Способ измерения скорости движения протяженных объектов
METHOD FOR MEASURING MOVEMENT SPEED OF EXTENDED OBJECTS

Изобретение относится к области цифровой измерительной техники.
Известны способ и устройство [1] для измерения скорости движения протяженных объектов. В основе одного из способов и реализованного на его основе устройства лежит непрерывное излучение СВЧ-сигнала, прием отраженного от объекта сигнала и его последующая обработка после гомодинного преобразования. Затем осуществляется обработка выборок сигнала с помощью дискретного преобразования Фурье с использованием алгоритма Герцеля, при этом в промежутках между выборками определяют значение промежуточного преобразования выборки сигнала, основная часть вычислений производится в промежутках между выборками, применяют весовую обработку входных данных, суммирование входных данных с наложением во времени, дискретное преобразование Фурье.
Недостатком является низкая функциональная возможность, поскольку измеритель обязательно должен устанавливаться вдоль оси движения объекта и при наличии многих объектов необходимо использовать много измерителей.
Так же известен способ [2] осуществления в реальном масштабе времени идентификации и локализации зоны с относительным перемещением в сцене, наблюдаемой системой наблюдения с выходным сигналом, состоящим из цифрового видеосигнала, содержащего последовательность соответствующих кадров, каждый из которых состоит из последовательности строк, каждая из которых состоит из последовательности элементов изображения, и для определения скорости и ориентированного направления перемещения, производится выполнение следующей последовательности операций над цифровым выходным видеосигналом: обработку сглаживания указанного цифрового выходного видеосигнала с использованием цифровой постоянной времени, численное значение которой может изменяться независимо для каждого элемента изображения выходного сигнала, запоминание, с одной стороны, кадра выходного сигнала после сглаживания и, с другой стороны, постоянной времени сглаживания, связанной с указанным кадром, временную обработку для каждого положения элемента изображения, заключающуюся в определении, во-первых, наличия и, во-вторых, амплитуды значимого изменения в амплитуде сигнала элемента изображения между текущим кадром и непосредственно предыдущим сглаженным и запомненным кадром, и в генерировании двух цифровых сигналов, при этом первый сигнал является двоичным, или однобитовым, сигналом с двумя возможными значениями, одно из которых представляет наличие, а другое представляет отсутствие значимого изменения между двумя последовательными кадрами, причем значение указанного двоичного сигнала изменяет запомненное значение указанной постоянной времени, чтобы уменьшить его, если указанный сигнал представляет значимое изменение, и чтобы увеличить его, если указанный сигнал не представляет такого изменения, при этом уменьшение или увеличение осуществляются количественно, тогда как второй цифровой сигнал, т.е. сигнал амплитуды, является многобитовым сигналом с ограниченным числом битов, количественно определяющих амплитуду этого изменения, и пространственную обработку, состоящую из следующих этапов для каждого кадра цифрового выходного видеосигнала: распределяют только значения части элементов изображения в кадре в заданный момент наблюдения (части, которую сканируют по матрице в течение длительности кадра), во-первых, указанного двоичного сигнала, а во-вторых, указанного цифрового сигнала амплитуды, в матрицу с числом рядов и столбцов, которое мало по сравнению с числом строк и числом элементов изображения в строке в видеосигнале, соответственно, чтобы охарактеризовать значения элементов изображения, определяют в этом двойном мгновенном матричном представлении конкретную зону, в которой указанный двоичный сигнал имеет искомое значение, представляющее наличие или отсутствие значимого изменения, а указанный цифровой сигнал амплитуды изменяется или не изменяется на значимую величину для соседних элементов изображения в матрице вдоль ориентированного направления, начиная с исходного элемента изображения, в той же самой части кадра, и поэтому в тот же самый момент наблюдения, и генерируют сигналы, представляющие наличие и локализацию зоны с относительным перемещением и относительную межкадровую скорость и ориентированное направление этого перемещения, если оно есть, относительно окружающей ее среды, исходя из мгновенного матричного распределения упомянутых двух цифровых сигналов - двоичного сигнала и сигнала амплитуды.
Недостатком данного способа является высокая погрешность измерения параметров подвижного протяженного объекта, обусловленная вибрацией видеокамеры, вызванной движением объекта.
Так же известен способ [3,4] измерения параметров движения протяженных объектов, который включает в себя пороговую обработку текущего и предыдущего кадров, а так же нахождение разности между уровнями яркости соответствующих пикселей каждого из кадров, после чего выявляются области с наибольшей яркостью, которые несут информацию о смещении протяженного объекта. Среди таких областей выбирается область, произведение высоты и шириной которой наибольшая. По ширине выбранной области вычисляется смещение протяженного объекта за время смены кадров.
Недостатком данного способа является низкая производительность вычислений за счет обработки всего кадра и высокая погрешность измерения параметров протяженного подвижного объекта, обусловленная вибрацией видеокамеры, вызванной движущимся объектом измерения.
Так же известен способ [5] измерения параметров движения протяженного объекта со случайным распределением яркостей, основанный на проецировании его изображения на экран приемника излучения, выделении в изображении прямоугольной области и преобразовании элементов изображения в электрические сигналы, пропорциональные яркости изображений в выделенной области, дополнительном выделении второй прямоугольной области, границы которой ориентированы параллельно границам первой области, и получении в каждой из выделенных областей сигналов, пропорциональных средним значениям яркости.
Недостатком данного способа является высокая погрешность измерения, обусловленная вибрацией камеры, вызванной движением объекта.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ [6] измерения скорости движения протяженного объекта, основанный на проецировании его изображения на экран приемника излучения (видеокамеры) и преобразовании элементов изображения в электрические сигналы, когда на текущем кадре выделяется прямоугольная область, для которой рассчитывается гистограмма, получаемая путем суммирования уровней яркости пикселей каждого столбца шириной в один пиксель, на последующем кадре выделяется полоса, верхняя и нижняя граница которой соответствует выделенной прямоугольной области текущего кадра с аналогичными координатами верхней и нижней границы, для выделенной полосы также рассчитывается гистограмма, далее внутри выделенной полосы производится поиск правдоподобной эквивалентной прямоугольной области по значению наименьшей суммы квадратов разности между соответствующими элементами гистограмм выделенной прямоугольной области текущего кадра и последовательно анализируемых аналогичных областей выделенной полосы последующего кадра, элементы гистограмм представляют собой совокупность столбцов шириной в один пиксель, после чего строится расширенная прямоугольная область вокруг правдоподобной эквивалентной прямоугольной области, в ней выделяется массив аналогичных областей, для которых производится сравнение гистограммы выделенной прямоугольной области текущего кадра и гистограмм аналогичных прямоугольных областей, эквивалентных по размеру выделенной прямоугольной области, если среди эквивалентных прямоугольных областей расширенной прямоугольной области найдена такая прямоугольная область, величина сравнения элементов гистограммы которой меньше результата сравнения гистограммы правдоподобной эквивалентной области, то такая область в свою очередь будет считаться правдоподобной эквивалентной областью, для нее производится новый аналогичный цикл сравнения до тех пор, пока в последующем цикле результаты сравнения не будут иметь худшее совпадение, нежели чем в предыдущем цикле, после чего производится расчет смещения выделенной прямоугольной области относительно эквивалентной правдоподобной области, что соответствует значению смещения изображения протяженного объекта за период следования кадров, найденное значение смещения используется для расчета скорости движения протяженного объекта.
Недостатком данного способа является высокая погрешность измерения при наличии внешних помех (дождь, град, снег, метель), что обусловлено низкой информативностью гистограммы выделенной для анализа прямоугольной области вследствие монотонности изображения анализируемой области. В то же время, соседние области изображения объекта могут быть более информативными и обеспечивать более высокую точность измерения.
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача повышения точности измерения скорости движения протяженного объекта при наличии внешних помех (дождь, град, снег, метель), и пониженной информативности анализируемой области изображения протяженного объекта вследствие монотонности изображения, за счет предварительной обработки нескольких анализируемых областей изображения и выборе наиболее информативной области.
Оптическая ось видеокамеры устанавливается перпендикулярно направлению движения объекта. Направление движения объекта, его начало, положение изображения объекта на кадре видеокамеры – известны. Предлагаемый способ предусматривает измерение скорости движения протяженного объекта в реальном масштабе времени.
Суть измерения скорости движения протяженного объекта сводится к следующему. За период следования кадров τ протяженный объект перемещается на расстояние S, а видеоизображение объекта смещается на Δs. При известном расстоянии до объекта, перемещение объекта будет:
S = K·Δs,      (1)
где K – постоянный коэффициент.
По известному смещению видеоизбражения Δs можно однозначно определить перемещение S объекта, поскольку коэффициент K будет постоянным для заданной трассы движения объекта при известном расстоянии от видеокамеры до объекта. Скорость движения объекта составит:
V = S/τ       (2)
Измерение скорости движения объекта сводится к измерению смещения Δs видеоизображения за известное время следования кадров τ.
Для определения величины смещения Δs изображения протяженного объекта, например, железнодорожного вагона или другого подвижного объекта, за известное время τ следования кадров видеокамеры, на текущем i-ом кадре выделяется горизонтальная полоса по всей длине кадра, с количеством Х пикселей по длине кадра и высотой n пикселей (фиг. 1).
В этой горизонтальной полосе выделяется прямоугольная область, размер которой составляет m×n, где n – высота прямоугольной области в пикселях, m – длина в пикселях (фиг. 2).
Для выделенной полосы и области m×n рассчитывается гистограмма, получаемая путем суммирования уровней яркости пикселей каждого столбца шириной в один пиксель. Фиг. 3 отображает гистограмму выделенной области m×n на участке полосы примерно от 70 до 120 пикселей
На последующем i+1 кадре (фиг. 4) вновь выделяется полоса, верхняя и нижняя границы которой соответствуют выделенной прямоугольной области i-ого кадра с аналогичными координатами верхней и нижней границы, то есть выделяется горизонтальная полоса по всей длине кадра, с количеством Х пикселей по длине кадра, и высотой n пикселей.
По всей длине выделенной полосы кадра i+1 также рассчитывается гистограмма суммирования уровней яркости пикселей каждого столбца шириной в один пиксель и высотой в m пикселей (фиг. 5).
Внутри выделенной полосы формируется массив X-m+1 прямоугольных областей шириной m пикселей последующего i+1 кадра, каждая область массива смещена относительно друг друга на один пиксель вправо (фиг. 6).
Далее производится поиск правдоподобной прямоугольной области по значению наименьшей суммы квадратов разности между соответствующими элементами гистограмм выделенной прямоугольной области текущего i-го кадра (фиг. 2) и последовательно анализируемыми областями выделенной полосы последующего i+1 кадра (фиг. 4, 6).
где Q (q) – сумма квадратов разности между соответствующими элементами гистограмм выделенной прямоугольной области текущего i-го кадра и последовательно анализируемыми областями выделенной полосы последующего i+1 кадра.
q –это номер анализируемой прямоугольной области.  Номер q соответствует смещению прямоугольной области на (i+1)-ом кадре вдоль оси x относительно прямоугольной области на i-ом кадре (фиг. 7).
d – это номер столбца прямоугольной области (номер элемента в гистограмме);
i
w(d) – сумма уровней яркости столбца d прямоугольной области i-ого кадра (значение гистограммы для элемента с номером d).
Минимальное значение Q(q) соответствует прямоугольной области, которая по своим характеристикам наиболее подобна выделенной прямоугольной области на текущем i-м кадре. Такая прямоугольная область названа правдоподобной прямоугольной областью. Гистограмма правдоподобной прямоугольной области выделена на фиг. 5 вертикальными пунктирными линиями.
На фиг. 8 представлен график Q(q) для гистограмм i-го кадра икадра i+1. Минимальное различие гистограммы i-го кадра и последовательно смещаемой гистограммы i+1 кадра соответствует искомому смещению Δs, т.е. наиболее точному совпадению сравниваемых гистограмм, при котором Q(q) будет минимально.
Таким образом, существует смещение (Δs) гистограмм текущего и последующего кадров относительно друг друга, когда различие гистограмм выделенной области текущего и прямоугольной области последующего кадров будет минимальным. Это значение соответствует относительному смещению Δs и будет характеризовать скорость движения объекта.
Из рис. 7 следует, что смещение Δs составляет 12 пикселей.
Современные цифровые видеокамеры характеризуются высоким разрешением съемки изображений, поэтому оценка смещения с точностью до одного пикселя в большинстве случаев является достаточной для измерения скорости движения.
Однако на некоторых участках изображения ряда объектов, например, протяженного объекта, показанного на фиг. 9, изображение является монотонным. Для таких участков изображения трудно или вовсе нельзя выявить различие между гистограммами яркости текущего и последующего кадров, т.е. нельзя произвести измерение смещения изображения за период следования кадров с точностью до одного пикселя.
На фиг. 10 приведен пример рассчитанной гистограммы выделенной полосы изображения объекта фиг. 9.
Из приведенного примера (фиг. 10) видно, что на участке от 80 пикселей до 160 пикселей по горизонтали гистограмма монотонная, что обусловлено монотонностью участка изображения объекта фиг. 9. Поэтому из-за мелких флуктуаций гистограммы на этом участке, обусловленных влиянием помех (снег), погрешность может быть чрезмерно большой. Поэтому, если анализируемая область будет выбрана на участке 80 – 160 пикселей, то точное определение смещения объекта в условиях воздействия помех не возможно.
На фиг. 11-16 приведены примеры определения смещения Δs объекта фиг. 9 за период следования кадров τ при использовании разных участков гистограммы фиг. 10, соответствующих разным областям изображения объекта с монотонным и не монотонным характером анализируемой области.
На фиг. 11 представлен i-ый кадр изображения, где не удачно выбрана область с монотонным изображением.
На фиг. 12 представлены гистограммы выделенной области i-ого и (i+1) кадра изображения с указанием смещения Δs.
Как можно видно из гистограмм смещение между кадрами равняется приблизительно 7 пикселям. Значение Δs было определено с помощью графика Q(q) (фиг. 13). График Q(q) принимает минимальное значение при q = 7, что и соответствует смещению Δs = 7 пикселям.
На графике зависимости Q(q) минимальное значение плохо идентифицируется и даже при незначительных помехах минимум может сильно смещаться от истинного значения.
На фиг. 14 представлен i-ый кадр изображения, где удачно выбрана область с немонотонным изображением.
На фиг. 15 представлены гистограммы выделенной области i-ого и (i+1) кадра изображения с указанием смещения Δs. Как можно видно из гистограмм смещение между кадрами равняется приблизительно 13 пикселям, а не 7, как было определено ранее для другой области.
Значение Δs было определено с помощью графика Q(q) (фиг. 16). График Q(q) принимает минимальное значение при q = 13, что и соответствует смещению Δs = 13 пикселям, в то время как на фиг.13 минимальное значение Q(q) принимает при q = 7 пикселям, что обусловлено внешними помехами (снегопадом) при низкой информативности области анализа.
На графике зависимости Q(q) фиг. 13 минимальное значение плохо идентифицируется и даже при незначительных помехах минимум может сильно смещаться от истинного значения.
На графике зависимости Q(q) фиг. 16 минимальное значение идентифицируется однозначно и помехи не влияют на результат оценки смещения Δs.
Для повышения точности измерения смещения Δs за время следования кадров τ на видеоизображении объекта предложено выделить несколько областей (фиг. 17), для которых на дополнительно введенном предварительном этапе способа последовательно рассчитываются гистограммы уровней яркости и производится определение дисперсии гистограмм, область с наибольшей дисперсией гистограммы уровней яркости используется для измерения величины смещения изображения объекта за период следования кадров и расчета скорости движения протяженного объекта, как в прототипе [6].
Введение дополнительного этапа выбора области (по сравнению с прототипом [6]) незначительно увеличивает время обработки, и удовлетворяет условиям работы в режиме реального времени.
Дополнительный этап занимает приблизительно 1-2% процессорного времени от общей процедуры оценки смещения.
Для анализируемых областей (1-12) построены графики гистограмм уровней яркости и дисперсии уровней яркости, показанные на фиг. 18-29. Координата Х области изображения меняется от 1 до 50, что соответствует ширине области m = 50 пикселей. Из анализа представленных областей(1-12) видно, что области с № 5 и 6 (фиг. 22, 23) соответствуют монотонным участкам изображения объекта, они характеризуются низким значением дисперсии (около 4000 условных единиц) и не могут использоваться для расчета смещения Δs.
Наибольшее значение дисперсии имеет участок №7 (примерно 510 000 условных единиц), приведенный на фиг. 24, он и будет использоваться для измерения величины смещения изображения объекта Δs за период следования кадров и расчета скорости движения протяженного объекта.
На фиг. 30 представлен алгоритм работы автоматизированной системы измерения параметров движения протяженного объекта на базе предлагаемого способа.
На фиг. 31 представлен возможный интерфейс программного обеспечения для измерения параметров движения протяженного объекта.
Система включается в работу (блок № 2 на фиг. 30) после того, как объект войдет в зону контроля (блок № 1 на фиг. 30) и будет сформирован соответствующий сигнал управления существующей системой (например, АСУ сортировочной станции железнодорожного транспорта).
Далее начинает производиться съемка видеокамерой (устройство регистрации) с последующей передачей данных по каналу связи на ЭВМ (блок № 4 на фиг. 30).
Принимая данные, вычислительная машина фиксирует информацию.
Экспериментальные данные записываются в базу данных для последующего математического анализа с помощью разработанного прикладного программного обеспечения.
Из сформированного массива изображений текущий i-ый кадр и последующий (i+1)-ый кадр записываются в память для последующего анализа (блок № 5 на фиг. 30).
Далее на текущем кадре выделяются прямоугольные области размером m×n, где n – высота прямоугольной области в пикселях, m – длина в пикселях (фиг. 17). Для каждой области рассчитывается гистограмма по правилу: для каждого из m столбцов шириной в один пиксель производиться суммирование уровня яркости всех n пикселей (фиг. 18-29).
Далее проводиться расчет дисперсии гистограмм и запоминается номер k прямоугольной области, гистограмма которой имеет наибольшее значение дисперсии (блоки № 6-17 на фиг. 30).
На следующем кадре i+1 также выделяется горизонтальная полоса с координатами, соответствующими координатам k-ой прямоугольной области текущего i-го кадра (блок № 18 на фиг. 30).
Для нее также производится расчет гистограммы по следующему правилу: по всей длине Х выделенной горизонтальной полосы для каждого столбца шириной в один пиксель производится суммирование уровня яркости всех n пикселей (фиг. 5, блок № 19 на фиг.30).
В рамках выделенной горизонтальной полосы на следующем кадре i+1 выделяются аналогичные по размеру прямоугольные области.
Набор этих областей образуют линейный массив q прямоугольных областей. Линейный массив состоит из q=Х-m+1 элементов (фиг. 6).
Для каждой аналогичной области выделяется соответствующий участок гистограммы, рассчитанной для выделенной горизонтальной полосы на следующем кадре i+1.
Сравнение k-ой прямоугольной области текущего i-го кадра и каждой аналогичной прямоугольной области горизонтальной полосы следующего i+1 кадра производится по следующему правилу: вычисляется сумма значений квадратов разности между элементами гистограммы k-ой прямоугольной области текущего i-го кадра и соответствующими элементами гистограммы аналогичной прямоугольной области горизонтальной полосы следующего i+1 кадра:
.
Минимальное значение массива Q(q) соответствует эквивалентной прямоугольной области.
На фиг. 8 представлена график Q(q) для гистограмм i-го кадра и кадра i+1. Минимальное различие гистограммы i-го кадра и последовательно смещаемой гистограммы i+1 кадра соответствует искомому смещению Δs, т.е. наиболее точному совпадению сравниваемых гистограмм, при котором Q(q) будет минимально.
За период следования кадров τ объект перемещается по горизонтали на расстояние S, а соответствующее объекту изображение смещается на Δs пикселей (блок № 21, № 22 на фиг. 30). Расчет скорости проводится по формуле:
V = K·Δs /τ.
После того, как объект перемещается за пределы зоны управления (блок № 23 на фиг. 30), происходит выключения видеокамеры (блок № 24, фиг. 30).
На основе предложенного способа была разработана и испытана автоматизированная система измерения скорости движения протяженных объектов. Испытания проводились на сортировочной станции Кинель Куйбышевской железной дороги при плохих погодных условиях – во время метели. Дополнительно введенный этап выбора области обеспечил корректное измерение скорости объекта в условиях помех, обусловленных плохими погодными условиями (во время метели) с требуемой точностью.
Предложенный способ измерения скорости движения протяженных объектов является реализуемым, так как введение дополнительного этапа выбора области (по сравнению с прототипом [6]) незначительно увеличивает время обработки сигналов (на 1-2%) и удовлетворяет условиям работы в режиме реального времени.
Интерфейс программы с реализованным способом представлен на фиг. 31.
ЛИТЕРАТУРА
1.    Патент №2229404, кл. B61 L17/00, 2004.
2.   Патент №2216780, кл. G 06 T7/20, 2003.
3.    Васин Н.Н., Куринский В.Ю. Метод измерения скорости движения железнодорожных вагонов на сортировочной горке. // Инфокоммуникационные технологии, 2005. – Т3. – №1. – С. 40-44.
4.    Васин Н.Н., Куринский В.Ю. Обработка видеосигналов для измерения скорости движения железнодорожных вагонов на сортировочной горке // Компьютерная оптика, 2005. №27. с. 185-188.
5.    Патент № 753244, кл. G 01 C23/00, 2006.
6.    Патент № 2398240, кл. G 01 P3/36, 2010.
7.  Патент № 2578648, кл. F 16 F15/02, 2006, кл. F 16 F7/00, 2006.