物流园基于CNN的车牌识别管理系统详细设计,物流工程硕士论文

　　第五章物流园基于 CNN 的车牌识别管理系统详细设计

　　上一章对车牌识别管理系统中所需的关键技术，即车牌识别技术进行了详细的分析与介绍。本章对车牌识别管理系统进行详细设计，系统根据面向的用户不同分为服务中心客户端管理系统与门岗 web 端管理系统，并使用 MySQL 作为数据库方便对物流园管理数据进行记录与提取。

　　5.1 服务中心客户端系统详细设计。

　　服务中心系统的主要功能是对获取的原始图像进行识别，以及其他数据的处理，对于系统的稳定性，效率等有较高要求。因此，本文服务中心系统基于 linux 系统，使整个系统更具运维性。同时，利用 WPF 技术并且使用 QtCreator 平台进行开发，完成服务中心系统的业务逻辑功能设计，而车牌识别基于 Yolo2 网络模型。最后，通过 MySQL 对所有数据进行存储，方便系统随时调用。

物流园基于CNN的车牌识别管理系统详细设计

　　5.1.1 服务中心客户端系统 MVC 设计架构。

　　服务中心客户端系统的设计使用 MVC 设计，为模型（model）-视图（view）-控制器（controller）的缩写，是 Smalltalk-80 的一种设计软件的模式[64]。可以使服务中心管理系统的显示模块与功能模块相分离，同时它提高了系统的可维护性、可扩展性、可移植性和组件的可复用性[65]，如图 5.1 所示为服务中心管理系统模型总体架构。

　　服务中心管理系统的设计遵循三层框架模型，分别为视图层，控制器层与模型层。其中，控制器层的设计最为关键，直接影响系统各个业务系统间的逻辑关系控制，实现各个功能的良好交互。根据以上模型架构对服务中心系统用到的相关技术进行介绍。

　　(1) Cuda：Cuda 全称为 Compute Unified DeviceArchitecture，是英伟达针对自主品牌 GPU 所推出的并行计算平台和编程模型[66]。对于卷积神经网络的计算，CPU 没有其计算优势，而浮点运算 GPU 具有巨大的优势。因此，通过 Cuda 可以改变 GPU 本来只用于图形渲染的定位，将 GPU 用到通用计算中去[67]。本文通过在编程时调用 Cuda 提供的 API，让卷积神经网络达到高性能的计算效果。

　　(2) OpenCV：OpenCV 是一个开源的库，库中有大量的计算机视觉算法[68]。由于本文在整个车牌识别环节都需先对原始图像进行预处理，需要使用多种图像处理算法。对于现有的计算机视觉算法，若使用 OpenCV 能解决本文所需要的所有计算机视觉处理工作。OpenCV的模块化结构，决定了其具有多个共享库与动态库，OpenCV 的 API 调用对卷积神经网络的开发具有至关重要的作用。

　　(3) QtCreator：由于服务中心系统基于 Ubuntu 系统，管理系统界面设计需要一个合适的平台进行开发。QtCreator是一个跨平台的UI开发框架与应用程序，不仅能够运行于Windows、Mac OS 系统，还可以满足本文基于 Ubuntu 的系统开发。QtCreator 集成了用户界面设计器，它提供的两个集成的可视化编辑器方便了用户开发。Qt 类库中有丰富的应用程序生成块，在跨平台开发时提供了大量的函数与接口，可以方便地实现本文的业务逻辑功能[69]。

　　(4) MySQL：车辆出入登记，车辆黑白名单等数据的记录需要配置数据库，而数据量不是很大，对数据库的要求并不是很高，因此本文选择了 MySQL 这一常用的开源关系型数据库。MySQL 是一个多线程的 SQL 数据库服务器，SQL 这种结构化查询语言是标准的数据库语言，它的优点是使得更新与存储数据更加高速便捷[70]。本文选择 MySQL 作为系统所使用的数据库有如下几个原因：①在卷积神经网络中用到了 python 语言，而其对于 C,C++与 python 等都提供了 API 接口；②MySQL 支持多平台，非常适合基于 Ubuntu 系统的服务中心系统；③本文对于数据库存取的数据量要求不高，用 MySQL 作为数据库更加灵活方便。

　　(5) WebService：门岗管理系统与服务中心管理系统之间需要实现数据访问，本文选取了 WebService 技术来实现。WebService 是一个平台独立的，低耦合的，基于可编程的 web 应用程序，使用 XML 标准来描述协调与配置应用程序，实现互相操作与访问[71]。服务中心系统不仅要完成后台对车牌图像的识别与数据处理，对于管理员来说最重要的是业务逻辑功能。物流园中管理系统具有的主要业务逻辑是，用户注册与登陆，门岗用户管理，黑白名单管理，通行记录管理。

　　5.1.2 系统业务逻辑界面设计分析。

　　服务中心管理系统主要包含两大部分，完成车牌识别与物流园中出入车辆管理的业务逻辑功能。其中，车牌识别模块包含车牌定位，字符分割与车牌字符识别；逻辑业务包括用户登录与注册，门岗用户管理，通行车辆黑白名单管理，出入园车辆记录这些功能模块。管理系统分为 4 个功能，分别为用户注册与登陆，门岗用户管理，黑白名单管理，通行记录管理。

　　根据以上 4 个功能，将客户端分为 4 个子界面，如图 5.2 所示。

　　（1）用户注册与登陆子界面。

　　服务中心客户端系统打开后，在登陆界面中输入用户名与密码，客户端将用户信息与数据库中存储的用户名密码进行认证，客户端通过返回值确定是否登陆成功。

　　（2）门岗用户管理子界面。

　　门岗用户管理具体是指服务中心人员对目前门岗人员所做的管理，具体的功能有对门岗执勤人员名单进行查询、增加、删除与修改，并且可以即时对门岗执勤人员的权限进行修改。

　　（3）黑白名单管理子界面。

　　服务中心客户端系统对黑白名单的管理权限比门岗用户高，主要负责对黑白名单进行管理维护。因此，对黑白名单不仅具有查询权限，还有增加、删除与修改的功能，并且对黑白名单中具体某个车辆的信息可以进行查看。

　　（4）通行记录管理子界面。

　　服务中心客户端可以对整个物流园中所有门岗的出入园车辆通行记录进行查询，并且提供多种查询方式，可以设置按照时间筛选、车牌号码、对应门岗进行查询。

　　5.1.3 服务中心客户端系统接口设计。

　　服务中心系统的环境为 Ubuntu 且基于 QTCreator 平台开发。UI 界面通过 QT 的 GUI 实现，通过QButton、QTextLine等控件实现界面与按键功能，根据图5.3设计的进程函数QProcess，使用 QT 的信号槽机制使插件与进程函数链接。业务逻辑功能所产生或者调用的数据通过QSqlDatebase 类与 MySQL 进行交互对数据进行存取。具体的插件、函数与数据库的交互如图 5.3 所示。

　　（4）通行记录管理子界面。

　　服务中心客户端可以对整个物流园中所有门岗的出入园车辆通行记录进行查询，并且提供多种查询方式，可以设置按照时间筛选、车牌号码、对应门岗进行查询。5.1.3 服务中心客户端系统接口设计服务中心系统的环境为 Ubuntu 且基于 QTCreator 平台开发。UI 界面通过 QT 的 GUI 实现，通过QButton、QTextLine等控件实现界面与按键功能，根据图5.3设计的进程函数QProcess，使用 QT 的信号槽机制使插件与进程函数链接。业务逻辑功能所产生或者调用的数据通过QSqlDatebase 类与 MySQL 进行交互对数据进行存取。具体的插件、函数与数据库的交互如图 5.3 所示。

　　(1) Qt 控件类：

　　对于服务中心客户端系统的业务逻辑功能的设计，需要对客户端用户界面进行设计。根据功能需求，创建客户端的用户界面，用户需要对业务功能的操作由按钮来进行交互。在对窗体的样式进行定义后，需要用 QButton 类实现对按钮的抽象。最终，通过 Qbutton 的子类来对按钮的样式进行设计，并可以对使用服务中心客户端的管理员的操作行为进行反馈与回复。对于每一个按钮，需要对应一个可以映射的文本标签。对于本文的业务逻辑按钮设计，需要考虑在按钮被取消使用时，与按钮被点击时不同。对于系统在对业务功能进行反馈后，使用QTextArea 进行对结果的显示。

　　(2) QProcess：

　　QProcess 类是为了启动外部所使用的程序，并可以与外部程序进行通信。本文利用QProcess 类设置了 Yolo2 的程序与启动参数，以此来调用 yolo2 网络来对车牌字符进行识别。QProcess 的使用，可以使被调用的 Yolo2 进程与业务逻辑界面相分离，并在应用进行启动失败时可以通过 error 函数进行显示，便于系统调试与维护。

　　(3) QSqlDatabase：

　　为了使系统对各项历史信息进行查询，使用 MySQL 作为数据库。QSqlDatabase 代表了一个数据库的连接，为系统与数据库的访问提供了一个接口。在与数据库的数据交互时，此类提供了功能全面的函数，可以随时对与数据库的连接进行创建与移除。QSqlDatabase 让系统实现了对数据库的连接与数据的读取与存储，并在发生错误时及时发现并解决，提高系统的稳定性。

　　5.2 门岗 web 端管理系统详细设计。

　　门岗 web 端管理系统完成车牌图像提取，并通过后台返回的车牌识别结果对闸道进行控制，实现出入园车辆管理。以车牌识别结果为基础完成 web 端系统的业务逻辑功能设计，提供给管理员可视化界面作为方便的管理手段。对每一辆出入园的车辆进行车牌图像拍摄，并进行黑白名单检测，通行情况记录等操作，完成各环节数据与数据库的交互，以达到物流园规范化自动化管理的效果。

　　5.2.1 门岗 web 端管理系统总体架构。

　　车辆出入园时都要进行车牌黑白名单检测，登记出入园时间等操作。因此，门岗管理系统的实现是在车牌识别的基础上，集查询、登记、门岗控制等功能于一体的智能化系统，如图 5.4 所示为门岗管理系统模型总体架构图。

　　5.2.2 系统业务逻辑界面设计分析。

　　门岗 web 端管理系统的逻辑业务功能包括用户登录与注册，门岗用户管理，黑白名单管理，通行记录管理，信息同步与紧急处理这些功能模块。对于逻辑业务模块的这些需求，将其分为 6 个子界面，子界面的设计如图 5.5 所示。

　　（1）用户注册与登陆子界面。

　　在门岗 web 端管理系统登陆界面中输入用户名与密码，系统将用户输入的信息与数据库中存储的用户名密码进行认证，系统通过返回值确定是否能够登陆成功。

　　（2）门岗用户管理子界面。

　　门岗 web 端管理系统中的门岗用户管理功能权限低于服务中心中的权限，只能对本门岗的信息进行管理，并且只对于部分个人信息具有修改的权限，对于其他信息只有查询权限。

　　（3）黑白名单管理子界面。

　　门岗 web 客户端系统中的黑白名单管理子界面不具有增删、删除与修改权限，只能对车辆黑白名单进行查询。

　　（4）通行记录管理子界面。

　　门岗 web 客户端系统仅可以对物流园中当前门岗的出入园车辆通行记录进行查询，并且提供两种查询方式，按照时间筛选或车牌号码进行查询。

　　（5）信息同步子界面。

　　门岗要与服务中心完成数据与时间的同步，数据部分包含黑白名单，岗亭信息等。时间同步是以服务中心为时间同步服务器进行时间同步，使系统运行稳定的同时也让管理员查询记录时更加清晰准确。

　　（6）紧急处理子界面。

　　门岗管理员若发现紧急事件，如火警等情况，可以手动控制将闸道打开，或在其他情况手动控制将闸道关闭。在紧急手动关闭闸道时，判断闸道处是否有车辆。

　　5.2.3 设备管理模块。

　　门岗 web 端管理系统所需要的设备为摄像机，LED 显示器与闸道。根据摄像机的实时运作，系统能在第一时间对画面中的车牌进行识别，并返回信息到门岗，使门岗管理员对闸道进行操作控制。

　　(1) 闸道管理。

　　一个门岗闸道控制杆的状态可以分为三个，即上升，下降与停止。对这三个状态进行如下逻辑设定：

　　（1）在上升过程中，无视下降信号。

　　（2）下降信号执行前，首先判断闸道中是否有车辆。

　　（3）在下降过程中，对上升信号优先执行。

　　以上的逻辑设定，是为了在门岗控制闸道时，对物流园中出入园车辆的控制管理更加具有安全性，具体的判断流程图如图 5.6 所示。

　　(2) LED 显示器管理。

　　对车牌的识别结果进行显示，并在显示车牌后对入园车辆显示欢迎语与时间，根据 LED的需求提出内容显示的流程，如图 5.7 所示。

　　5.2.4 出入园车辆管理模块。

　　物流园中出入园车辆管理是最重要的模块，一个门岗具有两个闸道，一个是入园的闸道一个是出园的闸道。对于不同的出入园车辆有不同的逻辑控制流程，门岗 web 端管理系统与MySQL 数据库保持连接的状态时，系统可以对出入园的车辆完成车辆车牌识别，黑白名单检验，闸道放行，通行信息记录，欢迎信息显示以及以上数据信息数据库存储等步骤，完成物流园对车辆的管理，如图 5.8 所示为车辆控制流程。

　　出入园管理模块的入园流程是，由门岗处摄像机获取含有车牌的原始图像，图像经服务中心系统对其进行识别并返回识别结果，针对无法识别的图像会提示由门岗管理员手动输入车牌号码。通过调用服务中心系统提供的WebService接口，对数据库中的黑白名单进行检测。

　　若车牌属于黑名单，则直接拒绝放行；如果车牌不属于黑名单，则进行白名单检测，如果车辆属于白名单，则直接放行，只记录车辆进入时间与车牌号码；如果车辆不属于黑名单又不属于白名单，则对车辆进行登记并临时放行。

　　出入园管理模块的出园流程是，由门岗摄像机获取含有车牌的原始图像，获取车牌号码并对白名单进行检测。若车辆属于白名单，则自动打开闸道对车辆直接放行；若车辆不属于白名单，则通过数据库获取车辆入园时间，并获取时间计算费用进行收费，最后通过门岗管理员手动打开闸道放行。

　　5.2.5 同步模块。

　　本文由于所有的数据存储都通过服务中心数据库进行，因此需要对门岗 web 端管理系统与服务中心系统进行信息同步，同步内容分为时间同步与系统信息同步。本文将数据中心作为服务器，各个门岗作为客户端，形成‘一对多’的星型同步模式。在同步系统信息时，需要按顺序对多个信息数据进行同步，即门岗信息，车辆通行信息，黑白名单表，每同步一个信息就是一次握手过程，如图 5.9 所示。

　　通过一对多的主从模式完成门岗与服务中心 MySQL 数据库的信息同步，可以通过主动更新同步，并设定一个默认的同步时间间隔进行自动同步。时间同步与系统信息同步不同的是，门岗通过 DataTime 类获取服务中心客户端的时间来做时间同步。通过精确的时间同步，可以使得数据库中记录的通行时间与门岗 web 端系统的时间一致，不仅对于系统运行的稳定性有帮助，而且在对车辆查询计费时达到精确与公平的效果。

　　5.3 总结。

　　本章主要对物流园中基于卷积神经网络的车牌识别管理系统进行了详细设计，系统分为服务中心客户端系统与门岗 web 端管理系统连个子系统。通过 MVC 软件设计框架设计了系统的技术架构，将 MySQL 作为系统的数据库。其中，服务中心客户端基于 Ubuntu 系统通过QTCreator开发，门岗web端管理系统通过WebService技术完成与数据库和服务中心的交互。

　　本章对两个系统的业务逻辑功能进行了设计，对功能模块的逻辑与流程进行了详细阐述，保证了系统运行的稳定性与安全性。

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