圖像測(cè)距技術(shù)在調(diào)車(chē)作業(yè)中的應(yīng)用

陳文軒

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所，蘭州 730070）

調(diào)車(chē)作業(yè)是鐵路車(chē)站行車(chē)組織中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要工作包括解體、編組、取送及摘掛機(jī)車(chē)等。調(diào)車(chē)作業(yè)具有作業(yè)次數(shù)頻繁，環(huán)節(jié)復(fù)雜，時(shí)間長(zhǎng)，范圍廣，作業(yè)人員多以及全天候等特點(diǎn)[1]。其中，在摘掛機(jī)車(chē)作業(yè)時(shí)，目前，主要依靠作業(yè)人員瞭望來(lái)確認(rèn)機(jī)車(chē)和車(chē)廂之間的距離。不僅加重了作業(yè)人員的工作強(qiáng)度，受天氣因素影響較大，而且可能由于作業(yè)人員視覺(jué)疲勞、疏忽等因素引起調(diào)車(chē)事故發(fā)生。面對(duì)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境和危險(xiǎn)的作業(yè)環(huán)節(jié)，如何提高作業(yè)人員的安全和效率，減少工作量具有很大的研究?jī)r(jià)值[2]。目前，在調(diào)車(chē)作業(yè)安全方面主要涉及管理方法和作業(yè)技術(shù)，在作業(yè)技術(shù)方面，對(duì)于無(wú)線調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)信號(hào)與監(jiān)控系統(tǒng)的研究已取得較深入的研究成果，但其涵蓋范圍較廣，針對(duì)整車(chē)站的機(jī)車(chē)信號(hào)監(jiān)控，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控和測(cè)量調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程中的運(yùn)行過(guò)程與距離。利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)代替人工瞭望判斷距離的工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)和車(chē)廂摘掛過(guò)程中的智能測(cè)距將填補(bǔ)機(jī)車(chē)信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)于距離測(cè)量的空白[3-4]。

本文基于機(jī)器視覺(jué)，設(shè)計(jì)了調(diào)車(chē)在摘掛作業(yè)過(guò)程中的圖像測(cè)距系統(tǒng)。通過(guò)安裝于機(jī)車(chē)尾部的攝像頭采集實(shí)時(shí)視頻信息[5]，使用圖像測(cè)距技術(shù)，將機(jī)車(chē)尾部和車(chē)廂之間的實(shí)時(shí)視頻信息和距離顯示在司機(jī)室的屏幕上，系統(tǒng)上設(shè)置特定距離的報(bào)警程序。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能測(cè)距的目的，能夠降低作業(yè)人員的工作強(qiáng)度和事故發(fā)生率。

1 圖像測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 圖像測(cè)距系統(tǒng)配置

圖像測(cè)距系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。視頻圖像信息采集裝置由CCD攝像機(jī)、光照裝置組成，可實(shí)現(xiàn)全天候的圖像信息采集工作。

圖1 圖像測(cè)距系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖像測(cè)距系統(tǒng)流程圖，如圖2所示，圖像處理與測(cè)距系統(tǒng)使用C++語(yǔ)言，使用改進(jìn)的SIFT算法，配置環(huán)境為OpenCV2.4.9與Visual Studio2012，系統(tǒng)軟件功能包括初始化系統(tǒng)配置、讀取攝像頭并獲取圖像、檢測(cè)圖像是否可用、圖像匹配并計(jì)算坐標(biāo)值得出目標(biāo)的距離信息。視頻圖像與距離信息顯示裝置由可視化的程序界面組成，在司機(jī)室上位機(jī)界面上可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻、測(cè)距結(jié)果與警戒報(bào)警距離等信息的顯示。

圖2 圖像測(cè)距系統(tǒng)流程圖

1.2 圖像測(cè)距系統(tǒng)工作原理

1.2.1 攝像機(jī)標(biāo)定與測(cè)距技術(shù)

本文使用針孔成像模型，其坐標(biāo)系統(tǒng)由世界坐標(biāo)系、圖像物理坐標(biāo)系、圖像像素坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系組成。如圖3所示，世界坐標(biāo)系（Xw, Yw, Zw）描述攝像機(jī)和車(chē)廂的位置。圖像物理坐標(biāo)系xO1y中，O1為攝像機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn)，（x, y）為物理單位度量下平面坐標(biāo)系坐標(biāo)。圖像像素坐標(biāo)系uO0ν中，圖像信息保存在m·n的數(shù)組中，表示為像素坐標(biāo)（u, v）。攝像機(jī)坐標(biāo)系（Xc, Yc, Zc）的Oc點(diǎn)為攝像機(jī)的位置，Zc軸為光軸，其穿過(guò)中心O1且垂直于xO1y 平面[6-7]。

圖3 坐標(biāo)系

OcO1為攝像機(jī)焦距f，平移向量T與旋轉(zhuǎn)矩陣R表示攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的關(guān)系，空間某點(diǎn)P在兩坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)為（Xc, Yc, Z, 1）T與（Xw,Yw, Zw, 1）T，存在如下關(guān)系[8-9]：

式中，R為3×3的正交單位矩陣，T為三維平移向量，矢量0=(0, 0, 0)，M為4×4的矩陣，R與T為攝像機(jī)的外部參數(shù)[10]。

某點(diǎn)P在攝像機(jī)坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中，sx=1?dx，sy=1?dy為X與Y方向上單位長(zhǎng)度的像素?cái)?shù)?？傻茫?/p>

式中，fx, fy, u0, v0為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)。

選取兩幀圖像，運(yùn)用改進(jìn)的SIFT算法[11-12]尋找特征點(diǎn)，計(jì)算特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。將攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系重合，建立攝像機(jī)坐標(biāo)系XOYZ，平面XOY與平面X′O′Y′為移動(dòng)前后選取的兩幀圖像，光心OO′距離為D。

成像圖，如圖4所示[13]。

圖4 成像圖

選取特征點(diǎn)P，兩次成像為P1與P2，分別在斜率相同的直線 On，O′ n′上，延長(zhǎng) PP2交 On于 P′2，得出OO1=O′O2=f。R1與R2為像點(diǎn)P1與P2到光心的距離，通過(guò)特征點(diǎn)的匹配，可確定R1，R2的值，由此可得α，β，三角形PO1O2，POO1可得點(diǎn)P在攝像機(jī)坐標(biāo)系OXYZ內(nèi)的坐標(biāo)為：

其中，（i, j）、（k, n）為 P1、P2的坐標(biāo) ，f為焦距，D為移動(dòng)距離，S為圖像測(cè)距結(jié)果。

運(yùn)用上述測(cè)距技術(shù)與圖像處理技術(shù)，經(jīng)過(guò)C++編程，可實(shí)現(xiàn)調(diào)車(chē)作業(yè)中距離的測(cè)量[14]。

1.2.2 圖像測(cè)距系統(tǒng)工作原理

通過(guò)以上對(duì)攝像機(jī)參數(shù)的標(biāo)定，如圖5所示，在機(jī)車(chē)運(yùn)行至車(chē)廂的過(guò)程中，安裝于機(jī)車(chē)尾部的攝像機(jī)采集機(jī)車(chē)與車(chē)廂之間的實(shí)時(shí)畫(huà)面，并顯示在司機(jī)室的上位機(jī)界面。將采集到的幀圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理與圖像匹配算法[15]，得到特定的圖像，利用定焦平移系列圖像的測(cè)距技術(shù)，測(cè)得機(jī)車(chē)與車(chē)廂之間動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)距離，并顯示在司機(jī)室上位機(jī)界面。此外，系統(tǒng)可設(shè)定距離報(bào)警值，方便司機(jī)工作[16]。

圖5 圖像測(cè)距系統(tǒng)示意圖

2 圖像測(cè)距系統(tǒng)在調(diào)車(chē)作業(yè)中的應(yīng)用

在實(shí)際場(chǎng)景中，實(shí)驗(yàn)使用佳能7D，焦距f=25 mm，分辨率為1 280×720，攝像機(jī)初始真實(shí)距離設(shè)為5 m，選取第1幀畸變較小的圖像，向前移動(dòng)0.1 m，選取第2幀圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理與匹配，選取10個(gè)匹配點(diǎn)，計(jì)算其在世界坐標(biāo)系中的Zwi坐標(biāo)，可得測(cè)距結(jié)果[17-18]，如表1所示。

圖像測(cè)距系統(tǒng)程序運(yùn)行界面，如圖6所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 圖像測(cè)距系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)調(diào)車(chē)作業(yè)中由人工瞭望判斷機(jī)車(chē)與車(chē)廂的距離而產(chǎn)生的安全事故與低效率問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種測(cè)距系統(tǒng)。通過(guò)攝像機(jī)采集實(shí)時(shí)視頻信息，使用SIFT特征視頻圖像匹配算法與定焦平移系列圖像的測(cè)距技術(shù)，設(shè)計(jì)出圖像測(cè)距系統(tǒng)，并在實(shí)際場(chǎng)景中驗(yàn)證，達(dá)到了較理想的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了智能測(cè)距的目的，能夠降低作業(yè)人員的工作強(qiáng)度和事故發(fā)生率。