什么是交通標志識別系統(tǒng)？

汽車安全系統(tǒng)的交通標志識別系統(tǒng)，英文翻譯為：Traffic Sign Recognition，簡稱TSR，是利用前置攝像頭結(jié)合模式，可以識別常見的交通標志 《 限速、停車、掉頭等）。這一功能會提醒駕駛員注意前面的交通標志，以便駕駛員遵守這些標志。TSR 功能降低了駕駛員不遵守停車標志等交通法規(guī)的可能，避免了違法左轉(zhuǎn)或者無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來增強探測算法，根據(jù)不同地區(qū)的交通標志來進行調(diào)整。

交通標志識別原理

交通標志識別又稱為TSR（Traffic Sign Recognition）是指能夠在車輛行駛過程中對出現(xiàn)的道路交通標志信息進行采集和識別，及時向駕駛員做出指示或警告，亦或者直接控制車輛進行操作，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)，及時為駕駛員提供可靠地道路交通標志信息，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志識別的方法。

TSR是根據(jù)人類視覺系統(tǒng)辨識物體的特性，其識別原理是利用道路標志豐富的顏色信息和固定的形狀信息進行特征識別。具體可將識別過程分為“分隔”和“識別”兩個步驟。其中分隔是指在獲取的圖像中發(fā)現(xiàn)候選目標，并進行相應(yīng)的預(yù)處理，其次是交通標志識別，包括特征提取和分類等，最后進一步判定目標的真實性。

1、交通標志分隔

交通標志分隔實際是需要快速從復(fù)雜的場景圖像中獲取可能是交通標志的感興趣區(qū)域。然后采用模式識別的方法對感興趣區(qū)域進行進一步辨識，定位其具體位置。由于交通標志功能是起到指示性、提示性和警示性等作用，他們設(shè)置都具有醒目、顏色鮮明、圖形簡潔、意義明確等特點。因此感興趣區(qū)域通常是利用其顏色和形狀進行的。

目前，在交通標志識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，對于交通標志而言大都顏色比較單一、固定，比如紅色標志一般表示禁令，藍色標志一般表示指示類，黃色標志一般表示警告類，這里正好利用RGB的三基色紅、黃、藍加以識別匹配來表示。

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特性的色彩模型HSI模型來處理交通標志識別，H表示不同顏色，S表示顏色深淺，I表示明暗程度，HSI其最大的特點是H、S、I之間相關(guān)性極小，在HSI空間中的每個彩色圖像都對應(yīng)著一個相對一致的色調(diào)H。

2、交通標志識別

當在試車環(huán)境中分割出來交通標志信息的感興趣區(qū)域后，需要采用一定的算法對其進行判別，以便確定它屬于哪一種具體的交通標志，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）支持向量機的方法

支持向量機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題，其主要思想是建立一個最優(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。對于非線性可分模式分類問題，需要將負責(zé)的模式分類問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。其中變換過程要求生成一個核函數(shù)進行卷積，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；用于高階多項式集分類器；

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

TSR的一些具體應(yīng)用場景

因為道路交通情況的復(fù)雜性可能造成交通標志污損、顏色、形狀發(fā)生變化，而樹木、建筑物的遮擋又可能導(dǎo)致其無法被及時的識別到位，同時在高速駕駛過程中，由于車輛行駛抖動等因素，可能造成圖像幀匹配過程中出現(xiàn)誤差，從而無法穩(wěn)定地識別出相應(yīng)的交通標志。因此交通標志識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：

基于限速標志的自動限速

基于限速標志的自動限速主要是利用識別到的限速標志顯示的限速值，自車提前進行預(yù)判，這里我們設(shè)置幾種不同的速度值進行比較。

VReal表示本車當前實際巡航車速，Vtarget表示本車目標巡航速度，Vlim表示限速值信息，Vfront表示識別到的前車車速。

根據(jù)自身車速這一敏感信息進行如下不同程度的限速策略：

1）本車定速巡航

當檢測到本車VReal>Vlim且Vtarget<Vlim時，系統(tǒng)自動根據(jù)目標巡航車速進行減速控制，此時需考慮限速值大小，發(fā)送較大的減速度確保本車減速到限速標志時，其速度不大于限速標志；

當檢測到本車VReal<Vlim且Vtarget>=Vlim時，系統(tǒng)自動根據(jù)識別到的限速值Vlim進行減速；

2）本車跟隨前車行駛

當檢測到本車VReal>VFront>Vlim時，系統(tǒng)在確保本車不與前車碰撞的情況下進行自動減速控制；

當檢測到本車VReal<Vlim<VFront時，系統(tǒng)在確保本車在識別距離內(nèi)不超過限速值的情況下進行適當加速控制；

3）通過限速牌后控制邏輯

以上本車進行自動限速后，當車輛行駛通過限速牌，同時識別到新的限速牌時需要重新進行速度控制，如新的限速牌限速值比當前值小，則根據(jù)1）2）中的邏輯進行進一步限速，如新的限速牌限速值比當前值大，則需要根據(jù)當前更新后的本車實際車速、前車車速、本車目標巡航車速進行加速度重分配，確保限速和碰撞優(yōu)先考慮的同時進行適當控制。

基于并道策略的提前并道

對于車輛行駛在高速路情況下來說，駕駛車輛需要考慮在不同場景下進行提前變道的問題，目前有兩種可行方案：

其一，當在一定距離前檢測到前方有并道標志信息時，通過語音或儀表圖像提前提示駕駛員對車輛進行變道控制將車輛變道至目標車道；

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

基于紅綠燈識別的提前剎車

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

主要有以下幾種控制場景策略：

1）識別到綠燈

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，并同時實時監(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）識別到黃燈

若本車識別到黃燈，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，期間減速過程可進行舒適性減速，由發(fā)動機反拖轉(zhuǎn)換為制動切入；

3）識別到紅燈

若已經(jīng)識別到紅燈，則根據(jù)前車停止狀態(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級別的自動變道邏輯；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。）

中國先進駕駛輔助系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

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

（1） 從技術(shù)發(fā)展角度來看，由于消費者對汽車安全性的重視度只會越來越高， 因而先進駕駛輔助系統(tǒng)在未來很長一段時間內(nèi)必將保持持續(xù)發(fā)展的趨勢。同時，先進駕駛輔助系統(tǒng)正在從單個技術(shù)獨立發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)檎鲜街鲃影踩到y(tǒng)的開發(fā)，多項技術(shù)可以共用傳感器、控制系統(tǒng)等平臺，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)，從而將進一步推動先進駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)在汽車上的應(yīng)用。

（2） 一些相對較為低端且實用性強的先進駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)，如胎壓監(jiān)測系統(tǒng)、ESP 電子穩(wěn)定系統(tǒng)等已經(jīng)充分得到了市場的認可， 在強烈的需求驅(qū)動下，其在低端市場的普及率將穩(wěn)步提升。

（3） 中國消費者對于避險輔助類、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)的主要增長點。

（4） 一些對道路要求較高的技術(shù)，如變道輔助、車道偏離警告、ACC 等，以及與中國消費者駕駛習(xí)慣不符的技術(shù)，如車道保持系統(tǒng)、駕駛員疲勞檢測、禁酒閉鎖系統(tǒng)等，則可能將面臨較長一段時間的緩慢發(fā)展。

TSR的一些難點

今天，目前的技術(shù)還不能確定所有的交通標志，也不能在所有條件下運行。有幾種情況限制了TSR系統(tǒng)的性能，包括以下情況：

• 大燈臟了或調(diào)整不當  
• 擋風(fēng)玻璃骯臟、起霧或堵塞  
• 翹曲、扭曲或彎曲的標志  
• 輪胎或車輪狀況異常  
• 由于重物或修改懸架而導(dǎo)致的車輛傾斜  

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，但我們還沒有到那一步。即使TSR也只是一個駕駛輔助系統(tǒng)。駕駛員不能完全依賴任何ADAS系統(tǒng)來替他們駕駛。  

總的來說，TSR的基本功能較為成熟，但進階功能以及生態(tài)鏈的簡潔化還有段道路要走。