CN112183325B - 基于图像对比的公路车辆检测方法 - Google Patents

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Abstract

基于图像对比的公路车辆检测方法，涉及公路运输领域。本发明是为了解决现有公路车辆检测方法采用人工检测效率低、成本高且依赖异常图像数据的问题。本发明的具体步骤为：获取采集并识别车辆图像并建立的数据库；将原始图像转换为灰度图像并进行背景消除；将处理后的正常与待检测图像进行配准；检测异常区域。

Description

基于图像对比的公路车辆检测方法
技术领域
本发明涉及公路运输领域的车辆故障检测方法。
背景技术
随着公路运输行业的迅猛发展，车辆的故障检测成为公路运输领域的关注重点。随车公路车辆行驶密度越来越大，行驶的速度不断提高，对公路车辆故障检测就产生了一定的要求，合理的公路车辆检测方法可以在快速检测公路车辆故障的同时保证故障检测准确率，从而提升行车安全。
目前检测车辆故障采用人工检测的方法有一定的人为干扰因素，导致目前检测车辆故障不仅人力成本偏高且检测效率低下；目前采用的深度学习目标检测方法对车辆进行故障检测需要依赖异常图像数据，但是公路车辆种类众多，结构差异大，因此异常图像数据不容易获得，因此使用深度学习目标检测方法应用起来有一定的现实困难。
发明内容
本发明目的是为了解决现有公路车辆检测方法采用人工检测效率低、成本高且依赖异常图像数据问题，而提出了基于图像对比的公路车辆检测方法。
基于图像对比的公路车辆检测方法具体过程为：
步骤一、获取采集并识别车辆图像并建立的数据库；
所述数据库中存储正常车辆底盘的图像和待检测车辆底盘的图像；
步骤二、将原始图像转换为灰度图像并进行背景消除；
所述原始图像包含正常图像和待检测图像
步骤三、将步骤二处理后的正常图像与待检测图像进行配准；
步骤四、检测异常区域。
本发明的有益效果为：
本发明利用图像自动识别方式代替人工检测排除了人为干扰、降低了人力成本进而提高了车辆检测效率；本发明采用历史图像对比方法结合改进的基于梯度图像配准方法，对比同一车辆正常图像与待检测图像，不仅减少了检测中对异常图像数据的依赖，还提升了图像配准的准确率进而提升了故障检测的准确率。
附图说明
图1为基于图像对比的公路检测方法整体流程图；
图2为待检测车辆底盘图像；
图3为正常车辆底盘图像；
图4为去除背景的待检测车辆底盘图像；
图5为去除背景并配准的正常图像，通过仿射变换和列像素平移进行配准；
图6为去除背景并配准的正常图像，只通过仿射变换进行配准。
具体实施方式
具体实施方式一：基于图像对比的公路车辆检测方法，具体过程为：
步骤一、获取采集并识别车辆图像并建立的数据库：
采用线阵相机采集正常车辆和待检测车辆的底盘图像；
采用高清相机采集并识别正常车辆和待检测车辆的车牌号图像；
所述数据库存储正常车辆的底盘图像和车牌号，一个车牌号对应一个正常底盘图像。
步骤二、将原始图像转换为灰度图像并进行背景消除，具体过程为：
所述原始图像包含正常图像和待检测图像；
步骤二一、确定车辆底盘图像的背景区域：
根据线阵相机的特点，相机拍摄位置固定，在不存在运动物体时其拍摄的每列图像都为同一背景，像素值比较相似，将每一列像素看成一个向量，图像第一列像素为背景，且与第一列向量余弦相似度小于0.9的区域都是背景区域；
所述背景为图像中没有出现车体的部分。
步骤二二、消除原始图像的背景：
(1)求出图像a的背景向量的平均向量；
所述图像a为阵列相机拍摄的车辆底盘图像；
(2)获得背景区域像素值接近0的图像b；
所述图像b的获得方法为：将原始图像的每一列都减去图像a的背景向量的平均向量并取绝对值；
(3)用opencv中的threshold函数和findContours函数对图像b进行二值化并检测图像b中的物体轮廓，保留轮廓面积大于图像面积十分之一的轮廓；
(4)利用(3)中求出的图像b中保留的物体轮廓的坐标在图像a中定位得到图像a中的物体轮廓，轮廓内的像素为前景，轮廓外的像素为背景；
(5)将图像b的背景与(4)中获得的图像a中的前景结合，获得消除背景后的图像。
步骤三、将步骤二处理后的正常图像与待检测图像进行配准，具体过程为：
步骤三一、将消除背景后的正常图像仿射变换；
仿射变换包括图像整体的平移、旋转、缩放。
如果仅发生由于车辆行驶角度不同造成的图片中车身不同程度旋转，由于车速不同造成的车辆整体长度变化，以及由于车辆行驶位置不同造的成车身在图片中上下方向的偏移量变化的问题；
步骤三二、将消除背景后图像整列像素平移：
Qij＝Pij+Sj
其中，Qij图像平移后像素的位置，Pij为像素所在的初始位置，i表示像素所在的行，j表示像素所在的列，Sj为第j列像素平移的距离；
加入正则项限制列像素的平移：
Figure GDA0002955694250000031
Sj代表第j列的平移距离，K代表两列编号的差距，m代表限制的范围，只对相距m列以内的列进行限制，L1是图像的列数；
所述限制列像素平移的方式为：正则项计算后乘以系数(通过试验选择合适的系数，系数过大平移效果不明显，过小会使图像失真)，通过系数调整正则项对平移限制的程度。
步骤三三、运用插值法计算平移后图像的每个像素，从而获得平移后的图像；
步骤三四、计算平移后图像与待检测图像的SSIM值：
Figure GDA0002955694250000032
其中，x是待检测图像，y是变换后的正常图像，μx是x所有像素的平均值，μy是y所有像素的平均值，
Figure GDA0002955694250000033
是x所有像素的方差，
Figure GDA0002955694250000034
是y所有像素的方差,σxy是x和y所有像素的协方差，C1＝(k1L')2,C2＝(k2L')2是用来维持稳定的常数，L’是像素值的动态范围，k1＝0.01，k2＝0.03，SSIM(x，y)是待检测图像和正常图像的结构相似性。
步骤三五、根据SSIM值计算损失函数；
所述损失函数为SSIM值的相反数与正则项的和；
步骤三六、对损失函数进行迭代优化，达到迭代次数时停止优化；
步骤三七、根据优化后得到的变换参数对消除背景后的正常图像进行变换，得到配准后的图像。
步骤四、检测异常区域，具体过程为：
步骤四一、获取配准后图像的局部特征图：
所述图像高为H，宽为W；
配准后的图像在Resent 50网络中经过5次下采样，获得高度变为原图的1/32，宽度变为原图的1/32，通道数变为2048的P5层特征；
将图像进行一次步长为2的卷积后，得到高为H/64，宽为W/64，通道数为256的局部特征图；
所述特征图中每个位置是一个256维的向量，每个向量代表原图对应位置64*64局部图像的特征；
步骤四二、分别计算正常图像与待检测图像的局部特征向量：
所述局部特征向量通过局部相似性网络训练获得，训练后相似的局部图像其对应的向量接近，不同的局部图像对应的向量距离较远；
所述局部特征向量是对局部特征图的向量表示；
所述局部相似性网络训练的具体过程为：
(1)采集样本：
相同车辆不同时间的两张图像为一组样本；
(2)对每组样本进行配准：
所述配准方法为步骤三中的配准方法；
(3)对配准后的每组样本中取一张图像进行处理：
首先，对图像进行分格，每个格子对应64*64的子图；
然后，随机选取一定数量的子图保持不变，剩余子图进行随机赋值并组成大图，然后进行标记；
所述赋值为取图像其他位置的局部图像对子图进行赋值；
所述标记方法为将不变的子图标记为1，其余子图标记为0；
最后，将重组后的图像输入网络，得到一组特征向量(每个特征向量对应一个子图)；
(4)将另一张图像直接输入网络，得到与(3)相同数量的特征向量。
(5)将两张图像相同区域的特征向量作为一对特征向量，计算每一对特征向量的contrastive loss值：
Figure GDA0002955694250000051
L是contrastive loss的值，N是向量对的个数，其中每一个n代表一对特征向量，d表示两个特征向量的欧氏距离，y是向量是否相似的标签，相似取1，不相似取0，margin为设定的阈值。
(6)采用Adam优化方法对网络进行训练：
所述对网络进行训练时采用数据增强的方法扩增数据；
所述数据增强的方法为：(1)对于一组样本，两张图像同时进行随机平移，两张图像平移距离相同；(2)水平方向随机缩放，两张图片同时缩放，缩放比例相同；(3)图像进行随机亮度和对比度调整，两张图片分别调整。
步骤四三、对比两张图像相同位置的局部特征向量，如果局部特征向量的距离大于6.0则将该区域标记为异常区域。

Claims (4)

1.基于图像对比的公路车辆检测方法，其特征在于所述方法具体过程为：
步骤一、获取采集并识别车辆图像建立的数据库；
所述数据库中包含正常车辆底盘图像与待检测车辆底盘图像；
步骤二、将原始图像转换为灰度图像并进行背景消除；
所述原始图像为正常车辆底盘图像和待检测车辆底盘图像
步骤三、将步骤二处理后的正常图像与待检测图像进行配准，具体过程为：
步骤三一、将消除背景后的正常图像仿射变换：
所述仿射变换包括将图像整体进行平移、旋转、缩放；
步骤三二、将消除背景后的正常图像整列像素平移：
Qij＝Pij+Sj
其中，Qij图像平移后像素的位置，Pij为像素所在的初始位置，i表示像素所在的行，j表示像素所在的列，Sj为第j列像素平移的距离；
加入正则项限制列像素的平移：
Figure FDA0002955694240000011
Sj是第j列的平移距离，K是两列编号的差距，m是限制的范围，只对相距m列以内的列进行限制，L1是图像的列数；
所述限制列像素平移的方式为：正则项计算后乘以系数，通过系数调整正则项对平移限制的程度；
步骤三三、运用插值法计算平移后图像的每个像素，从而获得平移后的图像；
步骤三四、计算平移后图像与模板图像的SSIM值：
Figure FDA0002955694240000012
其中，x是待检测图像，y是变换后的正常图像，μx是x所有像素的平均值，μy是y所有像素的平均值，σx 2是x所有像素的方差，σy 2是y所有像素的方差,σxy是x和y所有像素的协方差，C1＝(k1L')2,C2＝(k2L')2是用来维持稳定的常数，L’是像素值的动态范围，k1＝0.01，k2＝0.03；
步骤三五、根据SSIM值计算损失函数；
所述损失函数为SSIM值的相反数与正则项的和；
步骤三六、对损失函数进行迭代优化，达到迭代次数时停止优化；
步骤三七、根据优化后得到的变换参数对消除背景后的正常图像进行变换，得到配准后的图像；
步骤四、检测异常区域。
2.根据权利要求1所述的基于图像对比的公路车辆检测方法，其特征在于：所述步骤一中获取采集并识别车辆图像建立的数据库，具体过程为：
采用线阵相机采集正常车辆和待检测车辆的底盘图像；
采用高清相机采集并识别正常车辆和待检测车辆的车牌号图像；
所述数据库存储正常车辆的底盘图像和车牌号，一个车牌号对应一个正常底盘图像。
3.根据权利要求2所述的基于图像对比的公路车辆检测方法，其特征在于：所述步骤二中将原始图转换成灰度图像并进行背景消除，具体过程为：
步骤二一、确定正常车辆底盘图像的背景区域：
第一列像素是图像的背景，原始图像每一列像素看成一个向量，与第一列向量余弦相似度小于0.9的区域都是图像的背景；
步骤二二、消除原始图像的背景：
(1)求出图像a的背景向量的平均向量；
所述图像a为阵列相机拍摄的车辆底盘图像；
(2)获得背景区域像素值接近0的图像b；
所述图像b的获得方法为：将原始图像的每一列都减去图像a的背景向量的平均向量并取绝对值；
(3)用opencv中的threshold函数和findContours函数对图像b进行二值化并检测图像b中的物体轮廓，保留轮廓面积大于图像面积十分之一的轮廓；
(4)利用(3)中求出的图像b中保留的物体轮廓的坐标在图像a中定位得到图像a中的物体轮廓，轮廓内的像素为前景，轮廓外的像素为背景；
(5)将图像b的背景与(4)中获得的图像a中的前景结合，获得消除背景后的图像。
4.根据权利要求3所述的基于图像对比的公路车辆检测方法，其特征在于：所述步骤四中检测异常区域，具体过程为：
步骤四一、获取配准后图像的局部特征图；
所述配准后的图像高为H，宽为W；
将配准后的图像输入Resent 50网络中经过5次下采样，得到高度变为原图的1/32，宽度变为原图的1/32，通道数变为2048的P5层的特征；
将图像进行一次步长为2的卷积后，得到高为H/64，宽为W/64，通道数为256的局部特征图；
所述特征图中每个位置是一个256维的向量，每个向量代表原图对应位置64*64局部图像的特征；
步骤四二、分别计算正常图像与待检测图像的局部特征向量：
所述局部特征向量通过局部相似性网络训练获得，训练后相似的局部图像其对应的向量接近，不同的局部图像对应的向量距离较远；
所述局部特征向量是对局部特征图的向量表示；
所述局部相似性网络训练的具体过程为：
(1)采集样本：
相同车辆不同时间的两张图像为一组样本；
(2)对每组样本进行配准：
所述配准方法为步骤三中的配准方法；
(3)对配准后的每组样本中取一张图像进行处理：
首先，对图像进行分格，每个格子对应64*64的子图；
然后，随机选取一定数量的子图保持不变，剩余子图进行随机赋值并组成大图，然后进行标记；
所述赋值为取图像其他位置的局部图像对子图进行赋值；
所述标记方法为将不变的子图标记为1，其余子图标记为0；
最后，将重组后的图像输入网络，得到一组特征向量；
所述特征向量与子图一一对应；
(4)将另一张图像直接输入网络，得到与(3)相同数量的特征向量；
(5)将两张图片相同区域的特征向量作为一对特征向量，计算每一对特征向量的contrastive loss值：
Figure FDA0002955694240000031
L是contrastiveloss的值，N是向量对的个数，其中每一个n代表一对特征向量，
d表示两个特征向量的欧氏距离，y是向量是否相似的标签，相似取1，不相似取0，
margin为设定的阈值；
(6)采用Adam优化方法对网络进行训练：
所述对网络进行训练时采用数据增强的方法扩增数据；
所述数据增强的方法为：(1)对于一组样本，两张图像同时进行随机平移，两张图像平移距离相同；(2)水平方向随机缩放，两张图片同时缩放，缩放比例相同；(3)图像进行随机亮度和对比度调整，两张图片分别调整；
步骤四三、对比两张图像相同位置的局部特征向量，局部特征向量的距离大于6.0则将该区域标记为异常区域。
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