【正文】 ................................................................................................................. 37 致謝 .................................................................................................................................... 39 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................... 40 附錄 .................................................................................................................................... 41 1 第 1 章 緒論 隨著各省市高速公路的不斷建設(shè)，基本上建成了大小規(guī)模不等的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)，在聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)建設(shè)中，都面臨了一個(gè)共同的問(wèn)題 —— 車輛行駛路徑的識(shí)別。 路徑識(shí)別不僅僅涉及對(duì)每一通行車輛如何計(jì)算通行費(fèi)，同時(shí)還要考慮將收入的通行費(fèi)拆分給哪 個(gè)收費(fèi)單位的問(wèn)題，通行費(fèi)的拆分直接關(guān)系到各條高速公路的合法利益， 是聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的關(guān)鍵。所以說(shuō)解決多路徑識(shí)別 問(wèn)題在完善高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。 研究背景和意義 隨著高速公路路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)區(qū)域內(nèi)的環(huán)狀路結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，僅河北省一片區(qū)（京津以南高速公路）聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)區(qū)域內(nèi)的已有路、在建路和未建路共有約 20 個(gè)最小封閉環(huán)路，如果在每個(gè)不同業(yè)主的路段設(shè)收費(fèi)站，投資巨大，也會(huì)影響高速公路的效率，同時(shí)，傳統(tǒng)的收費(fèi)車道所采用的人工輸入車牌號(hào)碼后 3位數(shù)字的方式時(shí)效性差，巨大的工作量直接影響高速公路的通行能力和服務(wù)水平。因此，高速公路上 兩點(diǎn)之間車輛行駛的多路 徑識(shí)別問(wèn)題成為聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)及網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用清分模式中迫切需要解決的問(wèn)題 。 多路徑識(shí)別主要解決高速公路通行費(fèi)的合理收取以及通行費(fèi)的準(zhǔn)確拆分問(wèn)題。同時(shí)由于高速公路中大型車輛倒卡、逃費(fèi)現(xiàn)象十分猖獗，通常表現(xiàn)為利用目前機(jī)電系統(tǒng)存在的功能不完善漏洞，實(shí)現(xiàn)相同貨車套牌倒卡具體表現(xiàn)為滿載長(zhǎng)途與空載短途同號(hào)牌車輛倒卡，即通過(guò)減少里程，逃避超載處罰力度。為高速公路正常收取車輛通行費(fèi)造成的及大的損失，同時(shí)也帶來(lái)了不良的社會(huì)影響。所以多路徑識(shí)別在實(shí)現(xiàn)識(shí)別車輛的實(shí)際行駛路徑從而進(jìn)行收費(fèi)拆分，同時(shí)也要解決倒卡、逃費(fèi)問(wèn)題。綜上所述，多路徑識(shí)別就 需要解決以下三個(gè)問(wèn)題： （ 1）高速公路通行費(fèi)的合理收取。 （ 2）通行費(fèi)的準(zhǔn)確拆分。 （ 3）倒卡、逃費(fèi)問(wèn)題。 MATLAB 的概述 MATLAB 是用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高科技計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。它具有以下特點(diǎn)： 1．友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境 2 MATLAB 由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用 MATLAB 的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括 MATLAB 桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著 MATLAB 的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)， MATLAB 的用戶界面也越來(lái)越精致，更加接近 Windows 的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本的 MATLAB 提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過(guò)編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。 2．簡(jiǎn)單易用的程序語(yǔ)言 MATLAB 一個(gè)高級(jí)的矩陣 /陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以 先編寫好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（ M 文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB 語(yǔ)言是基于最為流行的 C＋＋ 語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與 C＋＋ 語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是 MATLAB 能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。 3．強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)處理能力 MATLAB 是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有 600 多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中 所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)言，如 C 和 C++ 。在計(jì)算要求相同的情況下，使用 MATLAB 的編程工作量會(huì)大大減少。 MATLAB 的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問(wèn)題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問(wèn)題、 稀疏矩陣 運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以 及建模動(dòng)態(tài)仿真等。 4．出色的圖像處理功能 MATLAB 自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的 MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對(duì)于一些其他軟件所沒(méi)有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB 同樣表現(xiàn)了出色 的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，例如圖形對(duì)3 話等， MATLAB 也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB 還著重在圖形用戶界面（ GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。 5．應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱 MATLAB 對(duì)許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前， MATLAB 已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 、 小波分析 、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 LMI 控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點(diǎn)仿真、 DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（ Toolbox）家族中有了自己的一席之地。 6．使用的程序接口和發(fā)布平臺(tái) 新版本的 MATLAB 可以利用 MATLAB 編譯器和 C/C++數(shù)學(xué)庫(kù)和圖形庫(kù)，將自己的 MATLAB 程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于 MATLAB 運(yùn)行 的 C 和 C++代碼。允許用戶編寫可以和 MATLAB 進(jìn)行交互的 C 或 C++語(yǔ)言程序。另外， MATLAB 網(wǎng)頁(yè)服務(wù)程序還容許在 Web 應(yīng)用中使用自己的 MATLAB 數(shù)學(xué)和圖形程序。 MATLAB 的一個(gè)重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是MATLAB 函數(shù)的子程序庫(kù)，每一個(gè)工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。 （包括用戶界面） 在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程 方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對(duì)性對(duì)起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向 Excel 和 HDF5 進(jìn)行連接。 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用 MATLAB 搭建車輛牌照識(shí)別系統(tǒng)，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)： (1) 可以直接使用 MATLAB 的 Image Acquisition Toolbox 、 Image ProcessingToolbox 以及 Neural Network Toolbox 作為骨架來(lái)搭建整個(gè)系統(tǒng)。 (2) 使用 MATLAB 的圖形用戶界面技術(shù)（ GUI）編寫牌照識(shí)別系統(tǒng)面板，可以達(dá)到與牌照定位切分程序及字符識(shí)別程序的無(wú)縫連接。 (3) 使用專業(yè)工具箱，使得研究人員不必過(guò)于關(guān)心程序的細(xì)節(jié)問(wèn)題，可以將主要的精力放在算法的研究、設(shè)計(jì)方面，極大地減少了工作量，為算法的研究改進(jìn)提供了先決條件。 4 本文框架結(jié)構(gòu) 本文通過(guò)對(duì) 多路徑識(shí)別算法 理論進(jìn)行系統(tǒng)認(rèn)真的學(xué)習(xí)和研究，查閱了大量的國(guó)內(nèi)外相關(guān)的文獻(xiàn)和資料，主要完成了圍繞 汽車牌照識(shí)別技術(shù)的多路徑識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn) 。本文的主要結(jié)構(gòu)如下所示： 第一章， 緒論。 本章 首先介紹了 多路徑識(shí)別 理論研究的背景和意義，然后綜述了 陳述了本文的內(nèi)容安排。 第二章，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。本章介紹了 多路徑識(shí)別 理論的歷史、發(fā)展 、國(guó)外各國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀 及 立足我國(guó)的研究發(fā)展 方向。 第三章， 多路徑識(shí)別 基本理論。本章詳細(xì)闡述了 多路徑識(shí)別 理論的基本原理。首先講述了 多路徑識(shí)別 理論的 構(gòu)成 ，然后圍繞 多路徑識(shí) 別算法的精確識(shí)別 中汽車牌照識(shí)別技術(shù)的主要 算法展開討論，介紹了該技術(shù)應(yīng)用了哪些方面的知識(shí)， 是如何實(shí)現(xiàn)的。 第四章， 基于模板匹配的車牌識(shí)別詳細(xì)設(shè)計(jì) 。 本章是本文的重點(diǎn)，包括 圖像的采集、圖像預(yù)處理、車牌定位、傾斜校正、字符分割、字符識(shí)別。 第五章， 實(shí)驗(yàn)環(huán)境平臺(tái)搭建、識(shí)別過(guò)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析。 第六章，總結(jié)和展望。本章總結(jié)了本設(shè)計(jì)所完成的工作，并對(duì)其中的缺陷做出了說(shuō)明，指出了所采用算法的不足指出，對(duì)下一步的工作做了展望。 5 第 2 章 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 多路徑識(shí)別在高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)中起到的關(guān)鍵作用， 引起了 大家 廣泛的關(guān)注 和研究 ，下面我們將對(duì)該理論的歷史和發(fā)展歷程做出介紹。 國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外高速公路實(shí)行收費(fèi)的雖然有一些，但是大部分規(guī)模不大，或 者是路公司比較單一，他們的研究主要集中在電子不停車收費(fèi)（ ETC,即 Electronic Toll Collection）系統(tǒng)上面， 或者是更為智能的如德國(guó)研究的利用全球定位系統(tǒng)（ GPS）的收費(fèi)系統(tǒng)，但專門就在高速公路路徑識(shí)別這方面的研究很少。 日本是一個(gè)典型的對(duì)高速公路實(shí)行收費(fèi)制度的國(guó)家，其在高速公路收費(fèi)防堵方面進(jìn)行了不倦的探索。從 2021 年 3 月開始， ETC(電子不停車收費(fèi) )技術(shù)在日本整體上投入運(yùn)營(yíng)。在實(shí)際應(yīng)用中， ETC 技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)收費(fèi)技術(shù)來(lái)說(shuō)有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是更加適應(yīng)于多個(gè)不同主體運(yùn)營(yíng)管理多條收費(fèi)道路的情況 ；二是對(duì)非法行為、人為破壞和逃費(fèi)行為有著更強(qiáng)的防范性。目前 ,日本高速公路 80%的出入口都實(shí)現(xiàn)了 ETC化 ,而且越來(lái)越多的汽車安裝了 ETC 系統(tǒng)。據(jù)日本政府估計(jì) ,到 2021 年 ,ETC 的用戶將達(dá)到 1500 萬(wàn)輛。日本最常用的 ETC 收費(fèi)站采取 3 個(gè)門橋的樣式 ,這 3 個(gè)門橋分別用于識(shí)別車型、識(shí)別入口和收費(fèi)信息傳輸。關(guān)于其應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行路徑識(shí)別的研究還沒(méi)有見諸報(bào)道 ,但這樣一來(lái)就有望通過(guò)大量的 ETC 用戶 ,在關(guān)鍵路段安裝掃描器 ,來(lái)達(dá)到高概率智能識(shí)別車輛行駛路徑的效果。 德國(guó)一直在高速公路上未建任何收費(fèi)設(shè)施 ,對(duì)車輛收取的通行費(fèi) 包含在燃油費(fèi)和養(yǎng)路費(fèi)中。自 2021 年 8 月 31 日起 ,實(shí)施一項(xiàng)新的高速公路收費(fèi)政策 ,即所有行駛在德國(guó)高速公路上的 12 噸以上的重型卡車 ,包括外國(guó)入境運(yùn)輸車輛 , 都必須繳納高速公路行駛費(fèi)。所有收取的費(fèi)用將用于改善德國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施 ,因?yàn)橹匦涂ㄜ噷⒋罅吭黾痈咚俟返慕ㄔO(shè)和維護(hù)成本。德國(guó)實(shí)行高速公路收費(fèi)沒(méi)有采用傳統(tǒng)的關(guān)卡式收費(fèi)站 ,他們采用的是衛(wèi)星定位和移動(dòng)通訊技術(shù)相結(jié)合的收費(fèi)系統(tǒng)。德國(guó)將投入的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)命名為“ Toll Collect” ,是目前世界上不設(shè)收費(fèi)窗口的最先進(jìn)的道路收費(fèi)系統(tǒng)之一。它采用衛(wèi)星輔助探測(cè)技術(shù) ,依 靠每輛行駛在高速公路上的車輛上安裝的收音機(jī)大小的接收機(jī)精確計(jì)算出車輛所行駛里程。接收機(jī)含有 GPS 導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)和一個(gè)移動(dòng)通訊終端 ,一旦卡車啟動(dòng) ,接收機(jī)便會(huì)自動(dòng)記錄行駛里程 , 并將計(jì)算出的繳費(fèi)金額數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。這種技術(shù)相當(dāng)于已經(jīng)識(shí)別出了車輛行駛路徑 ,但其依賴于美國(guó)的 GPS 定位系統(tǒng) ,受其控制的識(shí)別精度影響 ,目前 GPS 的導(dǎo)航精度為 10m,但不排除美國(guó)改變其導(dǎo)航精度的可能 ,使識(shí)別精度受到質(zhì)疑 ,另外其車載接收機(jī)的價(jià)格也是一個(gè)問(wèn)題。 6 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前許多省市建設(shè)的高速公路都具有相當(dāng)規(guī)模 ,聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)己成大 勢(shì)所趨。由于路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性 ,有的里面具有環(huán)形結(jié)構(gòu) ,隨著路網(wǎng)的不斷完善這種環(huán)形結(jié)構(gòu)將會(huì)越來(lái)越多 , 而一個(gè)路網(wǎng)里面一般有多個(gè)路公司在管理 ,如何確定車輛行駛路徑也就成為一個(gè)擺在眼前的問(wèn)題了。 國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的專題研究不多 ,目前以軟課題的形式開展此類研究的有江蘇省蘇北高速公路網(wǎng)和浙江省高速