李建　尹項(xiàng)博　李佳俊　王海瑞

摘要：該文基于數(shù)字圖像處理技術(shù)及OCR文字識(shí)別引擎，在基于Android的智能終端上設(shè)計(jì)了一個(gè)列車車票管理軟件，簡(jiǎn)化列車員的管理工作。文中重點(diǎn)研究了如何通過預(yù)處理過程來加快OCR引擎的速度，提高正確率。

關(guān)鍵詞：圖像預(yù)處理；開源OCR引擎；二維條碼；Android開發(fā)

中圖分類號(hào)：TP391.44

在旅客列車開行過程中，列車員的一項(xiàng)重要而繁瑣的重復(fù)性工作是核驗(yàn)乘客的車票，防止旅客上錯(cuò)車；在即將到站時(shí)提醒相應(yīng)鋪位的乘客，以防旅客坐過站。在平板電腦、智能手機(jī)等移動(dòng)智能終端廣泛應(yīng)用的大背景下，可利用攝像頭采集車票圖像，再通過圖像處理技術(shù)提取出車票信息，實(shí)現(xiàn)車票管理的信息化。

從車票提取乘客信息有兩種渠道，一是通過車票右下方的二維條形碼（QR碼）；二是直接通過文字識(shí)別技術(shù)，讀取車票上的文字信息。第一種渠道中，需要破解QR碼的加密算法才能獲得車票信息，這是一種不合適的行為。對(duì)于基層列車乘務(wù)員而言，是沒有權(quán)限接入鐵路部門的票務(wù)系統(tǒng)的。因此，應(yīng)該考慮使用第二種方案來提取車票信息。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是避免了破解加密算法及帶來的法律糾紛；缺點(diǎn)是需要進(jìn)行圖像處理及文字識(shí)別，運(yùn)算量相對(duì)大一些。由于現(xiàn)有的移動(dòng)智能終端大都配備4核1.2GHz以上的ARM處理器，1G Bytes以上的內(nèi)存，及高分辨率攝像頭，使得實(shí)時(shí)采集車票圖像并提取車票信息成為可能。

1 系統(tǒng)概況

基于智能終端的驗(yàn)票軟件，其圖像采集設(shè)備采用終端自帶的攝像頭，通過終端自帶的LCD屏、喇叭輸出結(jié)果，充分利用智能終端的資源，大大降低系統(tǒng)部署成本。

為便于大量旅客信息的保存及查詢，采用Sqlite數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)車票數(shù)據(jù)。此外，還有一些有關(guān)列車的設(shè)置信息，比如車次、車廂號(hào)、各站點(diǎn)的到站發(fā)站時(shí)間等。列車員可以通過觸摸屏手動(dòng)輸入這些設(shè)置信息，也可以通過鐵路網(wǎng)站直接下載。

軟件的主要處理過程如圖1所示：

預(yù)處理過程主要包括顏色空間轉(zhuǎn)換、去噪、圖像校正等過程。文字識(shí)別過程主要基于OCR（Optical character recognition）識(shí)別引擎完成文字提取。識(shí)別結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫后，軟件根據(jù)到站時(shí)間設(shè)置提醒鬧鐘，確定何時(shí)發(fā)出旅客到站的提醒信號(hào)。下面重點(diǎn)對(duì)預(yù)處理和識(shí)別部分的原理及過程進(jìn)行敘述。

2 詳細(xì)處理過程

2.1 預(yù)處理過程

本設(shè)計(jì)中的預(yù)處理過程主要包括以下兩個(gè)方面：基于QR碼圖形的幾何調(diào)整，以及基于固定位置的文本區(qū)域分割。

2.1.1 基于QR碼圖形的幾何調(diào)整

由于采集距離遠(yuǎn)近及拍攝角度的不同，采集的車票圖像尺寸和系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)車票圖像尺寸間存在較大的差別，為便于后續(xù)處理，在預(yù)處理階段除了進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換、去噪外，重點(diǎn)進(jìn)行圖像的幾何調(diào)整。盡管OCR引擎在一定程度上能夠自動(dòng)處理諸如圖像旋轉(zhuǎn)、縮放、圖像顛倒等問題，但會(huì)引入更多的計(jì)算量，同時(shí)增加出錯(cuò)的概率。為了提高識(shí)別性能，我們根據(jù)車票的特殊標(biāo)志對(duì)車票圖像進(jìn)行幾何調(diào)整。由于新一代的火車票票面上均印有二維QR碼，我們可以通過二維QR碼的形狀及位置信息來對(duì)車票的幾何參數(shù)加以判斷。典型的火車票圖片如圖2所示：

從中可以看到，由于拍攝時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生圖像旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在進(jìn)行后續(xù)處理之前，需要先將圖片旋轉(zhuǎn)復(fù)原到正常位置。旋轉(zhuǎn)復(fù)原的前提是確定圖像拍攝時(shí)被旋轉(zhuǎn)的角度，方法如下：

首先提取車票QR碼圖像的灰度邊緣。常用的邊緣提取算法有Sobel[1]、Canny[2]算子等，其中Canny算子的性能最好，但是復(fù)雜度較高；而Sobel算子具有計(jì)算過程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適合在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行。這里使用Sobel算子的垂直模板來提取邊緣，并對(duì)邊緣圖像進(jìn)行二值化，得到的結(jié)果如圖3所示。

接著對(duì)圖中的線條進(jìn)行骨骼化[1]處理。為了防止大量短線條的干擾，可以在進(jìn)行骨骼化之前，使用膨脹腐蝕算法來濾除圖中的大量小區(qū)域。骨骼化后的結(jié)果如圖4所示。

可以使用直線擬合方法來提取圖4中的各條直線，但更常用的是使用Hough變換[3]。Hough變換把圖像空間中的直線檢測(cè)問題轉(zhuǎn)換為參數(shù)空間中的點(diǎn)檢測(cè)問題，再在參數(shù)空間中通過簡(jiǎn)單的累加計(jì)算完成檢測(cè)。完成Hough變換檢測(cè)直線的結(jié)果如圖5所示。利用圖中直線的斜率，就可以判斷QR碼的旋轉(zhuǎn)角度（即車票圖像的旋轉(zhuǎn)角度）；通過對(duì)車票圖像執(zhí)行一個(gè)旋轉(zhuǎn)變換，便可得標(biāo)準(zhǔn)角度的車票圖像。

另外一個(gè)問題是判斷車票的縮放比例以及判斷車票是否顛倒。在本設(shè)計(jì)中，我們通過QR碼中的位置探測(cè)圖形來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

在QR碼中，位置探測(cè)圖形是指QR碼中位于左上、右上、左下三個(gè)區(qū)域的方塊狀圖形。如圖6所示。每個(gè)位置探測(cè)圖形的模塊序列由一個(gè)深色-淺色-深色-淺色的次序構(gòu)成，各元素的相對(duì)寬度的比例是1：1：3：1：1。檢測(cè)位置探測(cè)圖形的方法有很多[4]，這里不詳細(xì)敘述。找到三個(gè)位置探測(cè)圖形以后，根據(jù)三者中心坐標(biāo)之間的關(guān)系，可以判斷出圖像是正立還是倒立的，方法如下：

假設(shè)圖像的坐標(biāo)原點(diǎn)位于左上角，三個(gè)位置探測(cè)圖形中心處的坐標(biāo)分別為：（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）。由三個(gè)點(diǎn)連接的三條線段中，尋找夾角接近90°的兩條線段，如果90°夾角的內(nèi)部指向右下角，則圖像是正立的；否則圖像是倒立的。

對(duì)于車票的縮放比例，在圖片的角度已經(jīng)旋轉(zhuǎn)復(fù)原的情況下，根據(jù)測(cè)量三個(gè)位置探測(cè)圖形的距離WX，WY，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)參考圖像中的位置探測(cè)圖像間的距離WX_ref，WY_ref，便可計(jì)算出圖片在水平和垂直方向上的大致縮放比例。

2.1.2 文本區(qū)域分割

調(diào)整完角度和方向的圖片可以直接輸入到OCR引擎進(jìn)行文字識(shí)別。但由于車票上很多區(qū)域都沒有文字信息，且有一部分文字不是我們所關(guān)注的，沒有必要進(jìn)行識(shí)別。另外，開源OCR識(shí)別引擎的處理速度比較慢，處理太大的圖片時(shí)難以滿足實(shí)時(shí)性的要求。比如，經(jīng)測(cè)試，一張分辨率為1280x960的車票圖片，在MTK6589處理器上利用tesseract引擎進(jìn)行文字識(shí)別時(shí)，大概需要10秒鐘左右的時(shí)間，實(shí)時(shí)性較差。在本設(shè)計(jì)中，考慮到關(guān)注的文字信息只出現(xiàn)在一些固定的區(qū)域，一旦火車票的角度和尺寸被復(fù)原后，文字區(qū)域的位置是固定的。可以因此將文字區(qū)域分割出來，加快OCR的處理速度。圖7中，方框部分為由程序根據(jù)預(yù)先設(shè)置的坐標(biāo)標(biāo)識(shí)出來的關(guān)注區(qū)域。從中可以看到，車票上關(guān)注的區(qū)域只有6個(gè)，所含文字?jǐn)?shù)量非常有限，有利于加快OCR的識(shí)別速度。

2.2 文字識(shí)別

關(guān)于光學(xué)字符設(shè)別OCR的研究已經(jīng)非常多，尤其是商用的OCR引擎已經(jīng)能夠達(dá)到比較好的識(shí)別效果，如漢王[5]、ABBYY[6]，等，但是由于涉及版權(quán)及成本問題，沒有在本設(shè)計(jì)中采用。開源OCR也比較多，比較流行的比如tesseract[7]。與專業(yè)OCR識(shí)別引擎相比，開源OCR的識(shí)別正確率較低，速度較慢。但如果針對(duì)某個(gè)具體的問題來加以優(yōu)化，則可大大改善其性能。

為了提高tesseract識(shí)別的速度和準(zhǔn)確率，我們先按照位置來對(duì)車票圖像進(jìn)行分割；接著對(duì)不同區(qū)域的分割圖片采用不同的訓(xùn)練和識(shí)別策略：

（1）對(duì)于車次、座號(hào)、席別、日期時(shí)間等區(qū)域，由于其格式是完全固定的，所含字符的種類也十分有限，因此，我們有針對(duì)地訓(xùn)練比較小的模板庫進(jìn)行識(shí)別，加快識(shí)別的過程，提高識(shí)別的準(zhǔn)確性。

（2）對(duì)于起點(diǎn)站、終到站區(qū)域。由于車次識(shí)別完成后，其?？空军c(diǎn)的選項(xiàng)就已經(jīng)確定，因此，我們讓識(shí)別引擎有針對(duì)地比對(duì)與該次車各個(gè)候選站點(diǎn)的相似性，從而提高準(zhǔn)確率。

測(cè)試表明，采用上面的方法后，識(shí)別單張車票圖像的時(shí)間從10余秒減少到1秒左右，能夠滿足實(shí)用的需求。

2.3 后續(xù)處理

一旦識(shí)別出車票，則首先判斷該旅客是否屬于本次列車、本車廂。如果不是，不允許旅客上車；如果是，則將旅客數(shù)據(jù)記錄進(jìn)數(shù)據(jù)庫，并啟動(dòng)定時(shí)器，周期性的檢查旅客是否即將到站，一旦即將到站，則發(fā)出提示信息。檢查的準(zhǔn)則是根據(jù)當(dāng)前時(shí)間與軟件中預(yù)置的列車到站時(shí)刻表。如果發(fā)生列車晚點(diǎn)，則在列車到達(dá)中間站后，乘務(wù)員可根據(jù)到站時(shí)間人為修正一個(gè)時(shí)間偏移。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)基于OCR文字識(shí)別引擎，在移動(dòng)智能終端上設(shè)計(jì)了一個(gè)車票管理軟件，基于該軟件可以簡(jiǎn)化列車員的工作量，提高工作效率。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是在預(yù)處理階段，通過QR碼的特征來對(duì)車票進(jìn)行幾何校正；在OCR識(shí)別的過程中，通過分割車票的感興趣區(qū)域，加快識(shí)別速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]R. Gonzalez， R. Woods. Digital Image Processing， Addison Wesley， 1992，pp 414-428.

[2]J. Canny. A Computational Approach To Edge Detection， IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence， 8：679-714，1986.

[3]R. O. Duda， P. E. Hart. Use of the Hough Transformation to Detect Lines and Curves in Pictures.Comm. ACM， Vol.15， pp.11-15.

[4]劉宏偉，苗東，李志剛等.二維條碼的識(shí)別方法[J].微計(jì)算機(jī)信息（測(cè)控自動(dòng)化），2004（04）.

[5]漢王文本識(shí)別技術(shù).http：//ka.hanwang.com.cn/OCR技術(shù)/index.htm.

[6]泰比移動(dòng)OCR引擎.http：//www.abbyy.cn/mobileocr/.

[7]tesseract.https：//code.google.com/p/tesseract-android-tools/.

作者信息：李建（1994-），男，吉林四平人，本科在讀，電子信息工程專業(yè)。

作者單位：北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100041

基金項(xiàng)目：北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目。