專利名稱：一種軌道識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵路安全監(jiān)控技術(shù)，特別涉及一種軌道識別方法。
背景技術(shù)：
鐵路軌道的正確識別是識別和判定前方軌道是否被掩埋，有無障礙物和彎道的前提，為火車的安全行駛提供保障。鐵路事故時有發(fā)生，鐵路事故分析表明，主要原因是行人在鐵路線路上行走、坐臥、橫過線路、穿越鐵路站場、爬車、鉆車、跳車，行人、機(jī)動車輛搶過鐵路道口以及自殺等。這些事故的發(fā)生，不僅導(dǎo)致了公民生命財產(chǎn)的直接損失，而且對鐵路行車安全構(gòu)成了極大威脅，特別是機(jī)動車輛違章?lián)屧降揽诮?jīng)常將列車撞擊脫軌。如果能根據(jù)前方鐵路軌道的狀況提前對可能發(fā)生的事故報警，并采 取應(yīng)急措施，那么就能夠在一定程度上避免人員傷亡和財物損失。計算機(jī)視覺技術(shù)又稱機(jī)器視覺，是指由人類設(shè)計并在計算機(jī)環(huán)境下實現(xiàn)的模擬或再現(xiàn)與人類視覺有關(guān)的某些智能行為的技術(shù)。機(jī)器視覺技術(shù)是多學(xué)科的交叉與結(jié)合，它涉及到計算機(jī)、數(shù)學(xué)、光學(xué)、物理學(xué)及信號處理等諸多學(xué)科，它已經(jīng)吸引了來自各個學(xué)科的研究者參加到對它的研究之中。機(jī)器視覺是對人類視覺的模擬和延伸，能夠完成對物體的形狀和類別的識別。近年來，隨著公路安全的迫切需求，機(jī)器視覺技術(shù)在車道識別領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展。經(jīng)過現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)枮?00910085183的中國專利，專利名稱為一種車道線檢測方法及其設(shè)備，“該方法包括對圖像進(jìn)行邊緣檢測，計算圖像中各像素點的邊緣強(qiáng)度和邊緣方向；根據(jù)所述邊緣強(qiáng)度和邊緣方向?qū)Ω飨袼攸c進(jìn)行邊緣連接，得到圖像中的邊緣線段；對所述邊緣線段進(jìn)行霍夫變換，求出其在包括方向區(qū)間和距離區(qū)間的霍夫變換累積直方圖中的最大累積方向；在所述最大累積方向所在區(qū)間上，尋找較大累積值對應(yīng)的距離區(qū)間，從而依據(jù)最大累積方向和較大累積值對應(yīng)距離區(qū)間確定車道線。本發(fā)明通過連接檢測到的邊緣，濾除點狀邊緣的干擾，并且通過尋找最大累積方向，在存在多條平行車道線的場景中更好地排除了強(qiáng)干擾?！鄙暾?zhí)枮?00720088218的中國專利，專利名稱為一種車道線識別和安全警示的車載圖像處理裝置，“該裝置包含光學(xué)鏡頭、圖像傳感器、數(shù)據(jù)信號處理器、顯示器和兩路總線接口。本裝置用光學(xué)鏡頭和圖像傳感器將車道線及障礙物的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號、由數(shù)據(jù)信號處理器采集和處理，得到車輛與車道的位置關(guān)系，障礙物的類型以及相對距離和速度；通過I2C總線控制圖像傳感器的參數(shù)，通過CAN總線發(fā)送到車載電子控制單元，供安全警示和控制使用；另一路CAN總線和CCP協(xié)議進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。優(yōu)點是將數(shù)字處理芯片與圖像傳感器結(jié)合成嵌入式車載圖像處理裝置，實現(xiàn)了攝像頭和計算機(jī)系統(tǒng)的集成，結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、價格便宜、適合汽車使用?！币陨蟽蓚€專利可以作為機(jī)器視覺在車道線識別領(lǐng)域的應(yīng)用的典型。上述兩個專利將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用在公路車道線識別中，提出了識別車道線的方法和處理裝置，而機(jī)器視覺技術(shù)在識別鐵路軌道線方面還屬于空白。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種軌道識別方法，能夠準(zhǔn)確計算前方軌道某點距火車的距離和對彎道進(jìn)行準(zhǔn)確識別，并實時提醒和報警。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種軌道識別方法，包括以下步驟(I)安裝視頻采集裝置所述視頻采集裝置 包括攝像頭、攝像頭固定支架和標(biāo)定尺；其中，攝像頭固定支架豎直固定在火車頭頂部前端正中央位置，攝像頭固定在攝像頭支架上，攝像頭的中心軸線與豎直支架的夾角為0，攝像頭的中心軸線與火車的前進(jìn)方向處在同一豎直平面；將攝像頭固定在攝像頭支架上，使攝像頭的中心軸線與火車的前進(jìn)方向處在同一豎直平面，攝像頭的中心軸線與豎直方向的夾角為銳角0，攝像頭與鐵路軌道的垂直距離設(shè)為H，標(biāo)定尺為一個標(biāo)有m個等間距刻度的細(xì)長的金屬尺，標(biāo)定尺與軌道平面平行，標(biāo)定尺置于攝像頭中心軸線與火車行駛方向所在平面內(nèi)，并與軌道面平行，同時，使標(biāo)定尺恰好全部落入攝像頭視角范圍，且標(biāo)定尺的最小刻度端靠近火車頭；(2)攝像頭采集圖像，并輸入至數(shù)據(jù)處理裝置；(3)確定感興趣區(qū)域，所述感興趣區(qū)域至少包括圖像中的軌道；(4)對步驟(3)中得到的感興趣區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理，得到軌道的輪廓點；(5)采用Hough變換對步驟⑷得到的輪廓點進(jìn)行處理，分別得到兩條待擬合的直線的斜率；(6)根據(jù)步驟(5)所得兩條待擬合的直線的斜率擬合得到兩條直線；(7)識別軌道從原點向X軸負(fù)方向搜索斜率為正的直線，若能搜索到符合要求的直線，則該直線為左側(cè)鐵軌，該直線與直角坐標(biāo)系的X軸的正方向的夾角為Ci2;然后從原點向X軸正方向搜索斜率為負(fù)的直線，若能搜索到符合要求的直線，則該直線為右側(cè)鐵軌，該直線與直角坐標(biāo)系的X軸的正方向的夾角為ci2;其中a1+a2= Ji ;其中所述直角坐標(biāo)系的X軸為圖像的底邊，原點為圖像底邊的中點；(8)根據(jù)圖像計算軌道上每點到火車的距離s = - K1-1 - I) taK (e — ' 2 : + 卜工--—+ '
■il'' - ，i=l,2,3,4…m;其中，i按以下步驟確定圖像中軌道上的點向圖像中的標(biāo)尺做垂線，垂足所對應(yīng)的圖像中的標(biāo)尺的刻度即為i 為攝像頭的最大可視角與最小可視角之差；(9)檢測前方是否有彎道，若無，則對下一幀圖像重復(fù)步驟(2) (9);若有，顯示彎道離火車的距離并發(fā)出告警信息并對下一幀圖像重復(fù)步驟(2) (9)。步驟(8)所述檢測前方是否有彎道的方法具體為對于步驟(6)擬合得到的兩條直線的任一條，從縱坐標(biāo)為零的點開始依次向上，在該直線的附近沿X軸方向搜索，若搜索到十個連續(xù)點的橫坐標(biāo)位于該直線的同側(cè)，則判定前方有彎道。步驟(5)所述Hough變換，具體為(5-1)設(shè)直線方程為P = x*cos a+y*sin a ;其中p為直線上的點與原點的距離，a為直線上的點與原點的連線與X軸的夾角；將參數(shù)空間量化成m*n個單元，其中，m為a的等份數(shù)，n為P的等份數(shù)；并設(shè)置累加器矩陣Qmxn ；
( 5-2)給參數(shù)空間的每個單元分配一個累加器，并把每個累加器的初始值置零；(5-3)取出直角坐標(biāo)系中的一個已知輪廓點的坐標(biāo),代入P = x*cos a+y*sin a中；并以量化的a值算出P ;(5-4)在參數(shù)空間中，找到步驟(5-3)計算所得到的p和a所對應(yīng)的單元，并將該單元所對應(yīng)的累加器加I ;(5-5)重復(fù)步驟(5-3) (5_4)，直至直角坐標(biāo)系中所有的已知輪廓點都遍歷；(5-6)檢測累加器中的每個累加器的值，值最大的累加器對應(yīng)的單元所對應(yīng)的P和a即為所求直線方程的參數(shù)；(5-7)根據(jù)a計算直線的斜率。步驟(4)所述對步驟(3)中得到的感興趣區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理，得到軌道的輪廓點，具體為對感興趣區(qū)域進(jìn)行灰度變換，得到灰度圖像，再使用CANNY算子對灰度圖像進(jìn)行邊緣檢測，得到軌道的輪廓點。 所述感興趣區(qū)域為等腰梯形。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點與有益效果I、本發(fā)明利用標(biāo)定尺對前方鐵軌進(jìn)行標(biāo)定，方法簡單，計算量小，提高了本方法的實時性；2、本發(fā)明對擬合出的直線的遠(yuǎn)點的附近進(jìn)行像素搜索，用于判定彎道，相對于傳統(tǒng)的曲線識別方法，本方法具有簡單，計算量小，準(zhǔn)確可靠的優(yōu)點；3、本發(fā)明增補(bǔ)了軌道識別領(lǐng)域的空白。


圖I為本發(fā)明的實施例的軌道識別裝置。圖2為本發(fā)明的實施例的軌道識別方法的流程圖。圖3為視頻采集裝置的安裝示意圖。 圖4為在圖像上讀取刻度i的示意圖。圖5為根據(jù)圖像計算軌道上每點到火車的距離的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例如圖I所示，本實施例的實現(xiàn)本發(fā)明的軌道識別方法的軌道識別裝置包括視頻采集裝置、數(shù)據(jù)處理裝置、顯示裝置和語音播報裝置，其中數(shù)據(jù)處理裝置分別與視頻采集裝置、顯示裝置、語音播報裝置連接。所述視頻采集裝置包括寬視角攝像頭、攝像頭固定支架和標(biāo)定尺。視頻采集裝置采集視頻，其輸出端通過電纜連接到數(shù)據(jù)處理裝置的輸入端。所述的數(shù)據(jù)處理裝置包括DSP芯片和ARM芯片。DSP芯片負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)，接收視頻采集裝置所采集的視頻中每幀圖像信息，并運(yùn)行本發(fā)明的鐵路軌道識別方法中所用算法對圖像信息進(jìn)行處理，提取出我們所關(guān)心的圖像中蘊(yùn)含的信息，包括距離、彎道等。所述ARM芯片在系統(tǒng)中起控制和協(xié)調(diào)的作用，它接收DSP芯片所提取出的信息，控制顯示裝置和語音播報裝置，對所識別出的軌道進(jìn)行實時顯示和語音播報。所述顯示裝置和語音播報裝置用于顯示數(shù)據(jù)處理的結(jié)果并進(jìn)行實時提醒，顯示裝置實時顯示前方的路況信息，包括鐵軌曲直和距離等，語音播報裝置對異常情況進(jìn)行實時提醒，以提醒駕駛?cè)藛T采取必要操作。如圖2所示，本實施例的軌道識別方法包括以下步驟(I)安裝視頻采集裝置如圖3所示，攝像頭固定支架豎直固定在火車頭頂部前端正中央位置，攝像頭固定在攝像頭支架上，攝像頭的中心軸線與豎直支架的夾角為e，攝像頭的中心軸線與火車的前進(jìn)方向處在同一豎直平面；將攝像頭固定在攝像頭支架上，使攝像頭的中心軸線與火車的前進(jìn)方向處在同一豎直平面，攝像頭的中心軸線與豎直方向的夾角為銳角0，攝像頭與鐵路軌道的垂直距離設(shè)為H，標(biāo)定尺為一個標(biāo)有m個等間距刻度的細(xì) 長的金屬尺，標(biāo)定尺與軌道平面平行，標(biāo)定尺置于攝像頭中心軸線與火車行駛方向所在平面內(nèi)，并與軌道面平行，同時，使標(biāo)定尺恰好全部落入攝像頭視角范圍，且標(biāo)定尺的最小刻度端靠近火車頭；安裝好后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，自動檢測所有硬件，若系統(tǒng)能夠正常工作，則顯示人機(jī)交互界面，并語音播報檢測結(jié)果；詢問用戶是是否要啟動應(yīng)用程序，若暫時不用啟動，則系統(tǒng)暫時進(jìn)行休眠狀態(tài)，若稍后要啟動設(shè)備則將系統(tǒng)從休眠狀態(tài)喚醒，啟動系統(tǒng)。(2)數(shù)據(jù)處理裝置攝像頭采集圖像，并輸入數(shù)據(jù)處理裝置。(3)數(shù)據(jù)處理裝置確定感興趣區(qū)域，感興趣區(qū)域為等腰梯形，至少包括圖像中的軌道;由于梯形效應(yīng)，用攝像頭拍攝到的鐵路軌道形狀會出現(xiàn)梯形形變；感興趣區(qū)域之等腰梯形可以顯著減少處理器的計算量，并減少圖像處理里噪聲的干擾。(4)數(shù)據(jù)處理裝置對步驟(3)中得到的感興趣區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理對感興趣區(qū)域進(jìn)行灰度變換，得到灰度圖像，再使用CANNY算子對灰度圖像進(jìn)行邊緣檢測，得到軌道的輪廓占.(5)采用Hough變換對步驟(4)得到的輪廓點進(jìn)行處理，分別得到兩條待擬合的直線的斜率；所述Hough變換，具體為(5-1)設(shè)直線方程為P = x*cos a+y*sin a ;其中p為直線上的點與原點的距離，a為直線上的點與原點的連線與X軸的夾角；將參數(shù)空間量化成m*n個單元，其中，m為a的等份數(shù)，n為P的等份數(shù)；并設(shè)置累加器矩陣Qmxn ；(5-2)給參數(shù)空間的每個單元分配一個累加器，并把每個累加器的初始值置零；(5-3)取出直角坐標(biāo)系中的一個已知輪廓點的坐標(biāo),代入P = x*cos a+y*sin a中；并以量化的a值算出P ;(5-4)在參數(shù)空間中，找到步驟(5-3)計算所得到的p和a所對應(yīng)的單元，并將該單元所對應(yīng)的累加器加I ;(5-5)重復(fù)步驟(5-3) (5-4)，直至直角坐標(biāo)系中所有的已知輪廓點都遍歷；(5-6)檢測累加器中的每個累加器的值，值最大的累加器對應(yīng)的單元所對應(yīng)的P和a即為所求直線方程的參數(shù)；(5-7)根據(jù)a計算直線的斜率。(6)根據(jù)步驟(5)所得兩條待擬合的直線的斜率擬合得到兩條直線；(7)數(shù)據(jù)處理裝置識別軌道從原點向X軸負(fù)方向搜索斜率為正的直線，若能搜索到符合要求的直線，則該直線為左側(cè)鐵軌，該直線與直角坐標(biāo)系的X軸的正方向的夾角為a 2 ;然后從原點向X軸正方向搜索斜率為負(fù)的直線，若能搜索到符合要求的直線，則該直線為右側(cè)鐵軌，該直線與直角坐標(biāo)系的X軸的正方向的夾角為a2;其中a Ja 2= n ;其中所述直角坐標(biāo)系的X軸為圖像的底邊，原點為圖像底邊的中點；(8)數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)圖像上軌道計算軌道上每點到火車的距離-=蘭:二-■- sr. e —", i.:-卜e + 2 ;
…，1=1,2,3,4 …m;其中，i按以下步驟確定圖像中軌道上的點向圖像中的標(biāo)尺做垂線，垂足所對應(yīng)的圖像中的標(biāo)尺的刻度即為i(如圖4所示)為攝像頭的最大可視角與最小可視角之差；并將計算結(jié)果在顯示裝置上顯示；(9)數(shù)據(jù)處理裝置檢測前方是否有彎道，若無，重復(fù)步驟(2) (9);若有，在顯示裝置上顯示彎道離火車的距離并發(fā)出告警信息；所述檢測前方是否有彎道的方法具體為對于步驟(6)擬合得到的兩條直線的任一條，從縱坐標(biāo)為零的點開始依次向上，在該直線的附近沿X軸方向搜索，若搜索到連續(xù)十個點的橫坐標(biāo)位于該直線的同側(cè)，則判定前方有彎道。上述步驟(8)所述根據(jù)圖像計算軌道上每點到火車的距離
「 IH... ',- ￠, 'X = 一-二一 ■ ;. 二 — - ' - I ■- :二 - -+-sjZ1 I
ITl ■ .— ■_.L 廣其推導(dǎo)過程如下(示意圖見圖5)(A)Ll為在軌道平面上火車距最小可視角處的距離，利用三角函數(shù)關(guān)系可得LI的計算方法為LI = H*tan( 9/2)(B)L3為在軌道平面上火車距最大可視角處的距離，利用三角函數(shù)關(guān)系可得L3的計算方法為L3 = H*tan ( 9 + /2)(C)由(A)和⑶可得最大可視范圍的長度L3，其計算方法為L2 = L3-L1 = H* [tan ( 9 + /2) -tan ( 0 - ^ /2)](D)從圖5中可知，由于L平行為L2，以L為底邊的三角形和以L2為底邊的三角形為相似三角形，所以，對應(yīng)軌道上的任意一點，只要在圖像上以圖像中的標(biāo)尺為參照，讀
出其與Y軸的刻度數(shù)i，根據(jù)相似三角形的原理可得
L2 H--
「00801 I' = LI + i — —~:;.r. T ---.
m jr: '-- ■■ ■ 上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種軌道識別方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)安裝視頻采集裝置所述視頻采集裝置包括攝像頭、攝像頭固定支架和標(biāo)定尺；其中，攝像頭固定支架豎直固定在火車頭頂部前端正中央位置，攝像頭固定在攝像頭支架上，攝像頭的中心軸線與豎直支架的夾角為e，攝像頭的中心軸線與火車的前進(jìn)方向處在同一豎直平面；將攝像頭固定在攝像頭支架上，使攝像頭的中心軸線與火車的前進(jìn)方向處在同一豎直平面，攝像頭的中心軸線與豎直方向的夾角為銳角0，攝像頭與鐵路軌道的垂直距離設(shè)為H，標(biāo)定尺為一個標(biāo)有m個等間距刻度的細(xì)長的金屬尺，標(biāo)定尺與軌道平面平行，標(biāo)定尺置于攝像頭中心軸線與火車行駛方向所在平面內(nèi)，并與軌道面平行，同時，使標(biāo)定尺恰好全部落入攝像頭視角范圍，且標(biāo)定尺的最小刻度端靠近火車頭； (2)攝像頭采集圖像，并輸入數(shù)據(jù)處理裝置； (3)確定感興趣區(qū)域，所述感興趣區(qū)域至少包括圖像中的軌道； (4)對步驟(3)中得到的感興趣區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理，得到軌道的輪廓點； (5)采用Hough變換對步驟(4)得到的輪廓點進(jìn)行處理，分別得到兩條待擬合的直線的斜率； (6)根據(jù)步驟(5)所得兩條待擬合的直線的斜率擬合得到兩條直線； (7)識別軌道從原點向X軸負(fù)方向搜索斜率為正的直線，若能搜索到符合要求的直線，則該直線為左側(cè)鐵軌，該直線與直角坐標(biāo)系的X軸的正方向的夾角為Ci1 ;然后從原點向X軸正方向搜索斜率為負(fù)的直線，若能搜索到符合要求的直線，則該直線為右側(cè)鐵軌，該直線與直角坐標(biāo)系的X軸的正方向的夾角為a2;其中Qja2= JI ;其中所述直角坐標(biāo)系的X軸為圖像的底邊，原點為圖像底邊的中點； (8)根據(jù)圖像計算軌道上每點到火車的距離
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軌道識別方法，其特征在于，步驟(8)所述檢測前方是否有彎道的方法具體為對于步驟(6)擬合得到的兩條直線的任一條，從縱坐標(biāo)為零的點開始依次向上，在該直線的附近沿X軸方向搜索，若搜索到十個連續(xù)點的橫坐標(biāo)位于該直線的同偵U，則判定前方有彎道。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軌道識別方法，其特征在于，步驟(5)所述Hough變換，具體為 (5-1)設(shè)直線方程為P = x*cos a+y*sin a ;其中p為直線上的點與原點的距離，a為直線上的點與原點的連線與X軸的夾角； 將參數(shù)空間量化成m*n個單元，其中，m為a的等份數(shù)，n為P的等份數(shù)；并設(shè)置累加器矩陣Qnixn ； (5-2)給參數(shù)空間的每個單元分配一個累加器，并把每個累加器的初始值置零； (5-3)取出直角坐標(biāo)系中的一個已知輪廓點的坐標(biāo),代入P = x*cos a+y*sin a中；并以量化的a值算出p ； (5-4)在參數(shù)空間中，找到步驟(5-3)計算所得到的p和a所對應(yīng)的單元，并將該單元所對應(yīng)的累加器加I ; (5-5)重復(fù)步驟(5-3) (5-4)，直至直角坐標(biāo)系中所有的已知輪廓點都遍歷； (5-6)檢測累加器中的每個累加器的值，值最大的累加器對應(yīng)的單元所對應(yīng)的P和a即為所求直線方程的參數(shù)； (5-7)根據(jù)a計算直線的斜率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軌道識別方法，其特征在于，步驟(4)所述對步驟(3)中得到的感興趣區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理，得到軌道的輪廓點，具體為 對感興趣區(qū)域進(jìn)行灰度變換，得到灰度圖像，再使用CANNY算子對灰度圖像進(jìn)行邊緣檢測，得到軌道的輪廓點。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軌道識別方法，其特征在于，所述感興趣區(qū)域為等腰梯形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軌道識別方法，包括以下步驟(1)安裝視頻采集裝置；(2)攝像頭采集圖像；(3)確定感興趣區(qū)域；(4)對感興趣區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理，得到軌道的輪廓點；(5)采用Hough變換對輪廓點進(jìn)行處理；(6)直線擬合；(7)識別軌道；(8)根據(jù)圖像計算軌道上每點到火車的距離；(9)檢測前方是否有彎道，若無，重復(fù)步驟(2)～(9)；若有，顯示彎道離火車的距離并發(fā)出告警信息。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠準(zhǔn)確識別軌道線，標(biāo)定前方軌道某一處離火車的距離，并對意外情況實時提醒和報警。
文檔編號G06K9/00GK102663352SQ20121008039
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者吳東承, 周智恒, 張文婷, 李帥旗, 歐曉文, 沈東凱, 鐘輝強(qiáng) 申請人:華南理工大學(xué)