自适应遗传算法在车牌定位中的应用.doc

1、自适应遗传算法在车牌定位中的应用课程名称： 最优化理论及应用姓 名： 刘家明学 号： 201111856学 院： 信息工程学院专 业： 集成电路工程年 级： 2011 级目录目录 .21. 引言 .42. 图 像 预 处 理 .43. 车 牌 特 征 提 取 .54. 基 于 AGA 的 车 牌 粗 定 位 .6(1) 遗 传 算 法 原 理 .7(2) 改 进 自 适 应 遗 传 算 法 车 牌 定 位 .75. 结束语 .10参考文献 .11摘 要 : 车 牌 自 动 识 别 是 现 代 智 能 交 通 的 重 要 组 成 部 分 , 而 车 牌 定 位 技 术 又 是 车 牌 识别 系

2、统 的 核 心 之 一 。 由 于 传 统 的 定 位 算 法 存 在 适 应 性 差 , 鲁 棒 性 不 强 的 问 题 , 提 出 一种 基 自 适 应 遗 传 算 法 的 车 牌 定 位 方 法 。 先 用 最 大 类 间 方 差 法 ( OTSU ) 对 车 牌 图 像 进行 二 值 化 , 然 后 利 用 遗 传 算 法 对 全 图 进 行 车 牌 特 征 匹 配 搜 索 ,结 合 区 域 特 征 向 量 构 造 的 适应 度 函 数 , 最 终 找 到 车 牌 区 域 的 最 佳 定 位 参 量 。 测 试 结 果 表 明 , 该 算 法 适 应 性 强 , 定位 效 果 很 好

3、。关 键 词 : 车 牌 定 位 ; 遗 传 算 法 ; 最 大 类 间 方 差 法 ; 纹 理 提 取Abstract License Plate Recognition(LPR) plays an important role in Intelligent Transportation System and the license plate locating is the critical technique in the LPR. Because the traditional locating algo rithm is not adaptive or robust ,this pa

4、per proposed car license plate thick locating method based on the Adaptive Genetic Algor ithm( AGA ). First, use OTSU method to make license plate image binarization, and then use genetic algorithm to map the entire license plate matching search feature. With a fitness function formed by the area ch

5、aracter vector, the optimal locating parameter of the plate area wasfound. It is proved by experiment that this locating method is strong and the locating effect is very good.Key words: license plate location; gene tic a lgo rithm; OTSU; texture ex traction1. 引言车 牌 的 自 动 识 别 是 计 算 机 视 觉 、 图 像 处 理 与

6、模 式 识 别 技 术 在 智 能 交 通 领 域 应用 的 重 要 研 究 课 题 之 一 , 是 实 现 交 通 管 理 智 能 化 的 重 要 环 节 , 主 要 包 括 车 牌 定位 、 字 符 分 割 和 字 符 识 别 等 环 节 。 其 中 , 车 牌 定 位 在 整 个 系 统 中 占 有 非 常 重 要的 地 位 , 可 以 说 是 整 个 车 牌 自 动 识 别 系 统 的 关 键 。目 前 对 车 辆 牌 照 定 位 算 法 主 要 有 以 下 几 种 方 法 1 : 基 于 图 像 彩 色 信 息 的方 法 ; 基 于 纹 理 分 析 的 方 法 ; 基 于 边 缘 检

7、 测 的 方 法 ; 基 于 数 学 形 态 学 的 方 法 ; 基 于 遗 传 算 法 的 定 位 ; 基 于 神 经 网 络 的 车 牌 定 位 等 。然 而 , 现 有 车 牌 定 位 算 法 普 遍 存 在 两 大 难 题 : 1) 复 杂 的 背 景 干 扰 , 很 难 提取 出 适 应 各 种 情 况 的 车 牌 特 征 。 2)实 拍 车 牌 图 像 容 易 受 天 气 、 光 照 、 车 牌 污 损等 外 部 因 素 的 影 响 , 使 车 牌 区 域 的 图 像 相 对 于 全 图 有 较 大 的 退 化 而 难 以 识 别 。本 文 提 出 一 种 基 于 改 进 遗 传

8、算 法 的 车 牌 定 位 方 法 , 在 一 定 程 度 上 较 好 地 解 决 了这 两 个 问 题 , 使 定 位 的 可 适 应 性 大 大 提 高 。 通 过 OTSU 对 车 牌 图 像 进 行 二 值 化 , 用 一 组 一 维 滤 波 器 获 得 理 想 的 车 牌 特 征 描 述 向 量 , 结 合 遗 传 算 法 高 效 、 快 速 的特 点 在 全 图 范 围 进 行 特 征 匹 配 搜 索 最 佳 车 牌 区 域 位 置 , 从 而 准 确 定 位 车 牌 。2. 图 像 预 处 理图 像 预 处 理 是 车 牌 定 位 的 前 提 , 预 处 理 结 果 的 好 坏

9、直 接 影 响 车 牌 定 位 的 准确 性 。 由 于 车 牌 定 位 是 基 于 二 值 图 像 , 因 此 先 要 对 彩 色 图 像 进 行 灰 度 化 和 二 值化 处 理 。 首 先 将 彩 色 图 像 转 换 为 灰 度 图 像 , 采 用 标 准 的 转 化 方 法 ：f ( x, y ) = 0. 3R ( x, y ) + 0. 59G ( x, y ) + 0. 11B ( x, y ) ( 1)车 辆 的 图 像 一 般 都 是 通 过 安 装 在 路 口 或 收 费 站 的 CCD摄 像 机 采 集 , 受 到 环境 的 影 响 很 大 。 因 此 , 在 二 值 化

10、 时 不 能 采 用 简 单 的 固 定 阀 值 , 这 里 选 择 经 典 的OTSU 方 法 来 实 现 二 值 化 。 OTSU是 1972年 提 出 的 最 大 类 间 方 差 法 , 一 直 被 认为 是 阀 值 自 动 选 择 方 法 中 的 最 优 方 法 。 如 图 1所 示 , 图 1( a)为 原 始 灰 度 图 , 由于 光 线 很 暗 , 很 难 辨 清 车 牌 的 字 符 , 图 1( b)是 该 图 的 OTSU 二 值 化 后 的 图 , 从中 可 看 出 OTSU 二 值 化 效 果 很 明 显 。图 1 OTSU 二 值 化3. 车 牌 特 征 提 取从 人

11、的 视 觉 特 点 出 发 , 车 牌 目 标 区 域 具 有 如 下 特 点 :1) 车 牌 底 色 往 往 与 车身 颜 色 、 字 符 颜 色 有 较 大 差 异 。 2)不 同 图 像 中 牌 照 的 具 体 大 小 、 位 置 不 确 定 , 但 其 长 度 比 变 化 有 一 定 范 围 , 存 在 一 个 最 大 和 最 小 长 宽 比 。 根 据 这 些 特 点 , 可以 在 灰 度 图 像 的 基 础 上 提 取 相 应 的 特 征 。 3) 车 牌 内 字 符 之 间 的 间 隔 比 较 均 匀 , 字 符 和 牌 照 底 色 在 灰 度 值 上 存 在 跳 变 , 而 字

12、 符 本 身 与 牌 照 底 的 内 部 都 有 较 均 匀灰 度 。 4 )车 牌 有 一 个 连 续 或 由 于 磨 损 而 不 连 续 的 边 框 , 车 牌 内 字 符 有 多 个 , 基本 呈 水 平 排 列 , 所 以 在 牌 照 的 矩 形 区 域 内 存 在 较 丰 富 的 边 缘 , 呈 现 出 规 则 的 纹理 特 征 。二 值 化 的 车 牌 图 像 的 显 著 特 征 是 字 符 纹 理 特 征 。 纹 理 特 征 描 述 方 法 一 般 分 为三 大 类 : 结 构 法 、 谱 方 法 和 统 计 法 。 实 际 中 常 用 到 的 是 多 尺 度 滤 波 技 术 ,

13、 使 用滤 波 器 组 来 获 取 图 像 纹 理 特 征 向 量 。 由 于 二 值 化 的 车 牌 图 像 纹 理 特 征 主 要 集 中在 水 平 方 向 上 , 体 现 的 是 具 有 一 定 疏 密 度 的 黑 白 像 素 分 布 , 因 此 ,可 以 通 过 采 用反 映 不 同 疏 密 度 的 一 维 滤 波 器 组 在 水 平 方 向 上 对 二 值 图 像 进 行 滤 波 获 得 车 牌 图像 的 纹 理 特 征 。 算 法 中 用 3个 一 维 滤 波 器 来 进 行 车 牌 二 值 图 像 的 纹 理 特 征 提 取 :1012/23L由 于 车 牌 区 域 图 像 纹

14、理 特 征 具 有 空 间 分 布 的 均 匀 性 , 对 滤 波 后 的 图 像 用 其 标准 偏 差 Ri 来 表 示 其 纹 理 特 征 值 :( 3)21|(,)|imnfxyu式 中 f( x, y ) 为 图 像 数 据 u 为 图 像 的 平 均 能 量 :( 4)1|(,)|mnfxy这 样 就 可 以 得 到 车 牌 区 域 的 特 征 描 述 向 量 :( 5)123T通 过 对 待 定 局 部 区 域 图 像 进 行 滤 波 处 理 获 得 其 特 征 向 量 T, 将 其 与 车 牌 特 征描 述 向 量 进 行 比 较 就 能 得 到 该 区 域 作 为 车 牌 区

15、的 可 能 性 。4. 基 于 AGA 的 车 牌 粗 定 位车 牌 提 取 是 一 个 寻 找 最 符 合 牌 照 特 征 区 域 的 过 程 , 本 质 上 讲 , 就 是 一 个 在参 量 空 间 里 寻 找 最 优 解 的 问 题 , 而 寻 找 参 量 空 间 的 全 局 最 优 解 恰 恰 是 遗 传 算 法最 擅 长 的 。(1) 遗 传 算 法 原 理遗 传 算 法 是 模 拟 达 尔 文 的 遗 传 选 择 和 自 然 淘 汰 的 生 物 进 化 过 程 的 计 算 模 型 。它 的 思 想 源 于 生 物 遗 传 学 和 适 者 生 存 的 自 然 规 律 , 是 具 有

16、/ 生 存 +检 测 0的 迭 代过 程 的 搜 索 算 法 。 遗 传 算 法 以 一 种 群 体 中 的 所 有 个 体 为 对 象 , 并 利 用 随 机 化 技术 指 导 对 一 个 被 编 码 的 参 数 空 间 进 行 高 效 搜 索 4。 其 中 , 选 择 、 交 叉 和 变 异构 成 了 遗 传 算 法 的 遗 传 操 作 ; 参 数 编 码 、 初 始 群 体 的 设 定 、 适 应 度 函 数 的 设 计 、遗 传 操 作 设 计 、 控 制 参 数 设 定 五 个 要 素 组 成 了 遗 传 算 法 的 核 心 内 容 。 遗 传 算 法中 常 用 的 遗 传 操 作

17、有 选 择 、 交 叉 和 变 异 : 选 择 算 子 ( selection /reproduction) 从群 体 中 按 某 一 概 率 成 对 选 择 个 体 , 某 个 体 X i 被 选 择 的 概 率 P i 与 其 适 应 度 值成 正 比 。 交 叉 算 子 ( rossover) 将 被 选 中 的 两 个 个 体 的 基 因 链 按 概 率 Pc 进 行交 叉 , 生 成 两 个 新 的 个 体 , 交 叉 位 置 是 随 机 的 。 其 中 Pc 是 一 个 系 统 参 数 。 变异 算 子 (Mutation) 将 新 个 体 的 基 因 链 的 各 位 按 概 率

18、Pm 进 行 变 异 。(2) 改 进 自 适 应 遗 传 算 法 车 牌 定 位标 准 遗 传 算 法 本 身 存 在 着 GA 的 早 熟 即 过 早 收 敛 于 局 部 值 等 缺 陷 。 过 早 收敛 在 传 统 的 遗 传 算 法 中 很 普 遍 , 而 且 难 于 克 服 , 这 给 遗 传 算 法 的 应 用 带 来 了 很大 的 不 便 。遗 传 算 法 的 参 数 中 交 叉 概 率 Pc 和 变 异 概 率 Pm 的 选 择 是 影 响 遗 传 算 法 行为 和 性 能 的 关 键 所 在 , 直 接 影 响 算 法 的 收 敛 性 , Pc 越 大 , 新 个 体 产 生

19、 的 速 度 就越 快 。 然 而 , Pc 过 大 时 遗 传 模 式 被 破 坏 的 可 能 性 也 越 大 , 使 得 具 有 高 适 应 度 的个 体 结 构 很 快 就 会 被 破 坏 ; 但 是 如 果 P c 过 小 , 会 使 搜 索 过 程 很 慢 , 以 至 停 滞不 前 。 对 于 变 异 概 率 Pm , 如 果 Pm 过 小 , 就 不 易 产 生 新 的 个 体 结 构 ; 如 果Pm 取 值 过 大 , 那 么 遗 传 算 法 就 变 成 了 纯 粹 的 随 机 概 率 搜 索 算 法 。 针 对 不 同 的优 化 问 题 , 需 要 反 复 实 验 来 确 定

20、P c 和 Pm , 这 是 一 个 繁 琐 的 工 作 , 而 且 很 难找 到 适 合 每 个 问 题 的 最 佳 值 。 Srinvivas 等 提 出 一 种 自 适 应 遗 传 算 法 ( Adaptive GA, AGA ), Pc 和 Pm 能 够 随 个 体 的 适 应 度 自 动 改 变 。在 自 适 应 遗 传 算 法 中 , 交 叉 概 率 Pc 和 变 异 概 率 Pm 按 如 下 公 式 自 适 应 调整 :max12,6avgvgcfkfp其 中 : fma x 群 体 中 最 大 适 应 度 值 ; f avg 每 代 群 体 的 平 均 适 应 值 ; f c

21、要 交 叉的 两 个 个 体 中 较 大 适 应 值 ; f 要 变 异 个 体 的 适 应 度 值 ;k 1, k 2, k 3, k4 在 0, 1 取 值 。从 以 上 公 式 可 以 看 出 , 当 适 应 度 值 越 接 近 最 大 适 应 度 值 ,Pc 和 Pm 的 值 就越 小 ; 当 等 于 最 大 适 应 度 值 时 , P c 和 Pm 的 值 为 零 。 这 种 调 整 Pc 和 Pm 的方 法 对 于 群 体 处 于 进 化 后 期 时 比 较 合 适 , 因 为 在 进 化 后 期 , 群 体 中 每 个 个 体 基本 上 表 现 出 较 优 的性 能 , 这 时

22、不 宜 对 个 体 进 行 较 大 的 变 化 以 免 破 坏 了 个 体 的 优 良 性 能 结 构 ; 但 是这 种 调 整 方 式 对 于 群 体 处 于 进 化 初 期 阶 段 就 使 得 进 化 过 程 略 显 缓 慢 , 因 为 在 进化 初 期 阶 段 群 体 中 的 较 优 良 的 个 体 几 乎 处 于 一 种 不 发 生 变 化 的 状 态 , 而 此 时 的优 良 个 体 不 见 得 是 优 化 问 题 的 全 局 最 优 解 , 这 容 易 使 进 化 走 向 局 部 最 优 解 的 可能 性 增 加 。针 对 以 上 问 题 对 Pc 和 Pm 做 如 下 改 进 ,

23、 使 群 体 中 最 大 适 应 值 的 个 体 的 Pc 和 Pm 不 为 零 , 分 别 提 高 到 P c1 和 Pc2。 12max1()(),8,cavgavgccavgpfff12max()(),9,mavgvgpffpf其 中 : p c1 = 0. 9、 p c2 = 0. 6、 pm 1 = 0. 1、 pm 2 = 0. 01。这 样 就 相 应 地 提 高 了 群 体 中 表 现 优 良 的 个 体 的 Pc 和 Pm ,使 得 他 们 不 会 处于 一 种 近 乎 停 滞 不 前 的 状 态 。 因 此 , 自 适 应 的 P c 和 Pm 能 够 提 供 相 对 某

24、个 解的 最 佳 P c 和 Pm 。 改 进 自 适 应 遗 传 算 法 在 保 证 群 体 多 样 性 的 同 时 , 保 证 遗传 算 法 的 收 敛 性 。 车 牌 搜 索 范 围 为 整 幅 图 像 , 可 变 的 参 量 有 车 牌 子 图 像 的 位 置 ( x, y ), 以 及 车 牌 区 域 的 宽 度 和 高 度 (w idth, heigh t), 这 样 序 列 ( x, y, w id th, heigh t) 唯 一 确 定 车 牌 可 能 的 区 域 。 实 际 中 车 牌 的 大 小 固 定 在 一 个 范 围 之 内 , 我 们 固 定 待 定 车 牌 区

25、域 的 大 小 (w idth, height), 具 体 大 小 由 实 际 情 况 来 确 定 (实际 中 我 们 取 的 是 ( 155, 55) )。 一 般 情 况 下 的 取 值 比 图 像 中 车 牌 实 际 区 域 大 小 要大 一 些 。 在 精 确 定 位 中 要 过 滤 掉 这 些 多 余 的 非 车 牌 区 域 。 在 遗 传 计 算 中 采 用 了联 赛 选 择 算 子 。 由 于 二 进 制 编 码 的 局 部 搜 索 能 力 较 差 , 因 此 , 直 接 采 用 二 维 实数 编 码 X ni ,Yni 。 针 对 实 数 编 码 采 用 算 术 交 叉 算 子

26、 。 算 术 交 叉 算 子 与 一 般 的交 叉 算 子 的 差 别 在 于 , 算 术 交 叉 并 不 是 简 单 的 / 基 因 0 交 换 , 而 是 对 / 基 因 0 进 行 线 性 组 合 。 交 叉 算 子 如 下 :11222()10()childparentparent其 中 : 是 ( 0, 1) 间 均 匀 分 布 的 随 机 变 量 。 为 了 简 化 变 异 操 作 ,变 异 采 用 了直 接 产 生 一 个 新 个 体 来 代 替 要 变 异 的 个 体 , 而 个 体 是 否 要 变 异 由 Pm 决 定 。接 下 来 就 是 根 据 在 待 定 区 域 获 得

27、 的 纹 理 特 征 向 量 , 将 其 与 车 牌 的 纹 理 特 征向 量 进 行 比 较 就 能 得 到 该 待 定 区 域 为 车 牌 区 的 可 能 性 。 距 离 度 量 为 :|1igiid其 中 : 是 实 际 根 据 车 牌 区 域 统 计 得 到 的 纹 理 特 征 向 量 , 为 待 定 区 域 计 算gi i得 到 的 纹 理 特 征 向 量 。 搜 索 过 程 中 当 有 最 优 个 体 特 征 矢 量 距 离 差 d 0. 01 时 , 认 为 找 到 车 牌 区 域 , 算 法 停 止 。 图 2 为 用 自 适 应 遗 传 算 法 定 位 的 车 牌 结 果 。

28、图 2 遗 传 算 法 定 位 的 车 牌5. 结束语车 牌 定 位 是 车 辆 牌 照 自 动 识 别 系 统 中 的 关 键 和 难 点 , 实 际 图 像 中 的 噪 声 、复 杂 的 背 景 等 干 扰 都 会 使 定 位 十 分 困 难 。经 典 遗 传 算 法 本 身 存 在 着 早 熟 ( 过 早 收 敛 于 局 部 最 优 值 ) 等 缺 陷 , 而 改 进的 自 适 应 遗 传 算 法 能 根 据 个 体 的 适 应 值 自 动 调 整 算 法 中 的 交 叉 概 率 Pc 和 变 异概 率 Pm 值 的 大 小 , 在 保 证 群 体 多 样 性 的 同 时 , 保 证 遗 传 算 法 的 收 敛 性 , 很 好地 解 决 了 早 熟 问 题 。 如 果 可 以 ， 再 结 合 水 平 和 垂 直 投 影 的 方 法 , 车 牌 定 位 很 成功 。