（电机与电器专业论文）火电厂进煤机车动态信息处理与识别系统的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 r 略姐k ho f d y l l a m i ci n f o 珊a 伽np m c 嘲i n g a n dr i 卿i 饰ns y s t e mo f e n t r vc d a il o m o t i r ei nf u de i e c t n cp i a n t a b 咖c t w 弛l b e 峥删洲哪脚e mo fc o m p 咖t e c h l o 盯i n 坞my 瑚嚆，d i 西t a li m a g e 口o 矧；s j n gh a sb nw i d e l yu s e di nw 晡。璐i n d i l s l 晡髂d y l 姗i ci n f 0 加均d o n 如d 孤i t m 删缸 r e c 0 础s y g t 唧o f t l 硷l 溅c o a lh 湖慨i l lf h e le i e c 埘cp i 孤ti s 趾i n t e l l i g e 虹t 掣s t 唧 b a s e d o n i m a g c p r o c e s s i l l g a i l d 懒r e c 0 卿疏t b i s s y s t e m i s a p p l i c d t d 黜位k m d o f l o c 蚴a 6 v 岛w 1 1 i c hc a nh e 王p0 l 船 卸b 0 i sr e 西s 6 盱1 0 m o 吐v e a n di 玎1 p 哪v eq l l a 倚c yo f r “ 触c 0 】= d j | 】g t 0 l e c h 瑚删co f l o c 叫i 甜v e ，t h i s w 0 收i s b a s c d t b e 蛐l o 盯o f 酬 i m a g e 珥船妯】gt or e c o 咖t h e 由m 锄i c o fl 傀优小时v em | 主【m 删c a l l y ，m 朗m 蛐i t p f e 蛐t h ed e s i 印i d e a 趾d 黜删o o f l l l c 咖e n l ，唧l c t e s m es y s l 6 e l n 出b u 眺砌t e s l d 舯i ci i l f o 彻a 虹o n 趾dr e c o g n i 毋蜘锄o f 也el o a d i n gc o l a i1 0 伽哪0 6 v ei s 越：h i c v c db y f o l l 伽v i n gw 讲k i n gp r o c 鹤s ： 1 ) h n a g ec 】c t m 商o no f 啪v i n g 删e c t h t h i ss c a g e ，位p 面曲n 锄d p o i l l to fv i 哪o f m e c c d 嘲s c c t i i l g o f t h cs 咖锄d 衄眦o f s u p p l c m e m a l h 鲥n g 黜t i 嚣黜麟蝴砌c h 勰f o u 蛐f o r l a l e r i e c o 鲫眦 2 ) p i 魄略蜘n 雠衙也e i m 赠秘t 0b er e 孕l i 正咖础在龇i s f 岫l ，b i m i r i 硎觚de d g e d e 删衄黜麟删i n t h i ss t a 劳t o 蒯l u c e l b c i s e 伽鲥b y 叫b i n 撕刎脚出0 d ，p - p a m m e t e f 加m i n e a rg r a y 础位m s f b n n j n c i p l em i l i 五n gg r a y 妣曲c e l 曲t 0i n l p 彤v ei n m 酶l e 蝴c o m l 姐c d 、舳位s 扛u c t i | r c i m a g c 硫埘i 洳埘缸n e 血o f s o f m n 或i s 蛳 3 ) t 如吐m 鼯l o 【州匠z a t i o nm e t h o di s 烈i o p 锄t o 翟c i 联此i yl 饿a i i z el o 跚蜘舭，砒协e 鲫e 石腓j m c 堆舭n 吼l i i t 出咖面毗a n dh o l _ i z o n t a l v 硎c a l c k 咧：t e f i 妣躲u s c d f o r 硝d c d s e g 眦蝴锄de x t r a c t i o 几nc a nb c 触t o 赋h f o rt b el 聊盯a n dl o w 盯e d g eo f 恤 l o c a l 嚏z e dl o c 呦。吐v e 4 ) h 他l l i g c md m r a 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本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得沈阳工 业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳工业大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 数字图像处理技术及车号识别研究现状及发展趋势 数字图像处理( d i 百_ t a ih n a g ep r o c 姻s i r 唱) 【l 】，就是利用数字计算机系统或者其它高 速、大规模集成数字硬件，对从图像信息转换而得到的数字电信号及数字图像进行数字运 算或基于各种目的的处理，以提高图像的实用性。 数字图像处理技术的诞生可追溯至2 0 世纪6 0 年代早期，伴随着数字计算机及数据存 储、显示和传输等相关技术的发展和使用以及空间项目的开发，这两大发展把人们的注意 力集中到数字图像处理的潜能上。进行空间应用的同时，数字图像处理技术在2 0 世纪6 0 年代术和7 0 年代初开始用于医学图像、地球遥感监测和天文学等领域。上世纪8 0 年代以 来，数字图像处理技术随着超大规模集成电路技术与计算机性能价格比的迅速提高，数字 图像处理的应用领域及应用该技术所取得的社会与经济效益越来越大。应用遥感图像处理 技术得出的气象预报已成为各行各业、干家万户必不可少的信息源。应用数字图像处理而 得出的c t ( 计算机分层照象) 图像已成为医学无损检测的关键手段。至今，图像处理领域 己得到了生机蓬勃的发展。图像处理技术己成功的应用在天文学、生物学、核医学、国防 及工业各个领域中。 目前国内外有大量关于车号识别方面的研究和报道。国外这方面的研究工作开展的比 较早。其中有代表性的工作有：r m i l l l o p 等开发了一种既可以用于集装箱识别，又可用于 车号识别的系统，该系统主要是利用文字纹理在车辆图像中的共性进行定位与识别，车号 识别与集装箱识别共用一套硬件系统。y 咖t a 0 c = i l i 【3 】提出了一种车牌识别系统，在车号定位 以后，利用马尔科夫场对车号特征进行提取和二值化，其重点工作是放在二值化上，最后 对其样本的识别达到了较高的识别率。e 1 m r y m g 等利用图像中的颜色分量，对车辆牌照 进行定位识别。识别率分别达到8 1 2 5 。还有利用d p s 和神经网络技术开发出了一套车 牌识别系统，他在字符识别中使用了一种非传统的d f t 技术，据报道效果不错。国外还有 许多关于车牌识别系统的报道，由于他们起步较早，总体来讲其技术水平高于国内，特别 在产品化方面。但由于主要是在汽车车牌识别方面，与机车车厢号码有很大的差异，所以 火电厂进煤机车动态信息处理与识别系统的研究 国外关于识别率的报道只具有参考价值，但其识别系统中采用的很多算法还是有很好的借 鉴意义。 国内也有大量的学者从事汽车车牌号码识别的研究，中国科学院自动动化所和四川大 学在这方面就发表过大量文章，并且取得了大量的成果。 目前，社会己进入信息时代，计算机技术、通信技术和计算机网络技术得到飞速的发 展。数字图像以其信息量大、作用距离远等一系列优点以成为人类获取信息的重要来源。 随着信息高速路、地球村概念的提出以及因特网的高速发展，而数字图像处理则因为其处 理精度高、处理内容丰富、可进行复杂的非线性运算以及良好的变通能力取得了飞速的发 展。我们有理由相信，随着计算机价格性能比的不断下降和通过万维网及互联网的网络通 信带宽的扩展，数字图像处理技术必将获得前所未有的持续发展。 1 2 课题的目的和意义 在火力发电厂生产过程中主要燃料是煤，一座装机容量为1 0 0 0 m w 的发电厂每小时的 耗煤量约为3 6 0 t 标准煤。在我国，发电用煤量占煤矿产煤总量的2 5 ，发电用煤的运输量 占铁路货物运输总量的4 0 。在能源日益紧张的今天，对于发电厂，如何降低生产成本。 实现节约能源，制止浪费就必须从一点一滴做起。把住燃煤的入口关已成为各发电厂在生 产管理方面的第一入手点。所以必须掌握所进燃煤的产地、时间、车次、车皮的自重、实 际装载煤量、卸车是否干净以及煤的质量等问题。经过调查发现，目前在我国各发电厂进 煤机车采用轨道衡测重测量，普遍实行人工抄录进煤时间、机车车厢号码和车厢自重，再 将其逐个与轨道衡的测重值以及各车厢煤的质量一对应添入当日报表，采用复印形式， 报送各相关职能部门。这种方式下工作人员在测重过程中注意力必须高度集中，当车辆行 进时眼睛盯住车号逐辆人工抄写，忙乱、易错。错抄、漏抄车号事情时有发生，而且不易 查找，影响经济核算，使企业生产蒙受损失。同时对于以前的所有数据都必须以报表的形 式加以保存备查，且职能部门不能及时掌握现场的第一手资料。这显然与发电厂的现代化 管理不相符合。 机车车厢号码是货运车厢分类和编号的标志，是铁路系统货运管理的重要参数吼我 国铁路货车的车号由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，涂写在车体两侧，一般每侧分别有 沈阳工业大学硕士学位论文 内容相同的大小车号。长期以来，由于非标准化的管理模式，车厢号码大小不一，字符模 糊，在车厢上的位置不确定等诸多因素，造成了号码自动识别上的困难。一些已实行应用 计算机管理的部门，无法自动记录车厢号码，影响了对货运车辆统一调度和管理。本课题 是根据发电厂轨道衡机车车号编码识别应用而提出的。它以行进中的现场车辆编号的识别 为背景，进行动态图像自动识别实际应用系统研究工作，采用信息检测与图像处理和图像 识别相结合的方法实现车辆编号识别与管理。目前在国内对于火电厂进煤机车信息处理与 识别及其应用研究的很少，特别是对货机车厢的动态检测，并对获取的动态图像进行处理 和识别的研究和应用则更为鲜见。该项目的研究与应用，将彻底改变发电厂燃料测重、核 算等工作手段，实现对测重过程车厢号码的自动识别，大大减轻工作人员的劳动强度，有 效地提高燃料核算的准确率，为节约能源、提高经济管理的水平，使之应用于各个发电厂 对燃料进厂的管理。同时该系统对于在轨道上安装了轨道衡的其他厂矿都有其实际应用价 值。将由此带来的相当大的经济效益和社会效益，该系统具有良好应用前景。 1 3 图像识别的特点和存在的问题 目前，火电厂进煤机车动态信息处理与识别系统技术中关键技术的问题有很多，例： 号码提取、区域分割、号码字符识别【4 】、图像处理、处理速度嘲、行车速度嘲等。 ( 1 ) 为了用计算机处理图像，必须把图像作为数值来表示，图像就是二维平面上的 灰度分布。数字图像信息具有以下特点： 1 ) 图像信息量很大，例如一幅电视图像取5 1 2 行x 5 1 2 列，像素数为5 1 2 5 1 2 ，若 其灰度级别用8 6 打的二进制来表示，则有2 5 6 个灰度级，那么一幅图像的信息量即为： 2 5 6 k b 。若每秒有2 5 帧图像，每秒的信息量为：2 5 6 k b 2 5 = 6 4 0 0 k b = 6 2 5 m b 。要对这样大 信息量的图像进行处理，计算机必须具有相当快的处理速度和相当大的内存才能实现。 2 ) 数字图像中各个像素之间相关性很大，例如在电视画面中，同一行中相临两个像 素或相l 临两行间的像素，具有相同和相近灰度的可能性很大，即相关性很大，据统计其相 关系数可达o 9 以上：而相临两桢之间的相关性比桢内相关性还要大一些。因此图像信息 压缩的潜力很大。 火电厂进煤机车动态信息处理与识别系统的研究 3 ) 数字图像占用的频带较宽，图像信息与语言信息相比，占用的频带要大几个数量 级。如电视图像的带宽为5 6 m h z ，而语言带宽仅为4 珏k 左右。频带越宽，技术实现的难 度就越大，成本亦越高，为此对图像传输技术提出了较高的要求。 4 ) 数字图像处理系统受环境的因素影响较大。如图像的对比度较小、光照不均匀、 纹理特征的干扰、污迹、字符粘连和断裂严重退化等对图像的处理与识别影响很大，因此 要求图像系统应具有很好的预处理功能。目前，对于机车车厢号码的识别其研究尚很少， 特别是对车厢号码的动态检测与识别则更是鲜见。 ( 2 ) 作为数字字符图像处理与识别的一种应用，目前机车车号数字串识别主要存在 以下问题： 1 ) 动态视频图像目标跟踪 在现场环境中，车辆在不确定的时间里，以5 2 0h 吨速度相对运动状态，需对动态 视频图像目标跟踪，即通过动态视频图像序列，跟踪其间的图像目标。为此必须完成下面 工作： 在观察的目标场景视频图像中搜索动态目标； 检测、分割并识别图像目标： 随时间变化时实地搜索并确定图像目标的位置。这是一个随时间变化连续目标图 像搜索，识别与位置描述问题，要分析解决这个问题，需要多种技术知识的融合。 2 ) 目标图像存在某些降质，需提高目标图像的玎f 董性 由于在现场环境中应用，车厢具有不同程度的变形、破损，清晰程度不一，车厢表面 反射情况复杂，获取的目标图像受现场环境躁声干扰、变形以及非线性的光照变化，将大 大降低图像处理算法的性能。因此，必须对降质的目标图像进行相应的图像变换、图像增 强、图像复原和矫正等改善处理。 3 ) 目标特征的提取 由于车辆编号采用喷号印刷方法，虽然车号大小固定但数字字体往往有一些差异和断 笔，并且车厢带有不规则的横竖槽。在依据图像信息进行相关的分析运算时，可能存在多 沈阳工业大学硕士学位论文 义性、不完全性、不确定性和误差。因此，大大增加其复杂程度，并对识别运算算法提出 了更高的要求。 4 ) 车厢号码目标定位 车厢号码定位是识别系统的关键性问题之一，也是一大难题。目前，己经提出了很多 种方法，它们共同的出发点是：通过号码区域的特征来判断号码。由于号码识别系统的复 杂性和许多不确定因素的影响，没有可借鉴的通用号码定位技术。 5 ) 车厢号码字符分割 车厢号码字符分割包括车号灰度图像的二值化【7 i 和字符的切分。为了方便字符识别， 须将预处理部分切取下来的车号灰度图像作二值化处理使其中的字符呈黑色，背景里白 色，通常对于该类问题的解决方法是采用灰度直方图，即对车号图像的象素作灰度统计， 根据统计结果判别图像中字符的灰度范围和背景的灰度范围。在此基础上，对二值图像进 行投影分割。 6 ) 车厢号码字符识别 可以说字符识别技术是车厢号码识别的相对关键技术，这也是个比较老的问题，解决 的方法也很多，句法模式识别、神经网络、模板匹配和统计分类都有成功的应用。但在轨 道衡车号识别系统中，处理一次检测一整列火车，每列火车挂有3 0 至7 0 节车厢不等，处 理数据量极大，要保证正确率要求采用更加合理的算法。 由于以上述不利因素的存在，造成研制该系统的复杂和困难性。火力发电厂作为技术 先进的行业，计算机管理以及自动化程度相当高，但正是由于以上种种原因，目前各发电 厂在进煤系统中仍然采用人工手抄车厢号码这种落后的工作方法。即：当车辆行进时人眼 盯住车号，逐节车厢辆人工抄写，工作时显得紧张、忙乱。特别是在车辆较多时或夜间， 抄错、漏抄事情时有发生，而且不易查找，影响经济核算，使企业生产蒙受损失。 1 4 本论文完成的主要工作 在机车动念信息处理与识别系统中，图像处理技术是关键。要使图像处理技术达到实 用的目的，如何实时准确的分析图像，并得到分析结果是关键。所以，在图像识别处理系 火电厂进煤机车动态信息处理与识别系统的研究 统中，如何设计图像处理和识别算法，以及以何种算法来提高系统的实时性和精度是本论 文要解决的主要问题。 针对工程具体问题和机车车厢号码的特点，结合图像处理技术，构组了车厢号码识别 系统。对动态视频图像目标时实跟踪、检测系统作了一定的的研究。其中主要包括对系统 中c c e 摄像头的安装调试和光源补充方式以及传感器在动态图像抓拍中触发设定等问题 的解决与应用。对车号图像分析和处理功能进行了一定研究，如图像变换、图像增强、矫 正等处理算法的研究。 在预处理阶段针对经典滤波方法进行了改进，并在后续环节中提出并使用人工神经原 的新方法进行处理。在系统中针对铁路机车车厢在野外工作且车号不标准受环境环境干扰 ( 如边框模糊、变形或者车号自身的清洁程度等因素) 等因素，采用断笔连接的方法进行 预处理。在识别过程中利用智能化识别算法加强功能。在定位阶段，针对不同的车厢号码 图像，利用膨胀算法进行数学形态基本定位，采用梯度模板改进微分的算法，多次定位的 结构，并在各次定位中构组了定位反馈环节，有效确保定位的准确性。在车号图像分割 中，采用对逐次字符行分割、列分割的方法，提高了分割的准确性。在对图像进行预处理 时，采取先平滑处理再去空行、列、毛刺、细化等修正方法，为提高识别率打下基础。在 字符提取环节中采用特征提取方法，使提取的字符完整有效。分割后的字符图像，弥补了 分割造成的字符笔画变化和不连续，保证了字符图像的完整和有效。在识别阶段构建了神 经网络，结合机车车号字符的特点，基于b p 网络实现了对车号字符的识别，既保证了识 别率，又有效降低了误识率。 实验表明，该系统的设计是合理的，算法准确可靠，能满足设计要求。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 动态车厢号码图像采集系统 2 1 机车车厢号码动态图像采集系统的构成 本系统的硬件是由固定安装在铁轨一侧，一定距离上的工业摄像头、检测传感器、图 像采集装置、通道切换器和控制系统操作的计算机、监视器以及自动辅助光源组成。如图 2 1 所示。 同画 u 萨 图2 1 车厢号码识别系统的构成( 硬件设备) f 嘻2 1s n 咖0 f l 锄鲥v e 嘣研乒曲o ns y 咖m ( h a r d 当车厢以5 1 5 k m m ( 轨道衡测重所必须要求的速度) 的速度经过轨道衡时( 系统 中所有参数均按此速度范围给出，若超出此范围，则应适当调整设置参数) 系统中采用红 外检测技术对信号进行甄别构成车厢定位系统。探测车厢通过传感器时，不可重复的识别 部位，给出车厢到位信号，感应设备自动发出相应的触发信号，由此控制触发中断扑捉卡 向图像采集单元发信号，由此控制光学成像装置采样机车通过的车厢图像，并将图像信息 切换到另一个通道，等待下一个到位信号嘲。摄取出画面的最大尺度、摄像头的视角和在 铁轨一侧的安装位置是由号码分布规律，以及用于识别有用的号码信息量确定的。摄取的 图像信息由图像处理卡完成视频到图形文件的转换，微机从其缓存区中读出信息存盘，用 作识别处理和图像再现，同时在计算机内部( 自动识别软件) 经过对图像进行去干扰、噪 火电厂进煤机车动态信息处理与识别系统的研究 声、作几何彩色校正( 编码、压缩、增强、分割、复制) 等预处理，提供一个满足一定要 求的图像。通过对图像进行灰度变换，分割、二值化等步骤，开始对图像进行识别( 特征 提取、分类、分析) ，最后输出识别结果，将识别结果送到其它需要号码作为参数的系统 中。如图2 2 所示。 图2 2动态图像检测系统 f i 孚2 2 功m 删ci l l l a g i d 醣枷町，咖m 2 2 车厢号码图像获取设备 2 ，2 1 摄像头的选取 摄像头和采集卡是图像采集的重要组成部分，摄像头( c 锄e 扮) 是一种视频输入设 备，如图2 3 。 图2 3m 0 d e l 摄像机 f 培2 3 m o d e l o f c r n 懿 本文采用以c c d 半导体为基本部件的摄像头，c c d ( c h a r g ec 0 叩l ed e “c e ) 即电荷耦 合器件，它是摄像头的图像传感器，具有通透性、敏锐度好，颜色还原和曝光可保证基本 准确，噪声小、信噪比大等优点。为了满足识别的需要，图像采集卡灰度精度定为8 位， 而图像卡的分辨率则由后端识另要求的精度来决定。 沈阳工业大学硕士学位论文 摄像头的基本工作原理大致为：景物通过镜头生成的光学图像投射到图像传感器表面 上，然后转为电信号，此电信号是模拟信号，要想送入计算机进行处理，必 须实现a 仍转换，变为数字信号，如图2 4 所示。 图2 4 摄像头原理 f 培2 4 p f 眦i p k o f c m e m 2 2 2 图像采集卡 图2 5 图像采集卡 f i 昏2 5 v i d c a p 恤e c a r d 图像采集卡( 如图2 5 ) 是将视频信号经过d 转换后，通过p c i 总线实时传到内存 和显存。在机器视觉中，首先必须对视频信号进行量化处理，才能被机器视觉软件检测与 识别。 视频量化处理是指将相机所输出的模拟视频信号转换为计算机所能识别的数字信号的 过程，即a d 转换。视频信号的一般量化过程如图2 6 所示。首先将相机所输出的模拟脉 冲调制信号经过低通滤波器滤波后转换为在时间上连续的模拟信号。按照图像分辨率的要 火电厂进煤机车动态信息处理与识别系统的研究 求。通过采样保持电路对连续的视频信号在时间上进行间隔采样，从而将视频信号变成 离散的模拟信号，而后由a 仍转换器再将模拟信号转变成数字信号输出。 翻2 6 模拟视频信号的量化过程 f i g 2 6q m z 鲥p r o o o f a 1 0 9v i d s 诤1 a l s 2 2 3 摄像机镜头位置的确定 摄像机镜头的位置确定，需依据后端识别图像的清晰度要求。实际用户的建筑设施约 束和现行摄像机、图像采集卡技术所能达到的分辨率等条件来统筹设计。按照识别的要 求，分辨率愈高愈好，用来确定车号像素点数的图片如图2 7 所示， 图2 7 车厢号码 f 皓2 7 l 0 c o m 甜v e n o 表2 1 是根据识别需要对机车车厢的一些基本参数的统计。 表2 1 货车车厢基本参数( ) 1 曲2 1b j c 脚e 伦r so f l o c d v e ( 锄) 车删号车厢长车厢高 甏羞于车譬字整繁号墨磊菇 术质车厢 1 6 5 0 3 1 52 3 7 2 01 8 0o 1 0 9 铁皮车厢 1 6 5 0 3 2 02 4 02 01 8 0 o 1 0 9 结合后端a n n 识别需要的特征向量数，这里提出两种假设凹： 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 i ) 如果妥求1 6 s 像索子符，则7 个子衍时军号j 梦r 需像索为 1 6 8 ( 字符像素) + 2 ( 间隔像素数) 7 + 2 ( 字符与数字间隔像素数) ) = 1 6 7 2 像素。 对应的实际长度为o 4 嘶1 即： 三：三 ( 2 1 ) 丽2 瓦 u 2 ) 如果要求3 2 1 6 像素淳符，则清晰度提高一倍。所以需3 2 1 4 4 个像素。即 兰：暑 ( 2 2 ) 0 41 4 4 豳 像 视 野 彳 像索点数 7 8 8 x 图2 8摄像机视野与像素点数的关系 f 皓2 8 r e 蜥彻o f c c d c 蛳e m v i s i | a i 丘c l d a n d p i x e l s 例如：设全景宽为y ( m ) ：采集卡的分辨率为x ( 点列数) ，那么摄像头视野与车号 像素点数目的关系如图2 8 所示。从图2 8 中可见，在两种假设情况下，斜率愈小清晰度 愈高。如果采用分辨率为7 6 8 5 7 6 的采集卡，则满足1 4 4 个像素需全景宽( 即视野宽) 至 多为2 1 3 3 m ，一般选取2 m 。 2 2 4 摄像头的暴光量 摄像头采用曝光自动测定系统采集曝光量，即采用了自动光圈镜头。在自动光圈镜头 下。晴天、阴天时，能获得较好的图像质量。而在下雪、雨、霜后，这时需注意摄像头的 火电厂进煤机车动态信息处理与识别系统的研究 加热以及利用雨刷、风扇，以达到除霜、刷雨珠、通风等目的。雨刷的摆动一般在机器不 工作时或工作之前进行，用加装在摄像头外的防护罩实现上述功能。另外，下雪后的曝光 量要比测定的平均曝光量高出l 2l x ，此时最好采用中心重点测定曝光量。对于光照条件 较暗的情况下( 如夜晚) ，需提供人工照明，此时加在摄像头前的偏振片的起偏方向须注 意车厢反光起偏方向相反，这样可以滤掉车厢正面反光的干扰。在太阳光直射的情况下， 直接反射太阳光的镜面反射光部分大都为偏振光，使用偏振片可以滤掉这部分光，从而减 少强光的干扰，提高图像的清晰度。 2 2 5 传感器设定 摄像机采集视野参数，按现场最不利的条件下进行选择( 受建筑物限制，现场所能提 供的范围) ，选择1 5 m ，以完全包含被采集目标为限，设定目标距离为2 - 3 m ，调整图 像设备，运动目标清晰，完全进入视野，测量视野宽度为口。传感装置的宽度调整应根据 车厢连接处最小距离为j ，进行计算，传感器装置的距离x 的选择： x = a 一上。系统的延迟参数计算，设机车车厢每毫秒运行距离为s m ，当机车车厢以 4 速度为5 k 汕，通过检测系统时速度为：= 裟，约为1 4 h 泊，所以瓯2 1 4 i 姗当机 车车厢以速度为1 5 k i i 油，通过检测系统时速度为：圪= 雩器警，约为4 2 t n s 则 s 。二4 2 m m 。 系统抗干扰参数和采集延迟参数设置原则是，干扰物体小于1 0 0 n m ，在最小速度下的 穿过时闻：乙= 笔等罢= 7 l m s 。在最大速度下穿过的时间：乙= 等等等= 2 3 8 1 衄l q m fs斗2 m s 一般取最大值作为抗干扰延迟，所以选7 1m s 。在最大速度下，抗干扰延迟的运行距 离为：s i _ 7 1 n l s 4 2 m s = 2 9 8 2 咖。 因此，在最大速度下当传感器信号达到采集状态时，实际传感器信号已经越过开始位 置2 9 8 2m m 了，适当调整传感器信号位置，满足视野能在最快速度情况下采集到整个图 片。注意，这里取干扰物体在1 0 0 m m 范围内是指，车厢连接处在信号水平高度上的其他 1 二 沈阳工业大学硕士学位论文 非车厢物体的最大宽度，同时也是分割车厢之间连接的最小空白距离，如果没有这个空 白，传感器不能分辨出连接的两个车厢，因此，在最快速度下，连接的最小空白距离必须 达到2 9 8 2 m m 以上。 保证图像完全进入视野的延迟参数为乙，当信号确认运动物体完全遮挡住信号后，由 于延迟判断，物体已经越过信号位置最大2 9 8 2 l l 皿。如果视野度口= x ，则将会有 2 9 8 2 f n m 的物体边缘在视野之外。因此，适当调整x 的参数，并设置l 进行补偿，使图像 正好完全进入视野。一般情况下使乙= 死，此时图像采集位置在信号越过2 9 8 2 舢时的 位置，如果lc 乙则采集时的信号状态抗干扰能力减弱。如果死 乇，则可能会越过更 多的运行物体区间。 2 3 摄像机系统的自适应控制 2 3 1 摄像机工作环境 由于车号识别系统的摄像头安装在室外，剧烈变化的环境光照对整个车厢车号识别系 统的影响是很大的。如当太阳光与摄像机相对车厢形成镜面反射或定向反射角度时、车厢 车号部分自然光严重不均匀等情况下，以及在夜间时，摄像系统是不可能拍摄出可供识别 的车号清晰的图像，都将严重影响系统的识别率。在车厢号码识别系统的实际应用中，采 用行驶车辆图像获取摄像机自适应控制系统( a 唧埘n gh n a g ea d a p t i v ec o r l d ls 删m ， a n c s ) 来解决外部光照情况的变化对车厢车号识别效果的影响。 图2 9l 团补光灯 f i 舀2 t 9l e ds n 舀l 吐f l g 火电厂进煤机车动态信息处理与识别系统的研究 图2 1 0l 匝补光灯接口器件 f i 昏2 1 0i n 劬c eo f l e dl i g m i n g 光在整个自然界的变化是十分大的，c c d 是光敏器件，没有一定强度的光线它是无 法工作的，因此为了能更好的拍摄图像，当光照不足时必须进行补光。u d 补光系统主要 由u d 灯、脉冲电源，视频同步器三个部分组成，啪灯是由1 2 0 只发光二极管组成， 如图2 9 所示。电源是专门设计的脉冲电源。 图2 1 0 为部件实物图。左图为内部芯片图，右图为防护罩外形图。当u ! d 脉冲光源 与c c d 的转移脉冲同步后，可以获得在夜间拍摄高速运动物体的瞬态图像。通过补光可 以部分解决夜间的问题。 2 3 2 摄像机参数设定系统 这个系统是一个小型的单片机系统，主要作用是将计算机的指令系统转化成摄像机系 统可以接受的指令，包括一个r s 2 3 2 接口，一个r s 4 8 5 接口。工作时利用r s 4 8 5 与计算 机通信，利用r s 2 3 2 与摄像机进行通信。镜头对图像质量的影响主要表现在光圈的大小， 采集卡的影响主要表现在采集卡的增益上。通过分析可知要取得多气候条件下全天的清晰 的图像，系统的动态范围应该有1 5 1 0 5 ，利用c c d 进行调节的主要是暴光时间( 快门 时间) 和c c d 增益两种，由于拍摄的是行驶车厢信息，因此快门时间只能从l 5 0 0 s 至 l 1 0 0 0 0 s ，变化范围大约2 0 倍，增益范围大约有几十倍左右，但是如果增益开的过高，必 然噪声信号会变的很大，因此一般c c d 增益不应太大，a 工a c s 使用的是p a n a s 远的l 2 靶面c c d 【1 0 1 ，其有效增益范围大约最大有1 8 倍。光圈的变化范围是一个连续变化量，可 以通过其变化控制c c d 的曝光强度，从两控制图像的亮度，设置成3 0 级，采集卡的放大 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 倍数是由一个8 位字节控制字控制，范围为o 2 5 5 ，其有效范围大约有2 0 倍。因此，整 个系统总的放大倍数，由几部份的放大倍数相乘得到2 0 1 8 3 0 2 0 = 2 1 6 0 0 0 ，这个数字 己可以满足1 5 1 0 5 的要求。考虑到防噪等的要求，在大部分情况下，采集卡上的放大倍 数也可以从2 0 调整到l o ，整个系统的调整动态范围仍然可以满足系统对图像质量的要 求。 2 3 3a i a c s 的原理 a i a c s 系统中摄像机成像结构如图2 1 1 所示。 l e d 补光系统 摄像机焉i 统 二 二二 图僚采集幕统 机参数设定系统 通信系统 计算机系统 图2 1 la i c s 结构图 f 嘻2 1 1 a n c s s 仃u 曲c h a r t a ) 系统没有使用a i a s c 时提取的图像 b ) 系统使用了a i a s c 时提取的图像 图2 1 2 摄取图像对比 删c 咖i m a g c s w i l l l 0 i l t a i a s c m 协e 啦m b ) p c k - u p j m 咎sw i i l l a n s c i i l l e 踟i e i i l f 嘻2 1 2c 仃a s to f ”p i c k - u p 蚰a g a i a c s 系统由摄像机系统，摄像机参数设定系统，通信系统，图像采集系统，计算 机系统，l e d 补光系统等6 个部分组成。车厢图像由摄像机系统得到，通过图像传输及 火电厂进煤机车动态信息处理与识别系统的研究 采集卡得到数字图像；计算机系统通过对数字图像进行分析，如果得到的图像可以满足识 别系统的要求，将不作任何调整，如果发现图像无法满足要求，计算机系统将通过通信系 统，将指令发给摄像机参数设定系统，摄像机参数设定系统通过指令转换系统对摄像机的 参数进行修正。如果当系统监测到光照不足，将通过通信系统发指令给u d 补光系统， 开启补光系统。如果系统发现环境足够亮，又可以关闭u d 补光系统。 系统使用a m c s 与没有使用a j a c s 的情况对照如图2 1 2 所示。 1 & 沈阳工业大学硕士学位论文 3 车厢号码图像预处理 3 1 图像灰度变换 3 1 1 彩色车厢图像到灰度图的转换 iy = 0 2 9 9 r + 0 5 8 7 g + o 1 1 4 口 c 6 = _ o 1 6 8 7 r 一0 1 3 3 1 3 g + o 5 口+ 1 2 8( 3 1 ) ic 卜= o 5 r o 4 1 8 7 g + o 5 b + 1 2 8 fr = j ，+ 1 4 0 2 ( c 一1 2 8 ) g = ，一o 3 4 4 1 4 ( c 6 一1 2 8 ) 一o 7 1 4 1 4 0 毋一1 2 8 )( 3 2 ) 【曰= y + 1 7 7 2 0 几6 一1 2 8 ) 火电厂进煤机车动态信息处理与识别系统的研究 巧2r f o 2 9 8 9 + 瓯o 5 8 7 0 + o 1 1 4 1 ( 3 3 ) 其中、g 0 、色，分别是彩色图像中位于第f 行、第- ，列的象素的红、绿、蓝三个分 量：匕是该象素在灰度图像中的灰度值。经过灰度变换后，像素的动态范围增加了，图像 对比度得到扩展，使图像变得更清晰、细腻、容易识别。如图3 1 所示。 a j 乍厢彩色图像b ) 车厢处理后的灰度图像 图3 1 车厢彩色图像和处理后的灰度图像 a ) c o i o r 耐i m a g eo f i o c o m o t i v eb ) 呻s c a l ej i i l a g eo f l o c o r n a 丘v e 妇p r o c 麟i 1 1 9 f 嘻3 1c o l o ”e di m a g eo f l o c o m o t i v e 锄dg r a ys c a l ei m a g ea 腑p p o c e s s i n g 3 1 2 灰度拉伸改善图像质量 为了增强车厢号码图像的对比度，使其明暗鲜明，有利于车号识别，需要对它们进行 灰度拉伸，来改善图像质量。灰度拉伸是将灰度进行分段线性交换，它将输入图像中某点 g ，y ) 的灰度厂g ，_ y ) ，通过映射函数丁，映射成输出图像中的灰度丁g ，j ，) ，即： g g ，y ) = r 厂g ，y ) 】 灰度拉伸变换原理图如图3 2 所示，函数表达式为： 1 8 - 沈阳工业大学硕士学位论文 厂( x ) = 盟x 而 ：粤( x 一毛) + m 而一而、 。 鬃兰( x 一而) + 儿 2 5 5 一l 、 ”一 工 而 式中g ，期) ，g ：，y ：) 是图3 2 中的两个转折点的坐标。图3 2 所示的变换函数的运算 结果是将原图在一和x ：之间的灰度拉伸到y 。和) ，：之间。 图3 2i 虱像拉伸变换原理图 f 培3 2s c h 锄埘cd i a 鲫no f 呻s 毗h 廿a m f o n n 灰度拉伸可以灵活控制输出灰度的直方图的分布，可以有选择的拉伸某段灰度区间以 改善输出图像。如果车厢号码图像灰度集中在较暗的区域而导致图像偏暗，则可以用灰度 拉伸功能来拉伸( 斜率 1 ) 物体灰度空间以改善图像；如果车厢号码图像灰度集中在较亮 的区域而导致图像偏亮，则