基 于 模板 匹配 和神 经 网络 的交通 标 志 识别 研 究 · 学 术 论 坛 · (沈阳理 工 大学信 息科 学与 工程 学院 辽宁 沈阳 1 10168) 蒙 昭 森 刘 砚 菊 [摘 要 】提 出 一 种 基 于 模 板 匹 配 和 神 经 网 络 相 结 合 的 交 通 标 志 识 别 方 法 。 改 方 法 集 成 了 模 板 匹 配 的 识 别 交 通 标 志 和 神 经 网 络 识 别 交 通 标 志 的 优 点 。 可 有 效 的 提 高 识 别 的 准 确 率 ， 识 别 速 度 和 识 别 的 泛 化 能 力 。 [关 键 词 】交通 标 志 识 别 模 板 匹配 神 经 网 络 集 成 [中图分类 号]TP39 [文献标 识码】A [文章编号 】l007—9416 (2009)l0-01l2—0l 1 引 言 对为 C =(C ，S，)，k =1，2，… ，z，其 差 函 数 为 J：abE(a>O，a≠ 1，b>O)，式 中 ，E 目 前 的 交 通 标 志 识 别 问 题 主 要 存 在 以 下 几 个 难 点 ：首 先 ，由 于 光 照 条 件 的 复 杂 性 ， 导 致 交 通 标 志 的 颜 色 失 真 ；其 次 ，由 于 路 面 状 况 的 复 杂 性 ，交 通 标 志 可 能 被 遮 挡 、 污 染 ；第 三 ，拍 摄 角 度 的 不 同 也 会 导 致 交 通 标 志 出 现 不 同 程 度 的 几 何 失 真 。 这 些 不 确 定 因素 的 存 在 都给 交通 标 志 的识 别 带 来 了 一 定 的 困 难 。 因 此 ， 应 用 彩 色 图 像 处 理 技 术 进 行 道 路 交 通 标 志 检 测 研 究 ， 在 分 析 了 道 路 交 通 标 志 的 颜 色 和 几 何 形 状 这 两 种 先 验 信 息 的 基 础 上 ， 提 出 了 颜 色 形 状 对 的 概 念 ， 并 据 此 构 造 了 交 通 标 志 的 颜 色 一 几 何 模 型 。 同 时 在 该 模 型 的 基 础 上 提 出 了 一 种 改 进 的 神 经 网 络 和 模 板 匹 配 相 结 合 的 方 法 来 检 测 交 通 标 志 。 2 模板 匹配 的 标志 识 别 2．1 颜色 及 几何特 性 中 ，z=m × n，则 图 像 区 域 Q 的 颜 色 形 状 为 LSE 函 数 ．LEE 误 差 函 数 既 可 以 加 快 网 对集 合 为 VCSP={cs& k=1，2，… ，zj。 2．3 交通标 志 的颜 色 一几 何模 型 络 的 学 习 收 敛 速 度 ，避 免 收 敛 过 程 出 现 振 荡 现 象 ，又 便 于 神 经 网 络 的 VLSI硬 件 电 路 设 ， ，G，c4分别表示我国道路交通 标 志 的 颜 色 属 性 为 红 色 、 蓝 色 、 黑 色 和 其 他 颜 色 (即 白色 和黄 色 )； ， ， ， ， ， 分 别 表 示 其 形 状 属 性 为 倒 三 角 形 、 八 边 形 、 圆 形 、 矩 形 、 正 三 角 形 和 其 它 形 状 (即 交 通 标 志 内 核 的 各 种 形 状 )。 则 ， 根 据 上 面 对 交 通 标 志 颜 色 属 性 和 形 状 属 性 的 分 析 以 及 定 义 l和 定 义 2可 知 ， 我 国 3大 类 116 种 交 通 标 志 的 颜 色 属 性 集 合 可 表 示 为 Vc={CI，c ， }，形状 属性 集合 可表示为 VS={ ， ，S， ， ， }。则禁令 标志 、指 示 标 志 、 警 告 标 志 的 颜 色 形 状 对 子 集 分 别 为 vcsP~，vcs&，vcs& ，因 此 有 ： 实 现 。 3．2 采用 改 进 的样本 学 习规 则 传 统 的 BP 学 习 算 法 是 一 种 随 机 梯 度 最 小 均 方 算 法 ，每 次 迭 代 的 梯 度 值 受 样 本 中 噪 声 干 扰 的 影 响 较 大 ，所 以 有 必 要 使 用 批 处 理 方 法 将 多 个 样 本 的 梯 度 进 行 平 均 以 得 到 梯 度 的 估 值 ．但 是 ，在 训 练 模 式 样 本 数 很 大 的 情 况 下 ，这 种 方 法 势 必 增 加 每 次 迭 代 的 计 算 量 ，并 且 这 种 平 均 作 用 将 会 忽 略 训 练 样 本 个 体 的 差 异 性 ，降 低 学 习 的 灵 敏 度 ．因 此 ，将 所 有 训 练 模 式 样 本 分 成 若 干 个 子 块 分 别 进 行 平 均 学 习 ，当 误 差 收 敛 到 一 预 定 数 值 时 ，再 以 此 刻 权 值 为 初 值 ，转 入 下 一 子 块 进 行 学 习 ，在 所 有 的 子 块 被 训 练 完 分 析 1l6种 交 通 标 志 可 以 看 出 它 们 主 ={(c-． )．(G。 )，(cI，焉)，(c，，s|)I 后 ，若 最 后 的 误 差 达 到 预 定 的 精 度 ，则 学 习 要 由 5种 基 本 颜 色 构 成 ： 红 色 、 蓝 色 、 黄 ， t{( 。s，)．(c】，s．)} 完 毕 ，否 则 将 转 入 下 一 个 循 环 继 续 学 习 ，直 VCSP3={( ．鼠)} 到 满 足 终 止 误 差 精 度 要 求 。 ={CSPI。 PI．alP’f tl(c-，s。)．(c．．s1)． f c1．与)．(c，．s|)．(c|．焉)．(G。s．)，(c|。S)J 4 模 板 匹配 和 神经 网络 的集成 由 于 交 通 标 志 采 集 的 条 件 (场 景 、 几 何 由 式 (1)可 知 ， 我 国 道 路 交 通 标 志 的 先 验 信 息 可 用 7个 颜 色 形 状 对 来 描 述 。 于 是 ， 设 逻 辑 变 量 表 示 交 通 场 景 图 中 存 在 交 通 标 志 ， 设 TSR、 TSG、 TSw 分 别 表 示 交 通 场 景 图 中 存 在 禁 令 标 志 、 指 示 标 志 和 警 告 标 志 ， 则 基 于 颜 色 形 状 对 的 “颜 色 一 几 何 模 型 ”(color— geometric model， CGM )可 表 示 如 下 ： =( ．岛)+( 。只) ：(c|。sI) = 瑚 + C + z 位 置 、 灯 光 、 天 气 、 车 辆 速 度 和 摄 象 机 的 解 析 度 等 )不 同 ，由 移 动 拍 摄 到 的 交 通 标 志 中 有 的 可 以 独 立 分 割 出 来 ，有 的 可 以 部 分 分 割 出 来 ，有 的 则 不 能 分 割 出 来 ．对 于 不 能 独 立 分 割 出 来 的 交 通 标 志 ，只 能 用 神 经 网 络 进 行 识 别 ；而 对 于 可 独 立 分 割 出 来 的 交 通 标 志 图 用 两 种 方 法 均 可 识 别 ，但 这 两 种 方 法 识 别 的 效 果 不 一 样 ．就 识 别 率 而 言 ，用 本 文 的 模 板 匹 配 法 识 别 交 通 标 志 时 ，识 别 率 能 到 达 9O％ 以 上 ， 用 神 经 网 络 识 别 时 ，识 别 率 约 96％。 对 能 分 割 出 来 的 交 通 标 志 ，选 择 识 别 (2) 方 法 应 根 据 实 际 系 统 要 求 来 确 定 ；对 实 时 性 要 求 高 的 实 际 系统 应 选择 模 板 匹 配 方法 色 、 黑 色 、 白 色 。 其 中 ， 禁 令 标 志 以 红 色 为 其 基 本 颜 色 ， 白 色 为 其 底 色 ， 内 核 图 案 以 黑 色 为 主 ， 另 有 2个 特 殊 标 志 为 白 底 黑 色 ； 指 示 标 志 的 基 本 颜 色 为 蓝 色 ， 内 核 图 案 以 白 色 为 主 ； 警 告 标 志 以 黄 色 为 其 基 为 黑 色 。 另 外 ， 从 基 本 形 状 可 分 5种 基 本 情 况 ： 圆 形 、矩 形 、正 三 角 形 、 倒 三 角 形 、 正 八 边 形 。 其 中 ， 圆 形 、 矩 形 和 正 三 角 形 的 数 量 很 多 ， 为 3大 类 道 路 交 通 标 志 的 主 要 形 状 。 倒 三 角 形 和 正 八 边 形 各 有 1个 ， 且 都 是 禁 令 标 志 ， 其 余 40个 禁 令 标 志 均 为 圆 形 。29个 指 示 标 志 有 圆 形 和 矩 形 2种 形 状 。 2．2 颜 色形状 对 为 了 便 于 建 立 研 究 模 型 ， 本 研 究 提 出 了 “颜色形状对 ”(color— shape pair，CSP) 及 其 集 合 的 概 念 ， 其 定 义 如 下 ：定 义 l： 若 任一 图 像 区域 Q 具 有 n个 颜 色属 性 和 m 个 形 状 属 性 ，设 颜 色 属 性 为 i=1，2， … ，n， 形 状 属 性 为 ，j=1， 2， … ，m ； 于 是 ， 区 域 Q 的 任 意 一 种 颜 色 属 性 e 和 任 意 一 种 形 状 属 性 ，均可 构成 一 个二 元 对( ， ，)}在 定 义 l的 基 础 上 ， 进 一 步 给 出 颜 色 形 状 对 集 合 的 定 义 如 下 。 定 义 2： 设 任 一 图 像 区 域 Q 的 颜 色 属 性 为 e ， i=l，2， … ，n， 形 状 属 性 为 S，J= 1，2， … ， m ， 则 颜 色 属 性 集合 为 Vc={cl， ，… }，形 状 属 性 集 合 为 VS={ ， ，… }；设 区 域 Q的 颜色 形状 2 数 字 技 术 与 应 用 45个 警 告 标 志 的 基 本 形 状 为 正 三 角 形 。 TSR；(Ct。SI)+‘cI．S2)+(Cl，S， +(C，，S，) (cI． )4-(c，，是)+(c．． )+(c，．s|)+ 用 本 文 提 出 的 方 法 对 从 实 际 交 通 场 景 (G|。S，)+(C2。&)+(c，。 ) 式 (2)就 是 用 逻 辑 表 达 式 表示 的 中国 道 路 交 通 标 志 的 颜 色 一 几 何 模 型 ， 它 表 明 ， 我 国 的 3大 类 1l6种 交 通 标 志 可 以 由 7个 颜 色 形 状对 CSP来 表 示 ，每 个 颜 色 形状 对 表 示 交 通 标 志 的 1个 子 类 。 因 此 ， l16种 交 通 标 志 被 分 为 7个 子 类 。 3 神 经 网络 的 交通 标志 识 别 3．1 采 用 改进 的误 差 函数 采用 LEE (最 小 指数 误差 )误 差 函数 算 法 ，可 有 效地 提 高 神 经 网络 的 性 能 ．LEE误 中 获 取 的 大 量 交 通 标 志 进 行 识 别 时 ，取 得 了 满 意 的 识 别 结 果 。 [参考 文 献] 【1】PACLIK Pavel， Jana． ROad sign classification without color information[C】． Proceedings of the 6th Conference of Ad — — vanced School oflm agingand Computing， 2000． 【2】魏 武 ．智 能 交 通 系 统 关 键 技 术 研 究 一 一 图 像 处 理 、 模 式 识 别 与 智 能 控 制 ：【博 士 论 文 】．武 汉 ：华 中 科 技 大 学 ，2000．