ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA DOPRAVNÍ Jiří Hofman Automatické rozpoznávání dopravních značek Semestrální práce z předmětu ITS 2012
Obsah 1. Automatické rozpoznávání dopravních značek (ATSR)... 3 1.1. Hlavní problematika... 3 2. Princip... 3 2.1. HSFM (Hierarchical Spatial Feature Matching)... 4 2.1.1. Klasifikátor dopravních značek... 4 2.1.2. Statický klasifikátor... 4 2.2. Algoritmus s použitím šablon... 4 2.3. Způsoby výstupu... 5 2.3.1. HUD (Head-Up display)... 5 3. Další využití... 6 4. Závěr... 6 5. Zdroje... 7
1. Automatické rozpoznávání dopravních značek (ATSR) Svislé dopravní značky představují jeden za základních druhů dopravních zařízení, která slouží k předávání důležitých informací řidičům. Informují o dopravních omezeních, zákazech či varováních, usnadňují orientaci atd. V Evropě z historického vývoje vzniklo svislé značení na základě zkušeností a výzkumu dopravní psychologie, tak aby řidičům umožnilo rychlé a snadné rozpoznávání dopravních značek i za ztížených viditelných podmínek. Tedy omezují se na základní geometrické tvary, tak aby důležité dopravní značky (např. zn. STOP, Dej přednost v jízdě) dali rozpoznat díky jejich tvaru nebo symbolu nezaměnitelným významem. Na Amerických silnicích je toto dopravní značení založeno na jiných tradicích. Místo již zmíněných jednoduchých symbolů využívají ve větší míře textových informací. Ty však bývají nepřehledné, což může způsobit nebezpečné situace. U ATSR se tedy budeme zabývat pouze značením na Evropských silnicích. 1.1. Hlavní problematika Jeden z problémů rozpoznání značek je obtížnost vytváření charakteristických vzorů (šablon). To je z důvodu velké rozmanitosti. Díky algoritmům však dokážeme s určitou pravděpodobností určit dané dopravní značení. Na dopravní značení je použita barva, která je specifická a výrazná. Aby upoutala pozornost řidiče a aby se snadno odlišila od životního prostředí kolem nás. Tvary značení jsou omezena na určité geometrické tvary. 2. Princip Princip systému pro automatické rozpoznávání dopravních značek spočívá v malé kameře umístěné za čelním sklem, sledující prostor před vozidlem. Kamera pořizuje snímky, které jsou zpracovávány vhodným algoritmem.
Výběr algoritmu je velice důležitý, pro rychlost a spolehlivost detekce. Dobrým algoritmem pro detekci Evropských značek je metoda založená na lokálních orientacích hran v obraze, známý jako HSFM (Hierarchical Spatial Feature Matching). 2.1. HSFM (Hierarchical Spatial Feature Matching) Vyhledává geometrické tvary, které mohou odpovídat dopravním značkám, pomocí informací o lokální orientaci hran. Geometrický objekt je rozložen na hrany a rohy. Rozpoznání konkrétního typu dopravní značky je práce klasifikátoru. Ten rozpoznává dva základní typy: strukturální a statický. 2.1.1. Klasifikátor dopravních značek Strukturální klasifikátor pracuje na základě rozložení rozpoznaného objektu na základní části a rozpoznat ho podle jeho vzájemných vztahů. Využívá při tom překladu do jazyků, dramatik apod. Tento způsob není příliš vhodný, jelikož je časově náročný a použitelný jen pro kvalitní obrazy. 2.1.2. Statický klasifikátor Statický přístup spočívá ve zjištění tzv. příznaků (číselných hodnot, které reprezentují danou třídy objektů = typ dopravní značky). Příznaky jsou pak brány jako body v tzv. příznakovém prostoru. Rozpoznávání je tedy založeno na zjišťování míry příslušnosti neznámého bodu (reprezentujícího region v obrazu dopravní scény) ke známé třídě. Příslušnost pak může být vyjádřena pravděpodobností a úloha rozpoznávání se tak mění v úlohu odhadování hustot pravděpodobnosti. Pro rozpoznávání dopravních značek používáme tzv. neparametrického jádrového odhadu hustoty pravděpodobnosti. 2.2. Algoritmus s použitím šablon Algoritmus má znalosti a priory o objektech, která jsou hledána v obrazech. Vyvinutý algoritmus je rozdělen do dvou základních fází a každý je složen z určitého počtu kroků. V první fázi detekce je vybrání oblasti zájmu (segmentace). Tedy oblast, která může obsahovat dopravní značku. Poté se vytvoří černobílá kopie s vybranou oblastí, která splňovala určité prahové hodnoty (barev apod.) Dále je prováděno řídnutí černobílého obrazu, tedy snížení tloušťky hran na jeden pixel.
V oblasti zájmu se detekují linie (řady pixelů) a provádí se za účelem zjištění tvaru objektu (trojúhelník, obdélník, kruh elipsa). V případě trojúhelníku a obdélník proces také počítá údaje nezbytné pro výpočet označení těžiště. Umístění těžiště je pak bráno jako referenční bod souřadnicového systému. Obraz je pak rekonstruován dle geometrických vlastností. V druhé fázi je srovnání rozpoznaného objektu s předlohou, která je uložena v databázi. 2.3. Způsoby výstupu Systém poté dokáže detekovat a rozpoznávat všechny dopravní značky a řidiče informuje o dopravním značení. To může být buď vizuální, kdy na vestavěném displeji informuje řidiče o dopravním značení. Další varianta je akustická nebo spojení obou variant. Místo vestavěného displeje se může použít Head-Up displej. 2.3.1. HUD (Head-Up display) Head-Up Display je prvek aktivní bezpečnosti, který zobrazuje všechny důležité informace (rychlost, směr navigace a výstražná upozornění) přímo do řidičova zorného pole. Informace jsou promítány přes čelní sklo, a řidičova pozornost se tak ničím nerozptyluje. Virtuální obrázek se objeví přibližně dva metry od řidiče, nad koncem kapoty. Informace je na čelní sklo promítána za pomoci projektoru a systému zrcadel umístěných v přístrojové desce. Na řidiče tento obraz působí jako by byl umístěný cca dva metry před čelním sklem, což zlepšuje čitelnost údajů.
HUD jsou rozděleny do čtyř generací, dle použité technologie ke generování obrazu. První generace, využívá CRT obrazovku ke generování obrazu (fosforová barva), její nevýhodou je nutnost nátěru obrazovky fosforem, která časem degraduje. Druhá generace Užití pevného zdroje světla, např. LED, kterým je modulován displej (LCD) pro zobrazení obrázku. Tento systém má malou spotřebu energie, oproti systému první generace. Tyto systémy jsou využívány pro komerční letadla. Třetí generace - Využívá optických vlnovodů, využívá kombinátor. Čtvrté generace, používá skenovací laser k zobrazení obrázků, dokonce i video snímků na transparentní média. 3. Další využití Tento systém se dá využít i pro další asistenční systém např. se systémem pro rozpoznání jízdního pruhu (výrazně upozorní řidiče na vyjetí z jízdního pruhu bez znamení o změně směru jízdy tedy např. při vjetí do protisměru při mikro spánku), se systémem nočního vidění nebo systémem pro navádění při parkování. 4. Závěr Tento systém má mít asistenční povahu, tedy systém má účel pouze informační. Nebude zasahovat do řízení dopravního prostředku. Význam toho systému je hlavně v městské zástavbě, na rychlostních silnicích, kde se vyskytuje velké množství dopravních značek, a při špatné viditelnosti.
5. Zdroje http://www.uab.ro/auajournal/acta8/hatzidimos.pdf http://euler.fd.cvut.cz/new/ctrl.php?act=show,section,6 http://www.euroexpo.cz/upl/clanky/100462s_znacky.pdf http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=33888