基于圖像識別的公交智能語音報(bào)站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王宜仁+李長凱+陳潤+嚴(yán)冬

【摘 要】提出了一種基于圖像識別技術(shù)的公交智能語音報(bào)站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。通過安裝在車輛前端的CCD攝像頭來獲取相距公交站臺一定距離的地面標(biāo)志符，經(jīng)過圖像識別技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)處理，獲取的路面圖像并識別地面標(biāo)志符，然后啟動(dòng)對應(yīng)站點(diǎn)的語音播報(bào)及LED屏提示系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)公交車智能語音報(bào)站。實(shí)物作品仿真實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確識別并正確播報(bào)公交站臺。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；圖像識別；地面標(biāo)識符

一、研究背景

目前，公交車報(bào)站系統(tǒng)主要有人工觸發(fā)語音報(bào)站器、無線信標(biāo)語音報(bào)站器和GPS自動(dòng)語音報(bào)站器等類型。

（一）人工觸發(fā)語音報(bào)站器

由駕駛員控制按鍵進(jìn)行語音報(bào)站，通過內(nèi)定程序來檢測按鍵次數(shù)來播報(bào)各站。需要人工參與，司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度過大，易分精力，有一定的局限性，效率較低。

（二）無線信標(biāo)語音報(bào)站器

在每個(gè)公交車站牌處設(shè)置發(fā)射信標(biāo)點(diǎn)，當(dāng)公交車臨靠近站點(diǎn)時(shí)會(huì)收到此站點(diǎn)信標(biāo)信號，公交車自動(dòng)播報(bào)當(dāng)前站點(diǎn)，離開站點(diǎn)后信號消失則進(jìn)行預(yù)報(bào)下一站點(diǎn)，此報(bào)站器需要每個(gè)站點(diǎn)都組建無線發(fā)射信標(biāo)，工程浩大、代價(jià)過高，當(dāng)公交車數(shù)量多時(shí)各公交車之間會(huì)因?yàn)樾盘柕慕邮懿煌嬖陬l率干擾，影響正常報(bào)站。

（三）GPS自動(dòng)語音報(bào)站器

這種報(bào)站器是在公交車上安裝GPS定位系統(tǒng)來自動(dòng)識別站點(diǎn)位置并且播報(bào)各個(gè)站點(diǎn)。無線衛(wèi)星定位雖說報(bào)站精準(zhǔn)，無須人工操作，無須建設(shè)任何車外設(shè)施，但是價(jià)格過于昂貴，目前無法普及。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

公交車通常按照特定路線行駛，在到達(dá)每一站點(diǎn)之前會(huì)提前播報(bào)到站提示語音，在駛離當(dāng)前站點(diǎn)后會(huì)播報(bào)下一站點(diǎn)的提示語音。基于這種情況，可以先對公交站點(diǎn)進(jìn)行處理。

具體處理方法：距離某個(gè)站點(diǎn)前500米的路面設(shè)置特定的路面標(biāo)識符。在公交車前端先安裝CCD攝像頭[1]，實(shí)時(shí)獲取路面圖像，同時(shí)單片機(jī)會(huì)對獲取的圖像進(jìn)行處理，將獲得圖像數(shù)據(jù)與單片機(jī)內(nèi)定程序進(jìn)行對比，如果符合事先寫入單片機(jī)的標(biāo)識符特征信息就觸發(fā)相應(yīng)的語音播報(bào)系統(tǒng)。當(dāng)公交車到達(dá)站點(diǎn)前識別到路面標(biāo)識符就進(jìn)行播報(bào)相應(yīng)語音提示信息，離開站點(diǎn)后播報(bào)下一站點(diǎn)相應(yīng)語音提示信息[2]，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（一）建立路面模擬標(biāo)識符

路面標(biāo)識符建立會(huì)直接影響公交車在行駛過程中攝像頭識別的準(zhǔn)確率。選取路面標(biāo)識符方法如下：在距離站點(diǎn)前一定距離的路面印上長度為50cm、寬度為25cm的白色矩形（矩形的大小要根據(jù)實(shí)際情況選取）作為模擬的路面標(biāo)識符。

（二） 圖像處理

公交車在行駛過程中，攝像頭采集的路面信息會(huì)實(shí)時(shí)經(jīng)過單片機(jī)的處理，從而獲取路面圖像數(shù)據(jù)。圖像處理過程包括圖像濾波、二值化、邊緣檢測等。以下圖像是根據(jù)全國大學(xué)生“飛思卡爾”智能車的賽道由攝像頭采集的圖像[3]，用來模擬現(xiàn)實(shí)路面。

對二值化圖像中標(biāo)識符的識別過程如下：二值化后數(shù)據(jù)“0”代表黑色，數(shù)據(jù)“1”代表白色。假設(shè)攝像頭的分辨率為180*120。其中的180、120分別代表圖像的列數(shù)、行數(shù)。實(shí)驗(yàn)中為了提高圖像的真實(shí)性應(yīng)盡量選擇中間部分，在對圖像的預(yù)處理上，舍棄圖像邊緣部分的部分行和列，在模擬試驗(yàn)中選取第70行～第100行、第10列～第170列作為圖像處理區(qū)域。單片機(jī)會(huì)對攝像頭采集回來的圖像進(jìn)行逐行掃描，160列代表了160個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)有黑白之分，而標(biāo)識符在圖像中是一塊黑色的區(qū)域，也就是說如果攝像頭采集的圖像中有一塊像素點(diǎn)均為黑色，且這塊像素點(diǎn)的寬度符合事先寫入單片機(jī)的數(shù)據(jù)，就表明這塊黑色區(qū)域就是到站標(biāo)識符[4]。

（三）語音播報(bào)

語音模塊采用WT588D語音模塊，它不僅可以作為一般語音芯片從片發(fā)聲，而且I/O口多，帶控制功能和外置FLASH存儲(chǔ)器，所以能做FLASH單片機(jī)[5]。WT588D語音芯片是一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除燒寫的語音芯片。配套WT588D VioceChip上位機(jī)操作軟件可隨意更換WT588D語音單片機(jī)芯片的任何一種控制模式，把信息下載到SPI-Flash上即可[6]。

（四）實(shí)時(shí)時(shí)鐘及LED顯示系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用DS1302芯片配合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。LED顯示系統(tǒng)是先將公交車要顯示的信息編寫好，并且存入單片機(jī)的flash中。當(dāng)公交車即將到達(dá)某一站點(diǎn)就會(huì)播報(bào)相應(yīng)的提示語音。

三、實(shí)物仿真測試

利用本設(shè)計(jì)小車在模擬公交站臺的閉合環(huán)形仿真公交線路上行駛，路線上設(shè)置若干公交站臺，在每個(gè)站臺設(shè)置唯一識別的標(biāo)識符。經(jīng)過反復(fù)多次測試，結(jié)果表明小車對站臺（地面標(biāo)示符）識別率達(dá)到100%。

四、總結(jié)與展望

基于圖像識別技術(shù)的公交智能語音報(bào)站器，工作原理類似于人腦對看到的事物做出判斷一樣，具有實(shí)時(shí)智能化的特性。通過采集路面信息，識別距離站臺一定距離的標(biāo)識符來確定前方是否即將到站，可以降低識別整個(gè)站臺的錯(cuò)誤率，提高了到站播報(bào)的準(zhǔn)確性。雖然到目前為止，圖像識別在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和性價(jià)比等方面仍有待提高，但是隨著現(xiàn)今圖像技術(shù)的飛躍發(fā)展，實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性必將大大增強(qiáng)。所以考慮到成本控制、裝配措施、維修簡易等因素，基于圖像識別技術(shù)的公交智能語音報(bào)站系統(tǒng)無需人工參與，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)識別、播放語音和顯示到站信息，容易實(shí)現(xiàn)、費(fèi)用低廉、識別準(zhǔn)確率高，市場潛力大。本設(shè)計(jì)相較于目前已有的公交報(bào)站系統(tǒng)而言，必將具有越來越明顯的競爭優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

[1] 艾寧，基于CCD攝像頭的智能車路徑識別及跟蹤研究[J].電子測量總技，2009.32（8）77-79.

[2] 王峰. 基于單片機(jī)的公交車自動(dòng)報(bào)站器[D]. www.automationit.cn ， 2004.

[3] 卓晴，黃開勝，邵貝貝.學(xué)做智能車：挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯.北京：北京航空航

[4] 孫即祥，圖像處理[M].北京：科學(xué)出版社，2009：316-356

[5] 張培仁，孫力.C8051F系列單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社.

[6] 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽電路設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出社，2006.

基金項(xiàng)目：

國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201512216031）； 省級重點(diǎn)教研項(xiàng)目 （2016jyxm0473）；大學(xué)生創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室建設(shè)計(jì)劃 （2015ckjh116）。endprint