王海军基于图像的车牌自动识别处理系统.docx
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王海军基于图像的车牌自动识别处理系统
摘要
本设计是针对公路监控的需要，设计的基于单片机的车牌识别处理系统，可实现车牌的判断识别以及报警。
本设计分为四大部分，图像的采集，图像处理，stm32程序的快速开发，单片机的外围电路设计。
其中，用串口摄像头进行车牌图像的采集，利用MATLAB这个软件工具，将采集到的车牌图像数据通过MATLAB环境中建立的串口对象传到MATLAB中，接着进行图像的译码,译码完成后，就可对该车牌图像进行图像处理，提取图形的车牌区域，对该区域进行处理，最终识别出车牌图像中的车牌信息。
最后再是利用rapidstm32模块的可视化交互式程序设计环境，在Smiulink下建模转化为基于stm32的C程序及工程，实现stm32程序的快速开发，最后在对程序做一些调整，设计该系统的外围电路，进行电路设计。
【关键字】车牌识别、图像处理、MATLAB、电路设计
Abstract
Thisdesignistheneedforroadmonitoring,licenseplaterecognitionprocessingsystembasedonsinglechipdesign,whichcanrealizethejudgmentoflicenseplaterecognitionandalarm.Thisdesignisdividedintofourparts,imageacquisition,imageprocessing,rapiddevelopmentoftheSTM32program,theexternalmicrocontrollercircuitdesign.Amongthem,usingserialcamerawerelicenseplateimageacquisition,andestablishserialobjectinMATLAB,toreceiveimagedata.Then,Followedbyimagedecoding.Afterthecompletionofthedecodingcanbeonthelicenseplateimageforimageprocessing,andlicenseplateregionextractioningraphics,thenintheregioncarriedout,finallyidentifythelicenseplatevehiclelicenseplateimage.Finallyusingvisualinteractiveprogrammingenvironmentoftherapidstm32moduleinsmiulinkmodelingintoCprogramandprojectbasedonSTM32stm32therapiddevelopmentofprocedures,andmakesomeadjustmentstotheprogram,thedesignoftheexternalcircuitofthesystem,circuitdesign.
【Keywords】licenseplaterecognition,imageprocessing，MTLAB，circuitdesign
第1章前言
1.1基于图像的车牌识别系统的设计背景
随着经济的发展，每个城市之间的交通越来越复杂，汽车越来越多，它们在给出行提供方便的同时增加了车辆管理的难度，目前人工管理的方式已经不能满足人们的需求。
我们只有寻找更好的方式才能解决越来复杂的交通状况。
目前，智能交通越来越受到人们的青睐与重视，它的运用极大的提高了交通的管理效率。
近年来，科技技术的不断进步，智能方面东西的运用已逐渐成为主流，他不仅能给我们带来方便而且还可以节省劳动力，推进社会的发展。
1.2基于图像的车牌识别系统的国内外现状
车牌识别技术的研究国外起步较早。
早在20世纪80年代，便有些零零散散的图像处理方法用于车牌自动识别的某些具体应用。
在这个解读，车牌自动识别技术的研究还没有形成完整的系统体系，一般采用简单的图像处理方法来解决某些具体问题，并且最终结果通常需要人工作干预。
进入20世纪90年代后，车牌自动识别的系统化研究开始起步。
[25]典型的如A.S.Johnson等提出车辆牌照的自动识别的系统化研究开始起步。
[25]典型的如提取和模板构造、字符识别等三部分完成车牌的自动识别。
[25]R.A.Lotufo使用视觉字符识别技术分析所获得的图像，首先在二值化图像中找到车牌，然后用辩解跟踪技术提取字符特征，再利用统计最邻近分类器与字符库中的字符进行比较，得出一个或几个车牌候选号码，在对这些号码进行核实检查，确定是否为该车牌号码，最终确定车牌号码，这个时期的应用在识别正确率方面有所突破，但还没有考虑识别事实性的要求，识别速度有待进一步提高。
在八十年代初，国外的研究人员对车牌识别技术有着广泛的关注。
在20世纪90年代，随着计算机视觉技术的发展和计算机性能的提高，车牌识别系统得到了系统的研究。
[26]但是，该系统在中国车牌识别系统中无法识别汉字。
目前，有一些更成熟的产品来解决我国的如汉王眼自动化HW公司中国科学院汉字识别问题，慧光车牌号码自动识别系统的亚洲视觉科技有限公司，深圳柯兴实业有限公司和中国信息产业部旗下的中智交通电子有限公司开发的相关识别产品。
此外，上海交通大学计算机科学与工程系、浙江大学自动化系、清华大学计算机科学与工程系等高校实验室的实验室，将科研成果转化为技术领域。
更重要的是，智勇刘，谁是从中国科学院自动化研究所，也发表了相关文章，并针对胡，一个来自北京航空航天大学的研究人员开发的车牌识别系统在模板匹配技术的基础上开发了一个车牌识别系统，该系统可应用于收费站。
1.3设计系统的情况
本次设计通过串口摄像头对车牌图像进行采集，采集到的图片格式为jpeg格式，接着将车牌图像数据通过串口这一媒介传到在电脑上。
当电脑接收到图像数据后，首先应对接收到的图片数据进行译码，还原图像数据成车牌图像，再对车牌图像进行相关的图像处理。
由于maTLAB强大的计算功能，运算速度快，处理图片比较方便，编程简单等，本次在该环境下进行图片处理，对车牌进行定位，字符分割，字符识别等。
然后再MTALB下利用Simulink建模，实现快速开发stm32源程序，生成STM32下的C程序和工程，完成本次设计任务。
第2章方案设计
2.1设计要求
本次设计是针对门禁或公路监控的需要，设计基于单片机图像识别的车牌处理系统，实现监视区域内车牌判断、识别；可实现信息语音输出及数据的记录；可实现报警图像输出及传输。
需要在matlab下操作串口实现图像的传输，运用matlab强大的计算功能，进行jpeg图像译码，再对采集到的车牌图像进行相关的图像处理.（如车牌的提取，字符的分割及识别等），用以识别图像中的车牌信息，将具体的车牌信息识别出来。
2.2方案选择
2.3.1设计方案的选择
方案一：
基于颜色的的车牌识别。
优点：
对车牌进行自动区域定位、文字提取、识别。
识别出结果之后进行语音朗读提醒。
在定位出错和识别出错时可以进行语音警告。
识别结果存入指定档内的档中。
缺点：
该识别系统是针对蓝底白字的车牌进行的识别。
故对颜色依赖度高。
对颜色的抗干扰能力差。
对蓝色汽车无法识别。
方案二：
基于二值图的的车牌识别。
优点：
识别别范围广，对车牌的要求少，以及能够适应较复杂的外在景物中提取出车牌。
抗干扰能力强，开发时间段。
缺点：
对图片的清晰度要求较高，算法及步骤要复杂一点。
综上的优缺点，以及结合现实的实际情况本次采用基于二值图的车牌识别，对车牌进行提取，字符的分割等。
2.3.2字符识别方案的选择
方案一：
人工神经网络进行字符识别。
人工神经网络进行字符识别主要有两种方法:
一种方法是先对待标识符元进行特征提取，然后用所获得的特征来训练神经网络分类器。
[27]识别效果与字符特征的提取有关，而字符特征提取往往比较耗时。
因此，字符特征的提取就成为研究的关键。
[28]另一种方法则充分利用神经网络的特点，直接把输入网络，由网络自动实现特征提取直至识别。
方案二：
模板匹配法。
模板匹配的主要特点是实现简单，当字符较规整时对字符图像的缺损、污迹干扰适应力强且识别率相当高。
[15]综合模板匹配的这些优点我们将其用为车牌字符识别的主要方法。
2.3系统方案
根据设计的要求，要实现功能，首先我们要对图像进行采集，要了解摄像头的相关参数，知道它是如何将数据传输到上位机的；紧接着在matlab环境下如何读取串口，如何将得到图像数据进行译码，这都是我设计的必备知识，然后才是本次设计的核心，如何对采集到了图像做处理，编写怎样的算法，才能将图片的中的车牌信息给识别出来。
这些列的问题都是我必须解决的；最后解决实现单片机程序的快速开发以及单片机外围电路的设计，最终完整的实现本次设计。
经过分析设计了如图2-1系统框图：
车牌显示
串口摄像头采集图像
报警
单片机
语音输出
图2-1系统框图
2.4总体方案设计
本次设计的总体方案设计可以大致分为两个部分，硬件设计和软件设计。
首先设计相关的硬件电路用于对整个系统进行控制，设计语音电路对车牌信息结果进行输出，还要设计电源以及显示电路等，使得整个系统的功能更加的齐全。
然后，在软件方面，编写相关的算法，使的我们能将车牌提取出来完成字符的分割，将车牌的信息识别出来，这部分工作最为核心，算法的好坏直接关系到我的结果好坏。
最后为实现STM32程序的快速开发利用MATLABSimulink环境进行语言的转化达到程序的快速快发，避免了单片机的繁琐编程来实现功能，提高程序的开发效率，方便又快捷。
本次要进行的工作步骤图如图2-2
车牌图像预处理
车牌提取
字符分割
字符识别
车牌图像的采集、输入
输出结果
图2-2工作框图
2.4.1硬件设计
本次设计的车牌识别系统硬件部分包括串口摄像头、主控机、语音播报电路、报警电路、电源电路以及报警图像的显示。
串口摄像头用于采集车牌图像，它的像素会影响到拍摄图片的质效果；主控机是本次识别系统的核心用于对摄像头进行控制以及接收它传来的数据并进行处理，协调各个电路的运行；语音播报用于对检测到的车牌进行实时的播报；电源电路用于对整个车牌自动识别系统供电，为系统提供能量来源，保证系统能够正常运转；报警电路用于对错信息进行报警。
2.4.2软件设计
硬设备采集到图像后首先应考虑图像是什么格式的。
目前常用的格式有*jpeg、*BMP、*GIF等，本次采集到的图片格式为*jpeg格式。
程序的编写大多采用VC、MATLAB语言，本次设计选用的是MATLAB语言。
MATLAB具有以下优点：
1.编程效率高，使用非常的方便。
以矩阵作为基本语言要素使得MATLAB在数字计算编程效率方面大大提高。
它的图像处理工具扩展了MATALB解决图像处理的能力，其他的像神经网络和小波工具都对算法的分析有很大的帮助。
2.MTALB移植性好，交互性好，开放行好，扩充能力强。
MATALB可在linux、windows系列平台上使用，且所有工具箱档和核心档都是公开的，我们可以直接修改源文件生成新的工具箱，扩充更多的新功能，有利于算法的改进和研究。
还有MTLAB的库函数与用户档形式上是一样的，我们可以根据需求扩充和建立新的库函数，扩充的功能。
3.较强的处理和图形控制功能，自带API使我们可以方便的在MATLAB与C++、C等其他程序语言之间建立数据通讯。
本系统采用matlab进行程序的撰写，具有明显的优势：
1.我们可以直接调用matlab库函数对接收到图片数据进行处理，使得编程更加的容易，方便易懂。
2.由于图像信息量很大需要大量的计算，由于matlab强大的计算功能正好派上了用场，
使得工作效率大大提高。
3.matlab的移植好交互性强，为以后将程序转化烧写到单片机上做好了准备，实现单片程序的快速开发。
极大的减少了工作量。
整个软件系统是车牌识别功能的图像分析和处理的系统。
首先将接收到的数据进行图像译码，然后对译码后的车牌图像进行灰度处理等相关图像增强操作，使图像更加的清晰。
接着对车牌图像进行边缘检测得到车牌图像的边缘，然后在对边缘检测好的图像进形态学操作，经过了这一些的处理我可以清晰的看到车牌区域的轮廓以及背景区域。
接着我们就可以根据车牌的具体情况以及前期处理的效果进行车牌进行定位和提取。
然后将提取到的车牌图像进行二值化处理，根据投影找到倾斜的角度，对车牌进行倾斜校正，接着根据垂直投影，对车牌字符进行分割。
最后运用模板法对分割出来的图片进行匹配，识别出车牌。
整个系统的设计采用了M语言，最后通过rapidstm32实现单片机的程序快速开发。
第3章硬件设计
3.1主要原件介绍
3.1.1主芯片STM32T103C8T6
STM32f103c8t6/STM32F103是 ST 公司基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器产品，内置128KB的Flash、外设20K的RAM、丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的、12位AD、4个16位定时器和还包含标准和先进的通信界面：
多达2个I2C界面和SPI界面、3个USART界面、一个USB界面和一个CAN界面。
等多种资源，时钟频率最高可达72MHz。
参数说明如表4-1
表4-1STM32F103C8T6参数说明
名称
STM32f103c8t6
存储器，RAM
20KB
计时器
4
封装形式
LQFP
工作的最高温度
105℃
工作的最低温度
-40℃
通讯方式
SPI,USART,USB,CAN
位数
32
定时器位数
16
器件标号
32f103c8t6
时钟频率
72MHZ
界面类型
CAN,SPI,URAT,USB
供电
2-3.6V
模数转换输入数
16
闪存容量
64KB
针脚数
48
3.1.2语音芯片QGPN5
QGPN5系列产品是一款专门为语音应用设计的。
采用最先进的CMOS工艺。
内部自带8位DSP微控制器。
分为QGPN5A,QGPN5B,QGPN5C系列。
提供4通道语音/Tone/Midi语音合成方式播放最高采样率可达CD音质44.1kHz，并且内部自带硬件16级音量调节功能。
提供两种音频输出方式，一种PWM输出，一种DAC输出。
可利用芯片内部+-1%的振荡，您无需外加振荡电阻，您也可以根据需求外接RC振荡电阻，当只使用内部振荡电阻时，外接振荡电阻脚可做为普通IO口使用。
提供待机模式（Haltmode），可大幅度的节省功耗；另外也可以选择慢速时钟，降低系统耗电。
芯片的引脚图如图4-1：
图3-1引脚图
下表3-1是语音芯片QGNP5的引脚说明：
表3-1引脚说明
名称
属性
功能描述
VDD
P
电源正极2.0~5.5V电源
GND
G
电源负极
SPK
O
喇叭声音输出
SPK/DAC
O/AO
喇叭声音输出，或DAC方式音频输出共享
VPP
P
芯片编程电源输入
IO1-IO
I/O
芯片IO口
0SC/PX3
I/O
芯片的IO口或外部RC振荡外部扩展电阻脚
表3-2是语音芯片的串口地址分配说明：
表3-2串口地址分配
出口地址
地址功能
功能描述
0X00~0XDF
223段声音地址
对应芯片内的声音段数起始地是00H
0XF0~0XFF
16级音量调节功能
16级音量调节。
0为最小音量，F
0XE0
开启循环功能
当前段一直循环播放知道发送停止循环指令为止
0XE1
关闭循环功能
如果是外加功放可以关闭内部功放降低功耗
0XE2
开启接收缓冲模式
开启接收缓冲模式有10个位元组的缓冲区
0XE3
关闭接收缓冲模式
关闭缓冲，即发一个地址立即播放一个声音
0XE4—0XED
NC
保留
0XEE
缓冲数据发送完成
这个命令只能在开启缓冲模式有效
0XEF
NC
保留
3.1.3电平转换MAX232
本次设计由于选用的是摄像头是串口摄像头，它的通讯方式是RS-232通讯，但是本次选用的STM32单片机的输出是TTL电平，所以我们必须经过转换，才能使stm32和串口摄像通正常通讯。
本次设计选用max232来进行电平的转换，完成系统的采集工作。
MAX220–MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信界面设计，尤其是无法提供±12V电源的应用。
由于这些芯片的消耗的功率最小可以达到5μW之内，所以他们都非常的适合用电池供电。
MAX225、MAX233、MAX235以及MAX245/MAX246/MAX247不需要外部元件，推荐用于印刷电路板面积有限的应用.MAX232的主要特点：
1、符合所有的RS-232C技术标准
2、只需要单一+5V电源供电
3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力。
4、能够产生+10V和-10V电压V+、V-。
5、功耗低，典型供电电流5mA
6、内部集成2个RS-232C驱动器
7、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。
MAX232引脚图表如图所示，其中第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要；第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到计算机DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出；第三部分是供电。
15脚GND、16脚VC（+5v）。
Max232引脚图如图4-2
如图3-2Max232引脚图
3.1.4电压转换芯片
由于各种芯片的供电要求不一样，所以要根据需求，采用不同的电源，这里用ZY2405UHBD-5W将24V直流电转化成5V直流电，用ASM117-3.3三端稳压器将5V电压转化3.3V.
ZY_UHBD-5W是由广州致远电子开发的宽电压输入隔离电源模块，它的转换效率非常的高，良好的高容性负载容量温度特性和低，而且还带有短路保护功能。
国际标准引脚，UL94-V0级阻燃封装，无需外部散热器自然冷却，无需外部元件可直接使用，可直接焊接在PCB板上。
连接简单。
引脚图如图3-3
图3-3ZY_UHBD引脚图
表3-3是电源转换芯片ZY_UHBD-5W的引脚说明：
表3-3引脚定义
引脚号
引脚名称
引脚定义
1
Vin+
电源输入端
2
Vin-
电源输入地
3
Vout
隔离电源输出负
5
Vout+
隔离电源输出正
AMS1117-3.3芯片将5伏电压转化成3.3伏它的输出电流为1A，负载调整率为0-0.4%（最大）封装类型：
SOT-223；工作结温范围：
-40~125°C输入电压：
15V焊接温度（25秒）：
265°C存储温度：
-65~150°C；输出电压：
3.267~3.333V（0<=IOUT<=1A,4.75V<=VIN<=12V）线路调整（最大）：
10mV（4.75V<=VIN<=12V）负载调节（最大）：
15mV（VIN=5V，0<=IOUT<=1A）电压差（最大）：
1.3V电流限制：
900~1500mA静态电流（最大）：
10mA纹波抑制（最小）：
60dB。
3.1.5TFTLCD液晶
TFT-LCD又叫做薄膜晶体管液晶显示器，常用的液晶屏界面很多种，8位、9位、16位、18位都有。
而常用的通信模式呢，主要有6800模式和8080模式两种，这次设计用的是8080模式。
为了显示得到的车牌结果，以及方便以后功能的扩展，本次选用的是TFTLCD液晶显示屏。
以后可以扩展为触摸屏。
它的控制芯片用的是ILI9325，为QVGATFTLCD显示的单晶片解决方案，支持240RGB×320像素，可以显示262144真色彩。
支持MVA（Multi_domainVerticalAligement多范围垂直队列）宽视角显示。
组合720通道源极驱动和320通道门极驱动。
内部集成172800字节的GRAM（图形存储器），它具有内部晶振和硬件复位支持240RGB×320像素，可以显示262144真色彩。
支持MVA（Multi_domainVerticalAligement多范围垂直队列）宽视角显示。
而且在TFT液晶的内部具有复位和晶振电路，用起来非常的方便，他还支持四中高速界面。
3.2模块分析
3.2.1STM32控制模块
微处理器模块，由STM32F103RBT6单片机，时钟电路，复位电路构成，是整个系统的核心，也是整个系统的控制中枢，进行数据的处理以及对语音模块，显示模块的控制、报警模块的控制，维持整个系统的正常运行。
时钟电路采用的是外部晶振用的是32.768KHZ与两个33pf的电容组成；复位电路能够实现上电单片机复位操作，使系统上电正常进入运行。
电路图如图3-4。
图3-4STM32控制模块
3.2.2电源模块
本次设计采用电源是开关开关电源。
开关电源具有性能稳定，输出的电压波动小，给我们系统造成的干扰小，体积小等优点。
[22]开关电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍；即使采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。
在相同的纹波输出电压下，采用开关电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500～1/1000。
电路中晶闸管控制电路的导通，采用了TOP414G稳压芯片进行稳压，采用管够欧进行隔离。
开关电源电路中，晶体管V在 激励信号的激励下，它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换的速率非常的快，最普遍的是在50KHZ,但是在发达国家也有例外，最快可以达到1000KHZ。
由于它转换的频率高，所有它消耗的功率小，这样可以很大幅度的增加电源的使用效率。
开关电源电路图如图3-5
如图3-5开关电源
由于该系统会用到多个电源如3.3V,5V电源等，为了满足要求，采用DC-DC变换，将开关电源的24V直流电转化为5V的直流电用到的芯片型号为ZY2405UHBD-5W；再将5V的直流电转化为3.3V的直流电用到的芯片型号为ASM1117。
电路图如图3-6
图3-6电压的转换
3.2.3滤波电路
由于系统电源会给整个系统带来干扰，为了使电源电压更加稳定的供电，去除电源带来的干扰，我们需要对电源滤波，
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