基于顏色和邊緣信息的交通標(biāo)志檢測

摘要：根據(jù)我國交通標(biāo)志的顏色和幾何屬性，提出了一種適用于自然背景下的交通標(biāo)志檢測方法。該方法采用RGB彩色分量差對自然背景下的禁令標(biāo)志圖像進(jìn)行分割，結(jié)合最小二乘法對像素坐標(biāo)進(jìn)行橢圓擬合，再根據(jù)邊界的圓形度參數(shù)判斷是否為圓形區(qū)域。實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性與魯棒性。
關(guān)鍵詞：標(biāo)志檢測；RBG模型；橢圓擬合

0 引言
    據(jù)世界衛(wèi)生組織發(fā)布的“道路安全全球現(xiàn)狀報(bào)告”指出，全球每年高達(dá)127萬人死于交通事故，而隨著我國城市化的進(jìn)展以及汽車的普及，公路交通的安全以及運(yùn)輸效率問題變得日益突出。智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)已經(jīng)成為國內(nèi)外廣泛研究的課題。如何實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場景下的道路交通標(biāo)志識別(Trafic Sign Recognition，TSR)成為ITS的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問題，交通標(biāo)志的自動檢測是對交通標(biāo)志進(jìn)行正確識別的前提，現(xiàn)有的交通標(biāo)志檢測大多基于標(biāo)志圖，針對實(shí)景圖的研究較少，且大多數(shù)算法較為復(fù)雜，實(shí)時(shí)性難以得到保障。同周圍環(huán)境相比，每種交通標(biāo)志都具有顏色和幾何形狀的特殊性，本文利用這個(gè)特點(diǎn)，采用基于顏色信息和基于邊緣特征相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)標(biāo)志的檢測。首先，根據(jù)交通標(biāo)志的顏色特征，在RGB模型下對交通標(biāo)志場景圖進(jìn)行粗分割，得到感興趣區(qū)域，然后采用Can-ny算子提取輪廓，再根據(jù)交通標(biāo)志的幾何特征，利用最小二乘法對輪廓進(jìn)行橢圓擬合，檢測出交通標(biāo)志。對于禁令標(biāo)志、警告標(biāo)志和指示標(biāo)志三種常見的交通標(biāo)志，本文選擇紅色圓形的禁令標(biāo)志進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

1 基于顏色的交通標(biāo)志粗分割
    顏色分割的任務(wù)是將某種特定顏色的像素提取出來，其分割的結(jié)果進(jìn)行一系列的處理后用于下一步交通標(biāo)志的幾何形狀分析，從而達(dá)到交通標(biāo)志檢測的結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，交通標(biāo)志是通過車載攝像頭在行駛過程中拍攝所獲得的。一般為RGB模型，得到的是直接具有R，G，B特征的影像，相比較HSI模型，由于RGB三分量之間有很高的相關(guān)性，使得RGB三分量容易受光照的影響，但不需要進(jìn)行顏色模型之間的轉(zhuǎn)化，使得計(jì)算量大大地減少，而滿足交通標(biāo)志檢測的實(shí)時(shí)性要求。根據(jù)RGB顏色模型的特點(diǎn)，通過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對三分量進(jìn)行簡單的組合運(yùn)算，再進(jìn)行閾值分割，不僅能快速有效地得到感興趣區(qū)域，還能使得分割的效果受光照的影響減小，從而得出一種基于RGB模型的快速交通標(biāo)志粗分割算法，將滿足(1)R—B>25，(2)2G<R+B，(3)R+G+B>175。其中條件(1)，條件(2)為判斷影像中像素主要為紅色，條件(3)表示整個(gè)影像中整體顏色的明暗度。通過大量實(shí)驗(yàn)，將條件(1)的參數(shù)選為25，條件(3)中的參數(shù)選為175，對于滿足上述條件的像素同時(shí)置為0，這樣影像中紅色區(qū)域都為白色，將不符合紅色禁令標(biāo)志顏色特征的區(qū)域從背景中除去，從而得到感興趣區(qū)域，有利于下一步交通標(biāo)志的檢測。分割結(jié)果如圖1所示，從圖中可以看到，即使在光照條件不好的情況下，算法依然能得到較好的分割結(jié)果。

    在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)背景圖片存在其它紅色物體時(shí)，進(jìn)行本文算法對影像顏色分割時(shí)，會產(chǎn)生大量的干擾，許多非紅色禁令標(biāo)志也被分割出來當(dāng)作感興趣區(qū)域，因此在這基礎(chǔ)上，必須利用交通標(biāo)志的幾何特征，對邊緣信息做進(jìn)一步的分析從而確定交通標(biāo)志。

2 基于標(biāo)志邊緣的分割
    本文研究的是以圓形為幾何特征的禁令標(biāo)志的檢測方法，檢測圓形常用的方法有：基于圓形邊緣積分特性的環(huán)路積分微分法、模板匹配法和組合法，Hough變換法等，Hough變換在直線、圓和橢圓的檢測中都有著廣泛的應(yīng)用，其缺點(diǎn)是算法計(jì)算時(shí)間長與儲存量大，不符合交通標(biāo)志檢測中實(shí)時(shí)性的要求，本文利用最小二乘原理完成了對任意位置橢圓的擬合。
2．1 橢圓擬合的基本理論
    處于XY平面內(nèi)任意位置的橢圓可以用下列5個(gè)獨(dú)立參數(shù)來唯一確定：橢圓中心坐標(biāo)(x0，y0)、長軸半徑a、短軸半徑b、長軸與x軸的夾角θ。用數(shù)學(xué)語言可將平面任意位置橢圓的方程表達(dá)為：
   
    這是一個(gè)5元4次非線性方程，通過文獻(xiàn)中的變量代換方法將此復(fù)制的非線性方程變成線性方程。然后根據(jù)下面最小二乘原理，建立橢圓擬合的數(shù)學(xué)模型，獲取代表平面任意位置理想橢圓的5個(gè)特征參數(shù)。
2．2 最小二乘橢圓的擬合
    所謂最小二乘橢圓的擬合，就是當(dāng)在橢圓輪廓上的測量點(diǎn)數(shù)大于最少測點(diǎn)數(shù)5時(shí)，依據(jù)最小二乘法準(zhǔn)則確定“最具代表性”橢圓(或稱理想橢圓)的一種計(jì)算方法。也就是說，用所有測量點(diǎn)到理想橢圓的距離的平方和為最小這一準(zhǔn)則來確定理想橢圓的5個(gè)參數(shù)：x0，y0，a，b和θ。圓形圖像的形狀信息可以由圖形的圓形度這個(gè)特征很好地表達(dá)，所以選用這個(gè)特征作為交通標(biāo)志的形狀分類特征，其定義分別為：圓形度(R0，R0=4πS／L2，S為圓形面積，L為圖形周長，0≤R0≤1。當(dāng)R0越接近1時(shí)，目標(biāo)與圓形的相似度越高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    本文中算法在VC++6．0環(huán)境和OpenCV圖像處理庫下實(shí)現(xiàn)，所用PC配置：CPU T4300 2．10G，內(nèi)存2 GB；圖像大小為：720×576。進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。—些實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。系統(tǒng)對含有較小的光照變化、旋轉(zhuǎn)、模糊及形變的交通標(biāo)志的正確識別率可達(dá)93％。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是針對由車載攝像頭所拍攝的影像，當(dāng)車速很快或路面顛簸時(shí)，由于獲取圖像的質(zhì)量變差，而使得識別準(zhǔn)確率大大下降。