全景圖自動生成技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用

于淑萍 李文鋒

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，210031，南京∥第一作者，教授）

地鐵速度快、載客量大，其運(yùn)營過程中的行車安全直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)和國家財(cái)產(chǎn)的安全以及社會安定等。因此，地鐵的行車安全已越來越受到業(yè)界的關(guān)注。文獻(xiàn)［1］、［3］、［4］對地鐵行車過程中的安全影響因素進(jìn)行分析，并針對性地提出相應(yīng)的控制措施，提高地鐵的行車安全。文獻(xiàn)［2］從地鐵應(yīng)用系統(tǒng)出發(fā)，通過分析安全保障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和信息傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù) ，提出實(shí)現(xiàn)安全保障系統(tǒng)的方案。目前，地鐵行車安全管理主要通過車廂內(nèi)及車站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)對列車進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以對地鐵的行車視頻信息進(jìn)行實(shí)時(shí)保存，并在發(fā)生事故時(shí)，通過現(xiàn)場情景還原來分析事故原因。但是，這種方式僅能從一個(gè)角度去看現(xiàn)場（如攝像頭是向下拍攝的，則只能看到俯視的監(jiān)控畫面），而且只有在有攝像頭的范圍內(nèi)才能看到，這給行車安全事故的追蹤帶來了不確定性。

為了更好地調(diào)度列車和還原事故現(xiàn)場的情景，本文提出使用基于LTE（長期演進(jìn)）的車載臺拍照功能，利用全景圖拼接技術(shù)，將列車運(yùn)行過程中拍攝的各個(gè)方面的照片拼接成立體畫面。調(diào)度人員通過可視化界面，可實(shí)時(shí)了解列車的位置及周邊的情景；當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，可以通過多維度清晰觀察現(xiàn)場情況。

1 全景拼圖技術(shù)

全景拼圖是一種應(yīng)用較廣的基于圖像的繪制技術(shù)。全景拼圖的主要思想是：利用離散的且有一定重合度的照片序列，對其邊界進(jìn)行定位和重合，形成一張照片，再對其顏色、亮度等進(jìn)行校正，然后進(jìn)行無縫平滑處理；如此依次拼接，最后形成水平方向360°環(huán)視的圖像環(huán)境。全景圖的生成包括圖像配準(zhǔn)和圖像拼接兩個(gè)最為關(guān)鍵的步驟。

1.1 圖像配準(zhǔn)

圖像配準(zhǔn)的目的是找出相鄰圖像間的重疊區(qū)域范圍和位置，以便得到兩幅圖像間的相似度。圖像配準(zhǔn)被定義為兩幅圖像間在坐標(biāo)位置和灰度級上的雙重映射變換，由此，圖像配準(zhǔn)問題轉(zhuǎn)化為尋找最佳空間或幾何變換參數(shù)問題。設(shè)兩幅待配準(zhǔn)圖像I1（x，y）和I2（x，y）分別為參考圖像和匹配圖像，f是二維空間坐標(biāo)變換，g是一維的灰度變換，則雙重映射變換可表示為：

基于相位相關(guān)度的圖像配準(zhǔn)技術(shù)的主要思想，是利用傅立葉變換式、小波變換式等先對圖像進(jìn)行變換，通過互功率譜直接計(jì)算出兩幅圖像間的平移矢量，然后將兩幅待配準(zhǔn)圖像變換到頻域。旋轉(zhuǎn)和縮放在頻域都有其對稱性，可以先對圖像計(jì)算旋轉(zhuǎn)，而后計(jì)算平移，再利用變換后的圖像的某些特性進(jìn)行匹配。假定I1（x，y），I2（x，y）分別為兩幅待拼接的圖像，I2（x，y）是由I1（x，y）簡單平移得到的。即：

根據(jù)傅立葉變換的性質(zhì)可得：

式中：

F2（ξ，η），F(xiàn)1（ξ，η）——分 別 為I2（x，y）和I1（x，y）的傅立葉變換。

F2（ξ，η），F(xiàn)1（ξ，η）的互功率譜為：

假定I2（x，y）是由I1（x，y）以ρ為參數(shù)進(jìn)行縮放后再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ0后得到的圖像，則其滿足：

令I(lǐng)1p（φ，θ）和I2p（φ，θ）分別為I1（x，y）、I2（x，y）的極坐標(biāo)形式，得到：

若對I1p（φ，θ）和I2p（φ，θ）沿ρ方向取對數(shù)，即：

則

從式（9）可以看出，I1pl（λ，θ）和I2pl（λ，θ）之間滿足一種簡單的平移關(guān)系。利用上述相位相關(guān)方法同樣可獲得λ0和旋轉(zhuǎn)角度θ0，由此可獲得縮放尺度φ＝eλ0。

1.2 圖像拼接

圖像拼接就是將兩幅圖像拼成一幅圖像。如果兩幅圖像的重疊部分只是簡單地取兩幅圖像進(jìn)行疊加，會造成圖像的模糊和明顯的邊界，因此需要采用一定的方法處理重疊部分。本文采用取平均值法。

令I(lǐng)1（x，y）、I2（x，y）、I（x，y）分別表示第一幅圖像、第二幅圖像和融合圖像在點(diǎn)（x，y）處的像素值，則融合圖像中各點(diǎn)的像素值按下式確定。

式中：

R1——第一幅圖像中未與第二幅圖像重疊的圖像區(qū)域；

R2——第一幅圖像中和第二幅圖像重疊的圖像區(qū)域；

R3——第二幅圖像中未與第一幅圖像重疊的圖像區(qū)域。

2 全景拼接技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用

利用全景拼接技術(shù)，首先需要遵循圖像自動拼接的過程。即完成圖像的獲取、預(yù)處理、配準(zhǔn)、拼接和圖片的展示。將此過程統(tǒng)一集中到行車調(diào)度軟件實(shí)現(xiàn)。行車調(diào)度軟件用于行車調(diào)度員對在線運(yùn)營列車的實(shí)時(shí)語音和數(shù)據(jù)調(diào)度，能實(shí)時(shí)以列表和圖形化的形式顯示列車。

2.1 軟件架構(gòu)

調(diào)度軟件框架如圖1所示。根據(jù)調(diào)度軟件承擔(dān)的功能不同，軟件設(shè)計(jì)主要分為感知層、資源層、管理層和應(yīng)用層。

感知層是信息源，負(fù)責(zé)獲取語音、數(shù)據(jù)等信息。本系統(tǒng)中感知層有車載臺、固定臺及廣播話筒等。資源層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行的一些資源調(diào)度，包括計(jì)算資源池、存儲資源池、網(wǎng)絡(luò)資源池等，通過本層可有效管理系統(tǒng)資源，提高資源的利用率。管理層主要用于管理系統(tǒng)運(yùn)行過程中的一些用戶、算法及安全審計(jì)機(jī)制。應(yīng)用層提供各種應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，如語音的呼叫、列車的圖形化及列表顯示、用戶管理等。

2.2 軟件的處理流程

調(diào)度軟件的處理流程比較復(fù)雜，包括了信號系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)及短信服務(wù)系統(tǒng)的交互處理流程。地鐵線路的主要組成元素是固定的，不會發(fā)生變化，利用這些照片可以生成整個(gè)線路的全景圖。另外，列車每個(gè)時(shí)刻的位置在變化，行車調(diào)度軟件通過全景技術(shù)也可生成針對每列列車每一時(shí)刻的全景圖。本文主要介紹與全景拼接技術(shù)相關(guān)的處理流程，如圖2所示。

圖1 調(diào)度軟件框架

圖2 圖像拼接處理流程

流程主要涵蓋了以下4個(gè)主要部分：

圖像采集：圖像采集功能主要由司機(jī)室安裝的車載臺上的攝像頭實(shí)現(xiàn)。列車的左側(cè)、正前方及右側(cè)分別部署攝像頭，分別采集列車左側(cè)、正前方和右側(cè)的圖像數(shù)據(jù)。這些圖片通過LTE網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到調(diào)度中心。

圖像提?。盒熊囌{(diào)度軟件可通過數(shù)據(jù)庫直接訪問調(diào)度中心保存的圖片數(shù)據(jù)，提取這些圖像的像素及灰度信息。

圖像預(yù)處理：主要對圖像進(jìn)行幾何畸變校正和噪聲點(diǎn)的抑制，讓參考圖像和待拼接圖像不存在明顯的幾何畸變。圖像預(yù)處理為圖像配準(zhǔn)做準(zhǔn)備，使圖像質(zhì)量能夠滿足圖像配準(zhǔn)的要求。

圖像配準(zhǔn)和拼接：圖像配準(zhǔn)是對來自不同傳感器以及從不同時(shí)相、不同角度所獲得的兩幅或多幅圖像進(jìn)行最佳匹配的處理。圖像拼接對圖像進(jìn)行縫合，并對縫合的邊界進(jìn)行平滑處理，使縫合自然過渡。由于任何兩幅相鄰圖像在采集條件上都不可能做到完全相同，因此，一些本應(yīng)該相同的圖像特性（如圖像的光照特性等）在兩幅圖像中也會表現(xiàn)得不完全一樣。圖像拼接縫隙就是由一幅圖像的圖像區(qū)域過渡到另一幅圖像的圖像區(qū)域時(shí)由于圖像中的某些相關(guān)特性發(fā)生了躍變而產(chǎn)生的。圖像融合就是讓圖像間的拼接縫隙不明顯，拼接更自然。

2.3 軟件的顯示界面

軟件實(shí)現(xiàn)后，能夠?qū)⑦B續(xù)圖片連成實(shí)際的地鐵線路圖，同時(shí)，能顯示車輛所在區(qū)域的全景圖。圖3、圖4分別為某一時(shí)刻車載臺拍攝的兩張圖片，經(jīng)過系統(tǒng)配準(zhǔn)及拼接后，形成圖5所示的線路全景圖。

圖3 車載臺左攝像頭拍攝圖片

圖4 車載臺右攝像頭拍攝圖片

3 結(jié)語

圖5 調(diào)度界面上全景地圖

地鐵是未來城市的主要交通方式，其安全性越來越受到關(guān)注?；贚TE技術(shù)的車載臺能隨時(shí)拍攝列車的周邊場景，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)秸{(diào)度中心。應(yīng)用圖像全景技術(shù)，對車載臺拍攝的圖像進(jìn)行處理，可形成地鐵線路全景圖，并以三維方式實(shí)時(shí)顯示每列列車所在的位置。利用全景圖自動生成技術(shù)為調(diào)度中心調(diào)度員提供可視化的界面，有利于提高其工作效率和調(diào)度命令的準(zhǔn)確性。

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