CN108426902B - 一种基于视频的运动车辆位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于视频的运动车辆位置检测方法，该检测方法包括两部分：在视频图像中的一级、二级传送带位置分别勾画闭合的电子围栏A、B，实时统计电子围栏A、B区域内非零像素和，以时间为横坐标，像素和为纵坐标形成“时间‑像素和”函数图，根据函数图检测车头进入电子围栏A的上升沿与车尾离开电子围栏B的下降沿，根据上升沿、下降沿控制X射线出束的启动与停止。本发明的优点在于：电子围栏设置更为灵活。基于摄像头的视频处理方式，系统能够智能检测车辆的位置，在能达到红外探测的等效效果同时保证较好的鲁棒性。摄像头装置在设备维修、拆卸、更换等方面均更为方便，成本也可控。

Description

一种基于视频的运动车辆位置检测方法

技术领域

本发明涉及辐射成像领域的车辆安检系统，一种基于视频的运动车辆位置检测方法，对行驶中的车辆进行位置检测，用以控制X射线出束和拖车传送带启停。

背景技术

在海港、陆路边境口岸，基于X射线的安检设备在公共安全、打击走私等方面承担着至关重要的角色。目前，在乘用车、集装箱车等待检设备的安检通道中，主流安检系统均采用红外线对位装置。对车辆拖动传送带和X射线出束的启停控制信号均根据红外线感应的变化发出相应的指令。

图1是传统的基于红外探测对位方式的乘用车安检系统的安检通道结构示意图。其安检过程是：乘用车由拖车轨道一级传送带拖动，送往安检通道进行安检。当车头触碰到红外对位标线1时，启动安检系统的X射线源出束指令，由L型X射线探测器进行辐射成像。当车轮触碰到红外对位标线3时，启动拖车轨道二级传送带，并升起二级传送带上拖车挡板，固定住车轮，接力一级传送带继续前行。当车尾越过红外对位标线2时，发出停止X射线源出束指令，结束安全检测。

基于红外线探测的对位方式，利用红外射线的发射、接收进行车辆位置定位，在理想环境下，该方式能够取得比较好效果。但是在非理想的条件下，红外线对位方式主要存在着两个缺陷：(1)抗干扰性不够鲁棒，在过车期间，发射红外线不慎被无关外物遮挡，势必会造成控制信号的误发射；(2)装置的灵活性不够，一旦红外装置安装到安检门的某个固定的位置上后，位置移动、拆卸维修等比较麻烦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于视频的运动车辆位置检测方法,采用摄像头代替红外线探头，提出一种基于计算机视觉的运动目标定位与测距的算法，用以控制安检指令启停。

本发明的技术方案为：一种基于视频的运动车辆位置检测方法，其特征在于：该检测方法包括两部分：(1)在视频图像中的一级、二级传送带位置分别勾画闭合的电子围栏A、B，电子围栏大小与准确位置根据实际情况调试。当车辆通过检测通道时，实时统计电子围栏A、B区域内非零像素和，以时间为横坐标，像素和为纵坐标形成“时间-像素和”函数图，根据函数图检测车头进入电子围栏A的上升沿与车尾离开电子围栏B的下降沿，根据上升沿、下降沿控制X射线出束的启动与停止；(2)车辆前轮重心与传送带推杆水平距离检测，用于二级传送带的启动控制。

车头进入电子围栏A与车尾驶离电子围栏B区像素和的上升沿与下降沿检测算法中，本发明通过图9示意图的技术方案实现，包括以下步骤：

步骤1.1：对摄像头进行标定和校正。

步骤1.2：设置车头进入检测电子围栏A、车尾离开检测电子围栏B。

步骤1.3：计算二帧差分图像M1。

步骤1.4：对图像M1先后进行3×3掩模腐蚀、5×5掩模膨胀、二值化处理，得到图像M2。

步骤1.5：对图像M2非零像素做线性规划，找出顶点序列P1，P1，P3…Pn，对顶点序列进行连接，描绘成包络图，包络图像素值填充为255白色，得到车辆非零平面包络区域。

步骤1.6：对平面包络区域进入到电子围栏A，B区域计算非零像素和，得到A，B区域非零像素和在时序上的“时间-像素和”函数图像。

步骤1.7：实时对“时间-像素和”函数图进行上升沿H和下降沿L的检测，根据检测得到的H、L信号发出控制X射线开启关闭指令；

在拖车轨道传送带的启停控制算法中，为确定拖车轨道二级传送带上的拖车挡板何时被启用的问题，包括以下步骤；

步骤2.1：对摄像头进行标定和校正；

步骤2.2：设置位置与传送带推杆位置重合的电子围栏C；

步骤2.3：对车辆图像进行高斯模糊，边缘增强预处理，得到图像N1；

步骤2.4：对图像N1进行最小二乘拟合圆计算；轮胎满足方程：

〔x-a〕²+〔y-b〕²＝r²........................................I

因为存在随机误差，所以像素点P_i〔x_i，y_i〕不可能始终落在圆周上，它的误差为：

其中，令u＝-2a，v＝-2b，w＝a²+b²-r²；

求解方程的问题转化为以u，v，w未知量的多元函数极值问题，根据多元函数的极值条件可以求出u，v，w的值，进一步计算可得最小二乘拟合圆的圆心(a，b)和半径r，运算公式如下：

其中，N是轮胎边缘点的个数，F_i是关于u、v、w的函数的简写。

最小二乘拟合圆的圆心与半径的求解满足的极值条件F_i对自变量u、v、w的偏微分方程等于0，公式如下：

极值条件是：

通过Ⅲ、Ⅳ方程可以计算出拟合圆的圆心(a,b)和半径r；

步骤2.5：计算圆心与挡板槽之间的水平像素距离

当距离达到一定的阈值时，固定拖车挡板，启动拖车轨道二级传送带指令，接力拖动待检车辆继续前行。

本发明的优点在于：(1)电子围栏设置更为灵活。用户可以根据实际情况，有针对性地在安检通道场景图像上设置电子围栏。(2)基于摄像头的视频处理方式，系统能够智能检测车辆的位置，在能达到红外探测的等效效果同时保证较好的鲁棒性。(3)摄像头装置在设备维修、拆卸、更换等方面均更为方便，成本也可控。(4)本发明提出的算法复杂度较低，满足中低处理器计算实时性要求。

附图说明

图1是传统基于红外探测对位方式的安检通道结构示意图。

图2是基于摄像头运动目标定位与测距的乘用车安检系统的安检通道结构示意图。

图3是正前上方摄像头图像中电子围栏A、B设置示意图。

图4是运动车辆二帧差分轮廓图像。

图5是二阶差分处理之后的车辆包络二值图。

图6是车尾离开电子围栏B区示意图。

图7是A区B区非零像素和函数图像(H上升沿，L下降沿)示意图。

图8是侧面摄像头图像车轮与拖车挡板位置测距示意图,计算L^距离示意图

图9是基于摄像头的X射线出束指令启停控制算法流程图

图10是基于摄像头的拖车轨道传送带的启停控制算法流程图

图中：1-用于车头检测的红外对位标线发射器，2-用于车尾检测的红外对位标线发射器，3-用于车轮检测的红外对位标线发射器，4-拖车挡板，5-L型X射线探测器，6-拖车轨道二级传送带，7-短焦广角高清摄像头，8-广角高清摄像头，A-车头检测电子围栏区域，B-车尾检测电子围栏区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例做进一步详细描述。

图2是改进型安检通道示意图，在待检车辆被拖动的行进方向正前上方，也可以是通道的斜侧方，布置一个广角高清摄像头8，用于检测定位车头和车尾位置。在安检通道近拖车轨道侧面低处布置一个短焦广角高清摄像头7，用于检测待检车辆车轮、测量车轮与拖车挡板槽的距离。

采用可编程方式，广角高清摄像头8中嵌入车头车尾位置检测用以控制X射线出束指令的算法。侧面短焦广角高清摄像头7嵌入轮胎重心检测用以控制二级拖车轨道传送带的启停指令的算法。

先对短焦广角高清摄像头7和广角高清摄像头8均进行标定和校正，计算各自的畸变系数，使摄像头能得到无畸变的图像。这里我们考虑径向畸变和切向畸变两种模型，确定5个畸变参数的值，用于后续校正。通过标定相机，也可以建立起像素距离与实际距离的关系表，为后续将图像中各点的位置关系转化为实际位置关系奠定基础。

在X射线出束指令启停控制算法中，预设的电子围栏A,B垂直于拖车轨道车辆前行方向。计算电子围栏范围内的非零像素和。同时，利用基于二帧差分的方法，实时地将待检车辆轮廓完整地从静态固定背景中分割出来，对车辆轮廓图进行形态学预处理，通过线性规划求出轮廓顶点集合，根据顶点集合画出车辆精确范围的包络图。接着，以此为基础(1)对电子围栏A区的非零像素进行统计。当像素由0增加到8000以上，通过上升沿检测算法判断车头进入A区，发出X射线出束指令，开始安检。(2)对电子围栏B区的非零像素进行统计。当像素由8000以上迅速降低到0，通过下降沿检测算法判断车尾离开B区，意味着车尾越过了电子围栏，结束安检，发出停止X射线出束指令。

在拖车轨道传送带的启停控制算法中，抓取采样帧，对帧图像进行高斯模糊、边缘增强等预处理，对图像中的点进行拟合圆遍历搜索，当公式Ⅲ达到最小值时算法收敛，得到圆心坐标与半径，通过设置的电子围栏的距离计算出L长度，根据挡板高度h，可以计算出挡板与轮胎边缘的像素距离

换算图像坐标距离与实际物理距离之间的关系，当距离达到一定的阈值(如车轮半径等)时，固定拖车挡板，启动拖车轨道二级传送带指令，拖动待检车辆继续前行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于视频的运动车辆位置检测方法，其特征在于：该检测方法包括两部分：(1)在视频图像中的一级、二级传送带位置分别勾画闭合的电子围栏A、电子围栏B，电子围栏大小与准确位置根据实际情况调试；当车辆通过检测通道时，实时统计电子围栏A、电子围栏B区域内非零像素和，以时间为横坐标，像素和为纵坐标形成“时间-像素和”函数图，根据函数图检测车头进入电子围栏A的上升沿与车尾离开电子围栏B的下降沿，根据上升沿、下降沿控制X射线出束的启动与停止；(2)车辆前轮重心与传送带推杆水平距离检测，用于二级传送带的启动控制；

车头进入电子围栏A与车尾驶离电子围栏B区像素和的上升沿与下降沿检测算法中包括以下步骤：

步骤1.1：对摄像头进行标定和校正；

步骤1.2：设置车头进入检测电子围栏A、车尾离开检测电子围栏B；

步骤1.3：计算二帧差分图像M1；

步骤1.4：对图像M1先后进行3×3掩模腐蚀、5×5掩模膨胀、二值化处理，得到图像M2；

步骤1.5：对图像M2非零像素做线性规划，找出顶点序列P1，P1，P3…Pn，对顶点序列进行连接，描绘成包络图，包络图像素值填充为255白色，得到车辆非零平面包络区域；

步骤1.6：对平面包络区域进入到电子围栏A,B区域计算非零像素和，得到A,B区域非零像素和在时序上的“时间-像素和”函数图像；

步骤1.7：实时对“时间-像素和”函数图进行上升沿H和下降沿L的检测，根据检测得到的H、L信号发出控制X射线开启关闭指令；

在拖车轨道传送带的启停控制算法中，为确定拖车轨道二级传送带上的拖车挡板何时被启用的问题，包括以下步骤；

步骤2.1：对摄像头进行标定和校正；

步骤2.2：设置位置与传送带推杆位置重合的电子围栏C；

步骤2.3：对车辆图像进行高斯模糊，边缘增强预处理，得到图像N1；

步骤2.4：对图像N1进行最小二乘拟合圆计算；轮胎满足方程：

〔x-a〕²+〔y-b〕²＝r²........................................Ⅰ

因为存在随机误差，所以像素点P_i〔x_i，y_i〕不可能始终落在圆周上，它的误差为：

其中，令u＝-2a，v＝-2b，w＝a²+b²-r²；

求解方程的问题转化为以u,v,w未知量的多元函数极值问题，根据多元函数的极值条件可以求出u,v,w的值，进一步计算可得最小二乘拟合圆的圆心(a，b)和半径r，运算公式如下：

其中，N是轮胎边缘点的个数，F_i是关于u、v、w的函数的简写；

最小二乘拟合圆的圆心与半径的求解满足的极值条件F_i对自变量u、v、w的偏微分方程等于0，公式如下：

极值条件是：

通过Ⅲ、Ⅳ方程可以计算出拟合圆的圆心(a,b)和半径r；

步骤2.5：计算圆心与挡板槽之间的水平像素距离

当距离达到一定的阈值时，固定拖车挡板，启动拖车轨道二级传送带指令，接力拖动待检车辆继续前行。

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