了傳輸時(shí)間，保證了信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。中央控制單元同時(shí)接收來(lái)自云服務(wù)器發(fā)送的識(shí)別結(jié)果，并將結(jié)果通過(guò)語(yǔ)音模塊反饋給使用者。

2.2 前端采集模塊

前端采集采用的是一千萬(wàn)像素的CMOS高清攝像頭，它能夠清晰地拍攝前方場(chǎng)景信息，用于智能路牌識(shí)別系統(tǒng)對(duì)路牌信息的采集。得到的高清圖片存儲(chǔ)在中央控制單元，并由中央控制單元對(duì)其進(jìn)行處理。

2.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊由外圍電路和4G通信芯片構(gòu)成，使用SOCKET通信和4G通信技術(shù)，完成智能路牌識(shí)別系統(tǒng)和云端服務(wù)器的相互連接。在中央處理器模塊的控制下，前端采集壓縮的圖片在無(wú)線通信模塊的作用下發(fā)送給云端服務(wù)器，同時(shí)云端服務(wù)器將處理完成的信息通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給中央控制單元，把結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給使用者。

2.4 語(yǔ)音文字播報(bào)模塊

語(yǔ)音播報(bào)模塊主要作用是將云端服務(wù)器處理的路牌文字信息以語(yǔ)音播報(bào)的形式展現(xiàn)給駕駛者，使得駕駛者不用因環(huán)顧四周的路牌文字而分心。該模塊主要采用SYN6288中文語(yǔ)音合成芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音文字的播報(bào)，把云端服務(wù)器發(fā)送的文本文字轉(zhuǎn)化為音頻信息。SYN6288語(yǔ)音芯片采用UART和SPI兩種通信方式，實(shí)現(xiàn)文本智能分析處理、多音字處理功能。該模塊的電路如圖2所示。

3 智能路牌識(shí)別控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)由兩部分組成。一部分是前端ARM9加載Linux系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成前端信息的采集壓縮、云端服務(wù)器通信和語(yǔ)音播報(bào)的功能。前端采集程序流程圖如圖3所示。

另一部分是在云端服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)對(duì)采集圖像的預(yù)處理、檢測(cè)、分割和分類識(shí)別功能。云端服務(wù)器首先對(duì)前端發(fā)送的圖像解壓縮、預(yù)處理，利用支持向量機(jī)（SVM）算法檢測(cè)是否含有路牌。檢測(cè)到路牌之后對(duì)路牌區(qū)域進(jìn)行提取，對(duì)提取后的路牌進(jìn)行圖像處理，然后利用投影法對(duì)文字進(jìn)行分割，最后進(jìn)行文字識(shí)別。其中文字識(shí)別部分采用的是目前流行的深度學(xué)習(xí)框架——CAFFE框架，主要采用C++/CUDA高級(jí)語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和文字的識(shí)別。云端服務(wù)器程序流程圖如圖4所示。

4 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的文字識(shí)別算法

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）是深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一個(gè)重要算法，在很多應(yīng)用上表現(xiàn)出卓越的效果[2-3]。目前字符識(shí)別算法有很多種，但對(duì)漢字的識(shí)別，特別是自然場(chǎng)景的文字識(shí)別都有一定的局限[4-5]。將多種文檔字符識(shí)別算法與CNN比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)CNN算法比其他算法的效果都好。在本文的智能路牌識(shí)別系統(tǒng)中，主要利用CNN對(duì)日常生活中常見(jiàn)的3 000個(gè)漢字進(jìn)行訓(xùn)練然后識(shí)別。CNN是在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)上改進(jìn)得到的，它們都是采用了向前傳播計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的輸出值，通過(guò)誤差計(jì)算公式，向后傳播修正權(quán)重和偏置的值。與傳統(tǒng)的特征提取方法相比，CNN最大的改進(jìn)就是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用卷積核進(jìn)行特征提取，相鄰層之間不是全連接，而只是部分進(jìn)行連接，從而得到局部特征。在一個(gè)特征平面采用權(quán)值共享機(jī)制，很大程度上減少了權(quán)值的數(shù)量。

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，輸入的數(shù)據(jù)為一張40×40像素的圖片，第一層為卷積層，由64個(gè)3×3卷積核組成，每個(gè)卷積核都各自提取不同的一種特征，通過(guò)輸入與卷積核運(yùn)算來(lái)提取圖像的局部特征。然后進(jìn)入池化層，在2×2的窗口中選取最大值作為一個(gè)輸出值，從而降低了數(shù)據(jù)維度。以此類推，計(jì)算第二層128個(gè)卷積核和第三層256個(gè)卷積核的卷積運(yùn)算。全連接層分別采用4 096和3 000個(gè)1×1的卷積核進(jìn)行全連接來(lái)提取圖片文字的全局特征進(jìn)行分類。然后根據(jù)誤差輸出公式進(jìn)行誤差計(jì)算，反向進(jìn)行權(quán)值和偏置更新。為了防止過(guò)擬合，采用dropout對(duì)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和偏置進(jìn)行部分更新。反復(fù)進(jìn)行計(jì)算多次實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練的目的。

在智能路牌識(shí)別系統(tǒng)中，挑選日常常用的3 000個(gè)漢字進(jìn)行了訓(xùn)練，基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定——道路路牌采用方正黑體格式漢字，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)計(jì)算機(jī)生成了相應(yīng)圖像數(shù)據(jù)。利用C#語(yǔ)言生成40像素×40像素的漢字圖片作為測(cè)試集和訓(xùn)練集，如圖6所示。

考慮到前端采集模塊在實(shí)際采集圖片時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種干擾，如硬件發(fā)熱、外界環(huán)境干擾、光線的亮暗等因素的影響，使得圖像帶有噪聲點(diǎn)、圖片模糊、字跡不清或者產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和扭曲等狀況，因此，需將生成的每個(gè)漢字圖像進(jìn)行圖像處理，分別對(duì)其進(jìn)行各種隨機(jī)的噪聲點(diǎn)生成、腐蝕膨脹以及不同角度的旋轉(zhuǎn)和扭曲。這樣對(duì)每一個(gè)漢字圖片產(chǎn)生300張不同的圖片，獲得了更多的數(shù)據(jù)量，這樣測(cè)試集和訓(xùn)練集一共有900 000個(gè)數(shù)據(jù)。通過(guò)圖5所示的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。

5 系統(tǒng)的測(cè)試與分析

由于現(xiàn)在路牌場(chǎng)景種類繁多，測(cè)試實(shí)驗(yàn)中采用比較規(guī)范、應(yīng)用比較多、文字方向從左自右的路牌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖7（a）所示，對(duì)前端發(fā)送到服務(wù)器的圖像，先通過(guò)Canny算子邊緣檢測(cè)粗定位和MSER算法細(xì)定位，使用SVM算法來(lái)判斷是否含有路牌，判斷出路牌標(biāo)識(shí)后對(duì)圖像進(jìn)行路牌區(qū)域提取。

路牌區(qū)域提取采用基于HSI顏色空間的方法。基于我國(guó)以綠底和藍(lán)底作為路牌的背景，采用HSI空間中的H分量將路牌區(qū)域提取出來(lái)。本實(shí)驗(yàn)將H參數(shù)設(shè)定在[150，190]區(qū)間，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7(b)所示。

在文字檢測(cè)部分，采用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)[6]，提取漢字的邊緣，然后用形態(tài)學(xué)對(duì)漢字進(jìn)行處理，將文字與文字分開(kāi)同時(shí)將文字的各個(gè)部分進(jìn)行連接，以便于進(jìn)行文字分割。在文字分割部分，采用投影法，根據(jù)像素值的特征進(jìn)行分割。首先對(duì)路牌進(jìn)行二值化處理，先進(jìn)行水平投影像素值相加，進(jìn)行行分割，分割效果如圖8所示。

然后豎直方向投影進(jìn)行像素值相加，進(jìn)行豎直方向分割，分割效果如圖9所示。通過(guò)連通區(qū)域算法分析得到各個(gè)文字區(qū)域，最后歸一化為40像素×40像素圖像，送入深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類識(shí)別。

采用本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)集的800 000個(gè)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，100 000個(gè)數(shù)據(jù)集作為測(cè)試集，在云服務(wù)器上迭代8 000次，得到99%的準(zhǔn)確率，測(cè)試的準(zhǔn)確率和損失值如圖10所示，當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到900次左右時(shí)，準(zhǔn)確率趨于平穩(wěn)，由此可見(jiàn)CNN在路牌漢字識(shí)別上具有優(yōu)勢(shì)和潛在的應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)論

本文完成了智能路牌識(shí)別系統(tǒng)從硬件到軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了硬件的圖像采集壓縮和軟件的圖像處理、區(qū)域檢測(cè)和文字分割，最后通過(guò)語(yǔ)音模塊播報(bào)給使用者的功能。該系統(tǒng)對(duì)駕駛者有十分重要的作用，并可運(yùn)用在無(wú)人駕駛領(lǐng)域，對(duì)新世紀(jì)的智能交通也將做出突出的貢獻(xiàn)。本文系統(tǒng)未考慮前端動(dòng)態(tài)拍攝時(shí)的模糊圖像處理問(wèn)題，即當(dāng)車輛行駛太快情況下，前端采集的圖像可能會(huì)不清晰，這也是下一步將努力的方向。