基于车牌亮度对比度的摄像机快门与增益综合控制方法

专利名称：：基于车牌亮度对比度的摄像机快门与增益综合控制方法
技术领域：
：一种基于车牌亮度对比度的摄像机快门与增益综合控制方法，属于智能型车辆信息采集系统中图像处理技术，涉及车牌自动识别与计算机处理系统领域。
背景技术：
：在城市公路或者高速公路的卡口系统中，需要全天候拍摄通过车辆并自动识别车辆牌照。由于不能使用闪光灯等有可能对驾驶员驾驶造成危险的补光设备，因此，为了获得可以进行识别的车辆牌照图像，必须对摄像机进行一定的控制，才能达到目的。目前，基本上都是采用自动光圈的方式来对摄像机的入射光线进行控制。这种方式一般只能适应大范围的监控场景，以及对局部信息要求不高的场合。对于特殊的应用领域，比如车牌识别领域，这种通用的控制技术显然是不适合的。这种技术在白天正常的日光条件下可以得到质量较好的车牌图像。但是在大量时间段中会遇到强逆光、强眩光的情况，或者气候变化，也会遇到云层移动带来的忽明忽暗的情况。在这些情况下，自动光圈是不能有效调节摄像机得到可供识别的车牌图像的，其结果造成车牌的亮度或者对比度往往不够，车牌识别的正确性也会大大降低，导致车牌识别系统不能满足全天候的应用。在现有技术的相关文献检索中，仅在中国专利数据库中检索到的相关文件是申请号为200610020899.9名称为"车牌符号分割方法"专利文件。但该专利文件的技术方案是利用拉普拉斯变换、区域生长法和车牌先验知识相结合的车牌字符识别方法，与本发明的技术路线完全不同。
发明内容本发明的目的就是在镜头光圈不变的条件下利用车辆牌照的亮度与对比度变化，自动控制摄像机的快门和增益，获得稳定清晰的车牌图像，使车牌识别能够在各种光照条件下应用；并且通过对摄像机快门的控制，可以抓拍高速移动的车辆图像，消除运动模糊，为电子警察、治安卡口等公路交通系统或者智能交通信息采集、控制提供强有力的技术支持。实现本发明目的技术方案是这样的-一种基于车牌亮度对比度的摄像机快门与增益综合控制方法，包括以下步骤摄像机1连续采集图像传送到视频采集卡2.1，工控机2根据地感线圈的触发信号通过视频采集卡2.1获取车辆图像，工控机2中指令模块通过串口发送控制命令，通过232-485转换器3转换为485信号;摄像机控制盒4接收485信号，单片机根据摄像机通信协议解析控制命令，再通过485ECN芯片把命令转换成235信号传送到摄像机1;摄像机1通过CCD主芯片接收控制信号并调整摄像机1状态；其特征是，工控机2指令模块2.2中设置了初始参数设定模块、摄像机初始化调整模块、摄像机精细调整模块；当摄像机1根据地感线圈的触发信号采集车辆图像传送到工控机2时，工控机2通过视频采集卡2.1采集图像并根据指令模块2.2中的车牌定位控制算法定位车牌、根据车牌亮度与对比度获得摄像机快门与增益控制值。根据上述方案中的特征，本发明还具有如下特征把摄像机快门与增益值均换算到0—255的整数域空间，在控制算法中增益的大小取值范围是0—50，0为最小，50为最大，快门的取值范围是1-255，1为快门最快，255为快门最慢。当控制算法计算完快门增益后，在工控机[2]向摄像机[1]发送控制指令时再把0—255的数值转换为摄像机1能够理解的参数，工控机2所直接处理的就是1一255与0—50这两组整数序列，它们分别对应着摄像机1的快门和增/-其特征还是，初始参数设定模块包括图像平均灰度可以分为5个等级，用于摄像机初始调整，设置初始等级可以由低到高为1、2、3、4、5级30—79，80—109110—139，140—169，170—200;设置摄像机初始化调整条件可以是P^10;在连续h张抓拍的车辆图片中不能定位车牌位置时，摄像机l转入初始化调整；设置摄像机1初始化调整的图片数量可以是P产3，摄像机1处于初始化阶段，在连续P2张抓拍的车辆图片中不能定位车牌位置时，变换图像灰度等级，继续初始化调整；设置精细调整的车牌个数可以是P3=5，每检测到P3个车牌调用一次摄像机快门即增益精细调整；设置车牌正常平均灰度范围可以是85—100;设置车牌正常对比度可以是50;设置摄像机1快门调节步长可以是K,二l，K2=2，K3=4;快门初始设定值可以是S400;增益初始设定值可以是G40。其特征还是，摄像机初始化调整模块是指进入摄像机1初始化调整，首先获取当前摄像机1的快门值和增益值，再计算视频图像的平均灰度，根据计算当前的视频图像平均灰度，可以确定摄像机l属于初始l、2、3、4、5个等级中的某一个等级或者摄像机1不属于任何一个初始等级；如果摄像机1属于5个等级中的某一个等级，那么工控机2等待地感线圈信号，抓拍车辆图片，如果在抓拍的车辆图片中有能够定位到车牌位置的图片，那么工控机2记录当前的摄像机1快门与增益，转入摄像机精细调整阶段；如果在连续P2张抓拍的车辆图片中都不能定位车牌位置时，则把比当前等级低l级的灰度等级作为控制目标，针对快门采用两分法进行调整，使平均灰度进入该等级范围；如果快门调整不能达到目的，对增益采用增益土l法即根据灰度高低进行加减，步长为1，使平均灰度进入该等级范围，并且在抓拍的车辆图片中定位车牌；重复上述过程，直到进入摄像机精细调整阶段。其特征还是，摄像机精细调整模块指的是是当摄像机1处于精细调整阶段时，如果在连续P,张抓拍的车辆图片中不能定位车牌位置，摄像机l自动转入初始化调整；而当检测到P3个蓝色车牌时，工控机2计算车牌区域的平均灰度与对比度；如果平均灰度与对比度都在初始设定的参数要求之内，如灰度在85—100，对比度大于50;工控机2记录并重新发送当前的摄像机快门与增益的控制值，重新等待车辆图像，进入下一轮精细调整之中；如果平均灰度在85—100,而对比度小于50，则工控机2根据平均灰度在85—100中的位置进行摄像机1快门调整，步长为Id，平均灰度偏向100，快门减Kt，平均灰度偏85，快门加Kp增益不用调整，发送新的控制参数到摄像机，重新等待车辆图像，进入下一轮精细调整之中；如果平均灰度不在85—100，对比度大于50，工控机2则根据平均灰度的位置进行摄像机l快门调整，步长为l，平均灰度大于IOO，快门减1(2，平均灰度小于85，快门加K2，发送新的控制参数到摄像机l，重新等待车辆图像，进入下一轮精细调整阶段之中；如果多次调整，快门已经到了设定的上限或者下限，工控机2通过增益土1法进行调整；当增益也调整到极限，则保持所有参数不变；如果平均灰度与对比度都不满足参数的设定范围，工控机2则根据平均灰度的位置进行摄像机1快门调整，步长为K3，平均灰度大于IOO，快门减1(3，平均灰度小于85，快门加K3，发送新的控制参数到摄像机l，重新等待车辆图像，进入下一轮精细调整阶段之中；如果多次调整，快门已经到了设定的上限或者下限，工控机2通过增益土l法进行调整，当增益也调整到极限，则保持所有参数不变。其特征还是，如果摄像机1的调整过程计算出快门与增益都不用改变，那么工控机2将每隔30秒向摄像机1发送与上次相同的控制指令，来保证摄像机1的稳定工作状态。其特征最后是，当通过初始化调整过程或者精细调整过程的计算，需要改变摄像机l的快门或增益时，工控机2将发送调整摄像机快门与增益的控制指令，摄像机1通过主芯片接收控制信号并作出调整以完成整个控制过程。概括地讲就是通过地感线圈的感应信号抓拍车辆图片，然后对摄像机进行初始化调整，获得可以基本定位车牌区域的图像效果，接着分析车牌区域灰度特征，根据精细调整规则与字符识别算法要求确定摄像机快门与增益大小，最后发送控制命令到摄像机进行快门增益控制。本发明具有如下积极效果本发明在技术方案上与现有技术相比的不同点是，1、控制的对象为摄像机的快门与增益，而不是光圈。2、控制的依据是车牌区域的亮度与对比度，而不是图片的整体特征。3、控制的目的是得到全天候稳定清晰的车牌图片，特别是提高特殊光照情况下的图片质量，保证车牌识别的正确率。本发明主要解决了针对车牌识别领域的摄像机控制问题，这种快门加增益的控制方法使得车牌识别技术可以在全天候各种光照条件下应用。与本发明的控制技术相结合的车牌字符识别技术的识别正确率达到95%以上，可以广泛应用于交通与公安等领域。图1是本发明所说的摄像机快门与增益综合控制方法系统工作示意图2是本发明所说的指令模块系统逻辑结构示意图3是本发明所说的摄像机初始化调整模块主要流程示意图4是本发明所说的摄像机精细调整模块主要流程示意图；表1是本发明所说的程序快门值与真实快门值换算表。具体实施例方式结合附图给出实施例。根据图1、表1所示，本发明在图1所示的系统中运行工作，包括以下步骤摄像机1连续采集图像传送到视频采集卡2.1,工控机2根据地感线圈的触发信号通过视频采集卡2.1获取车辆图像，工控机中指令模块通过串口发送控制命令，通过232-485转换器转换为485信号；摄像机控制盒内设主要芯片为单片机AT89C2051和485ECN，接收485信号，单片机AT89C2051根据摄像机通信协议解析控制命令，再通过485ECN芯片把命令转换成235信号传送到摄像机；摄像机中的CCD主芯片接收控制信号并调整摄像机状态；其特征是工控机指令模块中，设置了初始参数设定模块、摄像机初始化调整模块、摄像机精细调整模块；当工控机2根据地感线圈的触发信号通过视频采集卡2.1获取车辆图像后，工控机根据指令模块中的车牌定位控制算法定位车牌、根据车牌亮度与对比度获得摄像机快门与增益控制值。一般来讲工业摄像机都拥有一块主芯片，用来控制摄像机CCD的快门和增益同时该主芯片还可以控制摄像机其它很多项参数。不同的主芯片具有不同的通讯协议，根据这个通讯协议，可以通过计算机向摄像机发送控制命令，来控制摄像机的快门和增益。本实施例中工业摄像机选用S0NYCXD2163芯片用来控制摄像机CCD的快门和增益。在本发明中就是把摄像机快门与增益值均换算到0—255的整数域空间；在控制算法中增益的大小取值范围是0—50，O为最小，50为最大，快门的取值范围是1-255，1为快门最快，255为快门最慢。当控制算法计算完快门增益后，在工控机向摄像机发送控制指令时再把0—255的数值转换为摄像机能够理解的参数，工控机所直接处理的就是1—255与0—50这两组整数序列，它们分别对应着摄像机的快门和增益。以SONYCXD2163芯片为例，当程序发送快门值为7时，对应摄像机的真实快门为十万分之一；发送快门值为39时，对应摄像机的真实快门为两万分之一；发送快门值为54时，对应摄像机的真实快门为万分之一；发送快门值为103时，对应摄像机的真实快门为两千分之一；发送快门值为120时，对应摄像机的真实快门为四百分之一；发送快门值为255时，对应摄像机的真实快门为五十分之一。见下表l:程序快门值与真实快门值之间的换算表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>图2所示初始参数设定模块是指在参数表中预先设定一些必要的控制参数，保证摄像机的调整在一定范围和规则内进行。包括设置快门变化范围，例如白天快门变化范围1—130，130相当于二百五十分之一的快门速度；夜间快门变化范围1一116，116相当于五百分之一的快门速度；设置图像平均灰度可以分为5个等级，用于摄像机初始调整，设置初始等级可以由低到高为1、2、3、4、5级30—79，80—109。110—139，140—169，170—200;设置摄像机初始化调整条件可以是P产10;在连续h张抓拍的车辆图片中不能定位车牌位置时，摄像机转入初始化调整；设置摄像机初始化调整的图片数量可以是Pf3，摄像机处于初始化阶段，在连续P2张抓拍的车辆图片中不能定位车牌位置时，变换图像灰度等级，继续初始化调整；设置精细调整的车牌个数可以是P3=5,每检测到P3个车牌调用一次摄像机快门即增益精细调整；设置车牌正常平均灰度范围可以是85—100;设置车牌正常对比度可以是50;设置摄像机快门调节步长可以是Kfl，K2=2，K3=4;快门初始设定值可以是S400;增益初始设定值可以是G=10。这些初始参数设定是本实施例的参数并不是一成不变的，可以根据经验值随时修改，以保证摄像机的调整在一定范围和规则内进行。图3所示摄像机初始化调整模块是指进入摄像机初始化调整，首先获取当前摄像机的快门值和增益值，再计算视频图像的平均灰度，根据计算当前的视频图像平均灰度，可以确定摄像机属于初始l、2、3、4、5个等级中的某一个等级或者摄像机不属于任何一个初始等级；如果摄像机属于5个等级中的某一个等级，那么工控机等待地感线圈信号，抓拍车辆图片，如果在抓拍的车辆图片中有能够定位到车牌位置的图片，那么工控机记录当前的摄像机快门与增益，转入摄像机精细调整阶段；如果在连续P2张抓拍的车辆图片中都不能定位车牌位置时，则把比当前等级低1级的灰度等级作为控制目标，针对快门采用两分法进行调整，使平均灰度进入该等级范围；如果快门调整不能达到目的，对增益采用增益士l法即根据灰度高低进行加减，步长为1，使平均灰度进入该等级范围，并且在抓拍的车辆图片中定位车牌；重复上述过程，直到进入摄像机精细调整阶段。图4所示摄像机精细调整模块指的是摄像机的快门与增益的调整，本实施例是以蓝色车牌的平均灰度与对比度作为依据进行的。当摄像机处于精细调整阶段时，如果在连续P,张抓拍的车辆图片中不能定位车牌位置，摄像机自动转入初始化调整；而当检测到P3个蓝色车牌时，工控机计算车牌区域的平均灰度与对比度；如果平均灰度与对比度都在初始设定的参数要求之内，例如灰度在85—100，对比度大于50;工控机记录并重新发送当前的摄像机快门与增益的控制值，重新等待车辆图片，进入下一轮精细调整之中；如果平均灰度在85—100，而对比度小于50，则工控机根据平均灰度在85—100中的位置进行摄像机快门调整，步长为ld，平均灰度偏向IOO，快门减Id，平均灰度偏85，快门加ld，增益不用调整，发送新的控制参数到摄像机，重新等待车辆图片，进入下一轮精细调整之中；如果平均灰度不在85—100，对比度大于50，工控机则根据平均灰度的位置进行摄像机快门调整，步长为&，平均灰度大于IOO，快门减K2，平均灰度小于85，快门加K2，发送新的控制参数到摄像机，重新等待车辆图片，进入下一轮精细调整阶段之中；如果多次调整，快门已经到了设定的上限或者下限，工控机通过增益土l法进行调整；当增益也调整到极限，则保持所有参数不变；如果平均灰度与对比度都不满足参数的设定范围，工控机则根据平均灰度的位置进行摄像机快门调整，步长为K"平均灰度大于100，快门减1(3，平均灰度小于85，快门加K3，发送新的控制参数到摄像机，重新等待车辆图片，进入下一轮精细调整阶段之中；如果多次调整，快门己经到了设定的上限或者下限，工控机通过增益土l法进行调整，当增益也调整到极限，则保持所有参数不变。需要说明的是如果摄像机的调整过程计算出快门与增益都不用改变，那么工控机将每隔30秒向摄像机发送与上次相同的控制指令，来保证摄像机的稳定工作状态。当通过初始化调整过程或者精细调整过程的计算，需要改变摄像机的快门或增益时，工控机将发送调整摄像机快门与增益的控制指令，摄像机通过主芯片CXD2163接收控制信号并作出调整以完成整个控制过程。在实际应用案例中，例如上午太阳位于车辆的右前方，车牌属于强逆光现象；对于强逆光，通常情况光圈会向小方向调整，才会避免得到剌眼的路面与车身，但是这样做车牌亮度将降低，导致识别效果显著下降。因此，这里不能像自动光圈那样，把快门控制过小，否则车牌识别将不能完成。采用本发明所述的摄像机快门与增益控制方法后完全达到了车牌字符清晰的图像效果。本发明的工作进程是，第一、接收地感线圈信号获取车辆图片，第二、对摄像机进行初调，达到可以从车辆图片中基本定位车牌区域的图像效果，第三、分析车牌区域的灰度特征，包括亮度与对比度，第四、根据细调规则确定摄像机的快门与增益。第五、发送控制命令到摄像机完成控制。权利要求1、一种基于车牌亮度对比度的摄像机快门与增益综合控制方法，包括以下步骤摄像机[1]根据地感线圈的触发信号采集车辆图片传送到工控机[2]，工控机[2]通过视频采集卡[2.1]采集图像，工控机[2]中指令模块通过串口发送控制命令，通过232-485转换器[3]转换为485信号；摄像机控制盒[4]接收485信号，单片机根据摄像机通信协议解析控制命令，再通过485ECN芯片把命令转换成235信号传送到摄像机[1]；摄像机[1]通过DSPCCD芯片接收控制信号并调整摄像机[1]状态；其特征是工控机[2]指令模块[2.2]中，设置了初始参数设定模块、摄像机初始化调整模块、摄像机精细调整模块；当摄像机[1]根据地感线圈的触发信号采集车辆图像传送到工控机[1]时，工控机[1]通过视频采集卡[2.1]采集图像并根据指令模块[2.2]中的车牌定位控制算法定位车牌、根据车牌亮度与对比度获得摄像机快门与增益控制值。2、根据权利要求1所述的基于车牌亮度对比度的摄像机快门与增益综合控制方法，其特征是把摄像机快门与增益值均换算到0—255的整数域空间；在控制算法中增益的大小取值范围是0—50,O为最小，50为最大，快门的取值范围是1-255,l为快门最快，255为快门最慢。当控制算法计算完快门增益后，在工控机[2]向摄像机[1]发送控制指令时再把0—255的数值转换为摄像机[l]能够理解的参数，工控机[2]所直接处理的就是1—255与0—50这两组整数序列，它们分别对应着摄像机[l]的快门和增益。3、根据权利要求1所述的基于车牌亮度对比度的摄像机快门与增益综合控制方法，其特征初始参数设定模块是指包括图像平均灰度可以分为5个等级，用于摄像机初始调整，设置初始等级可以由低到高为l、2、3、4、5级30—79，80一109。110—139,140—169，170—200;设置摄像机初始化调整条件可以是P产10;在连续h张抓拍的车辆图片中不能定位车牌位置时，摄像机[l]转入初始化调整；设置摄像机[1]初始化调整的图片数量可以是P^3，摄像机[l]处于初始化阶段，在连续P2张抓拍的车辆图片中不能定位车牌位置时，变换图像灰度等级，继续初始化调整；设置精细调整的车牌个数可以是P3=5，每检测到P3个车牌调用一次摄像机快门即增益精细调整；设置车牌正常平均灰度范围可以是85—100;设置车牌正常对比度可以是50;设置摄像机[1]快门调节步长可以是K产1，K2=2，K3=4;快门初始设定值可以是S400;增益初始设定值可以是G-IO。4、根据权利要求1所述的基于车牌亮度对比度的摄像机快门与增益综合控制方法，其特征是摄像机初始化调整模块是指进入摄像机[l]初始化调整，首先获取当前摄像机[l]的快门值和增益值，再计算视频图像的平均灰度，根据计算当前的视频图像平均灰度，可以确定摄像机[l]属于初始1、2、3、4、5个等级中的某一个等级或者摄像机[l]不属于任何一个初始等级；如果摄像机[l]属于5个等级中的某一个等级，那么工控机[2]等待地感线圈信号，抓拍车辆图片，如果在抓拍的车辆图片中有能够定位到车牌位置的图片，那么工控机[2]记录当前的摄像机[l]快门与增益，转入摄像机精细调整阶段；如果在连续P2张抓拍的车辆图片中都不能定位车牌位置时，则把比当前等级低1级的灰度等级作为控制目标，针对快门采用两分法进行调整，使平均灰度进入该等级范围；如果快门调整不能达到目的，对增益采用增益士l法即根据灰度高低进行加减，步长为1，使平均灰度进入该等级范围，并且在抓拍的车辆图片中定位车牌;重复上述过程，直到进入摄像机精细调整阶段。5、根据权利要求1所述的基于车牌亮度对比度的摄像机快门与增益综合控制方法，其特征是摄像机精细调整模块指的是当摄像机[l]处于精细调整阶段时，如果在连续h张抓拍的车辆图片中不能定位车牌位置，摄像机[l]自动转入初始化调整；而当检测到P3个蓝色车牌时，工控机[2]计算车牌区域的平均灰度与对比度；如果平均灰度与对比度都在初始设定的参数要求之内，如灰度在85—100，对比度大于50;工控机[2]记录并重新发送当前的摄像机快门与增益的控制值，重新等待车辆图片，进入下一轮精细调整之中；如果平均灰度在85—100，而对比度小于50，则工控机[2]根据平均灰度在85—100中的位置进行摄像机[l]快门调整，步长为K，平均灰度偏向IOO，快门减Ku平均灰度偏85，快门加ld，增益不用调整，发送新的控制参数到摄像机，重新等待车辆图片，进入下一轮精细调整之中；如果平均灰度不在85—100，对比度大于50，工控机[2]则根据平均灰度的位置进行摄像机[l]快门调整，步长为K2，平均灰度大于100，快门减K2，平均灰度小于85，快门加K2，发送新的控制参数到摄像机[l]，重新等待车辆图片，进入下一轮精细调整阶段之中；如果多次调整，快门已经到了设定的上限或者下限，工控机[2]通过增益土1法进行调整；当增益也调整到极限，则保持所有参数不变；如果平均灰度与对比度都不满足参数的设定范围，工控机[2]则根据平均灰度的位置进行摄像机[l]快门调整，步长为fc，平均灰度大于100，快门减K3，平均灰度小于85，快门加{(3，发送新的控制参数到摄像机[l]，重新等待车辆图片，进入下一轮精细调整阶段之中；如果多次调整，快门已经到了设定的上限或者下限，工控机[2]通过增益土1法进行调整，当增益也调整到极限，则保持所有参数不变。6、根据权利要求1或2所述的基于车牌亮度对比度的摄像机快门与增益综合控制方法，其特征是如果摄像机[l]的调整过程计算出快门与增益都不用改变，那么工控机[2]将每隔30秒向摄像机[1]发送与上次相同的控制指令，来保证摄像机[l]的稳定工作状态。7、根据权利要求1或2所述的基于车牌亮度对比度的摄像机快门与增益综合控制方法，其特征是当通过初始化调整过程或者精细调整过程的计算，需要改变摄像机[l]的快门或增益时，工控机[2]将发送调整摄像机快门与增益的控制指令，摄像机[l]通过主芯片接收控制信号并作出调整以完成整个控制过程。全文摘要本发明公开一种基于车牌亮度对比度的摄像机快门与增益综合控制方法，属智能型车辆信息采集图像处理、车牌自动识别与计算机处理系统领域。工控机指令模块中设置初始参数设定模块、初始化调整模块、精细调整模块；当摄像机根据地感线圈触发信号采集车辆图像传送到工控机时，工控机根据指令模块中的初始化调整模块对摄像机进行初始化调整，获得基本定位车牌区域的图像；分析车牌区域灰度特征，进行精细调整确定摄像机快门与增益大小，最后发送控制命令到摄像机进行快门增益控制，解决了针对车牌识别的摄像机控制问题；使得车牌识别技术可以在全天候各种光照条件下应用，车牌字符识别方法的识别正确率达到95％以上可以广泛应用于交通、公安等领域。文档编号H04N5/232GK101184168SQ200710050920公开日2008年5月21日申请日期2007年12月20日优先权日2007年12月20日发明者欣周,蒋欣荣,赵树龙申请人:四川川大智胜软件股份有限公司