基于stm32的简单车牌识别原理

前言
车牌识别的目的是交通牌照识别系统，用于交通违法拍照，停车缴费等交通应用场景，车牌识别的流程可分为车牌定位和字符识别两个部分，传统的车牌定位算法常采用二值化分割加上边缘提取，然后进行目标晒选，常采用连线法和车牌宽高比确定真实车牌，定位到车牌位置后再进行OCR字符分割，为了高精度的车牌定位和字符识别，目前引入了深度学习算法进行精准识别和处理。但是，本文所要讲述的是一种基于stm32单片机的车牌识别实现，使用上述高级算法和复杂计算是不现实的，因此，总结出一套可行的，能简单进行车牌定位和字符分割识别的算法，供大家参考和学习。
1.车牌识别基本原理
本文讲述的是基于stm32单片机的车牌识别原理，包括车牌图像定位，字符分割，字符归一化处理，以及模板匹配等操作，当然如果芯片处理性能足够还可以加入旋转矫正，多车牌处理等，本文尽量采用最简单易懂的方法进行图像分割处理，同时加快处理速度。
首先，讲一讲网络上大部分stm32F103车牌识别的硬件和软件实现，硬件采用的是stm32f103rct6+OV7670&FIFO+16bit并口LCD屏；72M主频，不支持浮点运算等操作；
软件实现过程大致如下：
（1）OV7670带FIFO摄像头图像采集，采用GPIO模拟摄像头时序，通过读取FIFO输出值将图像直接显示在LCD屏上
（2）LCD屏相当于一个图像缓存，同时也做显示，通过读取LCD屏上的像素值进行图像处理；
（3）车牌定位处理，车牌定位常用二值化分割，腐蚀膨胀处理，连通域计算等操作，显然这些算法在stm32f1上实现是很困难的，且处理速度太慢，因此，采用RGB转HSV颜色空间变换和阈值选择进行车牌定位，然后将车牌定位区域进行二值化处理，不是蓝色车牌的部分就是字符区域；
（4）车牌字符分割处理，字符分割先采用行统计加列统计的方式，确定每行和每列的有效像素和，进一步确定字符区域；然后进行横向统计分割，通过每一列的像素和阈值判断字符的分界线和个数；
（5）车牌归一化处理，归一化处理先将每个字符提取出来，然后按照像素值进行横向和纵向压缩，最终处理成模板一样大小的字符；并在液晶屏上保存字符的数据；
（6）模板匹配，将归一化之后的字符，与模板中的字符通过像素值一一比较，确定相似度最高的字符就是目标值；
上述方法简单有效，但是对于图像模糊，杂色较多以及光照条件不同的情况下，识别效果会很差。
2.基于stm32的车牌识别算法
2.1基本硬件
硬件采用stm32f407vet6（168M主频，192KB RAM）+OV7670无fifo+SPI-LCD（采用F407及以上具有DCMI数字摄像头接口的主芯片）；处理速度和内存都比F103强太多，因此不用采用读取像素值的方式，甚至不用液晶屏显示也能进行识别处理。
2.2识别算法流程
将车牌识别分为四个步骤，分别是双HSV颜色阈值定位，车牌旋转矫正，字符分割和提取，以及最终的车牌字符识别，全部采用的是传统图像处理算法，适合单片机运行。

（1）基于双阈值HSV颜色空间的车牌定位
首先，我们的车牌区域是具有双阈值特性的，蓝牌车具有蓝底白字的特性，绿牌车具有绿底黑字的特性，这种特性使得基于颜色空间进行定位分割是非常方便的（虽然受环境光照影响可能阈值不太准确，但是这种方法是最简单且有效的），通过颜色阈值分割之后，再根据车牌长宽比进行真实车牌目标的定位。
（2）基于霍夫变换的车牌矫正
对于定位之后的车牌，再进行二值化处理和边界计算，可以得到车牌的边界线，根据霍夫变换寻找车牌边界上的最长线段，计算线段的偏转角度进行车牌旋转矫正，矫正之后的车牌区域再进行字符分割，能增加准确率。通过矫正之后，建议先将车牌图像进行归一化处理，即，将车牌区域进行剪裁和缩放到固定大小，便于后续处理。
（3）字符分割和提取
首先对二值化的车牌进行滤波处理，去除一些杂质，然后根据线段分割法，计算车牌水平和垂直方向投影的像素线段长度，可以分割出每个字符所在的区域，但是由于车牌的边缘固定件，车牌污渍的影响，此时需要做非字符区域去除，首先去除车牌固定件影响的区域，通过水平投影线计算车牌的上下界限，将车牌外部的边缘排除出去，然后进行局部边缘滤波，去除污渍，最后车牌部分分割，并提取出来进行下一步处理；
常用简单滤波方法有，中值滤波，局部均方差滤波，高斯滤波，盒子滤波，拉普拉斯边缘增强等等，边缘提取算法有sobel算子，pewrit算子，canny算子等，可在车牌字符区域处理过程中综合运用
（4）字符识别
将车牌部分字符提取出来后，先将字符做归一化处理，采用图像缩放算法进行字符大小调整到统一尺寸，然后做字符指纹图转换（将8bit转换成1bit，便于字符指纹比对），最后采用模板匹配算法计算目标字符与模板的相似度，这里可以采用逐一像素比对法，也可以采用余弦距离计算，最后将相似度最高的模板做标记，车牌的全部字符处理完成可得到最终的结果。
2.3 图像处理算法
以下讲述几种可用于车牌图像处理的算法，其中LAB颜色阈值处理可比HSV颜色阈值精准度更好一些，可做参考
（1）RGB转LAB颜色空间
直接查表法最快最简单，这里直接引用openmv中的算法，具体可以在openmv 的github上查看。

#define COLOR_RGB565_TO_R8(pixel) \
({ \
__typeof__ (pixel) __pixel = (pixel); \
__pixel = (__pixel >> 8) & 0xF8; \
__pixel | (__pixel >> 5); \
})

#define COLOR_RGB565_TO_G8(pixel) \
({ \
 __typeof__ (pixel) __pixel = (pixel); \
    __pixel = (__pixel >> 3) & 0xFC; \
    __pixel | (__pixel >> 6); \
})
#define COLOR_RGB565_TO_B8(pixel) \
({ \
   __typeof__ (pixel) __pixel = (pixel); \
   __pixel = (__pixel << 3) & 0xF8; \
   __pixel | (__pixel >> 5); \
 })	
int8_t imlib_rgb565_to_l(uint16_t pixel)
{   
float r_lin = xyz_table[COLOR_RGB565_TO_R8(pixel)];    
	float g_lin = 	xyz_table[COLOR_RGB565_TO_G8(pixel)];   
	float b_lin = xyz_table[COLOR_RGB565_TO_B8(pixel)];
	float y = ((r_lin * 0.2126f) + (g_lin * 0.7152f) + (b_lin * 0.0722f)) * (1.0f / 100.000f);
	y = (y>0.008856f) ? fast_cbrtf(y) : ((y * 7.787037f) + 0.137931f);	    
	return fast_floorf(116 * y) - 16;
}
	
int8_t imlib_rgb565_to_a(uint16_t pixel)
{  
	 float r_lin = xyz_table[COLOR_RGB565_TO_R8(pixel)];   
	 float g_lin =  xyz_table[COLOR_RGB565_TO_G8(pixel)];  
	 float b_lin =  xyz_table[COLOR_RGB565_TO_B8(pixel)];
	 float x = ((r_lin * 0.4124f) + (g_lin * 0.3576f) + (b_lin * 0.1805f)) * (1.0f / 095.047f);    float y = ((r_lin * 0.2126f) + (g_lin * 0.7152f) + (b_lin * 0.0722f)) * (1.0f / 100.000f);
	 x = (x>0.008856f) ? fast_cbrtf(x) : ((x * 7.787037f) + 0.137931f);    y = (y>0.008856f) ? fast_cbrtf(y) : ((y * 7.787037f) + 0.137931f);		
	 return fast_floorf(500 * (x-y));
}

int8_t imlib_rgb565_to_b(uint16_t pixel)
{   
	float r_lin = xyz_table[COLOR_RGB565_TO_R8(pixel)];   
	float g_lin = xyz_table[COLOR_RGB565_TO_G8(pixel)];   
	float b_lin = xyz_table[COLOR_RGB565_TO_B8(pixel)];				
	float y = ((r_lin * 0.2126f) + (g_lin * 0.7152f) + (b_lin * 0.0722f)) * (1.0f / 100.000f);    float z = ((r_lin * 0.0193f) + (g_lin * 0.1192f) + (b_lin * 0.9505f)) * (1.0f / 108.883f);				
	y = (y>0.008856f) ? fast_cbrtf(y) : ((y * 7.787037f) + 0.137931f);    z = (z>0.008856f) ? fast_cbrtf(z) : ((z * 7.787037f) + 0.137931f);				
	return fast_floorf(200 * (y-z));
}

3）领域插值法图像缩放
void PicZoom_y8(unsigned char* Dst_y8,unsigned short Dst_width,unsigned short Dst_height, unsigned char*Src_y8,unsigned short Src_width,unsigned short Src_height)
{
unsigned short y=0;
unsigned short x=0;
if ((0Dst_width)||(0Dst_height)||(0Src_width)||(0Src_height)) return;

	unsigned short xrIntFloat_16=(Src_width<<8)/Dst_width+1;   //扩大倍数    
	unsigned short yrIntFloat_16=(Src_height<<8)/Dst_height+1;    
	 
	unsigned char* pDstLine=Dst_y8;  
	unsigned short srcy_16=0;    
	  
        for (y=0;y>8)));    
             unsigned short srcx_16=0;     
             for (x=0;x>8];         
		srcx_16+=xrIntFloat_16;       
              }      
               srcy_16+=yrIntFloat_16;    
               pDstLine+=Dst_width;   
      } 
}

（4）模板匹配算法

/**
* @function 欧几里得距离计算，用于图片相似度计算
* @param[in] src1和src2，必须是相同大小灰度图片
* @param[out] 欧几里得距离
* @retval ERROR -1 错误
* @par 2021年5月28日 zhengmf
*/
float Euclidean_Distance(unsigned char *Src1,unsigned char *Src2,int length,float Euclideandis)
{
	if(Src1==NULL||Src2==NULL)
	{
		return -1;
	}
	int sum=0;
	int i=0;
	for(i=0;i