基于颜色-几何形状建模的道路交通标志识别技术的研究

引 言

目前，城市道路交通状况日趋严峻，交通标志的作用愈加重要。交通标志最显著的特点就是颜色和形状的信息。颜色是交通标志的重要属性，与背景区域颜色对比，其主要区域颜色比较醒目。光照强弱容易引起对道路交通标志信息识别的偏差，由于不同颜色的灰度级别所包含的信息量差别不大，而灰度图像所包含的信息量相对较少，所以光照变化会导致识别难度加大。因此采用RGB 图像进行交通标志处理的研究增多。交通标志的形状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状特征信息。目前已有很多形状描述的方法，可将其分为外部和内部的形状描述算法两类[1]。外部形状算法是对区域轮廓特征的描述，而内部形状描述算法是对输入区域内部面积参数的描述。交通标志以不同的几何形状和颜色在一定距离内为驾驶员和行人提示交通信息[2]。本文以颜色- 几何形状建模，提出颜色 - 形状对概念，构造 7 个子类， 涵盖 3 大类 116 种中国交通标志，大大降低了研究交通标志的复杂性，把交通标志进行有效分类，降低了识别难度。

1 交通标志

1.1 交通标志简介

交通标志的设立是为了保证交通安全和道路畅通，具有标志醒目、清晰、安全、显眼等特点，广泛使用在具体的交通管理过程中。交通标志类型涵盖多种，主要分为以下几种：

(1) 主要标志和辅助标志；

(2) 可动式标志和固定式标志；

(3) 照明标志、发光标志和反光标志；

(4) 反映行车环境变化的可变信息标志。

我国现行与交通安全有关的交通标志主要分为 3 大类，共 116 种。其中警告类标志有 45 种，禁止类标志有 42 种，指示类标志有 29 种[3]。部分交通标志示例如图 1 所示。

图1 交通标志示例

1.2 交通标志颜色信息

由图 1 可知，交通标志主要由红色、蓝色、黄色、黑色、白色 5 种基本颜色相互搭配而成，但具体的含义和作用有所不同。红色代表禁止、停止、危险，在交通标志设计中常用作边框、底色、斜杠、警告性和线性诱导标志底色等；蓝色代表指令、遵循，在交通标志设计中用于地名、路线、方向等行车信息的提醒 ；黄色代表警告；黑色在交通标志设计中主要用于书写标志的文字、图形符号和部分标志的边框；白色在交通标志设计中用作底色填充，包括文字、图形符号等。

由于大部分交通标志都有一个很细的外轮廓线，而实际拍摄中轮廓线都比较模糊，所以轮廓线对交通标志识别的影响可以忽略。忽略白色、黄色和其他影响因素后，3 大类交通标志与颜色的关系如图 2 所示。

1.3 交通标志几何图像信息

基于对我国目前道路交通标志的研究，把交通标志的形状分为 5 种，分别为正三角形、圆形、倒三角形、八边形、矩形。

(1) 正等边三角形 ：用于警告标志；

(2) 圆形 ：用于禁令和指示标志；

(3) 倒等边三角形 ：用于 减速让行 禁令标志；

(4) 八边形 ：用于 停车让行 禁令标志；

(5) 方形 ：用于指路标志，部分警告、禁令和指示标志， 旅游区标志，辅助标志，告示标志灯。

几何形状与 3 大类交通标志之间的关系如图 3 所示。

2 交通标志的颜色- 形状对模型

根据上述对交通标志颜色和形状的分类，以及它们与 3大类交通标志的关系，我们把图 2 和图 3 合并，找出了交通标志的颜色- 几何形状与 3 大类交通标志间存在的关系。这种唯一的确定关系如图 4 所示。

2.1 颜色 - 形状对概念的提出

本文为了研究道路交通标志的颜色和形状存在的唯一确定关系，提出了颜色形状对及有关集合的概念。

定义 ：如果任意交通标志图像的颜色属性有 m 种，设该属性是 Ci|i=1，2，3， ，m。若几何形状属性有 n 种，该属性是 Sj| j=1，2，3， ，n。那么该区域中任意一种颜色属性和任意一种几何形状属性都能构成一个二元函数对（Ci，Sj），如果令（CS）k=（Ci，Sj）|k=1，2，3， ，l，其中 l=m×n，则把二元函数对（CS）k称为图像的一组颜色形状对。

颜色- 形状对集合：若任意交通标志图像的颜色属性为Ci|i=1，2，3， ，m， 几何形状属性为 Sj| j=1，2，3， ，n。则颜色属性表示为 C={C1，C2，C3， ，Cm}，几何属性表示为 S={S1，S2，S3， ，Sn}。该颜色 - 形状对表示为CSPk=（Ci，Sj） k|i=1，2，3， ，m ；j=1，2，3， ，n ；k=1，2，3， ，l。

在交通标志图像检测中，我们首先检测出图像的有效区域（如颜色和形状的属性），然后再进行分割处理等操作。以禁令标志为例来说明颜色- 形状对，禁令标志的基本颜色是红色和黑色，其基本形状是圆形、倒三角形和八边形。这样构成的颜色形状对为（红色，圆形）、（红色，倒三角形）、（红色，八边形）、（黑色，圆形）、（黑色，倒三角形）。由此我们可以得到颜色- 形状对构建的几何模型。

2.2 颜色 - 几何模型的建立

设我国道路交通标志图像的主要颜色有红色、蓝色、黑色，分别用 C1、C2、C3（黄色和白色是辅助颜色，这里先不研究）代表，几何形状有倒三角形、八边形、圆形、矩形、正三角形，分别用 S1、S2、S3、S4、S5 表示。由之前提出的定义可知， 颜色属性几何集合为 Ci=（C1，C2，C3），几何形状属性集合为 Sj=（S1，S2，S3，S4，S5），于是可以得出颜色 - 形状对的集合是 CSPk。而禁令标志、指示标志、警告标志的颜色- 形状对的子集分别为CSP1，CSP2，CSP3，则有：

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）}

根据上式可知，交通标志的颜色- 几何模型可以由 4 个禁令标志- 颜色形状对、2 个指示标志- 颜色形状对和 1 个警告标志- 颜色形状对组成，表明我国 116 种道路交通标志可以由 7 个颜色- 形状对来表示，每个颜色- 形状对表示交通标志的 1 个子类。

把 3 大类 116 种道路交通标志分为 7 个子类，其中禁令标志有 42 个，可以分成 4 个子类，分别为 38 个红色圆形标志、个黑色圆形标志、1个红色倒三角标志和 1个红色正八边形标志；指示标志有 29个可以分为 2个子类，分别为 16个蓝色圆形标志和 13个蓝色矩形标志；警告标志有 45个而只有 1个子类，即黑色（里面含有黄色）三角形标志。颜色 - 几何形状模型的建立使每个子类的样本数目大大减少，把 116种道路交通标志转化为 7 个子类去研究，不仅降低了研究难度，还为之后的细分类提供了良好的条件。

结 语

本文通过对道路交通标志的特性进行研究，提出了颜色形状对的有关概念并建立了模型，颜色形状对的概念充分反映出交通标志颜色与几何形状存在唯一确定关系。这个模型涵盖了所有道路交通标志，实现了道路交通标志的粗分类，有利于构建一个完整系统，降低了该系统的复杂性和难度。但在实际交通场景中，由于不同因素的干扰，这些特征会失真，影响模型的建立，因此该模型的建立还需要进一步研究。