浅谈一种新型的智能船名号牌

李 康/重庆海事局长江泸州通信管理处

浅谈一种新型的智能船名号牌

李 康/重庆海事局长江泸州通信管理处

随着我国经济的快速发展，水上交通的重要性也日益提高，船舶数量增加给水上交通带来了新的挑战，在航道资源有限的情况下，如何确保船舶航行安全、有序，是目前全球航运界研究的课题。除传统的雷达、无线对讲等设备外，国际海事组织要求装配AIS（自动识别系统），防止碰撞、但市场价格非常高，推广难度大。若是有一种新型的智能船名号牌类似车牌一样，方便我们海事部门去监管，将是一件具有深远意义的事。

智能船名号牌

1.引言

目前，现有船名号在识别方面存在诸多不足，通常以喷涂方式标示的船名通常粉刷于船舷两侧，容易被水淹没，监控摄像机无法捕获船名号信息，雾天及夜晚更无法识别。目前船名标志牌亮度不够，透雾性不强，标志牌的整体发光导致船名模糊，对船名号的视频识别影响很大；标志牌耗能很大，光伏供电无法满足其正常运行。在夜晚和雾天的时候，有的船民为逃避检查会主动关闭标志牌。标志牌内普遍使用普通灯管，耗能高、损坏率高且维护更换成本高。

使用一种新型LED船名牌，无论在夜晚还是雾天等光线不足的环境下，LED船名牌都能够被摄像机有效识别。通过太阳能光伏板，新型LED船名牌可以实现自主供电。

2.智能船名号牌所具有的功能

保证各角度都能清晰被看并且船名牌灯箱可以节能供电

基于便于船名号能被视频有效识别的考虑，把LED船名号灯箱设计成长方体，其中前侧盒面与后侧盒面显示船名牌，灯箱内部放置LED灯，为了节省空间，把其他侧面设置成较小的面积，这样就可以从多个不同的角度识别船名号，增加了识别的准确性。为了便于对船名号灯箱进行持续供电，在船名号灯箱下面设计一个长方体底座。在底座的顶面放置太阳能电板，在底座的内部放置一块蓄电池，用来对LED进行供电，同时为了保证在没有阳光的时候能持续的供电，还设计了直流电源接口。并且还在灯箱与底座连接的位置放置一个光传感器。用于控制有无阳光时对电池供电进行判断。

（2）保证船名号牌能给被智能识别

箱体上的船名号，用白色3M反光透光膜制成，用背光LED照射，以便在光线不好的时候能准确识别船名号。同时，为了确保视频对船名号进行准确定位和扑捉，在前侧盒面和后侧盒面的每个面的四个角分别安置一个红外线发射器。例如，当一艘船驶过一片海域时，摄像头首先对红外线进行扑捉和定位，由此保证船名号牌可以在夜间及雾天等天气不好的情况下进行有效识别。

完成以上方案之后，LED船名号牌灯箱就设计好了，下面需要视频的智能识别技术来进行配合。当摄像头通过红外线对船名号牌进行准确定位后，视频要对船名号牌进行智能识别，该处采用一种快速可行的鲁棒性较强的船名号图像二值化识别算法，实现了对船名号图像有普遍适用性的图像二值化方法；结合设计的快速连通体标记方法 、二值图像简化算法及动态船名号模板搜索算法,实现了从船名号图像中快速定位船名号字符及船名号本身并同时获得船名号符轮廓信息的新方法。该方法对船名号及其字符定位准确率高 ,且对不同条件下获得的不同状态下的船名号图像有较好的适应性。

3.智能船名号牌采用的图像识别算法

通过图像采集系统获得船名号牌的彩色图像后, 先进行灰度变换、平滑滤波和开运算等处理，为下面的操作提供良好的基础。本算法设计了一种鲁棒性的直接二值化方法获得船名号牌图像的二值化图像，效果好，速度快。然后，通过快速连通体侦测算法和图像简化算法可以尽可能地剔除非字符部分，保留可能的船名号牌字符部分。最后利用一种基于模板的船名号牌字符侦测模块，便可准确地获得船名号牌上的所有字符单元。使用这种单元也可获知字符的大小、倾斜角度等主要信息,然后依据这些信息通过字符纠偏及归一化处理来处理字符单元,字符识别模块便可获得准确的信息,如图（1）所示。

具体实施步骤如下：

（1）灰度化处理

彩色图像在RGB空间表达,将RGB彩色船名号牌图像转换为灰度图像，通常彩色图像灰度化有三种转换方发：

灰度化方法一：

灰度化方法二：

灰度化方法三：

为了使视觉感受更加明显，灰度图像边缘更加突出，结合这三种灰度处理方法，本文提出了一种新的灰度处理方法，经过多次实验，得出当这三种灰度转化方法所占比例分别为50%、30%、20%时，便可得到最佳的灰度处理效果。即：

（2）平滑滤波和开运算处理

为了消除各种噪声因素的干扰，也为了保留图像的锐度，因此需要在灰度图像上进行一次中值滤波。此外，为了消除船名号牌字符之间可能存在的黏连、搭接等现象，在下面的操作中, 可以运用形态学算子，即先做腐蚀运算，再做膨胀运算。采用这种“开”算子处理图像，便尽可能的达到使图像中的字符分离的目的，因此，为接下来的字符定位与读取奠定基础。

（3）船名号牌图像的二值化方法

为了获得稳定可靠的船名号牌二值化图像，此处采用一种船名号牌图像的鲁棒性的二值化方法，由于船名号牌图像因船名号牌破损、斑点、肮脏、光照过强或过弱等因素的影响 , 寻求全局化阈值将船名号牌字符从船名号牌图像中分离出来是非常困难的。考虑到船名号牌字符与船名号牌背景的灰度差异显著是这一分类船名号牌的共同特征，利用它设计船名号牌图像二值化方法将具有良好的鲁棒性与普遍适用性。考虑到任一像素的合适邻域 ,应先找到此邻域的极大极小灰度像素，若二者的差值小于某一个阈值，便可认为该邻域的灰度是相同的，因而可以根据该像素的灰度值进行判定该邻域为明或者暗；如果极大极小灰度之差大于某一个阈值，则便可判定该邻域中那些接近极大值的像素为前景，接近极小值的像素为背景。该二值化方法的本质是一种区域化域值方法，具有较强的稳定性和适应性。

（4）船名号牌字符的定位与后续处理

二值化方法尽可能保留船名号牌字符及其特征不被破坏。在此基础上,可进行船名号牌字符信息的挖掘。为了准确地获取船名号牌字符的位置及其字模信息便可根据船名号牌特征来进行，本文主要考虑如下船名号牌特征: (a)除汉字外，所有船名号牌字符均是单一连通体；(b)每个船名号牌字符的高和宽的比例，在一定的范围内变化；(c)每个船名号牌字符的高和宽的比例均在一定的范围内；(d)每个船名号牌字符连通体的面积与其外包络矩形的面积之比在一定的范围内变化；(e)相邻船名号牌字符的位置在水平和垂直方向上有一致的关联关系。由上述准备作为基础，设计了船名号牌字符位置侦测与字模读取算法。

对船名号牌二值图像进行清理

二值化的船名号牌图像包含大量信息，不利于快速获得船名号牌字符, 因此根据上述船名号牌的特征先进行一次清除，以消除明显非字符信息。先进行连通体的识别，连通体的识别有许多的算法，这里主要解决的问题是执行时间的长短，为了节省时间，此处采用一种轮廓线跟踪技巧，不但可以标记连通体，同时还可以获得该连通体的轮廓信息，其执行速度比一般算法提高了十几倍到几十倍不等。经连通体标记之后，可获得每个连通体的外包络矩形。根据上述船名号牌特征，将不可能是船名号牌字符的连通体全部去除。

船名号牌模板的匹配

为了提高船名号牌定位和字符读取的速度及算法普遍适用性该处采用了一种动态的模板方式搜索和定位船名号牌及其字符。在清理后的船名号牌图像中，先根据船名号牌字符的大小及关联关系，搜索2 ～ 3个可能的船名号牌的字符连通体，接着计算出船名号牌字符的大小与其间距。结合探索船名号牌的标准规定，建立完整的船名号牌中包含有字符的所有位置的船名号牌模板，将该模板与可能的船名号牌字符对齐，进行动态扫描，观察船名号牌模板相对应的位置是否有船名号牌字符存在。若符合，则搜索成功，反之，则根据其他可能的船名号牌字符连通体，重新调整船名号牌模板，继续进行动态扫描，直到搜索完成为止。

船名号牌字符纠偏与归一化处理

根据模板侦测到的字符，其中不少是有倾斜角度的，为了使字符识别更加方便，需要进行纠偏。依据最终确定的所有船名号牌字符的位置，可以计算出整个船名号牌的坐标位置，然后依据常规纠偏方法纠偏即可。当纠偏后的字符大小归一化到标准大小之后，便可调用字符识别模块，从而获取船名号牌字符文本。

4.结语

智能船舶的技术虽然刚刚起步，很多技术还不成熟，但随着船舶技术、信息技术的发展，特别是“大数据”的智能应用，正推动着智能船舶的加速出现。一种新型的智能船名号牌，通过对船名号灯箱的改造和视频的智能分析，能实时、精准的解析出船名号，对于海事机构执法具有重大的意义。

[1]《江苏交通运输信息化“十二五”发展规划》.

[2]严新平.智能船舶的研究现状与发展趋势[J].交通与港航,2016, 3(1):23-26.

[3]李光正, 宋新刚, 徐瑜.基于“工业4.0”的智能船舶系统探讨[J].船舶工程,2015(11):58-60.

[4]祁斌.智能船舶渐行渐近[J].中国船检, 2015(1):92-94.

李康，1984，男，重庆市奉节人，重庆工学院计算机信息管理，专科，从事长江海事通信管理及维护工作。