基于顏色-幾何形狀建模的道路交通標(biāo)志識(shí)別技術(shù)的研究

引 言

目前，城市道路交通狀況日趨嚴(yán)峻，交通標(biāo)志的作用愈加重要。交通標(biāo)志最顯著的特點(diǎn)就是顏色和形狀的信息。顏色是交通標(biāo)志的重要屬性，與背景區(qū)域顏色對(duì)比，其主要區(qū)域顏色比較醒目。光照強(qiáng)弱容易引起對(duì)道路交通標(biāo)志信息識(shí)別的偏差，由于不同顏色的灰度級(jí)別所包含的信息量差別不大，而灰度圖像所包含的信息量相對(duì)較少，所以光照變化會(huì)導(dǎo)致識(shí)別難度加大。因此采用RGB 圖像進(jìn)行交通標(biāo)志處理的研究增多。交通標(biāo)志的形狀也可以反映重要的特征信息，其主要目的在于提取有效的形狀特征信息。目前已有很多形狀描述的方法，可將其分為外部和內(nèi)部的形狀描述算法兩類[1]。外部形狀算法是對(duì)區(qū)域輪廓特征的描述，而內(nèi)部形狀描述算法是對(duì)輸入?yún)^(qū)域內(nèi)部面積參數(shù)的描述。交通標(biāo)志以不同的幾何形狀和顏色在一定距離內(nèi)為駕駛員和行人提示交通信息[2]。本文以顏色- 幾何形狀建模，提出顏色 - 形狀對(duì)概念，構(gòu)造 7 個(gè)子類， 涵蓋 3 大類 116 種中國(guó)交通標(biāo)志，大大降低了研究交通標(biāo)志的復(fù)雜性，把交通標(biāo)志進(jìn)行有效分類，降低了識(shí)別難度。

1 交通標(biāo)志

1.1 交通標(biāo)志簡(jiǎn)介

交通標(biāo)志的設(shè)立是為了保證交通安全和道路暢通，具有標(biāo)志醒目、清晰、安全、顯眼等特點(diǎn)，廣泛使用在具體的交通管理過程中。交通標(biāo)志類型涵蓋多種，主要分為以下幾種：

(1) 主要標(biāo)志和輔助標(biāo)志；

(2) 可動(dòng)式標(biāo)志和固定式標(biāo)志；

(3) 照明標(biāo)志、發(fā)光標(biāo)志和反光標(biāo)志；

(4) 反映行車環(huán)境變化的可變信息標(biāo)志。

我國(guó)現(xiàn)行與交通安全有關(guān)的交通標(biāo)志主要分為 3 大類，共 116 種。其中警告類標(biāo)志有 45 種，禁止類標(biāo)志有 42 種，指示類標(biāo)志有 29 種[3]。部分交通標(biāo)志示例如圖 1 所示。

圖1 交通標(biāo)志示例

1.2 交通標(biāo)志顏色信息

由圖 1 可知，交通標(biāo)志主要由紅色、藍(lán)色、黃色、黑色、白色 5 種基本顏色相互搭配而成，但具體的含義和作用有所不同。紅色代表禁止、停止、危險(xiǎn)，在交通標(biāo)志設(shè)計(jì)中常用作邊框、底色、斜杠、警告性和線性誘導(dǎo)標(biāo)志底色等；藍(lán)色代表指令、遵循，在交通標(biāo)志設(shè)計(jì)中用于地名、路線、方向等行車信息的提醒 ；黃色代表警告；黑色在交通標(biāo)志設(shè)計(jì)中主要用于書寫標(biāo)志的文字、圖形符號(hào)和部分標(biāo)志的邊框；白色在交通標(biāo)志設(shè)計(jì)中用作底色填充，包括文字、圖形符號(hào)等。

由于大部分交通標(biāo)志都有一個(gè)很細(xì)的外輪廓線，而實(shí)際拍攝中輪廓線都比較模糊，所以輪廓線對(duì)交通標(biāo)志識(shí)別的影響可以忽略。忽略白色、黃色和其他影響因素后，3 大類交通標(biāo)志與顏色的關(guān)系如圖 2 所示。

1.3 交通標(biāo)志幾何圖像信息

基于對(duì)我國(guó)目前道路交通標(biāo)志的研究，把交通標(biāo)志的形狀分為 5 種，分別為正三角形、圓形、倒三角形、八邊形、矩形。

(1) 正等邊三角形 ：用于警告標(biāo)志；

(2) 圓形 ：用于禁令和指示標(biāo)志；

(3) 倒等邊三角形 ：用于 減速讓行 禁令標(biāo)志；

(4) 八邊形 ：用于 停車讓行 禁令標(biāo)志；

(5) 方形 ：用于指路標(biāo)志，部分警告、禁令和指示標(biāo)志， 旅游區(qū)標(biāo)志，輔助標(biāo)志，告示標(biāo)志燈。

幾何形狀與 3 大類交通標(biāo)志之間的關(guān)系如圖 3 所示。

2 交通標(biāo)志的顏色- 形狀對(duì)模型

根據(jù)上述對(duì)交通標(biāo)志顏色和形狀的分類，以及它們與 3大類交通標(biāo)志的關(guān)系，我們把圖 2 和圖 3 合并，找出了交通標(biāo)志的顏色- 幾何形狀與 3 大類交通標(biāo)志間存在的關(guān)系。這種唯一的確定關(guān)系如圖 4 所示。

2.1 顏色 - 形狀對(duì)概念的提出

本文為了研究道路交通標(biāo)志的顏色和形狀存在的唯一確定關(guān)系，提出了顏色形狀對(duì)及有關(guān)集合的概念。

定義 ：如果任意交通標(biāo)志圖像的顏色屬性有 m 種，設(shè)該屬性是 Ci|i=1，2，3， ，m。若幾何形狀屬性有 n 種，該屬性是 Sj| j=1，2，3， ，n。那么該區(qū)域中任意一種顏色屬性和任意一種幾何形狀屬性都能構(gòu)成一個(gè)二元函數(shù)對(duì)（Ci，Sj），如果令（CS）k=（Ci，Sj）|k=1，2，3， ，l，其中 l=m×n，則把二元函數(shù)對(duì)（CS）k稱為圖像的一組顏色形狀對(duì)。

顏色- 形狀對(duì)集合：若任意交通標(biāo)志圖像的顏色屬性為Ci|i=1，2，3， ，m， 幾何形狀屬性為 Sj| j=1，2，3， ，n。則顏色屬性表示為 C={C1，C2，C3， ，Cm}，幾何屬性表示為 S={S1，S2，S3， ，Sn}。該顏色 - 形狀對(duì)表示為CSPk=（Ci，Sj） k|i=1，2，3， ，m ；j=1，2，3， ，n ；k=1，2，3， ，l。

在交通標(biāo)志圖像檢測(cè)中，我們首先檢測(cè)出圖像的有效區(qū)域（如顏色和形狀的屬性），然后再進(jìn)行分割處理等操作。以禁令標(biāo)志為例來說明顏色- 形狀對(duì)，禁令標(biāo)志的基本顏色是紅色和黑色，其基本形狀是圓形、倒三角形和八邊形。這樣構(gòu)成的顏色形狀對(duì)為（紅色，圓形）、（紅色，倒三角形）、（紅色，八邊形）、（黑色，圓形）、（黑色，倒三角形）。由此我們可以得到顏色- 形狀對(duì)構(gòu)建的幾何模型。

2.2 顏色 - 幾何模型的建立

設(shè)我國(guó)道路交通標(biāo)志圖像的主要顏色有紅色、藍(lán)色、黑色，分別用 C1、C2、C3（黃色和白色是輔助顏色，這里先不研究）代表，幾何形狀有倒三角形、八邊形、圓形、矩形、正三角形，分別用 S1、S2、S3、S4、S5 表示。由之前提出的定義可知， 顏色屬性幾何集合為 Ci=（C1，C2，C3），幾何形狀屬性集合為 Sj=（S1，S2，S3，S4，S5），于是可以得出顏色 - 形狀對(duì)的集合是 CSPk。而禁令標(biāo)志、指示標(biāo)志、警告標(biāo)志的顏色- 形狀對(duì)的子集分別為CSP1，CSP2，CSP3，則有：

CSP1={（C1，S1），（C1，S2），（C1，S3），（C3，S3）} CSP2={（C2，S3），（C2，S4）}

CSP3={（C3，S5）}

（CSP）k={（CSP1），（CSP2），（CSP3）}={（C1，S1），（C1，S2），（C1，S3），（C3，S3），（C2，S3），（C2，S4），（C3，S5）}

根據(jù)上式可知，交通標(biāo)志的顏色- 幾何模型可以由 4 個(gè)禁令標(biāo)志- 顏色形狀對(duì)、2 個(gè)指示標(biāo)志- 顏色形狀對(duì)和 1 個(gè)警告標(biāo)志- 顏色形狀對(duì)組成，表明我國(guó) 116 種道路交通標(biāo)志可以由 7 個(gè)顏色- 形狀對(duì)來表示，每個(gè)顏色- 形狀對(duì)表示交通標(biāo)志的 1 個(gè)子類。

把 3 大類 116 種道路交通標(biāo)志分為 7 個(gè)子類，其中禁令標(biāo)志有 42 個(gè)，可以分成 4 個(gè)子類，分別為 38 個(gè)紅色圓形標(biāo)志、個(gè)黑色圓形標(biāo)志、1個(gè)紅色倒三角標(biāo)志和 1個(gè)紅色正八邊形標(biāo)志；指示標(biāo)志有 29個(gè)可以分為 2個(gè)子類，分別為 16個(gè)藍(lán)色圓形標(biāo)志和 13個(gè)藍(lán)色矩形標(biāo)志；警告標(biāo)志有 45個(gè)而只有 1個(gè)子類，即黑色（里面含有黃色）三角形標(biāo)志。顏色 - 幾何形狀模型的建立使每個(gè)子類的樣本數(shù)目大大減少，把 116種道路交通標(biāo)志轉(zhuǎn)化為 7 個(gè)子類去研究，不僅降低了研究難度，還為之后的細(xì)分類提供了良好的條件。

結(jié) 語

本文通過對(duì)道路交通標(biāo)志的特性進(jìn)行研究，提出了顏色形狀對(duì)的有關(guān)概念并建立了模型，顏色形狀對(duì)的概念充分反映出交通標(biāo)志顏色與幾何形狀存在唯一確定關(guān)系。這個(gè)模型涵蓋了所有道路交通標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)了道路交通標(biāo)志的粗分類，有利于構(gòu)建一個(gè)完整系統(tǒng)，降低了該系統(tǒng)的復(fù)雜性和難度。但在實(shí)際交通場(chǎng)景中，由于不同因素的干擾，這些特征會(huì)失真，影響模型的建立，因此該模型的建立還需要進(jìn)一步研究。