Wie funktioniert Nummernschilderkennung?
Kennzeichenerkennung ist die automatische Erfassung und Auswertung von Fahrzeugkennzeichen mithilfe von Kameras und Software. Der englische Begriff lautet Automatic Number Plate Recognition (ANPR) oder Automatic License Plate Recognition (ALPR).
Der Träger des Kfz-Kennzeichens ist das Nummernschild, eines befindet sich an der Front des Fahrzeugs und eines am Heck. Das jeweils aufgedruckte Kennzeichen muss identisch sein. Anhänger haben idR nur hinten ein Nummernschild, das aufgedruckte Kennzeichen unterscheidet sich vom Kennzeichen des Zugfahrzeugs. In manchen Anwendungen müssen sowohl die Kennzeichen des Anhängers als auch des Zugfahrzeugs erfasst werden, meist gelingt das nur mit mehreren zielgenau ausgerichteten Kameras.
Einsatzgebiete sind unter anderem:
- Verkehrsüberwachung
- Parkraummanagement
- Zufahrtssteuerung (Werkseinfahrten, Logistik)
- Automatisierung in industrieller Fahrzeugabfertigung
- Mautsysteme
- Fahndung nach gestohlenen oder gesuchten Fahrzeugen
In vielen Ländern, darunter Deutschland, unterliegt die Kennzeichenerkennung strengen Datenschutz- und Rechtsvorschriften. Der Einsatz durch Behörden oder Unternehmen ist daher nur unter bestimmten gesetzlichen Voraussetzungen zulässig.
Funktionsweise
Der Ablauf der Kennzeichenerkennung erfolgt typischerweise in folgenden Schritten:
- Eine Kamera erfasst das Fahrzeug oder das Kennzeichen
- Bildverarbeitungs-Software verstärkt Kontrast und reduziert Störeffekte
- Die Software erkennt die Position des Kennzeichens im Bild
- Eine Zeichenerkennung (OCR) liest die Buchstaben und Zahlen aus
- Das erkannte Kennzeichen kann gespeichert, mit Datenbanken abgeglichen oder für weitere Prozesse genutzt werden
Unten sehen Sie eine detaillierte Erläuterung der einzelnen Verarbeitungsschritte.
Es gibt Systeme bei denen sowohl die Bildaufnahme als auch die Erkennungssoftware kompakt in einem Gerät sich befindet, zB. HinnKey. Systeme die modular aufgebaut sind, also bei denen die Kamera separat von der Recheneinheit ist, haben den Vorteil, dass bei einem Ausfall der Kamera nicht das komplette System ausgetauscht und neu eingerichtet werden muss, zB. Pollux.
zu 1.: Eine Kamera erfasst das Fahrzeug oder das Kennzeichen
Die Bilderfassung erfolgt durch eine Kamera, die an einer geeigneten Position montiert ist. Die Kamera sollte dabei die Frontseite des Fahrzeugs mit einer ausreichenden Auflösung aufzeichnen.
Die wichtigsten physikalischen Randbedingungen für eine solche Bilderfassung sind
- der Abstand zwischen Kamera und Nummernschild
- die Optik der Kamera (Objektiv-Brennweite, etc.)
- der Sichtwinkel zwischen Kamerasicht und Fahrtrichtung
Wichtige Anforderungen an die Kamera sind stabile Montage, Wettertauglichkeit, Zuverlässigkeit, schnelle Bildaufnahme und -weitergabe. Häufig sind es gar nicht die hochauflösenden IP-Kameras, welche die beste Alltagstauglichkeit aufweisen, sondern schnelle einfache Videokameras.
zu 2.: Bildverarbeitungs-Software verstärkt Kontrast und reduziert Störeffekte
Bevor die Schriftzeichen des Nummernschildes decodiert (in ASCII-Zeichen umgewandelt) werden können, wird das Kamerabild sehr aufwändigen Bildverarbeitungs-Algorithmen unterworfen, um Störeffekte wie Schmutz, Gegenlicht (Sonne, Scheinwerfer), Werbeschriften, etc. im Bild zu unterdrücken und das Nummernschild möglichst kontrastreich aus dem Restbild herauszulösen. Teilweise geschieht diese Bildaufbereitung bereits in der Kamera durch Steuerung der Blendengröße (Iris) abhängig vom Gegenlicht. Der Großteil der Bildverarbeitung erfolgt jedoch digital in der nachgeschalteten Software. Diese Software kann als Bestandteil der Kamera zugekauft werden, oder sie befindet sich auf einem separaten Rechner.
Kfz-Kennzeichenerkennung ist also weit mehr als ein OCR-Verfahren, sondern muss mit den widrigen Umwelteinflüssen zurecht kommen, denen ein Nummernschild ausgesetzt ist. Nummernschilder sind fast immer mit einem dünnen Schmutzfilm bedeckt, der die Reflexionseigenschaften des Hintergrundes reduziert. Häufig sind sie darüberhinaus verbeult oder mit Befestigungsschrauben befestigt, welche manchmal sogar die Schriftzeichen verstümmeln. Diese Störeinwirkungen muss die Erkennungs-Software ausfiltern können.
zu 3.: Die Software erkennt die Position des Kennzeichens im Bild
Nun muss die Position des Kennzeichens im Bild detektiert werden, hierzu gibt es unterschiedliche Verfahren. Wir nutzen in unserer Nummernschilderkennung die Blobanalyse. Dabei werden mehrere horizontal benachbarte gleichförmige Blobs detektiert und wenn die Anforderungen ausreichen, ist die Position des Kennzeichens erkannt.
zu 4.: Eine Zeichenerkennung liest die Buchstaben und Zahlen aus
Ist das Kennzeichen vollständig detektiert, werden die einzelnen Buchstaben und Ziffern einem Neuronalen Netz (KI) übergeben, was die einzelnen Zeichen (Blobs) in Schriftzeichen (ASCII-Tabelle) überführt. Eine gute Kennzeichenerkennung erkennt jedoch nicht nur die einzelnen Zeichen, sondern auch die dazwischen befindlichen Leerzeichen. Bei deutschen Kennzeichen sind die Leerzeichen ein wichtiges Identifikationsmerkmal.
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zu 5.: Das erkannte Kennzeichen kann gespeichert, mit Datenbanken abgeglichen oder für weitere Prozesse genutzt werden
Protokollierung
Alle Erkennungsereignisse werden üblicherweise in einem Erkennungs-Protokoll mit Datum und Uhrzeit registriert, um später nachschauen zu können wer wann aufgetaucht ist. Unsere Produkte speichern außerdem die Fahrtrichtung und Informationen zur Freigabe im Protokoll ab. In keinem Fall werden Namen oder Adressen der Fahrzeughalter im Protokoll unserer Produkte abgespeichert (Datenschutz).
Freigabeliste (Whitelist)
Die Freigabeliste enthält die Kennzeichen, denen eine nachgeschaltete Steuer-Aktion zugeordnet ist, meist zur Öffnung einer Schranke oder eines Tores. Neben dem Kennzeichen selbst ist hier angegeben, ob jemand dauerhaft ein-/ausfahren darf oder nur innerhalb eines befristeten Zeitraums. Weitere individuelle Einstellungen sind bei unseren Produkten möglich, wie Ruhezeitsperre, Tägl.wiederkehrende Freigabe, etc.
Steuer-Aktion
Zufahrtskontrolle
Eine weit verbreitete Aktion ist das Öffnen einer Schranke oder eines Tores, dabei wird anhand einer Freigabeliste (Whitelist) festgelegt, welchen Kennzeichen zu welchen Zeiten die Zufahrt erlaubt ist. Die Steuerung prüft ob das erkannte Kennzeichen zum aktuellen Zeitpunkt einfahren darf und löst ggbfls. das Öffnungssignal (Relais) aus. Unsere Produkte Pollux und HinnKey arbeiten nach diesem Prinzip, wobei die Flexibilität dieser Produkte seinesgleichen auf dem Markt sucht.
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Industrieautomatisierung
Weitere Möglichkeiten auf ein spezielles Fahrzeug-Kennzeichen zu reagieren ist die Steuerung von Fahrzeugwaagen, Fahrzeug-Waschanlagen, -Prüfanlagen uvam. Hierzu werden unsere Produkte HinnNprServer und Castor gerne eingesetzt, wobei die Kennzeichenerkennung von einer übergeordneten Host-Software zyklisch abgefragt wird, um auf die Erkennungsergebnisse anwendungsspezifisch zu reagieren. Castor ist außerdem in der Lage spezielle Mitteilungen zu versenden, sobald ein Kennzeichen erkannt wird.
Meldestelle
Zusätzlich zum Auslösen eines Relais ist es manchmal erwünscht, dass eine Meldung an eine übergeordnete Instanz erfolgt. Pollux und Castor sind in der Lage spezielle Mitteilungen an übergeordnete Steuerung (WebServer) abzusetzen, um beispielsweise die Zufahrt zu protokollieren oder einen Administrator mitzuteilen, dass ein Fahrzeug angekommen ist oder die erlaubte Parkdauer überschritten hat.
Bemerkung zu aversiver vs. appetitiver Kontrolle
Grundsätzlich ist zu unterscheiden, ob man eine automatische Kennzeichenerkennung installiert, um jemanden zu belohnen (appetitive Kontrolle) oder um jemanden zu bestrafen (aversive Kontrolle). Bei einer belohnenden Kennzeichenerkennung (zB Öffnung einer Zufahrt) wird der Fahrzeugführer sich konstruktiv gegenüber der Kennzeichenerkennung zeigen.
Demgegenüber ist mit größeren Schwierigkeiten zu rechnen, wenn man jemanden mittels Kfz-Kennzeichenerkennung bestrafen möchte. Aversive Systeme sind beispielsweise Anlagen die ohne Schranke arbeiten und somit jedem freie Zufahrt ermöglichen und diejenigen bestraft werden, welche diese Freizügigkeit ausnutzten und den Aufenthalt nicht bezahlten. Diese Systeme benutzen die Kennzeichenerkennung um erstmal alle Kennzeichen aufzuzeichnen und später die Straffälligen auszusortieren und ein Strafverfahren einleiten. Problematisch dabei ist, dass sowohl bei der Erkennung der Kennzeichen als auch beim Strafverfahren die Erfolgsquote erheblich geringer sein dürfte als bei einem belohnenden System. Die Betriebskosten dürften beim Sanktionssystem ebenso erheblich höher sein. Bei der Entscheidung ob man ein Anreizsystem (höhere Einmalkosten) oder ein Sanktionssystem (höhere Betriebskosten) umsetzt, sollte dies berücksichtigt werden.
Bemerkung zum Start der Kennzeichenerkennung durch Triggerung
Zur Erkennung des Kennzeichens werden die Bilder der Kamera fortlaufend analysiert. Die Aufnahme der Einzelbilder erfolgt bei manchen Systemen über einen Trigger, d.h. erst wenn das Fahrzeug sich an einer bestimmten Position befindet, wird eine Bildaufnahme angestoßen. Die Installation einer solchen Fahrzeug-Detektion zur Triggerung ist relativ aufwändig und daher sind Systeme, die ohne Trigger auskommen, in der Installation deutlich preiswerter. Unsere Systeme benötigen keinerlei Trigger und erreichen dennoch eine hohe Erkennungsgeschwindigkeit. Der Grund dafür ist recht einfach, da jeder einzelne Analyseschritt eine Abbruchbedingung besitzt, um die komplette Bildverarbeitung von vorne neu zu starten. Dies sichert eine kurze Zykluszeit, solange noch kein Nummernschild im Bild ist, so ist gewährleistet, dass die neue Analyse dann zügig beginnt, wenn das Kennzeichen erstmals lesbar im Bild erscheint.
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ANPR-Kamera HinnKey
Für kleine Schranken und Toranlagen eignet sich unsere kompakte ANPR-Kamera HinnKey hervorragend, da die Installation auch an bestehenden Schranken sehr schnell und ohne großen Aufwand schnell gemacht werden kann. Die Programmierung der Kennzeichen erfolgt dabei über das Smartphone im Umkreis von 10m um die Schranke.
High-End-Kennzeichenerkennung Pollux
Bei Schranken mit hoher Öffnungsfrequenz empfehlen wir unser Pollux-System. Dieses System ist für Campingplätze, Parkgaragen und Werkseinfahrten bestens geeignet. Die Programmierung der Kennzeichen erfolgt per Netzwerk-Anschluss entweder mittels PC-Software oder über die Webseite des Produkts.