基于matlab的交通標(biāo)志檢測技術(shù)研究

吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 林巧玉 林 哲 謝 強(qiáng) 楊 圣 鐘宜軒

基于matlab的交通標(biāo)志檢測技術(shù)研究

吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 林巧玉 林 哲 謝 強(qiáng) 楊 圣 鐘宜軒

交通標(biāo)志檢測技術(shù)的研究，對于現(xiàn)代智能交通的發(fā)展具有重大意義。文中提出一種基于顏色檢測的算法，首先，將原彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，同時，利用RGB顏色模型中的閾值分割將原圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，然后通過Canny算子實現(xiàn)邊緣檢測，再對邊緣檢測結(jié)果進(jìn)行封閉區(qū)域填充處理并再次進(jìn)行邊緣檢測，從而得到目標(biāo)區(qū)域的坐標(biāo)范圍，進(jìn)而實現(xiàn)圖像中交通標(biāo)志部分的準(zhǔn)確定位，最后通過圖像之間的算術(shù)運算去除背景，完成交通標(biāo)志的檢測。實驗結(jié)果表明，該算法可以快速準(zhǔn)確地檢測出圖像中的交通標(biāo)志，準(zhǔn)確率達(dá)到93．75%，具有速度快，準(zhǔn)確度好，易于理解和實現(xiàn)等優(yōu)點。

交通標(biāo)志檢測；RGB顏色模型；閾值分割；Canny算子

1 引言

對于交通標(biāo)志來說，顏色是其檢測的最顯著的特征之一。對交通標(biāo)志通常會采用顏色進(jìn)行初步檢測，因為交通標(biāo)志的背景顏色主要包括紅色、藍(lán)色和黃色。其中紅色邊緣表示的是禁止標(biāo)志，黑色邊緣加黃色內(nèi)部表示的是警告標(biāo)志，藍(lán)色底面上添加白色圖案的表示的是指示標(biāo)志。

在融合交通標(biāo)志圖像的顏色特征以及形狀特征的基礎(chǔ)上，本文實現(xiàn)了交通標(biāo)志圖像的快速檢測。算法流程如圖1所示，對于交通標(biāo)志的形狀的檢測首先通過Canny算子進(jìn)行邊緣分割，對邊緣檢測結(jié)果進(jìn)行封閉區(qū)域填充，二次邊緣檢測后可得到目標(biāo)區(qū)域的坐標(biāo)范圍，從而定位出目標(biāo)區(qū)域，最后去除背景完成交通標(biāo)志的檢測。

圖1 算法流程圖

2 顏色檢測

RGB顏色空間是圖像處理領(lǐng)域中最常用的顏色檢測彩色空間。通過紅、綠和藍(lán)三個顏色通道的變化和相互疊加得到各種顏色。當(dāng)三基色都為最小值時，總體表現(xiàn)顏色為黑色，當(dāng)三基色都為最大值時，總體表現(xiàn)顏色為白色。RGB顏色空間是最基礎(chǔ)的顏色空間之一，它也是由相機(jī)采集到的圖像中最原始的色彩空間，如果交通標(biāo)志檢測的實時性要求比較高，RGB空間是最好的選擇，因為它不需要任何的變化就可以直接對圖像進(jìn)行處理。

基于顏色的閾值分割方法中，閾值的選取是最關(guān)鍵的一步，用于交通標(biāo)志顏色分割的閾值要根據(jù)交通標(biāo)志的設(shè)計顏色來選取。在RGB空間中，交通標(biāo)志分割方法采用紅、藍(lán)、綠三通道的差值進(jìn)行區(qū)域分割。雖然各個通道易受光照影響，但是三通道的差值卻具有較強(qiáng)的獨立性。通過這種方法中，參照文獻(xiàn)[1]中的基于差值的閾值分割模型，并將其中的[0,1]范圍內(nèi)的像素值取值范圍擴(kuò)充至[0,255]，多次實驗后得到修正的分割閾值，根據(jù)三通道的分量差提取相應(yīng)的紅、黃、藍(lán)區(qū)域，得到閾值分割公式如公式（1）所示。

對原圖像進(jìn)行顏色檢測以及轉(zhuǎn)換為灰度圖像后所得的圖像如圖2所示，在接下來的邊緣檢測之前，對顏色檢測結(jié)果中連通區(qū)域小于25*25的面積塊進(jìn)行去除，以達(dá)到去噪目的。

圖2 圖像的初步處理

3 邊緣檢測

邊緣檢測算子常用的有Canny算子、Roberts算子、Prewitt算子、Sobel算子等。Roberts算子定位比較精確，但由于不包括平滑過程，對噪聲比較敏感；Prewitt算子是平均濾波，Sobel算子是加權(quán)平均濾波，兩者對灰度漸變低噪聲的圖像檢測效果較好，但對于混合多復(fù)雜噪聲圖像處理效果并不理想。綜合考慮，本文采取Canny算子進(jìn)行邊緣檢測，Canny算子具有濾波、增強(qiáng)效果的特性，無論從視覺效果還是客觀評價來看，提取的邊緣線性連接程度也很好，對線類邊緣的提取比較完整，而且更加細(xì)膩。

3.1 Canny算子邊緣檢測原理

對于圖像的邊緣檢測需要滿足兩個條件：一是能夠有效地抑制噪聲；二是盡量精準(zhǔn)的確定邊緣的位置。Canny算子邊緣檢測過程如下：

第一步：去除噪聲。通常的邊緣檢測算法對噪聲都非常敏感，所以去除噪聲很有必要。將原圖像與高斯平滑模板作卷積來平滑圖像，得到的圖像與原圖像相比會有些輕微的模糊。高斯函數(shù)平滑函數(shù)如公式（2）所示：

第二步：計算圖像梯度的幅度和方向。圖像中的邊緣可能會指向不同的方向，所以Canny算子使用2個掩模分別檢測水平、垂直方向的邊緣，兩個方向上的掩模模板如圖3所示。

圖3 方向掩模模板

其梯度幅值及方向的表達(dá)式分別如公式（3）、（4）所示：

當(dāng)我們知道了梯度方向后，可以以45度角劃分邊緣方向為8個方向，得到如圖4所示的邊緣梯度方向示意圖。

圖4 邊緣梯度方向示意圖

3.2 目標(biāo)區(qū)域的檢測

首先對完成顏色檢測的圖像進(jìn)行第一次Canny邊緣檢測，檢測結(jié)果如圖5(a)所示，然后對邊緣檢測結(jié)果進(jìn)行孔洞填充，如圖5(b)所示，再對填充圖像進(jìn)行二次Canny邊緣檢測，得到待檢測標(biāo)志的外邊緣，結(jié)果如圖5(c)所示。

圖5 Canny算子邊緣檢測結(jié)果圖示

圖6 交通標(biāo)志部分初步提取

圖7 最終檢測結(jié)果圖示

為得到更好的檢測結(jié)果圖示，我們結(jié)果6（c）進(jìn)行去除背景的處理。首先，對圖6(b)取反得到圖7(a)，將圖6(c)與圖7(a)相加得到最終輸出的檢測圖像，如圖7(b)所示。

4 實驗結(jié)果及分析

實驗在Inter Pentium5的處理器，CPU2.4GHz和內(nèi)存為4GB的條件下進(jìn)行，利用Matlab7.0編程仿真實現(xiàn)對交通標(biāo)志的檢測。實驗中對80個交通標(biāo)志進(jìn)行檢測，正確檢測到的標(biāo)志的數(shù)目為75個，正確率達(dá)到93.75%。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，在顏色的檢測過程中，對于黑色邊緣黃色內(nèi)部表示的警告標(biāo)志，以及藍(lán)色底面白色圖案的指示標(biāo)志的檢測可以達(dá)到較好效果，尤其是藍(lán)底白案的指示標(biāo)志，由于其只有兩種顏色，檢測既準(zhǔn)確又快速，如圖8所示；而紅色邊緣表示的禁止標(biāo)志，尤其有些交通標(biāo)志內(nèi)部是黑色的指示圖案，可能在RGB模型將圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像后造成較大干擾，這時再利用Canny算子邊緣檢測可以準(zhǔn)確檢測出交通標(biāo)志圖像，如圖9所示。

實驗結(jié)果表明,采用本文的算法對交通標(biāo)志圖像進(jìn)行檢測,該檢測算法可以準(zhǔn)確快速地識別出交通標(biāo)志圖像，滿足準(zhǔn)確性、實時性要求，并能達(dá)到較好的效果。部分檢測結(jié)果圖如圖8——圖10所示，圖中(a)表示原彩色圖像、(b)表示顏色檢測后得到的二值圖像、(c)表示Canny算子邊緣檢測后圖像、(d)表示圖像中提取的目標(biāo)區(qū)域、(e)表示最后的輸出檢測結(jié)果圖像。

圖8 指示標(biāo)志檢測結(jié)果

圖9 禁止檢測結(jié)果

圖10 限速標(biāo)志檢測結(jié)果

5 總結(jié)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能交通這一概念也相應(yīng)被提出，交通標(biāo)志的有效檢測是智能交通發(fā)展的必然要求。本文通過分析圖像的顏色信息，完成了對交通標(biāo)志的檢測，針對不同的圖像，用Matlab軟件進(jìn)行了檢測，且效果較好。通過實驗也可以發(fā)現(xiàn)，基于顏色的檢測，也存在著一些不足之處。由于我們所實現(xiàn)的檢測均是用相機(jī)所拍攝的靜止的圖像，若輸入的為動態(tài)的圖像，則有運動模糊、陰影或高光等的因素都需要被考慮，在今后的研究中還應(yīng)對這些方面進(jìn)行更深入研究。

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宋海龍。

吉首大學(xué)2014年大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實驗計劃項目。