專利名稱：一種鐵路臨時限速標志識別系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵路限速標識別技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種鐵路臨時限速標志識別系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：
鐵路臨時限速標志是鐵路交通系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括減速信號和減速防護地段終端信號。減速信號在晝間為黃色圓牌；夜間為柱上黃色燈光。減速信號牌為黃底黑字，黑字標明列車限制速度。同時，按不同速度等級列車的緊急制動距離，在原減速信號牌外方增設(shè)特殊減速信號牌，晝間與夜間均為黃底黑T字圓牌。而減速防護地段終端信號在晝間為綠色圓牌；夜間為柱上綠色燈光?，F(xiàn)有基于視覺的交通標志識別方法都是針對公路上的應用，其通常包括以下步驟首先通過攝像裝置獲得包含交通標志的圖像，接著從圖像中獲取包含交通標志的區(qū)域，然后采用模板匹配或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對整個交通標志進行識別。
現(xiàn)有方法由于公路上的交通標志種類繁多、圖形復雜，因此都采用對整個交通標志進行識別，但由于整個交通標志的圖像面積比較大，在進行識別時的運算量將大很多，降低了系統(tǒng)的實時性。
同時，現(xiàn)有方法大部分都是采用黑白攝像頭，得到的是灰度圖像，由于鐵路臨時限速標通過不同的顏色傳遞不同的交通信息，如黃色表示進入限速區(qū)域，綠色表示限速終止，因此現(xiàn)有方法不適用于鐵路交通系統(tǒng)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種鐵路臨時限速標志識別系統(tǒng)及方法，本發(fā)明的其中一個目的通過以下技術(shù)方案進行實現(xiàn) 一種鐵路臨時限速標志識別系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括視頻采集模塊、視頻識別模塊、控制模塊、顯示模塊和語音提示模塊；其中，所述視頻識別模塊包括圖像預處理子模塊、標志檢測子模塊、字符分割子模塊、字符識別子模塊。
所述的顯示模塊與視頻采集模塊相連，所述的視頻采集模塊、圖像預處理子模塊、標志檢測子模塊、字符分割子模塊、字符識別子模塊、控制模塊依次相連，所述的控制模塊與語音提示模塊相連。
所述視頻采集模塊包括高速彩色攝像頭、分頻器、采集卡，視頻采集模塊通過高速彩色攝像頭獲得視頻流，經(jīng)過分頻器轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕芬曨l流，其中一路作為顯示模塊的輸入直接用于顯示，另外一路經(jīng)由采集卡進行定時采集，將視頻流轉(zhuǎn)換為多幀圖像作為視頻識別模塊的輸入。
所述的視頻識別模塊用于對視頻采集模塊輸出的多幀圖像進行識別，并輸出識別結(jié)果作為控制模塊的輸入。
所述控制模塊根據(jù)視頻識別模塊的輸出對列車進行具體的控制。
所述語音提示模塊根據(jù)控制模塊的控制進行相應的語音提示。
所述的視頻識別模塊對多幀圖像的識別具體為 所述圖像預處理子模塊，先對多幀圖像進行強化處理和去除噪聲，再將多幀圖像由RGB空間轉(zhuǎn)換到HSI空間作為標志檢測子模塊的輸入； 所述標志檢測子模塊，根據(jù)預先確定的限速標上黃色區(qū)域的H閥值和S閥值，在HSI空間對黃色區(qū)域進行提取，限速標上綠色區(qū)域的H閥值和S閥值，在HSI空間上對綠色區(qū)域進行提取，并對提取到的黃色區(qū)域和綠色區(qū)域進行圓形檢測，進而進行分類處理，其中，所述分類處理是指根據(jù)標志圖像的顏色進行處理，其中綠色為解除限速標志，直接輸出到控制模塊，而黃色為限速標志，輸出到字符分割子模塊； 所述字符分割子模塊，將標志檢測子模塊輸出的黃色限速標志的灰度圖像分割成多個字符圖像； 所述字符識別模塊，利用預先設(shè)定的字符識別模型對字符分割子模塊分割得到的多個字符圖像進行識別，將識別所得的結(jié)果作為視頻識別模塊的輸出。
所述圓形檢測具體是指對采集到的圖像上的黃色區(qū)域或綠色區(qū)域進行Hough變換實現(xiàn)圓形檢測，進一步，Hough變換方法如下，在平面坐標上，以(a，b)為圓心，r為半徑的圓的方程為 (x-a)2+(y-b)2＝r2 式中包含了a、b、r三個參數(shù)，通過變換建立一個以a、b、r為坐標的三維參數(shù)空間，則圖像xoy平面坐標中過任意一點對應于參數(shù)空間中的一個三維錐面，圖像xoy平面坐標中同一圓上的點對應于參數(shù)空間中的所有三維錐面必然交于一點，而參數(shù)空間的一個點則對應于平面坐標上的一個圓，這樣通過檢測參數(shù)空間的這一點可以得到圓的圓心與半徑，從而求得相應的圓。
所述預先設(shè)定的字符識別模型，具體是指對預先采集的現(xiàn)有限速標志中的字符的圖像模板，應用歸一化轉(zhuǎn)動慣量法行模板匹配，其中，歸一化轉(zhuǎn)動慣量法具體如下 先定義灰度圖像的質(zhì)心及其圍繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量，進行歸一化得到該灰度圖像的歸一化轉(zhuǎn)動慣量，利用NMI具有縮放、旋轉(zhuǎn)和平移不變特性，將其作為物體的識別特征；具體是，二維數(shù)字化灰度圖像f(M，N)的M*N個像元可看作是XOY平面上的M*N個質(zhì)點，像元的灰度值f(i，j)就是相應質(zhì)點的質(zhì)量，對二維灰度圖像作如下定義 定義1二維灰度圖像所有的灰度值之和定義為該灰度圖像的質(zhì)量，記為m，則 定義2二維灰度圖像重心，記為

，則 對于均勻灰度值的二維圖像，圖像的重心也即該圖像所占平面圖形的形心； 定義3若將二維灰度圖像繞其中任一點(i0，j0)的轉(zhuǎn)動慣量記為

，可定義如下
通過對二維灰度圖像進行灰度級的門限化或邊緣檢測，將二維灰度圖像的灰度值或檢測算子值與給定門限進行比較，重新賦以0或1，就可以組成一個新的二值圖像，并能成功地把目標或其邊緣信息從背景中顯露出來。
定義4根據(jù)二維灰度圖像質(zhì)量、重心、轉(zhuǎn)動慣量的定義，給出二值圖像繞重心的歸一化轉(zhuǎn)動慣量，簡稱歸一化轉(zhuǎn)動慣量 式中，∏為二值圖像中值為″1″的區(qū)域。可以看出NMI為二值圖像繞其重心的轉(zhuǎn)動慣量開平方與其質(zhì)量之比。
所述的控制模塊根據(jù)視頻識別模塊的輸出對列車進行控制，具體控制為當檢測到解除限速標志，則解除列車限速；當檢測到T字圓牌，則控制語音提示模塊發(fā)出如下的語音信號“前方即將進入限速路段”，提醒司機前方將進入限速路段；當檢查到臨時限速標，則控制語音提示模塊發(fā)出如下語音信號“前方為限速路段，限速為XX”(式中的XX為具體的限速值)，警告司機前方即將進入限速路段，并且在當列車越過限速標志而司機沒采取相應措施時，強行將列車車速限制在限速范圍內(nèi)。
本發(fā)明的另一個目的通過以下技術(shù)方案進行實現(xiàn) 一種鐵路臨時限速標志識別方法，包括以下步驟 1)通過高速彩色攝像頭獲得視頻流，經(jīng)過分頻器轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕芬曨l流，一路作為顯示模塊的輸入直接用于顯示，另一路經(jīng)由采集卡進行定時采集，將視頻流轉(zhuǎn)換為多幀圖像并作為視頻識別模塊的輸入； 2)將采集到的多幀圖像進行強化處理和去除噪聲處理，再將圖像由RGB空間轉(zhuǎn)換到HSI空間； 3)根據(jù)預先確定的限速標上的黃色和綠色的H閥值和S閥值，在HSI空間對黃色區(qū)域和綠色區(qū)域進行提取，以獲得標志圖像，并進行分類處理，如是綠色的標志圖像則直接輸出到控制模塊進而解除限速，如是黃色的限速標志圖像，則進行下一步驟； 4)對黃色的臨時限速標志的灰度圖像進行字符分割； 5)利用預先設(shè)定的字符識別模型對分割得到的字符圖像應用歸一化轉(zhuǎn)動慣量法進行模板匹配，若匹配成功則將結(jié)果傳送到步驟6)并根據(jù)結(jié)果輸出不同的控制命令，若匹配不成功且是字符模板庫中的最后一個模板則返回步驟3)； 6)根據(jù)步驟5)得到結(jié)果輸出不同的控制命令 若識別結(jié)果是T字牌則輸出控制命令，讓語音提示模塊通知司機前方將進入限速路段； 若識別結(jié)果是限速標志，且列車當前速度超過限速值，則輸出控制命令，讓語音提示模塊通知司機前方即將進入限速路段，要求司機采取措施，并且當列車越過限速標而司機沒采取相應措施則輸出控制命令，讓控制模塊強制限速，將列車車速限定在限速范圍內(nèi)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點 第一、識別速度快，識別率高； 第二、能對不同顏色的交通標志進行識別，而且對于臨時限速標志的變更或添加有較強的適應性； 第三、能明顯降低交通標志識別的設(shè)備和管理成本，節(jié)約經(jīng)濟資源； 第四、能及時向司機提供限速信息，降低疲勞等人為因素造成的影響，減少限速區(qū)段內(nèi)超速造成的事故。



圖1為本發(fā)明一具體實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明一具體實施例的系統(tǒng)工作流程圖；
具體實施例方式 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點敘述更加清楚，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明，但應該明確的是本發(fā)明的實施方式不限于此。
如圖1所示，一種鐵路臨時限速標志識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括視頻采集模塊、視頻識別模塊、控制模塊、顯示模塊和語音提示模塊；其中，所述視頻識別模塊包括圖像預處理子模塊、標志檢測子模塊、字符分割子模塊、字符識別子模塊。
顯示模塊與視頻采集模塊相連，視頻采集模塊、圖像預處理子模塊、標志檢測子模塊、字符分割子模塊、字符識別子模塊、控制模塊依次相連，控制模塊還與語音提示模塊相連。
視頻采集模塊包括高速彩色攝像頭、分頻器、采集卡，視頻采集模塊通過高速彩色攝像頭獲得視頻流，經(jīng)過分頻器轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕芬曨l流，其中一路作為顯示模塊的輸入直接用于顯示，另外一路經(jīng)由采集卡進行定時采集，將視頻流轉(zhuǎn)換為多幀圖像作為視頻識別模塊的輸入。
視頻識別模塊用于對視頻采集模塊輸出的多幀圖像進行識別，并輸出識別結(jié)果作為控制模塊的輸入，其對多幀圖像的識別具體為 圖像預處理子模塊，先對多幀圖像進行強化處理和去除噪聲，再將多幀圖像由RGB空間轉(zhuǎn)換到HSI空間作為標志檢測子模塊的輸入； 標志檢測子模塊，根據(jù)預先確定限速標上黃色區(qū)域的H閥值和S閥值，在HSI空間上對黃色區(qū)域進行提取，限速標上綠色區(qū)域的H閥值和S閥值，在HSI空間上對綠色區(qū)域進行提取，并對提取到的黃色區(qū)域和綠色區(qū)域進行圓形檢測，進而進行分類處理，其中，所述分類處理是指根據(jù)標志圖像的顏色進行處理，其中綠色為解除限速標志，直接輸出到控制模塊，而黃色為限速標志，輸出到字符分割子模塊； 字符分割子模塊，將標志檢測子模塊輸出的黃色限速標志的灰度圖像分割成多個字符圖像； 字符識別模塊，利用預先設(shè)定的字符識別模型對字符分割子模塊分割得到的多個字符圖像進行識別，將識別所得的結(jié)果作為視頻識別模塊的輸出。
所述語音提示模塊根據(jù)控制模塊的控制進行相應的語音提示。
控制模塊根據(jù)視頻識別模塊的輸出對列車進行具體的控制，具體為 當檢測到解除限速標志，則解除列車限速；當檢測到T字圓牌，則控制語音提示模塊提示“前方即將進入限速路段”，提醒司機前方將進入限速路段；當檢查到臨時限速標，則控制語音提示模塊提示“前方為限速路段，限速為XX”(式中的XX為具體的限速值)，警告司機前方即將進入限速路段，并且在當列車越過限速標志而司機沒采取相應措施時，強行將列車車速限制在限速范圍內(nèi)。
本發(fā)明中鐵路臨時限速標志識別系統(tǒng)的識別過程的流程如圖2所示，具體包括 步驟201通過高速彩色攝像頭獲得視頻流，經(jīng)過分頻器轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕芬曨l流，一路作為顯示模塊的輸入，直接用于顯示，另一路經(jīng)由采集卡進行定時采集，將視頻流轉(zhuǎn)換為一幀一幀的圖像并作為視頻識別模塊的輸入； 步驟202將采集到的圖像進行強化處理和去除噪聲等預處理，再將圖像由RGB空間轉(zhuǎn)換到HSI空間； 步驟203根據(jù)預先確定限速標上的黃色區(qū)域和限速標上的綠色區(qū)域的H閥值和S閥值，在HSI空間對黃色區(qū)域和綠色區(qū)域進行提取，以獲得標志圖像，并進行分類處理。
其中綠色為解除限速標志，直接輸出到控制模塊，進而解除限速；而黃色為限速標志，輸出到視頻識別模塊進行識別。
步驟204對黃色臨時限速標志的灰度圖像進行字符分割。
步驟205利用預先設(shè)定的字符識別模型對分割得到的字符圖像應用歸一化轉(zhuǎn)動慣量法進行模板匹配。
若匹配成功則將結(jié)果傳送到步驟206，根據(jù)結(jié)果輸出不同的控制命令，若匹配不成功且是字符模板庫中的最后一個模板則返回步驟203。
步驟206根據(jù)步驟205得到結(jié)果輸出不同的控制命令。
若識別結(jié)果是T字牌則輸出控制命令，讓語音提示模塊通知司機前方將進入限速路段。
若識別結(jié)果是限速標志，且列車當前速度超過限速值，則輸出控制命令，讓讓語音提示模塊通知司機前方即將進入限速路段，要求司機采取措施，并且當列車越過限速標而司機沒采取相應措施則輸出控制命令，讓車速控制模塊強制限速，將車速限定在限速范圍內(nèi)。
本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動和修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權(quán)利要求所限定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種鐵路臨時限速標志識別系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括視頻采集模塊、視頻識別模塊、控制模塊、顯示模塊和語音提示模塊；其中，所述視頻識別模塊包括圖像預處理子模塊、標志檢測子模塊、字符分割子模塊、字符識別子模塊，進一步
所述的顯示模塊與視頻采集模塊相連，所述的視頻采集模塊、圖像預處理子模塊、標志檢測子模塊、字符分割子模塊、字符識別子模塊、控制模塊依次相連，所述的控制模塊與語音提示模塊相連；
所述視頻采集模塊包括高速彩色攝像頭、分頻器、采集卡，視頻采集模塊通過高速彩色攝像頭獲得視頻流，經(jīng)過分頻器轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕芬曨l流，其中一路視頻流作為顯示模塊的輸入直接用于顯示；另外一路視頻流經(jīng)由采集卡進行定時采集，將視頻流轉(zhuǎn)換為多幀圖像作為視頻識別模塊的輸入；
所述的視頻識別模塊用于對視頻采集模塊輸出的多幀圖像進行識別，并輸出識別結(jié)果作為控制模塊的輸入；
所述控制模塊根據(jù)視頻識別模塊的輸出對列車進行具體的控制；
所述語音提示模塊根據(jù)控制模塊的控制進行相應的語音提示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵路臨時限速標志識別系統(tǒng)，其特征在于，所述的視頻識別模塊對多幀圖像的識別具體為
所述圖像預處理子模塊，先對多幀圖像進行強化處理和去除噪聲，再將多幀圖像由RGB空間轉(zhuǎn)換到HSI空間作為標志檢測子模塊的輸入；
所述標志檢測子模塊，根據(jù)預先確定限速標上黃色區(qū)域的H閥值和S閥值，在HSI空間對黃色區(qū)域進行提取，限速標上綠色區(qū)域的H閥值和S閥值，在HSI空間上對綠色區(qū)域進行提取，并對提取到的黃色區(qū)域和綠色區(qū)域進行圓形檢測，進而進行分類處理，其中，所述分類處理是指根據(jù)標志圖像的顏色進行處理，其中綠色為解除限速標志，直接輸出到控制模塊，而黃色為限速標志，輸出到字符分割子模塊；
所述字符分割子模塊，將標志檢測子模塊輸出的黃色限速標志的灰度圖像分割成多個字符圖像；
所述字符識別模塊，利用預先設(shè)定的字符識別模型對字符分割子模塊分割得到的多個字符圖像進行識別，將識別所得的結(jié)果作為視頻識別模塊的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵路臨時限速標志識別系統(tǒng)，其特征在于所述的控制模塊根據(jù)視頻識別模塊的輸出對列車進行控制，具體控制為當檢測到解除限速標志，則解除列車限速；當檢測到T字圓牌，則控制語音提示模塊發(fā)出語音信號，提示前方即將進入限速路段；當檢查到臨時限速標，則控制語音提示模塊發(fā)出語音信號，提示前方為限速路段，并且在當列車越過限速標志而司機沒采取相應措施時，控制模塊強行將列車車速限制在限速范圍內(nèi)。
4.一種鐵路臨時限速標志識別方法，其特征在于包括以下步驟
1)通過高速彩色攝像頭獲得視頻流，經(jīng)過分頻器轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕芬曨l流，一路作為顯示模塊的輸入直接用于顯示，另一路經(jīng)由采集卡進行定時采集，將視頻流轉(zhuǎn)換為多幀圖像并作為視頻識別模塊的輸入；
2)將采集到的多幀圖像進行強化處理和去除噪聲處理，再將圖像由RGB空間轉(zhuǎn)換到HSI空間；
3)根據(jù)預先確定的限速標上的黃色和綠色的H閥值和S閥值，在HSI空間對黃色區(qū)域和綠色區(qū)域進行提取，以獲得標志圖像，并對提取到的黃色區(qū)域和綠色區(qū)域進行圓形檢測，進而進行分類處理，如是綠色的標志圖像則直接輸出到控制模塊進而解除限速，如是黃色的限速標志圖像，則進行下一步驟；
4)對黃色的臨時限速標志的灰度圖像進行字符分割；
5)利用預先設(shè)定的字符識別模型對分割得到的字符圖像應用歸一化轉(zhuǎn)動慣量法進行模板匹配，若匹配成功則將結(jié)果傳送到步驟6)并根據(jù)結(jié)果輸出不同的控制命令，若匹配不成功且是字符模板庫中的最后一個模板則返回步驟3)；
6)根據(jù)步驟5)得到結(jié)果輸出不同的控制命令
若識別結(jié)果是T字牌則輸出控制命令，讓語音提示模塊通知司機前方將進入限速路段；
若識別結(jié)果是限速標志，且列車當前速度超過限速值，則輸出控制命令，讓語音提示模塊通知司機前方即將進入限速路段，要求司機采取措施，并且當列車越過限速標而司機沒采取相應措施時輸出控制命令，讓控制模塊強制限速，將列車車速限定在限速范圍內(nèi)；
若識別結(jié)果是限速標志，且列車當前速度沒有超過限速值，則返回步驟3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種鐵路臨時限速標志識別方法，其特征在于，所述預先設(shè)定的字符識別模型，具體是指對預先采集的現(xiàn)有限速標志中的字符的圖像模板，應用歸一化轉(zhuǎn)動慣量法行模板匹配，其中，歸一化轉(zhuǎn)動慣量法具體如下
將二維數(shù)字化灰度圖像f(M，N)的M*N個像元看作XOY平面上的M*N個質(zhì)點，像元的灰度值f(i，j)就是相應質(zhì)點的質(zhì)量，對二維灰度圖像作如下定義
定義1二維灰度圖像所有的灰度值之和定義為該灰度圖像的質(zhì)量，記為m，則
定義2二維灰度圖像重心，記為
則
對于均勻灰度值的二維灰度圖像，圖像的重心也即該二維灰度圖像所占平面圖形的形心；
定義3將二維灰度圖像繞其中任一點(i0，j0)的轉(zhuǎn)動慣量記為
則定義如下
其中，通過對二維灰度圖像進行灰度級的門限化或邊緣檢測，將圖像的灰度值或檢測算子值與給定門限進行比較，重新賦以0或1，便組成了一個新的二值圖像，并能把目標信息或目標邊緣信息從背景中顯露出來；
定義4根據(jù)二維灰度圖像質(zhì)量、重心、轉(zhuǎn)動慣量的定義，給出二值圖像繞重心的歸一化轉(zhuǎn)動慣量，簡稱歸一化轉(zhuǎn)動慣量
式中，∏為二值圖像中值為″1″的區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種鐵路臨時限速標志識別方法，其特征在于，所述圓形檢測具體是指對采集到的圖像上的黃色區(qū)域或綠色區(qū)域進行Hough變換實現(xiàn)圓形檢測，進一步，Hough變換方法如下
在平面坐標上，以(a，b)為圓心，r為半徑的圓的方程為
(x-a)2+(y-b)2＝r2
式中包含了a、b、r三個參數(shù)，通過變換建立一個以a、b、r為坐標的三維參數(shù)空間，則圖像xoy平面坐標中過任意一點對應于參數(shù)空間中的一個三維錐面，圖像xoy平面坐標中同一圓上的點對應于參數(shù)空間中的所有三維錐面必然交于一點，而參數(shù)空間的一個點則對應于平面坐標上的一個圓，這樣通過檢測參數(shù)空間的這一點可以得到圓的圓心與半徑，從而求得相應的圓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鐵路臨時限速標志識別系統(tǒng)及方法。包括視頻采集模塊、視頻識別模塊、控制模塊、顯示模塊和語音提示模塊。所述視頻識別模塊包括圖像預處理子模塊、標志檢測子模塊、字符分割子模塊、字符識別子模塊。該系統(tǒng)通過對視頻流中包含限速標志信息的的多幀圖像進行逐幀識別處理，不依賴單張圖片，實現(xiàn)了實時的限速標志識別，并且利用HSI空間對限速標志區(qū)域進行提取，提高了識別的準確度，進一步通過對黃色區(qū)域和綠色區(qū)域進行字符分割再進行識別，提高了識別的速度，最后根據(jù)識別結(jié)果輸出控制指令，實施對車速的自動控制，同時使駕駛員實時了解鐵路限速信息，將事故的發(fā)生概率降低到最小。
文檔編號H04N7/18GK101761038SQ20091021460
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者謝勝利, 吳潤凱, 吳宗澤 申請人:華南理工大學