淺論軌道交通遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)
2015-06-24
1 引言
軌道交通在國家綜合運(yùn)輸系統(tǒng)中的骨干作用是任何其它交通系統(tǒng)都無法代替的。我國幅員遼闊，鐵路多穿行于山區(qū)、丘陵地帶，泥石流、落石等地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重威脅著鐵路運(yùn)輸安全，近年來多起列車脫軌導(dǎo)致的惡性事故均由地質(zhì)災(zāi)害造成。由于列車速度快，目前列車司機(jī)僅能依靠軌道電路、地面應(yīng)答器、軌旁電纜等地面設(shè)施提供的信號進(jìn)行列車控制。即使是在平原地帶，司機(jī)雙眼的視野范圍也很有限，即使發(fā)現(xiàn)了影響行車安全的因素，采取措施也為時(shí)已晚。
除了干線鐵路以外，隨著城市規(guī)模的日益加大，城市軌道交通被認(rèn)為是解決交通擁堵的最好方式之一。以北京為例，城市軌道交通承擔(dān)著巨大的交通客流壓力，縮短最小行車間隔已經(jīng)成為提高城軌載客量的主要手段之一。不斷減小的行車間隔對軌道交通信號與控制系統(tǒng)，特別是對列車間距和速度監(jiān)控的可靠性提出了越來越高的要求。自動(dòng)監(jiān)控城軌列車運(yùn)行的車載ATP/ATO主要依靠軌道電路、地面應(yīng)答器、軌旁電纜、無線網(wǎng)絡(luò)等地面設(shè)施以及其他輔助手段（如GPS、線路特征匹配）獲取行車間距與列車限速。一旦這些設(shè)備因外界或自身因素的影響發(fā)生故障，極易造成追尾等惡性事故。
若能采用機(jī)器視覺、圖像處理與現(xiàn)代通訊技術(shù)將列車前方的景象發(fā)送給列車司機(jī)，就能提高司機(jī)處置危險(xiǎn)的能力，避免事故的發(fā)生。遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)即是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心生成逼真的視覺化的特定范圍的虛擬環(huán)境。用戶借助必要的裝備以各種形式實(shí)現(xiàn)視覺范圍的延伸和擴(kuò)展，應(yīng)用范圍非常廣，例如：城市的觀光，特殊地點(diǎn)（如銀行金庫、地下車庫等）的遠(yuǎn)程監(jiān)控，大型高速設(shè)備（如飛機(jī)、高速列車等）的工作環(huán)境檢測，等[1-2]。
2 遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)
關(guān)于遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)，已有多種方法提出。例如，對軌道進(jìn)行紅外傳感掃描，將信息返回計(jì)算機(jī)并進(jìn)行分析以判斷軌道上是否存在障礙物；或是利用軌道電路判斷是否有障礙物等。本文提出的圖像拼接技術(shù)更具直觀性，能相對更好的解決這一問題，而且容易實(shí)現(xiàn)。
本文集中于研究基于圖像拼接技術(shù)的軌道交通遠(yuǎn)程嘹望技術(shù)，由于單個(gè)攝像機(jī)監(jiān)控的視野范圍有限，因此可以通過在軌道沿線布置多個(gè)攝像機(jī)分別獲取各自圖像，利用圖像拼接技術(shù)將多個(gè)攝像機(jī)的圖像拼接成一幅覆蓋較遠(yuǎn)距離的視頻景象，并利用無線傳輸系統(tǒng)將該影像發(fā)送給運(yùn)行中的列車，使司機(jī)能夠?qū)崟r(shí)獲得前方數(shù)公里遠(yuǎn)的線路環(huán)境影像。這種超視距監(jiān)視能力，一方面可以使列車司機(jī)實(shí)時(shí)了解前方線路、甚至存在彎道而無法直接觀察的線路的安全狀況，便于司機(jī)及時(shí)應(yīng)對來自前方線路的各種安全威脅；另一方面，可以運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)直接對前方數(shù)公里線路圖像進(jìn)行自動(dòng)處理，不但可以查看前方線路的占用情況，計(jì)算前方列車距離、為現(xiàn)有測速定位系統(tǒng)提供冗余信息源，而且可以探測現(xiàn)有技術(shù)無法獲取的落物等影響行車安全的其他障礙物信息。
這種新的遠(yuǎn)距離監(jiān)測技術(shù)不依賴現(xiàn)有的任何測速定位設(shè)備，可以同時(shí)為司機(jī)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供超視距信息，大大提高列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的冗余度和可靠性，對我國軌道交通線路環(huán)境智能監(jiān)測、鐵路防災(zāi)及城市軌道交通安全水平的提高、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CBTC技術(shù)的再創(chuàng)新具有重要意義。
3 圖像拼接技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
所謂“圖像拼接”(Image Mosaic)就是將多幅來自同一場景的有重疊區(qū)域的小尺寸圖像合成為一幅大尺寸的高質(zhì)量圖像[3]。圖像拼接技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅可以實(shí)現(xiàn)大視場圖像、用于圖像恢復(fù)(Image Restoration)、計(jì)算機(jī)特效(Computer Generated SpecialEffects)、視頻圖像壓縮和視頻編輯等，還可以為圖像降噪、視場(Field ofView)擴(kuò)展、運(yùn)動(dòng)物體去除、模糊消除(Blur Removing)、空間解析度(Spacial Resolution)提高、動(dòng)態(tài)方位(Dynamic Range)增強(qiáng)提供可能性[4]。雖然如今的攝影技術(shù)和設(shè)備都在不斷的進(jìn)步與發(fā)展，但是想要獲得大視場圖像，單純的依靠攝影技術(shù)和設(shè)備是很難實(shí)現(xiàn)的。由于距離的限制，單個(gè)攝像機(jī)的拍攝范圍太小，這在高速列車等的拍攝中顯得尤為突出。自動(dòng)建立大型、高分辨率的圖像Mosaics技術(shù)一直是攝影測量學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的活躍研究領(lǐng)域[5]。
?。?）圖像的采集方式，圖像幾何畸變和噪聲處理?？梢圆捎迷鰪?qiáng)型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)進(jìn)行圖像的采集。由于一些人為因素和自然因素的影響，采集到的圖像可能需要進(jìn)行幾何校正與噪聲處理，甚至還需要照相機(jī)的標(biāo)定，以保證在預(yù)處理階段能夠得到高質(zhì)量的圖像用于拼接。又由于攝像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)景拍攝，拍攝到的圖像呈現(xiàn)近寬遠(yuǎn)窄的楔形分布，因此采集到的圖像還需進(jìn)行坐標(biāo)投影變換。
?。?）圖像信息的提取。提取圖像的信息通?？煞譃槿N，即圖像的灰度信息，圖像的物理特征(如邊緣，焦點(diǎn)等)和圖像內(nèi)容描述特征。提取圖像灰度信息，雖然豐富但是信息量大，計(jì)算復(fù)雜度高。圖像受到光照和噪聲影響導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果差異很大；采用物理特征計(jì)算得到的特征數(shù)量明顯要少，適應(yīng)性強(qiáng)，但是對于圖像畸變旋轉(zhuǎn)的情況，提取的圖像特征產(chǎn)生誤差；提取圖像的內(nèi)容描述特征，是目前最常用的方法，具有良好的抗干擾性，抗旋轉(zhuǎn)和尺寸變化的特點(diǎn)，但當(dāng)圖像特征不明顯時(shí)，提取的特征少，用于特征計(jì)算效果不明顯，目前還沒有哪種算法能夠在任何情況下都能得到良好的圖像信息，因此選擇何種信息提取的方法，取決于算法應(yīng)用范圍。
（3）確定待拼接圖像序列。由于每臺(tái)攝像機(jī)的位置固定，且僅需進(jìn)行相鄰攝像機(jī)拍攝所得圖像的拼接，所以不需考慮圖像拼接的順序問題。但是，由于拼接圖像顯示的是列車行駛前方的軌道環(huán)境，因而需要根據(jù)列車的位置判斷拼接圖像的范圍，確定待拼接的圖像序列。
（4）圖像配準(zhǔn)技術(shù)。圖像配準(zhǔn)是圖像拼接的核心部分，主要是將不同時(shí)間、不同傳感器(成像設(shè)備)或不同條件下(氣候、照度、攝像位置和角度等)獲取的同一場景的兩幅或多幅圖像進(jìn)行匹配、疊加或處理的過程。通過對準(zhǔn)，可以計(jì)算出一個(gè)場景的不同視圖之間的點(diǎn)到點(diǎn)的映射。
?。?）圖像合成技術(shù)。由于圖像間存在光照變化，若將配準(zhǔn)后圖像直接拼接在一起，會(huì)出現(xiàn)明顯的拼接痕跡，所以在圖像融合過程中必須找一個(gè)恰當(dāng)?shù)暮铣伤惴?，使的最終的拼接圖像沒有明顯的拼接縫隙。
4 結(jié)束語
通過在軌道沿線布置多個(gè)攝像機(jī)分別獲取各自圖像，利用圖像拼接技術(shù)將多個(gè)攝像機(jī)的圖像拼接成一幅覆蓋較遠(yuǎn)距離的視頻景象，并利用無線傳輸系統(tǒng)將該影像發(fā)送給運(yùn)行中的列車，使司機(jī)能夠?qū)崟r(shí)獲得前方數(shù)公里遠(yuǎn)的線路環(huán)境影像。這種遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)采用機(jī)器視覺、圖像處理與現(xiàn)代通訊技術(shù)將列車前方的景象發(fā)送給列車司機(jī)，能提高司機(jī)處置危險(xiǎn)的能力，避免事故的發(fā)生。
