基于北斗二代系统的交通标志识别定位

【摘要】第二代北斗卫星导航定位系统即将全面建设落成。借鉴车载GPS的广泛使用的现状，北斗二代在导航定位方面的应用前景是十分广阔的。针对车载GPS系统存在的一些问题：电子地图更新速度慢，电子地图上没有交通标志等，通过DV获取交通标志，利用道路交通标志识别（TSR）技术，先识别出交通标志并使用前方交会给其添加地理坐标信息，最后将其在北斗二代客户端的电子地图上显示，有助于提醒机动车车主遵守交通规则，降低了交通事故发生的可能性。

【关键词】北斗二代 电子地图 道路交通标志识别（TSR）

Abstract The second generation of satellite navigation and positioning system of Beidou will be completed in the near future. Reference to the vehicle-GPS being widely used nowadays, the future application of the second generation of the navigation positioning will be very wide. In view of some problems existed in the vehicle-GPS system such as its slow update speed of electronic map, no traffic signs in the electronic map and so on. First, by using the DV to get traffic signs and using traffic sign recognition ( TSR ) technology, we can recognize traffic signs. Then, we use the forward intersection to add geographic coordinate information and finally display it on the electronic map, which will help to warn the drivers to follow traffic rules and reduce the rate of traffic accidents.

Keywordssatellite navigation and positioning system, electronic map, TSR

中图分类号:U491.5+2文献标识码：A 文章编号：

1、 引言

1.1北斗卫星导航系统

北斗卫星导航定位系统（BeiDou (Compass) Navigation Satellite System）是中国自主研制开发的，是继美国的GPS，俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。而正在建设第二代北斗卫星导航定位系统由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务：开放服务和授权服务，总体规划是到2012年，系统将具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

第二代北斗卫星导航系统主要由：空间部分、地面控制部分和用户接受部分组成；并且具有混合轨道，通讯功能，位置报告，模式兼容的特点。

随着北斗系统的日益完善，它必定将广泛应用于我国的基础测绘、电力、交通运输、灾害处理、环境监测、抗灾救灾和国家安全等诸多领域。毫无疑问，正在建设的北斗二代显然将大大增强我国的综合实力，提升我国国际地位。

1.2智能交通系统（ITS）

随着社会经济的发展，现代交通已经非常发达，而道路交通仍然占着主导的地位。“智能交通系统（Intelligent Transportation System，简称ITS）”这一研究领域便应运而生，并迅速发展起来了。

ITS是一个集检测、通信、控制和计算机等技术为一体的综合信息体统。主要包括交通信息采集系统、信息处理分析系统、信息系统。其中，交通信息采集系统是一个非常重要的分支研究领域，而图像的检测和处理是其主要手段。视觉信息是道路交通场景信息中最重要的信息。道路交通标志的识别（Traffic Sign Recognition，简称TSR）是ITS研究领域中尚未解决的难题之一，也是难度较大的实景图像识别问题之一。在车载视觉系统中，如何有效地识别道路交通标志是一个非常重要的研究课题。

TSR系统主要包括两个基本技术环节：首先是交通标志的检测，包括交通标志的定位及必要的预处理；其次是交通标志的判别，包括交通标志的特征提取和分类等。采用基于视频的道路交通标志识别方法，道路标志图像的获取是通过一个放在汽车内部的数字摄像机（DV）来采集的，摄像机拍摄到的是一组连续的画面，然后再根据各帧图像之间的相关性来选取适当的图像进行道路交通标志的识别和标注，从而提高识别准确率并加快电子地图更新速率。

2、 基于北斗二代的导航定位系统

为了不仅能够在电子地图上面标示出交通标志，还可以标志出这个标志的地理坐标，可以采用以下方法：基于视频的道路交通标志识别，并借助北斗二代导航定位系统在识别的同时获取车辆的地理坐标，通过多传感器融合获取DV拍摄交通标志时的速度向量和转向角速度，并通过相邻的两张具有相同交通标志的图像前方交会获取交通标志的地理坐标，并自动标注到电子地图上，从而实现北斗二代用户终端电子地图的快速更新。整个系统流程如下：

2.1交通标志检测和识别

2.1.1图像颜色特征的提取

图像的颜色特征是一种全局特征，描述了图像或区域对应的景物的表面性质。它是图像最底层、最明显的物理特征。道路交通标志大都为十分显眼的蓝色、红色、黄色图标，采用合适的方法将彩色交通标志从复杂的背景中过滤出来，进行专门研究，可以大大提升检测效率。

照相机获取到的彩色图像按RGB格式存储，该彩色空间中的R、 G、 B分量均易受到物体表面反射率、光照强弱、物体表面方向及光照方向等的影响，不适宜应用于复杂背景下的交通标志检测。HSI彩色空间中的H分量对于亮度和阴影具有不变性，很适合用于提取交通标志的颜色特征。因此首先要实现彩色图像从RGB到HIS的转换。然后通过调节H的阈值来标记出道路交通标志可能所在图像中的范围。

2.2.2标志图像的形状特征提取

道路交通标志主要分为警告标志、禁令标志、指示标志等。这些标志的形状主要有圆形、三角形、矩形等。这些标志的形状特征可以用矩形度、圆形度、傅里叶描述符、不变矩、骨架等来描述。形状特征提取的正确与否直接关系到后续图像识别的优劣。基本方法如下：

（1）预处理

若对整个彩色或灰度图像在像素级进行运算导致形状检测计算复杂度高。因此先对经过颜色特征提取的影像进行二值化及边缘检测处理，利用膨胀、收缩法消除噪声，以减少计算的复杂度，为提取轮廓特征做准备。

（2）标志检测

交通标志主要有圆形、三角形、矩形等类型。所以，对于预处理过后的图像进行各个联通区域的判断，记录各个联通区域的几何特征信息。然后针对不同类型的交通标志，具有不同的颜色和形状特点，结合颜色和已经提取的各个联通区域的几何特征信息，对联通区域是否是交通标志，以及属于具体的哪种交通标志进行判断分析。

2.2.3标志的识别

在以上检测出来具体类型的交通标志的基础上，然后运用模板匹配等的方法进一步判断目标区域具体是哪一个交通标志，使得目标区域存在的交通标志能够唯一的确定下来。

2.2 添加地理信息到交通标志上

根据道路交通标志的检测和识别技术虽然可以确定出具体的交通标志，但只有在为其添加了地理坐标后才能将交通标志定位到电子地图上。为了获取交通标志的地理信息，首先必须知道车辆的实时位置，这个数据可以通过北斗二代定位得到，其次需要实时获取拍摄每一帧视频文件时车辆的速度向量和转向角速度。可以采用车速计直接测量行驶速度、电子罗盘测量行驶方向、单轴速率陀螺测量转向角速度，进行多传感器融合的航位推算定位。然后利用两张含有同一个交通标志的视频文件图像，根据文件的内外方位元素，对交通标志进行地理坐标的解算，其具体过程类似于航摄中的前方交会。然后根据解算出来的交通标志的地理信息，将交通标志实时标注到电子地图上面，从而实现电子地图标志信息的实时更新。

2.3 系统设计技术路线

3、 结束语

对于交通标志的采集和智能识别方面，主要创新在于利用北斗定位系统，将提取识别的交通标志，自动实时的标记到电子地图上面，从而实现电子地图的快速更新，添加相应道路交通标志的电子地图更有利于使用者对路况进行判断，从而做出及时的反应，同时对于无人车的推广使用也有着重要的作用。

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。