路正鳳，王思明，呂國強(qiáng)，汪芳莉

(1.蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070;2.青藏鐵路公司西寧機(jī)務(wù)段，西寧 860001)

基于PCA和隨機(jī)Hough變換的調(diào)車信號燈檢測

路正鳳1，王思明1，呂國強(qiáng)2，汪芳莉2

(1.蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070;2.青藏鐵路公司西寧機(jī)務(wù)段，西寧 860001)

針對傳統(tǒng)信號燈檢測方法中存在的弊端，提出了一種主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)和圓擬合與分段隨機(jī)Hough變換(Randomized Hough Transform，RHT)圓檢測相結(jié)合的信號燈檢測方法。該方法利用主成分分析結(jié)合圓擬合來簡化圖像的復(fù)雜背景，然后通過隨機(jī)Hough變換進(jìn)行分段圓檢測，得到信號燈的準(zhǔn)確位置，最后結(jié)合線路特征及信號燈的顏色特點(diǎn)，確定本股道有顯示的調(diào)車信號燈。對調(diào)車信號燈圖像進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該方法檢測準(zhǔn)確度高，實(shí)時(shí)性好，并對有顏色信號燈的檢測具有良好的檢測效果，適合于對復(fù)雜環(huán)境中調(diào)車信號燈的準(zhǔn)確檢測和定位。

調(diào)車信號燈;圓檢測;隨機(jī)Hough變換;主成分分析;圓擬合

1 概述

調(diào)車作業(yè)的安全防護(hù)是鐵路運(yùn)輸中的一項(xiàng)重要任務(wù)。STP-yh型無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng)是目前我國站內(nèi)專用調(diào)車機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)，其設(shè)備較多，成本高，適用于復(fù)雜的、作業(yè)繁多的車站，對于大量的小站調(diào)車作業(yè)，則需要簡化的方案［1－3］。隨著圖像處理等技術(shù)的發(fā)展，使得基于機(jī)器視覺的車載系統(tǒng)代替司機(jī)的視覺工作成為可能［4］。基于機(jī)器視覺的調(diào)車安全防護(hù)系統(tǒng)具有設(shè)備簡單，投資成本低和不影響調(diào)車機(jī)車的既有設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量的小站調(diào)車作業(yè)和車站中無碼線路調(diào)車作業(yè)的安全防護(hù)。因此，對于基于機(jī)器視覺的鐵路調(diào)車安全防護(hù)系統(tǒng)的研究很有必要。

基于機(jī)器視覺的鐵路調(diào)車安全防護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是調(diào)車信號燈的準(zhǔn)確定位。國內(nèi)學(xué)者已在這方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［5］利用信號燈顯示顏色的特點(diǎn)，圖像經(jīng)過邊緣檢測、膨脹、腐蝕和填充得到目標(biāo)區(qū)域。對于動態(tài)視頻監(jiān)控，目標(biāo)的大小會隨著距離的變化而變化，當(dāng)距離較大時(shí)，信號燈區(qū)域較小，經(jīng)過腐蝕會使目標(biāo)消失。同時(shí)，無法得到信號燈的確切位置。文獻(xiàn)［6－8］根據(jù)信號燈的形狀特點(diǎn)，采用“三點(diǎn)共圓”的方法來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測。該方法在目標(biāo)清晰的情況下，具有較好的檢測結(jié)果。但是，對于有殘缺的線段檢測結(jié)果不太理想［9］。因此，該方法對于復(fù)雜環(huán)境中的調(diào)車信號燈的檢測還存在著一定的局限性。

針對以上方法存在的問題，依據(jù)調(diào)車信號燈的形狀和顏色特征，提出基于主成分分析和圓擬合的分段隨機(jī)Hough變換的調(diào)車信號燈檢測方法，來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景中調(diào)車信號燈的準(zhǔn)確檢測。通過主成分分析結(jié)合圓擬合的方法對原始線段進(jìn)行分析和保留，可以簡化圖像，然后采用分段隨機(jī)Hough變換對簡化的圖像進(jìn)行圓檢測，實(shí)現(xiàn)調(diào)車信號燈區(qū)域的準(zhǔn)確定位，最后結(jié)合鐵路線路特征及信號燈的顏色特征，確認(rèn)出本股道顯示的調(diào)車信號燈。

2 調(diào)車信號燈的檢測原理

調(diào)車信號燈的檢測原理:首先，對原圖像進(jìn)行邊緣檢測得到邊緣圖像并除去交叉次數(shù)較多的邊緣點(diǎn)，在邊緣圖像中標(biāo)記并提取出滿足一定長度的連續(xù)線段;其次，利用主成分分析對連續(xù)線段進(jìn)行方向分析，保留類圓曲線段;然后，利用帶約束的最小二乘法對類圓曲線段按照標(biāo)記順序依次進(jìn)行圓擬合，初步得到有效粗略圓參數(shù)，利用粗略圓參數(shù)保留原圖像中滿足一定誤差范圍的有效曲線段;最后，利用隨機(jī)Hough變換對有效曲線段進(jìn)行分段圓檢測，得到精確圓參數(shù)并更新圖像空間，直到所有的有效曲線段檢測完畢，確認(rèn)本股道顯示的調(diào)車信號燈。見圖1。

圖1 調(diào)車信號燈檢測原理

3 調(diào)車信號燈的檢測

3.1 檢測類圓曲線段

主成分分析是一種對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過線性變換將高維空間中的樣本數(shù)據(jù)投影到低維空間中，有效找出數(shù)據(jù)中最主要的元素和結(jié)構(gòu)，去除噪聲和冗余，分析出盡可能好地代表原始數(shù)據(jù)的簡單結(jié)構(gòu)的技術(shù)。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到協(xié)方差矩陣，進(jìn)而得到其特征值和特征向量，即數(shù)據(jù)的主成分［10－12］。通過對線段依次進(jìn)行主成分分析，獲得其協(xié)方差矩陣的特征值，并對其進(jìn)行分析來保留類圓曲線段。

假設(shè)令線段點(diǎn)集內(nèi)像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)為N，任一像素點(diǎn)的坐標(biāo)為(xi，yi)，則

根據(jù)主成分分析技術(shù)的基本原理，特征值的個(gè)數(shù)和大小分別代表了線段主方向的個(gè)數(shù)和各個(gè)主方向的主要分布情況，可用于線段形狀的判定:

(1)λ1或λ2=0，則線段為直線，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)主方向;

(2)λ1=λ2則線段為完整的圓，因?yàn)橛?個(gè)分布情況相同的主方向;

(3)λ1＞λ2＞0，則線段為除圓以外的曲線段，因?yàn)橛?個(gè)分布不均的主方向。

若線段點(diǎn)集內(nèi)為理想圓，那么λ1=λ2。但是由于圖像中圓受噪聲的影響或者類圓的存在，邊緣像素的位置具有不確定性，因此λ1≥λ2。經(jīng)過分析曲線主元分布方向，設(shè)置λ1/λ2合適的門限。特征值 λ1/λ2的大小反應(yīng)曲線段主方向的長度與寬度方向的比值，比值太大，反應(yīng)曲率較小，曲線接近直線，這不符合圓檢測的一般條件，而比值較大，對于一些類似于橢圓的曲線段不能過濾掉，因此實(shí)驗(yàn)中設(shè)置一個(gè)范圍來約束曲線段的選擇。實(shí)驗(yàn)表明，比值在范圍內(nèi)都有效，而1.5對于這個(gè)實(shí)驗(yàn)效果比較好，因此本文中實(shí)驗(yàn)設(shè)定的比值為1.5，可以限制背景圖像中的直線和類似于橢圓的曲線段。利用線段PCA方向分析法得到的初始圓參數(shù)誤差較大，因此，初步保留圖像中的類圓曲線段。

3.2 保留有效曲線段

為了進(jìn)一步得到有效曲線段，在線段PCA方向分析的基礎(chǔ)上，對保留下來的類圓曲線段進(jìn)行圓擬合，得到初步的粗略圓參數(shù)來保留有效曲線段。

本文利用帶約束的最小二乘法對保留下來的類圓曲線段進(jìn)行圓擬合，來得到類圓曲線段的粗略圓參數(shù)。

保留下來的類圓曲線段點(diǎn)集為(xi，yi)(i=1，2，…，m)，設(shè)其理想圓的圓心和半徑分別為P0(x0，y0)和r，則類圓曲線段上的點(diǎn)到圓的代數(shù)距離方程為

其中，(x，y)∈{(xi，yi)|i=1，2，…，m}。

對(7)式進(jìn)行變形簡化推導(dǎo)可得

函數(shù)F(x)表示點(diǎn)P(x，y)到二次曲線F(x)=0的代數(shù)距離，則所有測量點(diǎn)的代數(shù)距離平方和為

為了利用最小二乘法擬合出圓，采用文獻(xiàn)［13］中用帶約束的最小二乘圓擬合法。該方法引入了系數(shù)約束條件b21+b22－4ac=1，它可表示為

通過求解式(12)得到4個(gè)廣義特征向量，然后應(yīng)用式(11)選擇使D達(dá)到最小值得到廣義特征向量，然后應(yīng)用式(9)、(10)求解圓心坐標(biāo)及圓半徑，初步得到圖像中圓的粗略參數(shù)，利用該粗略參數(shù)保留原圖像中的類圓曲線段。

3.3 分段隨機(jī)Hough變換圓檢測

Hough變換是目前廣泛采用的圓形狀檢測方法。為減少計(jì)算量，提高實(shí)時(shí)性，本文引入了分段檢測的思想［14］。其基本原理是:圖像通過主成分分析和圓擬合后保留得到一些沒有公共點(diǎn)的曲線段，因一個(gè)圓上的點(diǎn)必存在于用一條曲線上，對每條曲線分別進(jìn)行隨機(jī)

因此，帶約束的最小二乘圓擬合法可表達(dá)為:在μTCμ=1的約束下，使D最小，C為約束矩陣。

對參數(shù)二次約束時(shí)，最小距離平方的問題，通過引入Lagrange乘子λ同時(shí)求導(dǎo)，可得到Hough變換，便可減少無效的數(shù)據(jù)累計(jì)，從而減少時(shí)間消耗。

設(shè)D為保留下來的圖像邊緣點(diǎn)集，對有效曲線段進(jìn)行標(biāo)記，按照標(biāo)記順序依次進(jìn)行隨機(jī)Hough變換:從曲線段Li點(diǎn)集中隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，確定一個(gè)候選圓參數(shù)l，通過證據(jù)積累計(jì)算曲線段點(diǎn)集中落在該候選圓上的點(diǎn)數(shù)Ml，若其大于圓所必需的最小點(diǎn)數(shù)Mmin，則確認(rèn)該候選圓為真實(shí)圓，從D中刪除該圓上的點(diǎn)，然后繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)圓的檢測，直到所有的曲線段Li檢測完畢。

3.4 顯示調(diào)車信號燈的確認(rèn)

由于鐵路車站內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，相向駛來的機(jī)車燈光、其他軌道信號燈等，很容易也被分割出來，因此需要更進(jìn)一步確認(rèn)該信號燈是否是本股道的信號燈。

信號燈一般出現(xiàn)在軌道左側(cè)路邊，調(diào)車信號燈必有一個(gè)是有顏色顯示的，用來提示司機(jī)安全駕駛。故本股道顯示的調(diào)車信號燈是有顏色的且其圓心距離股道中心線最近的一個(gè)圓，以此作為本股道調(diào)車信號燈確認(rèn)的判定條件。大部分情況下，站內(nèi)機(jī)車近似于直線行駛，故將圖像中心線作為股道中心線來進(jìn)行判定。

我國鐵路調(diào)車信號機(jī)顯示主要有紅、藍(lán)、白3種顏色，圖像是通過安裝在調(diào)車機(jī)車上的攝像機(jī)在行駛中攝取獲得的，一般為RGB彩色模型，R、G、B分量具有高度的相關(guān)性，亮度的變化會引起R、G、B分量的變化，不適合用來判斷自然場景下顯示信號燈的判斷。在HSI彩色空間中，色調(diào)(H)、色飽和度(S)、亮度信息(I)分量具有相互獨(dú)立性。因此，將RGB模型轉(zhuǎn)化到HSI模型，用H、S、I當(dāng)作特征參數(shù)來進(jìn)行信號燈是否有顏色顯示的判斷，消除天氣的影響。

給定1幅RGB彩色格式的圖像，H分量由下式給出

將RGB值歸一化為［0，1］范圍內(nèi)，則 S、I值已在［0，1］范圍之內(nèi)。紅色和藍(lán)色在HSI空間中的色調(diào)值H分別為0°和240°，白色在 HSI空間的亮度 I為1。在自然環(huán)境中，由于光照和天氣的影響，色調(diào)值H與亮度I會在一定的范圍內(nèi)波動。表1給出了在不同條件下拍攝的紅色、藍(lán)色、白色統(tǒng)計(jì)結(jié)果的 H、I取值范圍。

表1 調(diào)車信號燈顏色H和I取值范圍

本文以圓域內(nèi)顏色的平均值作為該圓是否有顏色的判據(jù)，初步對有顯示的調(diào)車信號燈進(jìn)行粗略判斷。

3.5 算法步驟

調(diào)車信號燈檢測方法具體步驟為:

(1)輸入復(fù)雜背景下的調(diào)車信號燈圖像，用Canny算子進(jìn)行邊緣提取，可以得到一幅包含邊緣信息的二值圖像，并除去交叉次數(shù)較多的點(diǎn);

(2)對二值圖像中的線段進(jìn)行標(biāo)記，找到滿足長度大于閾值Lthr的連續(xù)線段Li;

(3)對每段Li進(jìn)行線段PCA方向分析，得到λ1，λ2，初步保留 λ1/λ2＜λthr的類圓曲線段 Li;

(4)對每段類圓曲線段Li進(jìn)行帶約束的最小二乘法圓擬合，初步得到粗略圓參數(shù)，并用其來保留原圖像中滿足一定誤差范圍的有效曲線段;

(5)利用隨機(jī)Hough變換對保留下來的有效曲線段進(jìn)行分段圓檢測，得到精確的圓參數(shù)，檢測結(jié)束后在圖像空間刪除對應(yīng)的像素點(diǎn)，直到所有Li檢測完畢;

(6)將所檢測圓心到圖像中心線距離最短且有顏色顯示的圓確定為本股道有顯示的調(diào)車信號燈。

4 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

為了檢驗(yàn)本文方法的性能，通過與文獻(xiàn)［6］中的方法進(jìn)行比較，做了以下4個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1，本文方法對具有復(fù)雜背景的信號燈圖像進(jìn)行圓檢測實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，對圖像進(jìn)行邊緣檢測、去除交叉點(diǎn)及小線段、主成分分析和圓擬合保留有效曲線段的過程。由于動態(tài)圖像的原因，目標(biāo)的大小跟距離的遠(yuǎn)近有關(guān)，檢測需要較好的邊緣信息，故采用了Canny邊緣檢測算子，同時(shí)也有利于保證主成分分析及圓擬合順利進(jìn)行;去除交叉點(diǎn)和小線段的目的是使連續(xù)曲線段分離，減少線段間影響，并利于后續(xù)的分段處理。圖2(d)是通過線段PCA方向分析和圓擬合得到的粗略圓參數(shù)保留下來的有效曲線段，有效地簡化了復(fù)雜的背景信息，提高了檢測精度。

圖2 本文方法對信號燈的檢測過程

實(shí)驗(yàn)2，采用改進(jìn)Hough變換圓檢測法和本文方法進(jìn)行檢測結(jié)果的比較。如圖3所示，給出了2種方法的檢測結(jié)果。

圖3 改進(jìn)Hough變換圓檢測和本文方法進(jìn)行圓檢測結(jié)果

從圖3(a)可以看到，改進(jìn)Hough變換圓檢測法對復(fù)雜背景中圓的檢測還存在著一定的誤差，檢測到圓的個(gè)數(shù)不止2個(gè)，需要從中進(jìn)行篩選才能得到想要的目標(biāo)圓，而從圖3(b)可以看到本文方法對復(fù)雜背景中圓的檢測結(jié)果，準(zhǔn)確地檢測出了信號燈區(qū)域。表2給出了本文方法與改進(jìn)Hough變換的比較結(jié)果。

圖4 本文方法對夜間信號燈的檢測

在圖3檢測中，圖像左上角為原點(diǎn)，X軸為水平向右，Y軸為垂直向下;檢測結(jié)果中，上面的信號燈為圓1，下面的信號燈為圓2;單位為像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

表2 本文算法與改進(jìn)Hough變換的比較

其中，該調(diào)車信號機(jī)為白燈顯示，圓1和圓2距離圖像中心線的距離均為12個(gè)像素點(diǎn)，其圓域的亮度值I分別為0.996和0.039，色調(diào)H均為無意義。根據(jù)本股道顯示調(diào)車信號燈的判斷條件，故圓1為本股道顯示的調(diào)車信號燈。

實(shí)驗(yàn)3，對具有復(fù)雜背景的夜間調(diào)車信號燈進(jìn)行顯示信號燈的檢測，圖4所示為檢測結(jié)果。

從檢測結(jié)果圖4(d)可以看出，本文方法準(zhǔn)確地檢測出了本股道顯示的調(diào)車信號燈。通過實(shí)驗(yàn)3可以看出本文方法對有顏色圓的檢測具有良好的檢測效果。

實(shí)驗(yàn)4，對一幅站內(nèi)調(diào)車信號燈圖像進(jìn)行檢測，如圖5所示。從實(shí)驗(yàn)可以看出，目標(biāo)被準(zhǔn)確檢測出來。

圖5 本文方法對站內(nèi)調(diào)車信號燈的檢測結(jié)果

5 結(jié)論

針對調(diào)車作業(yè)工作環(huán)境復(fù)雜、噪聲大，以及以往對信號燈檢測方法中存在的弊端，根據(jù)調(diào)車信號機(jī)的形狀和顏色特征，提出基于主成分分析和圓擬合的分段隨機(jī)Hough變換的調(diào)車信號燈檢測方法。該方法有如下特點(diǎn)。

(1)算法主要利用PCA對圖像邊緣進(jìn)行線段方向分析，保留類圓曲線段，再通過圓擬合得到的粗略圓參數(shù)保留圖像中的有效曲線段，簡化了圖像背景，適用于復(fù)雜圖像的檢測。

(2)采用抗干擾能力較強(qiáng)的隨機(jī)Hough變換進(jìn)行分段圓檢測，減少了時(shí)間消耗。

(3)與文獻(xiàn)［6］的方法比較可知，該方法準(zhǔn)確率高，而且對有顏色圓的檢測具有良好的檢測效果，適用于對顯示調(diào)車信號燈的檢測。

(4)根據(jù)鐵路線路特征及信號燈的顏色特征，采用HSI顏色空間對顯示調(diào)車信號燈進(jìn)行了確認(rèn)。

因此，該方法適合于對復(fù)雜環(huán)境中調(diào)車信號燈的準(zhǔn)確檢測和定位。在信號燈準(zhǔn)確定位的基礎(chǔ)上，將對信號燈顏色的識別和列車距信號燈距離的測量進(jìn)行研究，為調(diào)車司機(jī)提供參考。

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Shunting Signal Lam p Detection Based on PCA and Random ized Hough Transform

LU Zheng-feng1，WANG Si-ming1，LV Guo-qiang2，WANG Fang-li2

(1．School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China;2．Locomotive Department，Qinghai-Tibet Railway Company，Xining 860001，Qinghai Province，China)

In this paper，to overcome the disadvantages of traditionalmethods of signal lamp detection，a new method of signal lamp detection was proposed，which is based on principal component analysis(PCA)and circle fitting，aswell as segmented circle detection of randomized Hough transform(RHT)．In thismethod，the principal component analysis and circle fitting should be carried out to simplify the complex background of image first，and then segmented circle detection should be conducted by the use of randomized Hough transform so as to ascertain the accurate position of signal lamp;finally in combination with line's characteristics and signal lamp's color，the displayed shunting signal lamps on this line can be determined．Moreover，a simulation experiment on the images of shunting signal lamp was carried out in this paper，and the results show that this method is of high accuracy，good real-time performance，good detection effect on the colored signal lamps，therefore suitable for accurate detection and positioning of shunting signal lamps in complex environment．

shunting signal lamp;circle detection;randomized Hough transform;principal component analysis;circle fitting

TP391.4

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．031

1004－2954(2014)03－0130－05

2013－07－08;

2013－07－19

路正鳳(1988—)，女，碩士研究生，E-mail:13659425516@139．com。