【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，都面臨了一個共同的問題 —— 車輛行駛路徑的識別。所以說解決多路徑識別 問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。因此，高速公路上 兩點(diǎn)之間車輛行駛的多路 徑識別問題成為聯(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)為滿載長途與空載短途同號牌車輛倒卡，即通過減少里程，逃避超載處罰力度。所以多路徑識別在實(shí)現(xiàn)識別車輛的實(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)問題。 （ 2）通行費(fèi)的準(zhǔn)確拆分。 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)算語言和交互式環(huán)境。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。隨著 MATLAB 的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級， MATLAB 的用戶界面也越來越精致，更加接近 Windows 的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡單。簡單的編程環(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)的錯誤及進(jìn)行出錯原因分析。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以 先編寫好一個較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（ M 文件）后再一起運(yùn)行。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。 3．強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)處理能力 MATLAB 是一個包含大量計(jì)算算法的集合。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)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在計(jì)算要求相同的情況下，使用 MATLAB 的編程工作量會大大減少。函數(shù)所能解決的問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 及建模動態(tài)仿真等。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達(dá)式作圖。新版本的 MATLAB對整個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，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（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。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，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。一般來說，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)用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。 6．使用的程序接口和發(fā)布平臺 新版本的 MATLAB 可以利用 MATLAB 編譯器和 C/C++數(shù)學(xué)庫和圖形庫，將自己的 MATLAB 程序自動轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于 MATLAB 運(yùn)行 的 C 和 C++代碼。另外， MATLAB 網(wǎng)頁服務(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。工具箱是MATLAB 函數(shù)的子程序庫，每一個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。 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用 MATLAB 搭建車輛牌照識別系統(tǒng)，具有非常明顯的優(yōu)勢： (1) 可以直接使用 MATLAB 的 Image Acquisition Toolbox 、 Image ProcessingToolbox 以及 Neural Network Toolbox 作為骨架來搭建整個系統(tǒng)。 (3) 使用專業(yè)工具箱，使得研究人員不必過于關(guān)心程序的細(xì)節(jié)問題，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。本文的主要結(jié)構(gòu)如下所示： 第一章， 緒論。 第二章，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 第三章， 多路徑識別 基本理論。首先講述了 多路徑識別 理論的 構(gòu)成 ，然后圍繞 多路徑識 別算法的精確識別 中汽車牌照識別技術(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， 是如何實(shí)現(xiàn)的。 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、字符識別。 第六章，總結(jié)和展望。 5 第 2 章 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 多路徑識別在高速公路聯(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 ，下面我們將對該理論的歷史和發(fā)展歷程做出介紹。 日本是一個典型的對高速公路實(shí)行收費(fèi)制度的國家，其在高速公路收費(fèi)防堵方面進(jìn)行了不倦的探索。在實(shí)際應(yīng)用中， ETC 技術(shù)相對于傳統(tǒng)收費(fèi)技術(shù)來說有兩個優(yōu)勢：一是更加適應(yīng)于多個不同主體運(yùn)營管理多條收費(fèi)道路的情況 ；二是對非法行為、人為破壞和逃費(fèi)行為有著更強(qiáng)的防范性。據(jù)日本政府估計(jì) ,到 2021 年 ,ETC 的用戶將達(dá)到 1500 萬輛。關(guān)于其應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行路徑識別的研究還沒有見諸報(bào)道 ,但這樣一來就有望通過大量的 ETC 用戶 ,在關(guān)鍵路段安裝掃描器 ,來達(dá)到高概率智能識別車輛行駛路徑的效果。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 ,即所有行駛在德國高速公路上的 12 噸以上的重型卡車 ,包括外國入境運(yùn)輸車輛 , 都必須繳納高速公路行駛費(fèi)。德國實(shí)行高速公路收費(fèi)沒有采用傳統(tǒng)的關(guān)卡式收費(fèi)站 ,他們采用的是衛(wèi)星定位和移動通訊技術(shù)相結(jié)合的收費(fèi)系統(tǒng)。它采用衛(wèi)星輔助探測技術(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。這種技術(shù)相當(dāng)于已經(jīng)識別出了車輛行駛路徑 ,但其依賴于美國的 GPS 定位系統(tǒng) ,受其控制的識別精度影響 ,目前 GPS 的導(dǎo)航精度為 10m,但不排除美國改變其導(dǎo)航精度的可能 ,使識別精度受到質(zhì)疑 ,另外其車載接收機(jī)的價(jià)格也是一個問題。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)將會越來越多 , 而一個路網(wǎng)里面一般有多個路公司在管理 ,如何確定車輛行駛路徑也就成為一個擺在眼前的問題了。 江蘇省以長江為界分為蘇北高速公路網(wǎng)和蘇南高速公路網(wǎng) ,分別實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)。在研究中針對當(dāng)時(shí)蘇北具體路網(wǎng)提出了蘇北高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的多路徑判別方法及相關(guān)措施。另一個是由滬杭、杭甫、繞城高速公路組成的路環(huán)。浙江省當(dāng)時(shí)采用的方法是以出口 /入口隔離法為輔 ,通行費(fèi)的拆分則是在對 歷史交通量和未來交通量的分析基礎(chǔ)上 ,與路公司共同商討 ,取得一致同意的情況下達(dá)成用節(jié)點(diǎn)位勢法來進(jìn)行多路徑的路徑識別 ,它仿照電學(xué)里面的節(jié)點(diǎn)位勢法 ,確定用路段里程來表征路段阻抗 ,從而計(jì)算出多路徑情況下各路徑的行駛車輛數(shù) ,進(jìn)而依次在各路公司拆分通行費(fèi) ,對車輛的通行費(fèi)按照最短路徑來征收。 山東省高速公路通車?yán)锍坛^ 3000km,預(yù)計(jì) 2021 年將達(dá)到 4000km,高速公路通車?yán)锍虨槿珖谝?,聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)里程已達(dá)到 2144km,路網(wǎng)內(nèi)有多家路公司。隨著聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)高速公路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大 ,不同利益主體管轄的路段將會逐漸并入網(wǎng)中 ,路網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜 ,路徑識別與通行費(fèi)收入拆分問題日益突出 ,據(jù)估計(jì)由多路徑產(chǎn)生的費(fèi)用占路網(wǎng)總通行費(fèi)用的,每年達(dá) 1000 萬元左右。 路徑識別與通行費(fèi)收入拆分問題主要從兩個方面解決 ,一是收費(fèi)車道業(yè)務(wù)操作層 ,主要是路徑識別問題 。 車道收費(fèi)業(yè)務(wù)操作要求盡可能精確識別每一車輛的行駛路徑 ,不損害道路通行者利益 ,合理收取通行費(fèi)。根據(jù)當(dāng)時(shí)道路情況 ,他們建議在對綜合路阻之差在 10%(可更多或更少 )以上不同路徑進(jìn)行識別時(shí) ,應(yīng)用最短路徑法 。當(dāng)長度之差在 10%之內(nèi) ,且車流量較大 ,多路徑通行費(fèi)較高時(shí) ,也可以考慮在在關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)立標(biāo)識站 ,但標(biāo)識站數(shù)量一定要控制 , 盡量減少對全路網(wǎng)的影響 。當(dāng)路網(wǎng)中多路徑路段屬于同一經(jīng)營主體時(shí) ,建議不對行駛路徑進(jìn)行精確識別。高速公路多路徑識別技術(shù)作為依附于高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的一門新技術(shù)必然會隨著聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展完善 ,特別是在當(dāng)前提倡的電子不停車收費(fèi) (ETC)技術(shù)不斷成熟完善的情況下 ,對車輛行駛路徑的精確識別必然會在現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)上都允許的前提下得以實(shí)現(xiàn)。 多路徑識別方法的分類 目前，在高速公路路徑識別的主要技術(shù)方法有：標(biāo)識站法、 車牌照識別法、最短路徑法。 精確識別 精確識別的原理是識別出路網(wǎng)中每一車輛的實(shí)際行駛路徑，避免路網(wǎng)中出現(xiàn)行駛路徑的歧義，從而解決路網(wǎng)中多路徑問題。 要做到對車輛行駛路徑的精確識別通常由兩種方法：通過土建設(shè)施的手段，確保任意車輛從一個收費(fèi)站（點(diǎn)）到另一收費(fèi)站（點(diǎn)）間只能有唯一的行駛路徑；通過標(biāo)識方法采集車輛行駛路徑信息，確認(rèn)車輛行駛路徑。 準(zhǔn)確識別車輛的實(shí)際行駛路徑，可分為停車式和不停車兩種，以下提到的標(biāo)識站均為“停車式標(biāo)識站”。 標(biāo)識站的主要缺點(diǎn)是車輛每次經(jīng)過標(biāo)識站時(shí)必須停車，導(dǎo)致行車速度減慢，降低了高速公路的服務(wù)水平，與聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的精神直接相違背，在實(shí)施時(shí)，輕易不采用。顯然，國家法律法規(guī)的規(guī)定對設(shè)置停車式標(biāo)識站做出了限制，設(shè)置停車式標(biāo)識站已不可行。即高速公路入、出口以及路網(wǎng)內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置車牌照抓拍系統(tǒng)，攝取通過車輛牌照。 概率識別 一般來說，道路使用者路徑選擇行為是基于道路使用效益最大化和運(yùn)營成本最小化的原則之上的，即：花最少的時(shí)間、最少的費(fèi)用、走最短的路、獲取最大的效益。 最短路徑法取最短路徑為行駛路徑。最短路徑法直接將多路徑車輛通行費(fèi)分配給最短路徑業(yè)主，因此，這種方法的精確度取決于車輛在實(shí)際的 路徑選擇過程中選擇最短路徑的概率。 所以在本次設(shè)計(jì)中主要研究了精確識別中的車牌照識別技術(shù)，分析研究圖像處理得算法，用以提高車牌照識別的準(zhǔn)確度。整個系統(tǒng)的核心是軟件部分的工作，能否通過牌照對車輛進(jìn)行有效管理，很大程度上取決于軟件部分識別車牌的準(zhǔn)確性。下面分別介紹各種方法： 結(jié)構(gòu)模式識別可能比較復(fù)雜，但都具有相 當(dāng)嚴(yán)格的規(guī)律性。可以設(shè)法提取含有這種信息的結(jié)構(gòu)特征及其組字規(guī)律作為識別的依據(jù)，這就是結(jié)構(gòu)模式識別。其主要出發(fā)點(diǎn)是漢字的組成結(jié)10 構(gòu) .從漢字的構(gòu)成上講，漢字是由筆劃以及偏旁部首構(gòu)成的 。由這些結(jié)構(gòu)基元及其相互關(guān)系完全可以精確地對漢字加以描述，這種方法也叫句法模式識別。 基于這種方法來描述字符的結(jié)構(gòu)在理論上是比較恰當(dāng)?shù)模渲?要優(yōu)點(diǎn)在于對字體變化的適應(yīng)性強(qiáng)，區(qū)分相似字的能力強(qiáng)；但是，在實(shí)際應(yīng)用中，其所面臨的問題是抗干擾能力差，因?yàn)樵趯?shí)際得到的文本圖像中存在各種干擾，比如傾斜、斷裂、粘連、污點(diǎn)等。假如基元不能準(zhǔn)確得到，后面的識別就成了無源之水。 統(tǒng)計(jì)決策論發(fā)展較早，理論也比較成熟 .其要點(diǎn)是提取待識別模式的一組統(tǒng)計(jì)特征，然后按照一定準(zhǔn)則所確定的決策函數(shù)進(jìn)行分類判決。常見的統(tǒng)計(jì)模式識別方法有： （ 1） 投影直方圖法。這種方法是模式識別早期使用的方法。對圖像進(jìn)行變換，變換后對圖像從空間域變到頻域，特征的維數(shù)大大降低。 （ 3） 傅立葉描述子和 Spline 曲線近似。傅立葉描述子是利用傅立葉函數(shù)模擬封閉的輪廓線，將傅立葉和函數(shù)的各個系數(shù)作為特征，該方法致命缺點(diǎn)是對于輪廓線不封閉的字符圖像不適用。 Spline 曲線是在輪廓上找到曲率大的折點(diǎn)，利用 Spline 曲線來近似相鄰折點(diǎn)之間的輪廓線，該方法的缺點(diǎn)在于對旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象比較敏感。它的主要思想是利用字符點(diǎn)陣中一些有代表性的點(diǎn)作為特征來區(qū)分不同的字符。其特點(diǎn)是對于內(nèi)部筆劃粘連的字符識別的適應(yīng)性較強(qiáng)，直 觀性好，但是不易表示為矢量形式，不適合作為粗分類的特征，匹配難度大。字符是由筆劃組成的，筆劃是由一定方向，一定位置關(guān)系和長寬比的矩形線段組成的。利用微結(jié)構(gòu)及微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系組成的特征對字符進(jìn)行識別。 統(tǒng)計(jì)模式識別認(rèn)為圖像可能包含一個或多個物體，并且每個物體屬于若干事先定義的類型、范疇或模式之一。字符統(tǒng)計(jì)模式是 把字符的點(diǎn)陣看成一個整體，通過做大量的統(tǒng)計(jì)得到所需要的特征。模板匹配的字符識別方法是通過一定準(zhǔn)則確定決策函數(shù)，并進(jìn)行分類判斷的方法。它根據(jù)字符的直觀形象抽取特征，用相關(guān)匹配原理進(jìn)行識別。它優(yōu)點(diǎn)是可以并行處理，簡單易行。 3． 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別