崔盼+張榮輝

摘 要：交通標(biāo)志的顏色具有鮮明特征與很強(qiáng)的分離性，而交通標(biāo)志的幾何形狀也只有5種，因此文中提出了一種顏色形狀對的概念，并構(gòu)建了顏色-形狀對模型。該模型主要由3種基本顏色和5種幾何形狀構(gòu)成，保證一種交通標(biāo)志對應(yīng)一種顏色-形狀對。同時它還降低了交通標(biāo)志系統(tǒng)識別的復(fù)雜性。通過研究表明，該粗分類的識別率高達(dá)100%。

關(guān)鍵詞：交通標(biāo)志；識別；顏色-形狀對；分離性

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）03-00-02

0 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)域顏色對比，其主要區(qū)域顏色比較醒目。光照強(qiáng)弱容易引起對道路交通標(biāo)志信息識別的偏差，由于不同顏色的灰度級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較少，所以光照變化會導(dǎo)致識別難度加大。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]。外部形狀算法是對區(qū)域輪廓特征的描述，而內(nèi)部形狀描述算法是對輸入?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-形狀對概念，構(gòu)造7個子類，涵蓋3大類116種中國交通標(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，降低了識別難度。

1 交通標(biāo)志

1.1 交通標(biāo)志簡介

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，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。

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，在交通標(biāo)志設(shè)計中常用作邊框、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)計中主要用于書寫標(biāo)志的文字、圖形符號和部分標(biāo)志的邊框；白色在交通標(biāo)志設(shè)計中用作底色填充，包括文字、圖形符號等。

由于大部分交通標(biāo)志都有一個很細(xì)的外輪廓線，而實際拍攝中輪廓線都比較模糊，所以輪廓線對交通標(biāo)志識別的影響可以忽略。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

基于對我國目前道路交通標(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-形狀對模型

根據(jù)上述對交通標(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)成一個二元函數(shù)對（Ci，Sj），如果令（CS）k=（Ci，Sj）|k=1，2，3，…，l，其中l(wèi)=m×n，則把二元函數(shù)對（CS）k稱為圖像的一組顏色形狀對。

顏色-形狀對集合：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)志圖像檢測中，我們首先檢測出圖像的有效區(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，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-形狀對構(gòu)建的幾何模型。

2.2 顏色-幾何模型的建立

設(shè)我國道路交通標(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個禁令標(biāo)志-顏色形狀對、2個指示標(biāo)志-顏色形狀對和1個警告標(biāo)志-顏色形狀對組成，表明我國116種道路交通標(biāo)志可以由7個顏色-形狀對來表示，每個顏色-形狀對表示交通標(biāo)志的1個子類。

把3大類116種道路交通標(biāo)志分為7個子類，其中禁令標(biāo)志有42個，可以分成4個子類，分別為38個紅色圓形標(biāo)志、2個黑色圓形標(biāo)志、1個紅色倒三角標(biāo)志和1個紅色正八邊形標(biāo)志；指示標(biāo)志有29個可以分為2個子類，分別為16個藍(lán)色圓形標(biāo)志和13個藍(lán)色矩形標(biāo)志；警告標(biāo)志有45個而只有1個子類，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。

3 結(jié) 語

本文通過對道路交通標(biāo)志的特性進(jìn)行研究，提出了顏色形狀對的有關(guān)概念并建立了模型，顏色形狀對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。這個模型涵蓋了所有道路交通標(biāo)志，實現(xiàn)了道路交通標(biāo)志的粗分類，有利于構(gòu)建一個完整系統(tǒng)，降低了該系統(tǒng)的復(fù)雜性和難度。但在實際交通場景中，由于不同因素的干擾，這些特征會失真，影響模型的建立，因此該模型的建立還需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1]陳亦欣，葉峰，肖鋒，等.基于HSV空間和形狀特征的交通標(biāo)志檢測識別研究[J].江漢大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，44（2）：119-125.

[2]高向東，劉紅，楊大鵬.交通標(biāo)志的智能檢測方法研究[J].中外公路，2011，32（2）：260-263.

[3]朱雙東，劉蘭蘭，陸曉峰.一種用于道路交通標(biāo)志識別的顏色—幾何模型[J].儀器儀表學(xué)報，2007，28（5）：956-960.

[4]潘銘星，孫涵.自然場景中道路交通標(biāo)志形狀的檢測與校正[J].計算機(jī)與現(xiàn)代化，2016（2）：5-10.

[5]張志佳，何純靜，鞏凱旋，等.基于PC-LDA的交通標(biāo)志形狀特征識別方法[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，36（5）：550-554.

[6]許少秋.戶外交通標(biāo)志檢測和形狀識別[J].中國圖象圖形學(xué)報，2009，14（4）：707-711.

[7]陳娜.基于ASM 模型的限速標(biāo)志識別方法的研究[D].沈陽：遼寧大學(xué)，2011.

[8]宋衛(wèi)東.解析幾何[M].北京：高等教育出版社，2003：6-101.

[9]呂玉增，彭啟民，黎湘，等.基于參數(shù)化求和不變量與特征重整的形狀匹配[J].中國圖形圖象學(xué)報，2010，15（1）：122-128.

[10]呂玉增.形狀仿射不變特征提取與識別研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

[11]李秀明.精密制造中典型平面曲線的識別及形狀誤差評定研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009.