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(yùn)營(yíng)有限公司,廣州 511457)

引言

軌道交通具有快速、經(jīng)濟(jì)、便捷、準(zhǔn)時(shí)等優(yōu)勢(shì),成為居民出行的優(yōu)選。為保障乘客安全和實(shí)現(xiàn)軌道交通公交化,車(chē)站在軌行區(qū)和站臺(tái)候車(chē)區(qū)間安裝了站臺(tái)門(mén),同時(shí)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(chē)發(fā)車(chē)間隔在120～180 s,在站列車(chē)關(guān)門(mén)到發(fā)車(chē)的時(shí)間一般設(shè)計(jì)較短(15 s以?xún)?nèi)),如果出現(xiàn)了異物或異物誤報(bào)事件,站務(wù)員難以在短時(shí)間完成長(zhǎng)130～460 m的站臺(tái)排查,極易造成列車(chē)的大規(guī)模延誤。因而,設(shè)置自動(dòng)檢測(cè)站臺(tái)門(mén)與列車(chē)間異物及定位系統(tǒng),將會(huì)有效提高處理異物的效率,降低延誤時(shí)間和減少站務(wù)員數(shù)量。

對(duì)于間隙的探測(cè),已有許多相關(guān)的檢測(cè)算法與系統(tǒng),原理上可分為:(1)基于紅外[2]、激光對(duì)射方案;(2)基于激光掃描方案[3];(3)基于機(jī)器視覺(jué)頂置式方案[4-5]和側(cè)裝式方案[6-7]。紅外、激光對(duì)射的方案原理上無(wú)法實(shí)現(xiàn)異物定位,且易受震動(dòng)、折射光干擾,誤報(bào)率高。激光掃描的方案,可通過(guò)飛行時(shí)間(TOF)原理測(cè)量異物位置[8],但由于探測(cè)距離較短(0～15 m[3]),需要多套設(shè)備才能覆蓋站臺(tái),成本較高。且受光束密度的影響,對(duì)小異物探測(cè)效果較差,存在盲區(qū)。機(jī)器視覺(jué)的頂置式方案,雖然可以測(cè)量異物位置和尺寸[4],以及異物分類(lèi)[9],但設(shè)備需要在每扇門(mén)進(jìn)行安置,成本較高。同時(shí)受限于安裝方式,系統(tǒng)無(wú)法在半高門(mén)的站臺(tái)上安裝使用。而現(xiàn)有的機(jī)器視覺(jué)側(cè)裝式方案,在地上和地下站臺(tái)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(duì)130～460 m內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)的異物進(jìn)行高精度定位,目前還沒(méi)有研究出合適的定位方法。

理論上雙目可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距,目標(biāo)物體到攝像頭的距離可由視差、焦距和基線通過(guò)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(zhǎng)度等因素[14],一般的雙目系統(tǒng)測(cè)距范圍多在15 m內(nèi),遠(yuǎn)距離測(cè)量(50 m以上)的精度較低。雖然可以通過(guò)加大焦距[15]、增大基線距離[16]提高遠(yuǎn)距離測(cè)距精度,但會(huì)導(dǎo)致視場(chǎng)角過(guò)小,近距離存在較大盲區(qū);并且由于焦距越長(zhǎng)景深就越小,無(wú)法在所有距離都獲得清晰的成像,定焦雙目系統(tǒng)的測(cè)距范圍較窄,遠(yuǎn)距離時(shí)相機(jī)標(biāo)定[17-18]也會(huì)存在困難。有學(xué)者通過(guò)建立新的測(cè)距模型,降低了由于焦距[19]、基線[20]帶來(lái)的誤差,但測(cè)距范圍沒(méi)有明顯改善。有學(xué)者通過(guò)變焦系統(tǒng)[21]、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)基線長(zhǎng)度[22]等方法提高雙目系統(tǒng)的同步能力和測(cè)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(shí),搜尋物體以及對(duì)焦過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng),難以滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)。

為此,針對(duì)上述問(wèn)題,提出一種地鐵、城際和高鐵通用的基于機(jī)器視覺(jué)的四目異物檢測(cè)與定位裝置,并提出一種新的四目定位方法,意圖實(shí)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(jì)規(guī)范》和TB 10623—2014《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》,地鐵直線站臺(tái)門(mén)的滑動(dòng)門(mén)體至車(chē)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(tái),通過(guò)分別在車(chē)頭、車(chē)尾方向的站臺(tái)門(mén)立柱上設(shè)置平行等長(zhǎng)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(guò)瞭望燈帶限界,構(gòu)成一個(gè)基于機(jī)器視覺(jué)的四目異物檢測(cè)與定位裝置,如圖1所示。

圖1 窄間隙站臺(tái)系統(tǒng)安裝示意

而對(duì)于城際和高鐵,TB 10623—2014《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中未給出明確的正線站臺(tái)門(mén)安裝位置標(biāo)準(zhǔn)[24]。站臺(tái)邊緣到站臺(tái)門(mén)的凈距一般介于0.2～2 m之間[25],正線站臺(tái)一般為1.2 m,將>0.2 m視作寬間隙站臺(tái)。由于高鐵城際正線站臺(tái)的擁擠程度相對(duì)較低,其異物事件多遺留于風(fēng)險(xiǎn)空間中,考慮到異物一般會(huì)落于地面,故僅對(duì)地面進(jìn)行檢測(cè),已經(jīng)可以滿足實(shí)際運(yùn)營(yíng)要求。考慮隧道風(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(tái)系統(tǒng)安裝示意

1.2 四目測(cè)距模型

根據(jù)上文所述的安裝方式,四目測(cè)距模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)二維模型。同時(shí)將異物近似化為平行于燈帶的長(zhǎng)方形,以減少未知的參數(shù)數(shù)量。而由于近似點(diǎn)與原坐標(biāo)點(diǎn)差距在數(shù)百米的檢測(cè)區(qū)域中占比極小,對(duì)測(cè)距精度影響極小。下面以攝像頭1為例,對(duì)四目定位模型展開(kāi)說(shuō)明,當(dāng)檢測(cè)區(qū)域中異物被攝像頭1捕獲,且未遮擋燈帶兩端時(shí),如圖3所示。圖中字母含義說(shuō)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(zhǎng)度;Y為物體寬度;L為燈帶長(zhǎng)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(diǎn)到遮擋處指定端點(diǎn)的長(zhǎng)度(a為攝像頭編號(hào)1～4,b=1時(shí)為上端,b=2時(shí)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(guò)物體至對(duì)側(cè)燈帶構(gòu)建出兩對(duì)相似三角形,Δabe～Δcde,則有de/be=cd/ab,同時(shí)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(zhǎng)度L、兩側(cè)燈帶之間的距離I為已知信息,可通過(guò)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)情況得到,而Lab可以根據(jù)攝像頭拍攝的圖像測(cè)量燈帶剩余長(zhǎng)度得到。未知參數(shù)為I1、H、X、Y四個(gè)未知數(shù),需要4個(gè)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(guò)測(cè)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(zhǎng)寬信息X、Y,從而實(shí)現(xiàn)異物定位以及異物大小估計(jì)。

當(dāng)異物存在其他位置時(shí),可根據(jù)4臺(tái)攝像機(jī)測(cè)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(guò)4個(gè)攝像頭對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行雙冗余檢測(cè),當(dāng)物體出現(xiàn)在檢測(cè)區(qū)域,且未完全遮掩所有燈帶時(shí),至少有2個(gè)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(gè)未知數(shù),部分情況無(wú)法求解。為此,基于簡(jiǎn)化消元思想,可通過(guò)忽略遠(yuǎn)小于站臺(tái)長(zhǎng)度的物體大小X、并在求解物體上頂點(diǎn)位置坐標(biāo)時(shí),將參數(shù)H和Y視作單個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,利用獲得的2條方程至少可求解物體上頂點(diǎn)坐標(biāo)(I1,H+Y)或下頂點(diǎn)坐標(biāo)(I1,H)中的其中一項(xiàng),從而實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)單異物定位。

1.3 投影值的測(cè)量

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

(1)燈帶模板檢測(cè)

在檢測(cè)區(qū)間無(wú)異物時(shí),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(wú)干擾的二值化圖片,如圖4所示。進(jìn)行連通域分析,取最長(zhǎng)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(zhǎng)度wmod、高度hmod、起點(diǎn)坐標(biāo)(xstart,ystart)和終點(diǎn)坐標(biāo)(xend,yend)。

圖4 燈帶模板二值圖

(2)異物探測(cè)方法

檢測(cè)時(shí)對(duì)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(zhǎng)度wi、高度hi、起點(diǎn)坐標(biāo)(xi_start,yi_start)和終點(diǎn)坐標(biāo)(xi_end,yi_end),其中i∈[1,n]。由于燈帶被遮擋時(shí),燈帶的長(zhǎng)度會(huì)變短,而當(dāng)異物未遮擋燈帶兩端時(shí),燈帶會(huì)被遮擋成多段區(qū)域,可通過(guò)長(zhǎng)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(zhǎng)連通域的長(zhǎng)度;wt為長(zhǎng)度判斷閾值。

(3)Lab測(cè)量方法

檢測(cè)區(qū)間判斷存在異物時(shí),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(zhǎng)度轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實(shí)長(zhǎng)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(shí)長(zhǎng)度(已知值);cf為像素點(diǎn)到現(xiàn)實(shí)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(hào)1～4,測(cè)量示例如圖5所示。

圖5 存在異物時(shí)攝像頭處理二值圖

2 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文方法,選擇在廣東地鐵、城際站臺(tái)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試,城際寬站臺(tái)相機(jī)頂部距地高度6 cm,地鐵窄站臺(tái)相機(jī)外側(cè)距站臺(tái)滑動(dòng)門(mén)門(mén)框3 cm,拍攝距離約180 m處1.1 m燈帶圖像中燈帶長(zhǎng)度方向約占350個(gè)像素點(diǎn),可通過(guò)改變焦距和采用高分辨率攝像機(jī),使400 m距離約占300個(gè)像素點(diǎn)。設(shè)備包括相機(jī)以及燈帶,其外形如圖6所示。

圖6 設(shè)備外形

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地包含地鐵、城際地下站臺(tái)及城際戶外站臺(tái),異物實(shí)際放置距離由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到,實(shí)驗(yàn)的具體條件及結(jié)果如表1所示。

表1 異物定位測(cè)試結(jié)果

由表1可知,定位算法在低干擾情況下(實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)距誤差為0.126 m到0.998 m,平均相對(duì)誤差達(dá)3.52%;羅珺[27]實(shí)現(xiàn)了30～90 m的雙目測(cè)距,測(cè)距誤差從1.2 m升至6.9 m,誤差明顯增長(zhǎng);劉詩(shī)婷等[21]通過(guò)變焦超分辨率的方法,在9.333 m時(shí)誤差0.378 m,相對(duì)誤差4.05%,在167 m時(shí)誤差為3.335 m,且遠(yuǎn)距離時(shí)更換了鏡頭;劉暢[28]的雙目系統(tǒng)白天在177.4 m時(shí)測(cè)距誤差為4.24 m,而晚上在100 m時(shí)測(cè)距誤差為3.3 m;DENG[29]利用相機(jī)+GPS+慣性測(cè)量單元實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離測(cè)距,在距離200 m時(shí)誤差35 m,距離500 m時(shí)誤差87 m,總體誤差17%?？梢?jiàn),傳統(tǒng)雙目遠(yuǎn)距離測(cè)距的誤差隨著目標(biāo)距離增長(zhǎng)顯著增加,在相同距離下測(cè)距精度普遍低于本文方法,一些近距離測(cè)距的平均相對(duì)誤差也不及本文方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法在遠(yuǎn)距離測(cè)距時(shí)的測(cè)量精度得到了提升。

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

表2 實(shí)驗(yàn)2定位詳細(xì)數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)3中,由于列車(chē)在站時(shí)存在強(qiáng)氣流擾動(dòng),像素點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)一定程度的飄移,導(dǎo)致Lab的測(cè)量存在一定偏差,本文取多幀圖像測(cè)量Lab均值以降低誤差,11次測(cè)試平均誤差為3.26 m,仍?xún)?yōu)于部分未考慮干擾的同距離下的傳統(tǒng)雙目測(cè)距系統(tǒng)。在強(qiáng)氣流干擾下仍然可以實(shí)現(xiàn)較高精度的遠(yuǎn)距離測(cè)距,體現(xiàn)了其穩(wěn)定性與抗干擾能力。

實(shí)驗(yàn)4～實(shí)驗(yàn)6為3個(gè)不同寬度(5,7.5,20 cm)的測(cè)試物體,分別依次放置在18個(gè)測(cè)試門(mén)檢測(cè)區(qū)域的上、中、下3個(gè)位置,如圖7所示。根據(jù)結(jié)果可知,異物寬度對(duì)測(cè)距誤差無(wú)明顯關(guān)系。圖8為實(shí)驗(yàn)5前9項(xiàng)定位誤差數(shù)據(jù),由圖8可知,異物在檢測(cè)區(qū)域放置的位置不同,測(cè)量結(jié)果稍有波動(dòng)但無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。

圖7 實(shí)驗(yàn)4～實(shí)驗(yàn)6測(cè)試物體與測(cè)試位置

圖8 實(shí)驗(yàn)5前9項(xiàng)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(cè)距范圍下的對(duì)比,由表可知,本文方法相較傳統(tǒng)雙目定位方法,無(wú)需復(fù)雜的光學(xué)變焦系統(tǒng)和調(diào)整相機(jī)間基線距離就可在規(guī)定檢測(cè)區(qū)內(nèi),實(shí)現(xiàn)寬范圍(0～460 m)高精度測(cè)距,且在成本、體積、實(shí)時(shí)性上具有突出優(yōu)勢(shì),缺點(diǎn)是需要預(yù)設(shè)背景參考物,以及僅能實(shí)現(xiàn)單個(gè)物體測(cè)距。但由于異物風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率較低[30],難以同時(shí)出現(xiàn)2個(gè)及以上異物風(fēng)險(xiǎn),單個(gè)異物的檢測(cè)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(shí)驗(yàn)5部分測(cè)試情況如圖9所示,其中,上圖為異物放置現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算得到的異物所處位置的車(chē)門(mén)號(hào),方便定點(diǎn)排查。其中,圖9(a)為7.5 cm異物放置6號(hào)門(mén),正確輸出;圖9(b)為7.5 cm異物放置11號(hào)門(mén),正確輸出。

圖9 異物現(xiàn)場(chǎng)及操作端圖像

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)軌道交通站臺(tái)與列車(chē)門(mén)間隙的異物定位問(wèn)題,提出了基于機(jī)器視覺(jué)的四目異物檢測(cè)與定位方法,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、寬檢測(cè)范圍的異物檢測(cè)及單異物高精度定位。該方法通過(guò)預(yù)設(shè)背景參考物,降低了對(duì)環(huán)境光的依賴(lài)以及圖像配準(zhǔn)難度。通過(guò)將三角測(cè)距模型外置,提高了遠(yuǎn)距離測(cè)距精度。通過(guò)將測(cè)量對(duì)象從傳統(tǒng)雙目中獨(dú)立的像素點(diǎn),轉(zhuǎn)換成對(duì)整個(gè)燈帶的剩余長(zhǎng)度測(cè)量,降低了對(duì)相機(jī)標(biāo)定的依賴(lài),提高了測(cè)距的穩(wěn)定性、抗干擾性,為實(shí)現(xiàn)氣流擾動(dòng)下的準(zhǔn)確測(cè)量提供了基礎(chǔ)。通過(guò)四目相互提供定位信息,實(shí)現(xiàn)了無(wú)盲區(qū)定位,拓寬了系統(tǒng)的測(cè)距范圍。該方法所需裝置對(duì)處理單元、相機(jī)要求較低,系統(tǒng)成本低、易實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明,本文方法在超大超長(zhǎng)距離(寬1.1 m,長(zhǎng)0～460 m范圍內(nèi))定位上有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì),且成功落地到廣東省城際鐵路站臺(tái)實(shí)際工程應(yīng)用中,在特殊應(yīng)用場(chǎng)景如地鐵、城際站臺(tái)存在很高的應(yīng)用價(jià)值及現(xiàn)實(shí)意義,同時(shí)為傳統(tǒng)雙目測(cè)距提供了一個(gè)全新的實(shí)現(xiàn)思路。

后續(xù)研究將在以下2個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)與提高:①研究針對(duì)戶外站臺(tái)復(fù)雜環(huán)境光變化的燈帶提取算法;②研究列車(chē)在站時(shí)氣流干擾對(duì)燈帶長(zhǎng)度測(cè)量的影響及消擾方法。