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计算机竞赛题目：基于机器视觉的图像矫正 (以车牌识别为例) - 图像畸变校正

文章目录

0 简介
1 思路简介
- 1.1 车牌定位
- 1.2 畸变校正
2 代码实现
- 2.1 车牌定位
- - 2.1.1 通过颜色特征选定可疑区域
  - 2.1.2 寻找车牌外围轮廓
  - 2.1.3 车牌区域定位
- 2.2 畸变校正
- - 2.2.1 畸变后车牌顶点定位
  - 2.2.2 校正
7 最后

0 简介

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基于机器视觉的图像矫正 (以车牌识别为例)

该项目较为新颖，适合作为竞赛课题方向，学长非常推荐！

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1 思路简介

目前车牌识别系统在各小区门口随处可见，识别效果貌似都还可以。查阅资料后，发现整个过程又可以细化为车牌定位、畸变校正、车牌分割和内容识别四部分。本篇随笔主要介绍车牌定位及畸变校正两部分，在python环境下通过opencv实现。

1.1 车牌定位

目前主流的车牌定位方法从大的方面来说可以分为两类：一种是基于车牌的背景颜色特征；另一种基于车牌的轮廓形状特征。基于颜色特征的又可分为两类：一种在RGB空间识别，另一种在HSV空间识别。经测试后发现，单独使用任何一种方法，效果均不太理想。目前比较普遍的做法是几种定位方法同时使用，或用一种识别，另一种验证。本文主要通过颜色特征对车牌进行定位，以HSV空间的H分量为主，以RGB空间的R分量和B分量为辅，后续再用车牌的长宽比例排除干扰。

1.2 畸变校正

在车牌的图像采集过程中，相机镜头通常都不是垂直于车牌的，所以待识别图像中车牌或多或少都会有一定程度的畸变，这给后续的车牌内容识别带来了一定的困难。因此需要对车牌进行畸变校正，消除畸变带来的不利影响。

2 代码实现

2.1 车牌定位

2.1.1 通过颜色特征选定可疑区域

取了不同光照环境下车牌的图像，截取其背景颜色，利用opencv进行通道分离和颜色空间转换，经试验后，总结出车牌背景色的以下特征：

(1)在HSV空间下，H分量的值通常都在115附近徘徊，S分量和V分量因光照不同而差异较大(opencv中H分量的取值范围是0到179，而不是图像学中的0到360；S分量和V分量的取值范围是到255)；
(2)在RGB空间下，R分量通常较小，一般在30以下，B分量通常较大，一般在80以上，G分量波动较大；
(3)在HSV空间下对图像进行补光和加饱和度处理，即将图像的S分量和V分量均置为255，再进行色彩空间转换，由HSV空间转换为RGB空间，发现R分量全部变为0，B分量全部变为255(此操作会引入较大的干扰，后续没有使用）。

根据以上特征可初步筛选出可疑的车牌区域。随后对灰度图进行操作，将可疑位置的像素值置为255，其他位置的像素值置为0，即根据特征对图像进行了二值化。二值化图像中，可疑区域用白色表示，其他区域均为黑色。随后可通过膨胀腐蚀等操作对图像进一步处理。

for i in range(img_h):
    for j in range(img_w):
        # 普通蓝色车牌，同时排除透明反光物质的干扰
        if ((img_HSV[:, :, 0][i, j]-115)**2 < 15**2) and (img_B[i, j] > 70) and (img_R[i, j] < 40):
            img_gray[i, j] = 255
        else:
            img_gray[i, j] = 0

2.1.2 寻找车牌外围轮廓

选定可疑区域并将图像二值化后，一般情况下，图像中就只有车牌位置的像素颜色为白，但在一些特殊情况下还会存在一些噪声。如上图所示，由于图像右上角存在蓝色支架，与车牌颜色特征相符，因此也被当做车牌识别了出来，由此引入了噪声。

经过观察可以发现，车牌区域与噪声之间存在较大的差异，且车牌区域特征比较明显：

(1)根据我国常规车牌的形状可知，车牌的形状为扁平矩形，长宽比约为3：1；
(2)车牌区域面积远大于噪声区域，一般为图像中最大的白色区域。

可以通过cv2.findContours()函数寻找二值化后图像中白色区域的轮廓。

注意：在opencv2和opencv4中，cv2.findContours()的返回值有两个，而在opencv3中，返回值有3个。视opencv版本不同，代码的写法也会存在一定的差异。

# 检测所有外轮廓，只留矩形的四个顶点
# opencv4.0, opencv2.x
contours, _ = cv2.findContours(img_bin, cv2.RETR_LIST, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
# opencv3.x
_, contours, _ = cv2.findContours(img_bin, cv2.RETR_LIST, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)

这里，因为二值化图像中共有三块白色区域(车牌及两处噪声)，因此返回值contours为长度为3的list。list内装有3个array，每个array内各存放着一块白色区域的轮廓信息。每个array的shape均为(n,
1, 2)，即每个array存放着对应白色区域轮廓上n个点的坐标。

目前得到了3个array，即3组轮廓信息，但我们并不清楚其中哪个是车牌区域对应的那一组轮廓信息。此时可以根据车牌的上述特征筛选出车牌区域的轮廓。

#形状及大小筛选校验
det_x_max = 0
det_y_max = 0
num = 0
for i in range(len(contours)):
    x_min = np.min(contours[i][ :, :, 0])
    x_max = np.max(contours[i][ :, :, 0])
    y_min = np.min(contours[i][ :, :, 1])
    y_max = np.max(contours[i][ :, :, 1])
    det_x = x_max - x_min
    det_y = y_max - y_min
    if (det_x / det_y > 1.8) and (det_x > det_x_max ) and (det_y > det_y_max ):
        det_y_max = det_y
        det_x_max = det_x
        num = i
# 获取最可疑区域轮廓点集
points = np.array(contours[num][:, 0])

最终得到的points的shape为(n, 2)，即存放了n个点的坐标，这n个点均分布在车牌的边缘上

2.1.3 车牌区域定位

获取车牌轮廓上的点集后，可用cv2.minAreaRect()获取点集的最小外接矩形。返回值rect内包含该矩形的中心点坐标、高度宽度及倾斜角度等信息，使用cv2.boxPoints()可获取该矩形的四个顶点坐标。

# 获取最小外接矩阵，中心点坐标，宽高，旋转角度
rect = cv2.minAreaRect(points)
# 获取矩形四个顶点，浮点型
box = cv2.boxPoints(rect)
# 取整
box = np.int0(box)

但我们并不清楚这四个坐标点各对应着矩形的哪一个顶点，因此无法充分地利用这些坐标信息。

可以从坐标值的大小特征入手，将四个坐标与矩形的四个顶点匹配起来：在opencv的坐标体系下，纵坐标最小的是top_point，纵坐标最大的是bottom_point，
横坐标最小的是left_point，横坐标最大的是right_point。

# 获取四个顶点坐标
left_point_x = np.min(box[:, 0])
right_point_x = np.max(box[:, 0])
top_point_y = np.min(box[:, 1])
bottom_point_y = np.max(box[:, 1])

left_point_y = box[:, 1][np.where(box[:, 0] == left_point_x)][0]
right_point_y = box[:, 1][np.where(box[:, 0] == right_point_x)][0]
top_point_x = box[:, 0][np.where(box[:, 1] == top_point_y)][0]
bottom_point_x = box[:, 0][np.where(box[:, 1] == bottom_point_y)][0]
# 上下左右四个点坐标
vertices = np.array([[top_point_x, top_point_y], [bottom_point_x, bottom_point_y], [left_point_x, left_point_y], [right_point_x, right_point_y]])

2.2 畸变校正

2.2.1 畸变后车牌顶点定位

要想实现车牌的畸变矫正，必须找到畸变前后对应点的位置关系。

可以看出，本是矩形的车牌畸变后变成了平行四边形，因此车牌轮廓和得出来的矩形轮廓并不契合。但有了矩形的四个顶点坐标后，可以通过简单的几何相似关系求出平行四边形车牌的四个顶点坐标。

在本例中，平行四边形四个顶点与矩形四个顶点之间有如下关系：矩形顶点Top_Point、Bottom_Point与平行四边形顶点new_top_point、new_bottom_point重合，矩形顶点Top_Point的横坐标与平行四边形顶点new_right_point的横坐标相同，矩形顶点Bottom_Point的横坐标与平行四边形顶点new_left_point的横坐标相同。

但事实上，由于拍摄的角度不同，可能出现两种不同的畸变情况。可以根据矩形倾斜角度的不同来判断具体是哪种畸变情况。

判断出具体的畸变情况后，选用对应的几何相似关系，即可轻易地求出平行四边形四个顶点坐标，即得到了畸变后车牌四个顶点的坐标。

要想实现车牌的校正，还需得到畸变前车牌四个顶点的坐标。因为我国车牌的标准尺寸为440X140，因此可规定畸变前车牌的四个顶点坐标分别为：(0,0)，(440,0)，(0,140)，(440,140)。顺序上需与畸变后的四个顶点坐标相对应。

# 畸变情况1
if rect[2] > -45:
    new_right_point_x = vertices[0, 0]
    new_right_point_y = int(vertices[1, 1] - (vertices[0, 0]- vertices[1, 0]) / (vertices[3, 0] - vertices[1, 0]) * (vertices[1, 1] - vertices[3, 1]))
    new_left_point_x = vertices[1, 0]
    new_left_point_y = int(vertices[0, 1] + (vertices[0, 0] - vertices[1, 0]) / (vertices[0, 0] - vertices[2, 0]) * (vertices[2, 1] - vertices[0, 1]))
    # 校正后的四个顶点坐标
    point_set_1 = np.float32([[440, 0],[0, 0],[0, 140],[440, 140]])
# 畸变情况2
elif rect[2] < -45:
    new_right_point_x = vertices[1, 0]
    new_right_point_y = int(vertices[0, 1] + (vertices[1, 0] - vertices[0, 0]) / (vertices[3, 0] - vertices[0, 0]) * (vertices[3, 1] - vertices[0, 1]))
    new_left_point_x = vertices[0, 0]
    new_left_point_y = int(vertices[1, 1] - (vertices[1, 0] - vertices[0, 0]) / (vertices[1, 0] - vertices[2, 0]) * (vertices[1, 1] - vertices[2, 1]))
    # 校正后的四个顶点坐标
    point_set_1 = np.float32([[0, 0],[0, 140],[440, 140],[440, 0]])

# 校正前平行四边形四个顶点坐标
new_box = np.array([(vertices[0, 0], vertices[0, 1]), (new_left_point_x, new_left_point_y), (vertices[1, 0], vertices[1, 1]), (new_right_point_x, new_right_point_y)])
point_set_0 = np.float32(new_box)

2.2.2 校正

该畸变是由于摄像头与车牌不垂直而引起的投影造成的，因此可用cv2.warpPerspective()来进行校正。

# 变换矩阵
mat = cv2.getPerspectiveTransform(point_set_0, point_set_1)
# 投影变换
lic = cv2.warpPerspective(img, mat, (440, 140))


    import cv2
    import numpy as np
    
    # 预处理
    def imgProcess(path):
        img = cv2.imread(path)
        # 统一规定大小
        img = cv2.resize(img, (640,480))
        # 高斯模糊
        img_Gas = cv2.GaussianBlur(img,(5,5),0)
        # RGB通道分离
        img_B = cv2.split(img_Gas)[0]
        img_G = cv2.split(img_Gas)[1]
        img_R = cv2.split(img_Gas)[2]
        # 读取灰度图和HSV空间图
        img_gray = cv2.cvtColor(img_Gas, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        img_HSV = cv2.cvtColor(img_Gas, cv2.COLOR_BGR2HSV)
        return img, img_Gas, img_B, img_G, img_R, img_gray, img_HSV
    
    # 初步识别
    def preIdentification(img_gray, img_HSV, img_B, img_R):
        for i in range(480):
            for j in range(640):
                # 普通蓝色车牌，同时排除透明反光物质的干扰
                if ((img_HSV[:, :, 0][i, j]-115)**2 < 15**2) and (img_B[i, j] > 70) and (img_R[i, j] < 40):
                    img_gray[i, j] = 255
                else:
                    img_gray[i, j] = 0
        # 定义核
        kernel_small = np.ones((3, 3))
        kernel_big = np.ones((7, 7))
    
        img_gray = cv2.GaussianBlur(img_gray, (5, 5), 0) # 高斯平滑
        img_di = cv2.dilate(img_gray, kernel_small, iterations=5) # 腐蚀5次
        img_close = cv2.morphologyEx(img_di, cv2.MORPH_CLOSE, kernel_big) # 闭操作
        img_close = cv2.GaussianBlur(img_close, (5, 5), 0) # 高斯平滑
        _, img_bin = cv2.threshold(img_close, 100, 255, cv2.THRESH_BINARY) # 二值化
        return img_bin
    
    # 定位
    def fixPosition(img, img_bin):
        # 检测所有外轮廓，只留矩形的四个顶点
        contours, _ = cv2.findContours(img_bin, cv2.RETR_LIST, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
        #形状及大小筛选校验
        det_x_max = 0
        det_y_max = 0
        num = 0
        for i in range(len(contours)):
            x_min = np.min(contours[i][ :, :, 0])
            x_max = np.max(contours[i][ :, :, 0])
            y_min = np.min(contours[i][ :, :, 1])
            y_max = np.max(contours[i][ :, :, 1])
            det_x = x_max - x_min
            det_y = y_max - y_min
            if (det_x / det_y > 1.8) and (det_x > det_x_max ) and (det_y > det_y_max ):
                det_y_max = det_y
                det_x_max = det_x
                num = i
        # 获取最可疑区域轮廓点集
        points = np.array(contours[num][:, 0])
        return points

    #img_lic_canny = cv2.Canny(img_lic_bin, 100, 200)

    def findVertices(points):
        # 获取最小外接矩阵，中心点坐标，宽高，旋转角度
        rect = cv2.minAreaRect(points)
        # 获取矩形四个顶点，浮点型
        box = cv2.boxPoints(rect)
        # 取整
        box = np.int0(box)
        # 获取四个顶点坐标
        left_point_x = np.min(box[:, 0])
        right_point_x = np.max(box[:, 0])
        top_point_y = np.min(box[:, 1])
        bottom_point_y = np.max(box[:, 1])
    
        left_point_y = box[:, 1][np.where(box[:, 0] == left_point_x)][0]
        right_point_y = box[:, 1][np.where(box[:, 0] == right_point_x)][0]
        top_point_x = box[:, 0][np.where(box[:, 1] == top_point_y)][0]
        bottom_point_x = box[:, 0][np.where(box[:, 1] == bottom_point_y)][0]
        # 上下左右四个点坐标
        vertices = np.array([[top_point_x, top_point_y], [bottom_point_x, bottom_point_y], [left_point_x, left_point_y], [right_point_x, right_point_y]])
        return vertices, rect
    
    def tiltCorrection(vertices, rect):
        # 畸变情况1
        if rect[2] > -45:
            new_right_point_x = vertices[0, 0]
            new_right_point_y = int(vertices[1, 1] - (vertices[0, 0]- vertices[1, 0]) / (vertices[3, 0] - vertices[1, 0]) * (vertices[1, 1] - vertices[3, 1]))
            new_left_point_x = vertices[1, 0]
            new_left_point_y = int(vertices[0, 1] + (vertices[0, 0] - vertices[1, 0]) / (vertices[0, 0] - vertices[2, 0]) * (vertices[2, 1] - vertices[0, 1]))
            # 校正后的四个顶点坐标
            point_set_1 = np.float32([[440, 0],[0, 0],[0, 140],[440, 140]])
        # 畸变情况2
        elif rect[2] < -45:
            new_right_point_x = vertices[1, 0]
            new_right_point_y = int(vertices[0, 1] + (vertices[1, 0] - vertices[0, 0]) / (vertices[3, 0] - vertices[0, 0]) * (vertices[3, 1] - vertices[0, 1]))
            new_left_point_x = vertices[0, 0]
            new_left_point_y = int(vertices[1, 1] - (vertices[1, 0] - vertices[0, 0]) / (vertices[1, 0] - vertices[2, 0]) * (vertices[1, 1] - vertices[2, 1]))
            # 校正后的四个顶点坐标
            point_set_1 = np.float32([[0, 0],[0, 140],[440, 140],[440, 0]])
    
        # 校正前平行四边形四个顶点坐标
        new_box = np.array([(vertices[0, 0], vertices[0, 1]), (new_left_point_x, new_left_point_y), (vertices[1, 0], vertices[1, 1]), (new_right_point_x, new_right_point_y)])
        point_set_0 = np.float32(new_box)
        return point_set_0, point_set_1, new_box
    
    def transform(img, point_set_0, point_set_1):
        # 变换矩阵
        mat = cv2.getPerspectiveTransform(point_set_0, point_set_1)
        # 投影变换
        lic = cv2.warpPerspective(img, mat, (440, 140))
        return lic
    
    def main():
        path = 'F:\\Python\\license_plate\\test\\9.jpg'
        # 图像预处理
        img, img_Gas, img_B, img_G, img_R, img_gray, img_HSV = imgProcess(path)
        # 初步识别
        img_bin  = preIdentification(img_gray, img_HSV, img_B, img_R)
        points = fixPosition(img, img_bin)
        vertices, rect = findVertices(points)
        point_set_0, point_set_1, new_box = tiltCorrection(vertices, rect)
        img_draw = cv2.drawContours(img.copy(), [new_box], -1, (0,0,255), 3)
        lic = transform(img, point_set_0, point_set_1)
        # 原图上框出车牌
        cv2.namedWindow("Image")
        cv2.imshow("Image", img_draw)
        # 二值化图像
        cv2.namedWindow("Image_Bin")
        cv2.imshow("Image_Bin", img_bin)
        # 显示校正后的车牌
        cv2.namedWindow("Lic")
        cv2.imshow("Lic", lic)
        # 暂停、关闭窗口
        cv2.waitKey(0)
        cv2.destroyAllWindows()
    
    if __name__ == '__main__':
        main()

7 最后