劉偉銘，李冠金，汪 良，毛 良，邱啟盛，凌光正

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州 510640; 2.廣東珠三角城際軌道交通有限公司,廣州 510308; 3.廣東城際鐵路運營有限公司,廣州 511457)

引言

軌道交通具有快速、經(jīng)濟、便捷、準(zhǔn)時等優(yōu)勢,成為居民出行的優(yōu)選。為保障乘客安全和實現(xiàn)軌道交通公交化,車站在軌行區(qū)和站臺候車區(qū)間安裝了站臺門,同時留下了一定寬度的間隙,其間常常發(fā)生安全事故[1],存在安全隱患。由于列車發(fā)車間隔在120～180 s,在站列車關(guān)門到發(fā)車的時間一般設(shè)計較短(15 s以內(nèi)),如果出現(xiàn)了異物或異物誤報事件,站務(wù)員難以在短時間完成長130～460 m的站臺排查,極易造成列車的大規(guī)模延誤。因而,設(shè)置自動檢測站臺門與列車間異物及定位系統(tǒng),將會有效提高處理異物的效率,降低延誤時間和減少站務(wù)員數(shù)量。

對于間隙的探測,已有許多相關(guān)的檢測算法與系統(tǒng),原理上可分為:(1)基于紅外[2]、激光對射方案;(2)基于激光掃描方案[3];(3)基于機器視覺頂置式方案[4-5]和側(cè)裝式方案[6-7]。紅外、激光對射的方案原理上無法實現(xiàn)異物定位,且易受震動、折射光干擾,誤報率高。激光掃描的方案,可通過飛行時間(TOF)原理測量異物位置[8],但由于探測距離較短(0～15 m[3]),需要多套設(shè)備才能覆蓋站臺,成本較高。且受光束密度的影響,對小異物探測效果較差,存在盲區(qū)。機器視覺的頂置式方案,雖然可以測量異物位置和尺寸[4],以及異物分類[9],但設(shè)備需要在每扇門進(jìn)行安置,成本較高。同時受限于安裝方式,系統(tǒng)無法在半高門的站臺上安裝使用。而現(xiàn)有的機器視覺側(cè)裝式方案,在地上和地下站臺均得到了廣泛應(yīng)用,適用范圍較廣、成本較低,但如何快速對130～460 m內(nèi)隨機出現(xiàn)的異物進(jìn)行高精度定位,目前還沒有研究出合適的定位方法。

理論上雙目可以實現(xiàn)測距,目標(biāo)物體到攝像頭的距離可由視差、焦距和基線通過相似原理求得[10],已在諸多領(lǐng)域中得到應(yīng)用[11]。但受限于成像質(zhì)量、標(biāo)定誤差[12]、匹配誤差[13]、焦距和基線長度等因素[14],一般的雙目系統(tǒng)測距范圍多在15 m內(nèi),遠(yuǎn)距離測量(50 m以上)的精度較低。雖然可以通過加大焦距[15]、增大基線距離[16]提高遠(yuǎn)距離測距精度,但會導(dǎo)致視場角過小,近距離存在較大盲區(qū);并且由于焦距越長景深就越小,無法在所有距離都獲得清晰的成像,定焦雙目系統(tǒng)的測距范圍較窄,遠(yuǎn)距離時相機標(biāo)定[17-18]也會存在困難。有學(xué)者通過建立新的測距模型,降低了由于焦距[19]、基線[20]帶來的誤差,但測距范圍沒有明顯改善。有學(xué)者通過變焦系統(tǒng)[21]、動態(tài)調(diào)節(jié)基線長度[22]等方法提高雙目系統(tǒng)的同步能力和測距范圍,但成本高、設(shè)備體積較大,難以滿足軌道交通限界要求。同時,搜尋物體以及對焦過程耗時較長,難以滿足實時檢測。

為此,針對上述問題,提出一種地鐵、城際和高鐵通用的基于機器視覺的四目異物檢測與定位裝置,并提出一種新的四目定位方法,意圖實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度、寬范圍的異物定位。

1 四目定位方法研究

1.1 系統(tǒng)安置方式

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》和TB 10623—2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》,地鐵直線站臺門的滑動門體至車輛輪廓線之間的凈距應(yīng)控制在100～130 mm[23]、城際側(cè)線站控制在0.2 m。將≤0.2 m視作窄間隙站臺,通過分別在車頭、車尾方向的站臺門立柱上設(shè)置平行等長的燈帶作為背景參考物,并在燈帶兩端設(shè)立攝像頭攝向?qū)γ鏌魩?燈帶和攝像頭外側(cè)不超過瞭望燈帶限界,構(gòu)成一個基于機器視覺的四目異物檢測與定位裝置,如圖1所示。

圖1 窄間隙站臺系統(tǒng)安裝示意

而對于城際和高鐵,TB 10623—2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》中未給出明確的正線站臺門安裝位置標(biāo)準(zhǔn)[24]。站臺邊緣到站臺門的凈距一般介于0.2～2 m之間[25],正線站臺一般為1.2 m,將>0.2 m視作寬間隙站臺。由于高鐵城際正線站臺的擁擠程度相對較低,其異物事件多遺留于風(fēng)險空間中,考慮到異物一般會落于地面,故僅對地面進(jìn)行檢測,已經(jīng)可以滿足實際運營要求?？紤]隧道風(fēng)壓和限界要求,燈帶及攝像頭頂部距地面不高于10 cm,設(shè)備在地面的安裝方式示意如圖2所示。

圖2 寬間隙站臺系統(tǒng)安裝示意

1.2 四目測距模型

根據(jù)上文所述的安裝方式,四目測距模型可簡化為一個二維模型。同時將異物近似化為平行于燈帶的長方形,以減少未知的參數(shù)數(shù)量。而由于近似點與原坐標(biāo)點差距在數(shù)百米的檢測區(qū)域中占比極小,對測距精度影響極小。下面以攝像頭1為例,對四目定位模型展開說明,當(dāng)檢測區(qū)域中異物被攝像頭1捕獲,且未遮擋燈帶兩端時,如圖3所示。圖中字母含義說明如下:I為兩側(cè)燈帶之間的距離;I1為物體距燈帶1的距離;H為物體距燈帶底部的高度;X為物體長度;Y為物體寬度;L為燈帶長度;Lab為攝像頭a所拍攝的燈帶被物體遮擋后,燈帶指定端點到遮擋處指定端點的長度(a為攝像頭編號1～4,b=1時為上端,b=2時為下端)。

圖3 攝像頭1拍攝物體其中一種情況示意

由圖3可知,根據(jù)中心投影原理,攝像頭的視線越過物體至對側(cè)燈帶構(gòu)建出兩對相似三角形,Δabe～Δcde,則有de/be=cd/ab,同時有Δabh～Δfgh,則有g(shù)h/bh=fg/ab,則攝像頭1可獲得的方程式如下

(1)

(2)

此處,將其定義為定位信息方程式。其中,燈帶長度L、兩側(cè)燈帶之間的距離I為已知信息,可通過測量現(xiàn)場情況得到,而Lab可以根據(jù)攝像頭拍攝的圖像測量燈帶剩余長度得到。未知參數(shù)為I1、H、X、Y四個未知數(shù),需要4個定位信息方程式進(jìn)行求解。

同理,在圖3的情況下,攝像頭2也可根據(jù)相似原理獲得2條定位信息方程式

(3)

(4)

聯(lián)立求解可得其求解公式

(5)

(6)

(7)

(8)

通過測量攝像頭拍攝的圖像獲得L11、L12、L21、L22,代入求解公式即可得到物體的位置信息I1和H、長寬信息X、Y,從而實現(xiàn)異物定位以及異物大小估計。

當(dāng)異物存在其他位置時,可根據(jù)4臺攝像機測得的Lab判斷異物的情況,調(diào)用相應(yīng)的求解公式進(jìn)行求解。下面給出其他攝像頭定位信息方程式。

攝像頭3

(9)

(10)

攝像頭4

(11)

(12)

由于本方法通過4個攝像頭對檢測區(qū)域進(jìn)行雙冗余檢測,當(dāng)物體出現(xiàn)在檢測區(qū)域,且未完全遮掩所有燈帶時,至少有2個攝像頭可捕獲到物體,并根據(jù)相似原理至少可獲得2條定位信息方程,至多4條。由于上述模型有4個未知數(shù),部分情況無法求解。為此,基于簡化消元思想,可通過忽略遠(yuǎn)小于站臺長度的物體大小X、并在求解物體上頂點位置坐標(biāo)時,將參數(shù)H和Y視作單個參數(shù)進(jìn)行計算,利用獲得的2條方程至少可求解物體上頂點坐標(biāo)(I1,H+Y)或下頂點坐標(biāo)(I1,H)中的其中一項,從而實現(xiàn)無盲區(qū)單異物定位。

1.3 投影值的測量

Lab的精確測量是準(zhǔn)確測距的前提。對已知燈帶的長度進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定相對容易,測距誤差不隨檢測距離明顯變化,并且可通過配置大焦距的鏡頭,使燈帶占據(jù)更多的像素點,降低Lab的測量誤差,從而提升測距精度。下面給出一種基于連通域的Lab測量方法。

(1)燈帶模板檢測

在檢測區(qū)間無異物時,從攝像頭中獲取源圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理以及圖像分割,得到燈帶所處區(qū)域清晰、無干擾的二值化圖片,如圖4所示。進(jìn)行連通域分析,取最長連通域作為燈帶模板,獲得燈帶模板連通域外輪廓矩形的長度wmod、高度hmod、起點坐標(biāo)(xstart,ystart)和終點坐標(biāo)(xend,yend)。

圖4 燈帶模板二值圖

(2)異物探測方法

檢測時對攝像頭圖像以同樣的預(yù)處理步驟得到燈帶區(qū)域的二值圖進(jìn)行連通域分析,其中可獲得連通域數(shù)量n及所有連通域外輪廓矩形的長度wi、高度hi、起點坐標(biāo)(xi_start,yi_start)和終點坐標(biāo)(xi_end,yi_end),其中i∈[1,n]。由于燈帶被遮擋時,燈帶的長度會變短,而當(dāng)異物未遮擋燈帶兩端時,燈帶會被遮擋成多段區(qū)域,可通過長度和連通域數(shù)量進(jìn)行判斷如下

wi_max=arg max(w0,w1,…,wi)

(13)

式中,wi_max為燈帶的矩形區(qū)域中最長連通域的長度;wt為長度判斷閾值。

(3)Lab測量方法

檢測區(qū)間判斷存在異物時,則繼續(xù)逐一與燈帶模板信息進(jìn)行條件判斷,篩選出屬于Lab的燈帶連通域,并將其像數(shù)長度轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實長度

cf=wreal/wwod

(15)

if(|xi_start-xstart|

(16)

if(|xi_end-xend|

(17)

式中,wreal為燈帶的現(xiàn)實長度(已知值);cf為像素點到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)換系數(shù);xp為預(yù)設(shè)的偏移閾值;a為攝像頭編號1～4,測量示例如圖5所示。

圖5 存在異物時攝像頭處理二值圖

2 實驗方法及結(jié)果分析

為驗證本文方法,選擇在廣東地鐵、城際站臺進(jìn)行實地測試,城際寬站臺相機頂部距地高度6 cm,地鐵窄站臺相機外側(cè)距站臺滑動門門框3 cm,拍攝距離約180 m處1.1 m燈帶圖像中燈帶長度方向約占350個像素點,可通過改變焦距和采用高分辨率攝像機,使400 m距離約占300個像素點。設(shè)備包括相機以及燈帶,其外形如圖6所示。

圖6 設(shè)備外形

實驗場地包含地鐵、城際地下站臺及城際戶外站臺,異物實際放置距離由現(xiàn)場測量得到,實驗的具體條件及結(jié)果如表1所示。

表1 異物定位測試結(jié)果

由表1可知,定位算法在低干擾情況下(實驗2),14次異物定位的平均誤差僅0.854 m,最大誤差僅1.887 m,平均誤差僅占測距范圍的0.49%。而傳統(tǒng)雙目方法中,化春鍵等[26]在5～20 m測距誤差為0.126 m到0.998 m,平均相對誤差達(dá)3.52%;羅珺[27]實現(xiàn)了30～90 m的雙目測距,測距誤差從1.2 m升至6.9 m,誤差明顯增長;劉詩婷等[21]通過變焦超分辨率的方法,在9.333 m時誤差0.378 m,相對誤差4.05%,在167 m時誤差為3.335 m,且遠(yuǎn)距離時更換了鏡頭;劉暢[28]的雙目系統(tǒng)白天在177.4 m時測距誤差為4.24 m,而晚上在100 m時測距誤差為3.3 m;DENG[29]利用相機+GPS+慣性測量單元實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離測距,在距離200 m時誤差35 m,距離500 m時誤差87 m,總體誤差17%?？梢?傳統(tǒng)雙目遠(yuǎn)距離測距的誤差隨著目標(biāo)距離增長顯著增加,在相同距離下測距精度普遍低于本文方法,一些近距離測距的平均相對誤差也不及本文方法。實驗結(jié)果表明,本文方法在遠(yuǎn)距離測距時的測量精度得到了提升。

根據(jù)表2城際寬間隙地下站臺(實驗2)測距詳細(xì)數(shù)據(jù)可知,系統(tǒng)的檢測誤差與檢測距離無明顯關(guān)聯(lián),測距范圍可覆蓋0～174 m,精度較高,擁有較寬的測距范圍,已達(dá)到工程應(yīng)用水平。

表2 實驗2定位詳細(xì)數(shù)據(jù)

在實驗3中,由于列車在站時存在強氣流擾動,像素點會出現(xiàn)一定程度的飄移,導(dǎo)致Lab的測量存在一定偏差,本文取多幀圖像測量Lab均值以降低誤差,11次測試平均誤差為3.26 m,仍優(yōu)于部分未考慮干擾的同距離下的傳統(tǒng)雙目測距系統(tǒng)。在強氣流干擾下仍然可以實現(xiàn)較高精度的遠(yuǎn)距離測距,體現(xiàn)了其穩(wěn)定性與抗干擾能力。

實驗4～實驗6為3個不同寬度(5,7.5,20 cm)的測試物體,分別依次放置在18個測試門檢測區(qū)域的上、中、下3個位置,如圖7所示。根據(jù)結(jié)果可知,異物寬度對測距誤差無明顯關(guān)系。圖8為實驗5前9項定位誤差數(shù)據(jù),由圖8可知,異物在檢測區(qū)域放置的位置不同,測量結(jié)果稍有波動但無明顯關(guān)聯(lián)。

圖7 實驗4～實驗6測試物體與測試位置

圖8 實驗5前9項定位誤差數(shù)據(jù)

表3為雙目定位和本文定位方法在0～460 m測距范圍下的對比,由表可知,本文方法相較傳統(tǒng)雙目定位方法,無需復(fù)雜的光學(xué)變焦系統(tǒng)和調(diào)整相機間基線距離就可在規(guī)定檢測區(qū)內(nèi),實現(xiàn)寬范圍(0～460 m)高精度測距,且在成本、體積、實時性上具有突出優(yōu)勢,缺點是需要預(yù)設(shè)背景參考物,以及僅能實現(xiàn)單個物體測距。但由于異物風(fēng)險發(fā)生概率較低[30],難以同時出現(xiàn)2個及以上異物風(fēng)險,單個異物的檢測可以滿足大部分的應(yīng)用需求。

表3 距離0～460 m范圍內(nèi)定位方法比較

實驗5部分測試情況如圖9所示,其中,上圖為異物放置現(xiàn)場圖,下圖為操作端輸出圖像,圖像左側(cè)從左到右依次為攝像頭1～4所拍攝的燈帶圖像,圖像右側(cè)的輸出結(jié)果為計算得到的異物所處位置的車門號,方便定點排查。其中,圖9(a)為7.5 cm異物放置6號門,正確輸出;圖9(b)為7.5 cm異物放置11號門,正確輸出。

圖9 異物現(xiàn)場及操作端圖像

3 結(jié)語

針對軌道交通站臺與列車門間隙的異物定位問題,提出了基于機器視覺的四目異物檢測與定位方法,實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、寬檢測范圍的異物檢測及單異物高精度定位。該方法通過預(yù)設(shè)背景參考物,降低了對環(huán)境光的依賴以及圖像配準(zhǔn)難度。通過將三角測距模型外置,提高了遠(yuǎn)距離測距精度。通過將測量對象從傳統(tǒng)雙目中獨立的像素點,轉(zhuǎn)換成對整個燈帶的剩余長度測量,降低了對相機標(biāo)定的依賴,提高了測距的穩(wěn)定性、抗干擾性,為實現(xiàn)氣流擾動下的準(zhǔn)確測量提供了基礎(chǔ)。通過四目相互提供定位信息,實現(xiàn)了無盲區(qū)定位,拓寬了系統(tǒng)的測距范圍。該方法所需裝置對處理單元、相機要求較低,系統(tǒng)成本低、易實現(xiàn)。實驗證明,本文方法在超大超長距離(寬1.1 m,長0～460 m范圍內(nèi))定位上有獨到的優(yōu)勢,且成功落地到廣東省城際鐵路站臺實際工程應(yīng)用中,在特殊應(yīng)用場景如地鐵、城際站臺存在很高的應(yīng)用價值及現(xiàn)實意義,同時為傳統(tǒng)雙目測距提供了一個全新的實現(xiàn)思路。

后續(xù)研究將在以下2個方面進(jìn)行改進(jìn)與提高:①研究針對戶外站臺復(fù)雜環(huán)境光變化的燈帶提取算法;②研究列車在站時氣流干擾對燈帶長度測量的影響及消擾方法。