一文聊聊自動(dòng)駕駛中交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)

作者：焉知智能汽車 2022-09-18 21:39:42

雖然TSR和類似的車輛傳感技術(shù)在邁向完全自主駕駛方面很有幫助，但我們還沒(méi)有到那一步。

什么是交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)？

汽車安全系統(tǒng)的交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)，英文翻譯為：Traffic Sign Recognition，簡(jiǎn)稱TSR，是利用前置攝像頭結(jié)合模式，可以識(shí)別常見(jiàn)的交通標(biāo)志《限速、停車、掉頭等）。這一功能會(huì)提醒駕駛員注意前面的交通標(biāo)志，以便駕駛員遵守這些標(biāo)志。TSR 功能降低了駕駛員不遵守停車標(biāo)志等交通法規(guī)的可能，避免了違法左轉(zhuǎn)或者無(wú)意的其他交通違法行為，從而提高了安全性。這些系統(tǒng)需要靈活的軟件平臺(tái)來(lái)增強(qiáng)探測(cè)算法，根據(jù)不同地區(qū)的交通標(biāo)志來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

交通標(biāo)志識(shí)別原理

交通標(biāo)志識(shí)別又稱為T(mén)SR（Traffic Sign Recognition）是指能夠在車輛行駛過(guò)程中對(duì)出現(xiàn)的道路交通標(biāo)志信息進(jìn)行采集和識(shí)別，及時(shí)向駕駛員做出指示或警告，亦或者直接控制車輛進(jìn)行操作，以保證交通通暢并預(yù)防事故的發(fā)生。在安裝有安全輔助駕駛系統(tǒng)的車輛中，如果車輛能夠提供高效的TSR系統(tǒng)，及時(shí)為駕駛員提供可靠地道路交通標(biāo)志信息，有效提高駕駛安全性和舒適性。

如下將介紹一種典型的道路交通標(biāo)志識(shí)別的方法。

TSR是根據(jù)人類視覺(jué)系統(tǒng)辨識(shí)物體的特性，其識(shí)別原理是利用道路標(biāo)志豐富的顏色信息和固定的形狀信息進(jìn)行特征識(shí)別。具體可將識(shí)別過(guò)程分為“分隔”和“識(shí)別”兩個(gè)步驟。其中分隔是指在獲取的圖像中發(fā)現(xiàn)候選目標(biāo)，并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，其次是交通標(biāo)志識(shí)別，包括特征提取和分類等，最后進(jìn)一步判定目標(biāo)的真實(shí)性。

1、交通標(biāo)志分隔

交通標(biāo)志分隔實(shí)際是需要快速?gòu)膹?fù)雜的場(chǎng)景圖像中獲取可能是交通標(biāo)志的感興趣區(qū)域。然后采用模式識(shí)別的方法對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步辨識(shí)，定位其具體位置。由于交通標(biāo)志功能是起到指示性、提示性和警示性等作用，他們?cè)O(shè)置都具有醒目、顏色鮮明、圖形簡(jiǎn)潔、意義明確等特點(diǎn)。因此感興趣區(qū)域通常是利用其顏色和形狀進(jìn)行的。

目前，在交通標(biāo)志識(shí)別中常用的彩色空間包括RGB、HIS、CIE幾種，而RGB作為圖像處理中常用的三基色，是構(gòu)建其他各種顏色的基礎(chǔ)，其他顏色表示方式可以用RGB變換得到。

我們知道，對(duì)于交通標(biāo)志而言大都顏色比較單一、固定，比如紅色標(biāo)志一般表示禁令，藍(lán)色標(biāo)志一般表示指示類，黃色標(biāo)志一般表示警告類，這里正好利用RGB的三基色紅、黃、藍(lán)加以識(shí)別匹配來(lái)表示。

由于顏色空間更多的還包含了飽和度等信息，故為了更好區(qū)分顏色與亮度信息，研究人員更多采用適合人類視覺(jué)特性的色彩模型HSI模型來(lái)處理交通標(biāo)志識(shí)別，H表示不同顏色，S表示顏色深淺，I表示明暗程度，HSI其最大的特點(diǎn)是H、S、I之間相關(guān)性極小，在HSI空間中的每個(gè)彩色圖像都對(duì)應(yīng)著一個(gè)相對(duì)一致的色調(diào)H。

2、交通標(biāo)志識(shí)別

當(dāng)在試車環(huán)境中分割出來(lái)交通標(biāo)志信息的感興趣區(qū)域后，需要采用一定的算法對(duì)其進(jìn)行判別，以便確定它屬于哪一種具體的交通標(biāo)志，一般的判別方法包括模板匹配法、基于聚類分析法、基于形狀分析方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、基于支持向量機(jī)的方法。

（1）基于模板匹配法

（2）基于聚類分析法

（3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法

（4）支持向量機(jī)的方法

支持向量機(jī)是一種典型的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，用于解決模式分類和非線性問(wèn)題，其主要思想是建立一個(gè)最優(yōu)決策超平面，使得該平面兩側(cè)距平面最近的兩類樣本之間的距離最大化，為分類提供更好的泛化能力。對(duì)于非線性可分模式分類問(wèn)題，需要將負(fù)責(zé)的模式分類問(wèn)題非線性的投射到高維特征空間，因此只要變換是非線性的且特征空間維數(shù)夠高，則原始模式空間能變成一個(gè)新的高維特征空間，在該空間中，其模式以較高的概率變得線性可分。其中變換過(guò)程要求生成一個(gè)核函數(shù)進(jìn)行卷積，相應(yīng)典型的核函數(shù)表示如下：

高斯函數(shù)：圖片；用于徑向集函數(shù)分類器；

內(nèi)積函數(shù)：圖片；用于高階多項(xiàng)式集分類器；

Sigmoid核函數(shù)：圖片；用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)單隱層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

TSR的一些具體應(yīng)用場(chǎng)景

因?yàn)榈缆方煌ㄇ闆r的復(fù)雜性可能造成交通標(biāo)志污損、顏色、形狀發(fā)生變化，而樹(shù)木、建筑物的遮擋又可能導(dǎo)致其無(wú)法被及時(shí)的識(shí)別到位，同時(shí)在高速駕駛過(guò)程中，由于車輛行駛抖動(dòng)等因素，可能造成圖像幀匹配過(guò)程中出現(xiàn)誤差，從而無(wú)法穩(wěn)定地識(shí)別出相應(yīng)的交通標(biāo)志。因此交通標(biāo)志識(shí)別目前在駕駛輔助領(lǐng)域還未能得到廣泛的應(yīng)用，較為成熟的應(yīng)用方案有如下幾種：

基于限速標(biāo)志的自動(dòng)限速

基于限速標(biāo)志的自動(dòng)限速主要是利用識(shí)別到的限速標(biāo)志顯示的限速值，自車提前進(jìn)行預(yù)判，這里我們?cè)O(shè)置幾種不同的速度值進(jìn)行比較。

VReal表示本車當(dāng)前實(shí)際巡航車速，Vtarget表示本車目標(biāo)巡航速度，Vlim表示限速值信息，Vfront表示識(shí)別到的前車車速。

根據(jù)自身車速這一敏感信息進(jìn)行如下不同程度的限速策略：

1）本車定速巡航

當(dāng)檢測(cè)到本車VReal>Vlim且Vtarget<Vlim時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)目標(biāo)巡航車速進(jìn)行減速控制，此時(shí)需考慮限速值大小，發(fā)送較大的減速度確保本車減速到限速標(biāo)志時(shí)，其速度不大于限速標(biāo)志；

當(dāng)檢測(cè)到本車VReal<Vlim且Vtarget>=Vlim時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)識(shí)別到的限速值Vlim進(jìn)行減速；

2）本車跟隨前車行駛

當(dāng)檢測(cè)到本車VReal>VFront>Vlim時(shí)，系統(tǒng)在確保本車不與前車碰撞的情況下進(jìn)行自動(dòng)減速控制；

當(dāng)檢測(cè)到本車VReal<Vlim<VFront時(shí)，系統(tǒng)在確保本車在識(shí)別距離內(nèi)不超過(guò)限速值的情況下進(jìn)行適當(dāng)加速控制；

3）通過(guò)限速牌后控制邏輯

以上本車進(jìn)行自動(dòng)限速后，當(dāng)車輛行駛通過(guò)限速牌，同時(shí)識(shí)別到新的限速牌時(shí)需要重新進(jìn)行速度控制，如新的限速牌限速值比當(dāng)前值小，則根據(jù)1）2）中的邏輯進(jìn)行進(jìn)一步限速，如新的限速牌限速值比當(dāng)前值大，則需要根據(jù)當(dāng)前更新后的本車實(shí)際車速、前車車速、本車目標(biāo)巡航車速進(jìn)行加速度重分配，確保限速和碰撞優(yōu)先考慮的同時(shí)進(jìn)行適當(dāng)控制。

基于并道策略的提前并道

對(duì)于車輛行駛在高速路情況下來(lái)說(shuō)，駕駛車輛需要考慮在不同場(chǎng)景下進(jìn)行提前變道的問(wèn)題，目前有兩種可行方案：

其一，當(dāng)在一定距離前檢測(cè)到前方有并道標(biāo)志信息時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音或儀表圖像提前提示駕駛員對(duì)車輛進(jìn)行變道控制將車輛變道至目標(biāo)車道；

其二，當(dāng)在一定距離前如果系統(tǒng)接收高精度地圖相關(guān)車道級(jí)別信息，則可以直接控制車輛變道至目標(biāo)車道，期間需要檢測(cè)目標(biāo)車道線是否為虛線，目標(biāo)車道是否變道安全等。

基于紅綠燈識(shí)別的提前剎車

基于紅綠燈標(biāo)志識(shí)別的駕駛輔助系統(tǒng)，要求在系統(tǒng)基于識(shí)別到的紅綠燈提前對(duì)車輛巡航及變道進(jìn)行控制。

主要有以下幾種控制場(chǎng)景策略：

1）識(shí)別到綠燈

若本車處于跟隨前車行駛狀態(tài)，前車以較低速度行駛，本車在確保碰撞安全的前提下，繼續(xù)跟隨前車行駛，并同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控車燈變化，一旦變成黃燈，則立即停止跟隨策略，保持一定的減速至剎停；

2）識(shí)別到黃燈

若本車識(shí)別到黃燈，則不管本車是否處于跟車狀態(tài)，均需要控制本車減速之剎停，期間減速過(guò)程可進(jìn)行舒適性減速，由發(fā)動(dòng)機(jī)反拖轉(zhuǎn)換為制動(dòng)切入；

3）識(shí)別到紅燈

若已經(jīng)識(shí)別到紅燈，則根據(jù)前車停止?fàn)顟B(tài)，確保避撞的前提下，控制本車急減速至剎停，保持本車剎停狀態(tài)下與前車1m以上的距離；

（其中，第一條功能的應(yīng)用比較容易理解；第二條功能的應(yīng)用更加具有發(fā)展意義，它涉及L2向L3級(jí)別的自動(dòng)變道邏輯；第三條功能的應(yīng)用，顯得比較智慧——提前剎車，跟V2X的邏輯類似。）

中國(guó)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

結(jié)合技術(shù)自身的發(fā)展和中國(guó)道路交通環(huán)境及消費(fèi)者的特定需求，我們可以總結(jié)得到先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)在中國(guó)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)：

（1）從技術(shù)發(fā)展角度來(lái)看，由于消費(fèi)者對(duì)汽車安全性的重視度只會(huì)越來(lái)越高，因而先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)必將保持持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。同時(shí)，先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)正在從單個(gè)技術(shù)獨(dú)立發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)檎鲜街鲃?dòng)安全系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，多項(xiàng)技術(shù)可以共用傳感器、控制系統(tǒng)等平臺(tái)，一旦車輛裝備了基礎(chǔ)的ESP、ACC 等技術(shù)，便可以方便地并以較低的成本添加其他安全駕駛輔助技術(shù)，從而將進(jìn)一步推動(dòng)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)在汽車上的應(yīng)用。

（2）一些相對(duì)較為低端且實(shí)用性強(qiáng)的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)，如胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、ESP 電子穩(wěn)定系統(tǒng)等已經(jīng)充分得到了市場(chǎng)的認(rèn)可，在強(qiáng)烈的需求驅(qū)動(dòng)下，其在低端市場(chǎng)的普及率將穩(wěn)步提升。

（3）中國(guó)消費(fèi)者對(duì)于避險(xiǎn)輔助類、視野改善類技術(shù)表現(xiàn)出明顯的關(guān)注度與需求度，必將成為下一階段該領(lǐng)域內(nèi)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)。

（4）一些對(duì)道路要求較高的技術(shù)，如變道輔助、車道偏離警告、ACC 等，以及與中國(guó)消費(fèi)者駕駛習(xí)慣不符的技術(shù)，如車道保持系統(tǒng)、駕駛員疲勞檢測(cè)、禁酒閉鎖系統(tǒng)等，則可能將面臨較長(zhǎng)一段時(shí)間的緩慢發(fā)展。