УСТРОЙСТВО РАСПОЗНАВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ РЕГИСТРАЦИОННЫХ ЗНАКОВ

Устройство распознавания автомобильных регистрационных знаков, относится к автоматике и вычислительной технике и предназначено для распознавания регистрационных знаков транспортных средств, в том числе и быстро движущихся.
В мировой практике общепринято регистрационные знаки покрывать специальной световозвращающей краской. В Российской Федерации используются регистрационные знаки следующих видов: черные символы на белом или желтом световозвращающем фоне; белые символы на синем или красном световозвращающем фоне (инверсные номерные знаки), а так же военные и транзитные номера, не имеющие световозвращающего фона.
В настоящее время, для распознавания регистрационных знаков движущихся транспортных средств широко используются различные телекамеры с предустановленной экспозицией (обычно 1 мс) как со стационарными верхними осветителями, так и с прожекторами, совмещенными с телекамерой, как импульсные, так и непрерывного действия.
В статье Руцкова М.В. «Пляжный баскетбол - к вопросу видеофиксации» (Журнал «Системы безопасности», с56,. №2, 2010 г.) утверждается, что при использовании фронтальной подсветки номерные (регистрационные) знаки с белым или желтым световозвращаемым фоном могут получать избыточную освещенность с образованием в кадре пылающего белого пятна, а инверсные номера с синим и красным световозвращаемым фоном практически полностью теряют контрастность как при сильной освещенности, так и в темное время суток - из-за слабой освещенности. Использование в условиях РФ, с ее многообразием типов номерных пластин (регистрационных знаков) фронтальной ИК - подсветки (в видимом спектре тоже) неприемлема. Для решения проблем с непредсказуемым изменением освещенности регистрационного знака предлагается использовать оперативное управление всеми параметрами камер из самого алгоритма определения, и в первую очередь - электронным затвором.
Техническое решение (патент РФ №2216784 от 09.01.2002 г. G08G 1/017, H04N 5/235) «Способ формирования видеосигнала для системы автоматического распознавания номеров транспортных средств» с применением 4-х различных экспозиций для последовательности кадров, видеосигналы при этом разделяют по времени экспозиции, каждый сигнал подвергают усилению и коррекции, а один из сигналов управляет диафрагмой - так же не лишено недостатков. К ним следует отнести то, что при фронтальном освещении (светодиоды находятся вблизи объектива) решается проблема только с белыми и желтыми регистрационными знаками, но не решается проблема с синими и красными регистрационными знаками (инверсные номерные знаки). К недостаткам данного изобретения следует так же отнести и тот факт, что скоротечность процесса не всегда позволяет получить кадр с необходимым качеством изображения регистрационного знака (при скорости автомобиля более 150 км/час фиксация автомобиля происходит всего на двух-трех кадрах).
Наиболее близким по технической сущности является «Устройство распознавания номерных знаков» (Патент на полезную модель РФ 78343, G07C 1/10, опубл. 20.11.2008 г.)., включающий источник излучения и детекторный узел, выполненный в виде приемника изображения и оптического фильтра, которые заключены в капсулирующую оболочку. Приемник изображения выполнен в виде видеокамеры, а источник излучения выполнен в виде множества светоизлучающих диодов, размещенных вокруг объектива видеокамеры, перед которым расположен фильтр, при этом фильтр выполнен таким образом, что его центральная длина волны равна длине волны, излучаемой каждым светоизлучающим диодом множества светоизлучающих диодов.
Недостатками данного устройства является то, что оно не в состоянии распознавать регистрационные знаки (белые, желтые, синие, красные) движущихся транспортных средств при изменении освещенности в течение суток. В частности при определенном сочетании освещения светодиодами и окружающим светом синие и красные регистрационные знаки потеряют контрастность, а белые и желтые регистрационные знаки могут получить избыточную освещенность.
Техническим результатом, который может быть получен в заявленной полезной модели, является создание устройства распознающего регистрационные знаки как с черными символами на белом или желтом фоне, так и с белыми символами на синем или красном фоне в широком диапазоне изменения освещенности в течении суток. Существующие факторы - солнечная подсветка, недостаточная освещенность при переходе день-ночь, отсутствие освещенности ночью делают предпочтительным использования в одних случаях фронтальной импульсной подсветки, а в другом - диффузионной, то есть солнечной или традиционного верхнего освещения. Стоящая задача - создание устройства совмещаемого все возможные виды освещения при сокращении времени для получения пригодных для идентификации кадров регистрационных знаков транспортных средств. Устройство состоит из телекамеры, светоизлучающих диодов, расположенных в непосредственной близости к объективу и дополнительного устройства управления, которое включает импульсную подсветку синхронно с электрическим затвором камеры через один кадр (поле). Длительность импульса подсветки при этом совпадает с экспозицией камеры.
Предложенное техническое решение позволяет решить проблему распознавания регистрационных знаков быстродвижущихся транспортных средств. Как отмечалось ранее, оценить условия освещенности и на основании этого задать оптимальные параметры камеры для успешного распознавания регистрационных знаков быстродвижущихся транспортных средств не представляется возможным так как при скорости более 150 км/час движущийся автомобиль может быть зафиксирован в зоне распознавания лишь в двух-трех кадрах, но для распознавания регистрационного знака достаточно получение одного кадра хорошего качества.
К сопутствующим техническим результатам следует отнести значительное сокращение количества используемых светодиодов до двух-четырех штук, за счет использования правильно подобранной оптики в зависимости от типа приемника изображения и расстояния до объекта съемки, при условии, что угол формируемый оптикой заведомо больше угла зрения объектива камеры.
Следует отметить, что при освещенности на регистрационном знаки в 0,075 лк достаточной для получения качественного изображения за счет световозвращения даже белые светодиоды не оказывают слепящего воздействия на водителя, аналогичную освещенность создают четыре лампочки накаливания по 6 вт на расстоянии 20 м от объекта. В связи с этим в предлагаемом устройстве возможно применение как светодиодов видимого спектра, так и инфракрасного.
Следующая проблема, решаемая данным техническим решением, это успешное распознание регистрационного знака в независимости от места его расположения на транспортном средстве: в освещенном месте или в тени. С включенными светодиодами при ярком солнце и суммарной освещенности в несколько тысяч люкс номер на освещенном месте для выбранной экспозиции может оказаться пересвеченым более чем в 2 раза и перестанет определяться, хотя с выключенными светодиодами он будет распознаваться вполне успешно. При той же суммарной освещенности (с включенными светодиодами) номер, расположенный в глубокой тени будет успешно определен.
Это достигается использованием устройства распознавания автомобильных регистрационных знаков включающем в себя: телекамеру, светоизлучающие диоды с формирующей оптикой, расположенные в непосредственной близости от объектива и устройство управления длительностью и положением импульсов излучения диодов относительно экспозиции камеры, в одном всепогодном кожухе. Устройство управления светодиодами подает команду на включение импульсной подсветки длительностью совпадающей с длительностью экспозиции камеры через один кадр (поле) синхронно с электронным затвором камеры. Таким образом, один кадр (поле) будет подсвечен, а другой нет, причем распознавание ведется во всех кадрах (полях). При этом номер может быть распознан когда он подсвечен светодиодами, либо когда он не подсвечен светодиодами, либо распознан и в том и другом случае.
Синхронность импульсной подсветки с экспозицией камеры имеет принципиальное значение, т.к. при ее отсутствии подсветка регистрационного знака будет не предсказуемой или просто неэффективной.
На экспериментальном стенде (Фиг.1, 2, 3) расположены два регистрационных знака: в верхней части белый регистрационный знак с черными символами, под ним синий регистрационный знак с белыми символами, аналогичные результаты были бы получены при расположении на стенде желтого и красного регистрационных знаков.
С включенной светодиодной подсветкой (Фиг.№1) в вечернее и утренние время рассеянный свет от символов и возвращенный от фона регистрационного знака могут сравняться, это приводит к тому, что для синих или красных номерных знаков с белыми символами контраст изображения номерного знака будет слишком мал для успешного распознания. Белые и желтые номера при освещении их солнцем и дополнительно светодиодами могут оказаться пересвеченными, при этом темные горизонтали, а в данном примере и вертикали на изображении номера начнут «рваться» и номер также окажется не распознаваем. Это объясняется тем, что при близком расположении светодиодов к объективу (фронтальное освещение), в объектив от номерного знака попадает кроме рассеянного света еще и возвращенный свет в узком угле от световозвращающей краски (так называемое световозвращение) по яркости превосходящий рассеянный свет в сотни раз.
Для синих или красных номеров с белыми символами в течение суток рассеянный свет от символов и возвращенный от фона может сравниться и, следовательно, контраст изображения номера будет слишком мал для успешного распознания.
Белые и желтые номера при освещении их солнцем и дополнительно светодиодами могут оказаться с избыточной освещенностью, что создает помехи для успешного распознания.
С выключенной светодиодной подсветкой (Фиг.№2) в вечернее или утренние время рассеянный свет от символов позволяет успешно определять все регистрационные знаки.
В ночное время с включенной светодиодной подсветкой (Фиг.№3). регистрационные знаки будут восприниматься устройством как регистрационные знаки с черными символами на светлом фоне не зависимо от цвета пластины регистрационного знака - белый, желтый, синий или красный.
Устройство (Фиг.4) функционирует следующим образом:
телекамера 1 направлена на пластину регистрационного знака, которая освещается естественным окружающим светом и светодиодами 3, с формирующей оптикой 4. Рассеянный свет и свет, полученный за счет световозвращения при освещении пластины регистрационного знака светодиодами 3, соединенными с управляющим устройством 5 попадает через окно 9 и объектив 2 телекамеры 1 на матрицу 6. Сформированные изображения пластины номерного знака на матрице 6, в виде видеосигнала через соединительные провода 8 передаются в компьютерную систему с модулем распознавания номерных знаков поочередно: одно с включенными светодиодами 3, другое с выключенными светодиодами 3, что обеспечивается сигналами вырабатывающимися управляющим устройством 5.
После того как устройство приведено в рабочее состояние, управляющее устройство периодически через один кадр (поле) включает светодиоды с длительностью совпадающей с длительностью экспозиции камеры, причем длительность экспозиции устанавливается как можно меньше (1/10000-1/100000 сек). Малая экспозиция позволяет подавлять избыточную освещенность изображения регистрационного знака и матрицы от солнца и встречных фар автотранспорта. Обычно камера работает с экспозицией 1/50 с, а при выборе экспозиции 1/100000 с уменьшение вклада света (подавление) от солнца и фар будет 2000 раз.
Одной из задач решаемых предлагаемым устройством в целях успешного распознания номера является совмещение двух видов подсветки как окружающим светом (солнце, фонари и пр.) так и фронтальной - от светодиодов.
Яркое солнце создает освещенность 10000-100000 лк, при этом в тени может быть всего 100 лк. На матрице телекамеры при этом создается освещенность, которая определяется объективом (фокусным расстоянием, диафрагмой и пр.). Пусть коэффициент преобразования объектива по освещенности с объекта на матрицу будут К. Применение экспозиции 1/100000 позволит получить среднюю освещенность на матрице равную 5К-50К лк для яркого солнца и 0.05К лк для тени. При освещенности на номере 5 лк или 5К лк на матрице видеосигнал будет иметь максимальное значение, превышение этого значения приводит к избыточной освещенности номера и его не читаемости. При большом значении усредненной освещенности включается автодиафрагма, т.е. уменьшается количество света пропускаемое объективом (уменьшается К, например, для 50 лк уменьшается в 10 раз). Светодиоды (например 4 шт.), которыми освещается номерной знак включаются импульсами тока 2-3 А с длительностью импульса равной экспозиции камеры 1/100000 сек=10 мкс. Суммарный световой поток от таких светодиодов будет приблизительно 2000 лм. Световой поток, сформированный оптикой с углом 8 градусов, позволяет получить силу света на оси приблизительно 60000 кд. Такой осветитель создает освещенность на номере находящемся на расстоянии 20 м от камеры равную 150 лк. Для длительности 10 мкс средняя освещенность номера на матрице будет меньше в 2000К раз, т.е. равна 0.075К лк. В то же время световозвращение увеличивает количество света попадаемого в объектив камеры в сотни раз, другими словами это эквивалентно увеличению освещенности номера на матрице в сотни раз (приблизительно 5К-7К лк). При этом независимо от количества света приходящего от номера за счет световозвращения коэффициент преобразования объектива не изменится так как он определяется усредненной освещенностью по всему полю зрения.
Из этого следует, что с включенными светодиодами при ярком солнце суммарная освещенность номера на матрице будет 12К-57К лк, а в тени 5К-7К лк. При освещенности в несколько тысяч люкс номер для выбранной экспозиции может оказаться пересвеченым более чем в 2 раза и перестать определяться, хотя с выключенными светодиодами он будет распознаваться вполне успешно (Фиг.1, 2).
И так, если светодиоды включены номер определяется на ярком солнце не во всем диапазоне освещенности, но определяется в тени, если выключены - определяется во всем диапазоне освещенности на ярком солнце и не определяется в тени. Из последовательности 2-х кадров (в одном кадре имеется освещенность, а в другом нет) номер будет определяться во всем диапазоне освещенности на ярком солнце и в сильной тени, а также при отсутствии освещенности.
В реальности все происходит более сложно, т.к. объектив изменяет количество проходящего света в зависимости от средней освещенности сцены, в то же время возвращенный свет от поверхности номера практически никакого влияния на среднюю освещенность не оказывает.
Для номеров с синим или красным фоном и белыми символами при их освещении светодиодами расположенными вокруг объектива происходит следующее: от фона пластины номера в объектив попадет в сотни раз больше света, чем от белых символов, поэтому изображение номера будет светлым с черными символами (Фиг.3). При освещенности номера рассеянным светом в тысячи лк (для выбранной экспозиции) и светодиодами количество света приходящее в объектив от пластины за счет световозвращения и от символов за счет рассеяния может сравниться, и контраст изображения номера станет слишком мал для его успешного распознания (Фиг.1).
Таким образом, при освещении светодиодами синего или красного номера номер будет определяться во всем диапазоне освещенности за исключением, например, переходного периода от ночи в день и от дня к ночи, при выключенном освещении номер будет определяться только с утра до вечера при достаточной естественной освещенности. Из последовательности 2-х кадров (в одном кадре имеется освещенность, а в другом нет) номер будет определяться во всем диапазоне освещенности круглосуточно (днем, ночью, вечером и утром) см. Фиг.1, 2, 3.
На Фиг.1, 2, 3 изображены номерные знаки: верхний белый с черными символами (гражданский), нижний синий с белыми символами (полицейский) в реальных условиях в разное время суток с различной освещенностью.
Фиг.1 с включенной светодиодной подсветкой в дневное время.
Фиг.2 с выключенной светодиодной подсветкой в дневное время.
Фиг.3 с включенной светодиодной подсветкой ночью.
На Фиг.4 приведена функциональная схема предложенного устройства распознавания автомобильных регистрационных номеров.
Устройство реализовано на базе видеокамеры GF-1343HDN с варифокальным объективом Tokina 6-60 mm, светодиодов фирмы Cree с оптикой Carclo и устройства управления светодиодами на базе микроконтроллера серии PIC размещенных в серийном всепогодном кожухе. Устройство было установлено над проезжей частью дороги на высоте 6 м и расстоянии до места регистрации номерного знака 20 м и подключено с компьютерной системе распознавания номерных знаков. Информация выводилась на пункт контроля за безопасностью УВД г.Протвино, МО.
Результаты экспериментов (Акт испытаний №21Р от 08.08.12 г. проведенный совместно с УВД РФ г.Протвино, МО) подтвердили правильность выбора основных параметров устройства и показали значительное увеличение вероятности распознавания номеров (белых и желтых с черными символами, синих и красных с белыми символами) в широком диапазоне изменения освещенности в течение суток на реальном объекте,