СИСТЕМА И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАБАРИТНОСТИ ГРУЗА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВАГОНОВ
SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINING RAILWAY CAR CARGO OVERALL DIMENSIONS

Изобретение относится к области вспомогательного железнодорожного оборудования, а именно, к системам и способам определения габаритности и объема груза открытых железнодорожных вагонов и платформ, и может быть использовано в системах видеонаблюдения на железной дороге.
На предприятиях, связанных с транспортировкой сыпучего груза в открытых вагонах, часто возникает задача контроля содержимого вагонов. Контроль объема и веса загружаемого груза важен как для корректного стоимостного расчета отгружаемого и перевозимого груза, так и для исключения перегруза вагонов, который сопряжен с возможностью не только повреждения вагонов, но и усиленного износа и даже повреждения железнодорожного полотна.
Традиционно задачу определения габаритности груза железнодорожных вагонов решают путем взвешивания вагонов как в процессе погрузки, так и до и непосредственно после погрузки или разгрузки с помощью специальных весовых платформ. Также весовые платформы используют непосредственно на стационарных погрузочных пунктах. С помощью весовых платформ производят взвешивание груза в процессе погрузки, что исключает перегруз. Однако такой подход не всегда применим, в частности, тогда, когда погрузку осуществляют с помощью мобильных погрузчиков.
При известной плотности загружаемого материала, вес груза можно определить путем измерения его объема. Для этого используют в том числе лазерные сканеры объема.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ определения габаритности груза железнодорожных вагонов, описанный в патенте RU2311311, в котором используют несколько пар оптоэлектронных датчиков "излучатель - приемник", измеряют время перекрытия оптического канала, измеряют скорость поезда, вычисляют длину нарушения габарита груза и габариты груза. Данный способ выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.
Недостатком способа прототипа является его дороговизна, вследствие необходимости использования нескольких пар оптоэлектронных датчиков "излучатель - приемник".
Техническим результатом заявленного изобретения является создание более дешевых системы и способа определения габаритности груза железнодорожных вагонов, за счет возможности использования всего лишь одной камеры в качестве оптоэлектронного датчика и трехмерного сканера.
Поставленный технический результат достигнут путем создания системы определения габаритности груза железнодорожных вагонов, содержащей, по меньшей мере, одну камеру 1, выход которой соединен с входом вычислительного устройства–коррелятора 2, а вход которой соединен с первым выходом устройства 4 синхронизации и считывания, второй выход которого соединен с входом дальномера 3, выход которого соединен с входом сервера 6, который также соединен с выходом вычислительного устройства – коррелятора 2, причем
- камера 1 выполнена с возможностью формирования покадрового изображения груза и передачи его в
- вычислительное устройство–коррелятор 2, которое выполнено с возможностью вычисления карт смещения точек изображения по соседним кадрам по мере смещения вагона, а также с возможностью передачи кадров изображения и карт смещения в сервер 6,
- дальномер 3 выполнен с возможностью измерения смещения вагона и передачи его в сервер 6;
- устройство 4 синхронизации и считывания выполнено с возможностью формирования сигналов синхронизации частоты съемки кадров камеры 1 с частотой измерений дальномера 3, а также с возможностью передачи сигналов синхронизации в камеру 1 и дальномер 3;
A
- сервер 6 выполнен с возможностью определения профиля поверхности груза, при этом вычисления, по мере смещения вагона, для каждого кадра изображения и соответствующего ему положения вагона, расстояния L от плоскости объективов камеры 1 до текущей точки А на поверхности груза согласно выражению
A
L= B*f / Р,
где
B – расстояние, на которое сместился вагон, за время, между моментами формирования двух кадров изображения груза,
f – расстояние от оптического центра объектива камеры до фоточувствительной матрицы объектива,
Р = |P1- P2| - величина сдвига проекции точки А на поверхности груза на фоточувствительную матрицу объектива камеры, за время, между моментами формирования двух кадров изображения груза;
P1, P2 – расстояния от точек A1 и A2 проекции на фоточувствительную матрицу объектива точки А на поверхности груза до оптической оси объектива на двух кадрах изображения груза, сформированных за время смещения вагона на расстояние В.
В предпочтительном варианте осуществления система содержит камеру 5 считывания бортового номера вагона, выход которой соединен с входом сервера 6 и которая выполнена с возможностью считывания бортового номера вагона и передачи его в сервер 6.
В предпочтительном варианте осуществления система содержит стереокамеру с двумя объективами, каждый из которых имеет светочувствительную матрицу, при этом стереобаза В является расстоянием между параллельными оптическими осями объективов стереокамеры.
Поставленный технический результат достигнут также путем создания способа определения габаритности груза железнодорожных вагонов, в котором
- с помощью устройства 4 синхронизации и считывания формируют сигналы синхронизации частоты съемки кадров камеры 1 с частотой измерений дальномера 3, и передают сигналы синхронизации в стереокамеру 1 и дальномер 3;
- с помощью камеры 1 формируют покадровое изображение профиля груза и передают его в
- вычислительное устройство–коррелятор 2, с помощью которого вычисляют карты смещения точек изображения по соседним кадрам по мере смещения вагона, а также передают кадры изображения и карты смещения в сервер 6;
- с помощью дальномера 3 измеряют смещение вагона и передают его в сервер 6;
A
A
- с помощью сервера 6 определяют профиль поверхности груза, при этом вычисляют по мере перемещения вагона для каждого кадра изображения и соответствующего ему положения вагона расстояния L от плоскости объективов стереокамеры 1 до текущей точки А на поверхности груза согласно выражению L= B*f / Р, где
B – стереобаза (расстояние смещения вагона между получением разных снимков одной камерой для виртуальной стереопары, что эквивалентно расстоянию между оптическими осями объективов для реальной стереокамеры),
f – расстояние от оптического центра объектива до фоточувствительной матрицы объектива,
Р = |P1- P2| - величина сдвига проекции точки А на поверхности груза на фоточувствительные матрицы объективов, вызванная параллаксом стереопары,
P1, P2 – расстояния от точек A1 и A2 проекции на планарные фоточувствительные матрицы объективов точки А на поверхности груза до оптических осей объективов.
В предпочтительном варианте осуществления способа с помощью камеры 5 считывания бортового номера вагона считывают бортовой номер вагона и передают его в сервер 6.
В предпочтительном варианте осуществления способа применяется реальная стереокамера при этом стереокамера имеет две или более камер, каждая из которых имеет объектив и светочувствительную матрицу, а стереобаза В является расстоянием между параллельными оптическими осями объективов.
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими графическими материалами.
Фиг. 1. Схема принципа функционирования системы и способа определения габаритности груза железнодорожных вагонов, выполненная согласно изобретению.
Элементы:
1 –камера;
2 – вычислительное устройство–коррелятор;
3 – дальномер;
4 – устройство синхронизации и считывания;
5 – камера считывания бортового номера вагона;
6 – сервер.
Фиг. 2. Схема принципа работы варианта выполнения системы и способа определения габаритности груза железнодорожных вагонов, содержащих стереокамеру, которая состоит из двух объективов, оптические оси которых строго параллельны и смещены на расстояние B друг от друга.
Фиг.3. Схема принципа работы варианта выполнения системы и способа определения габаритности груза железнодорожных вагонов, содержащих одну камеру, при смещении вагона на расстояние B.
A
A
Табл. 1. Таблица значений среднеквадратической ошибки вычисления расстояния L от плоскости объектива камеры до текущей точки А на поверхности груза для разных расстояний L и разных фокусных расстояний камеры, для случая смещения вагона на 500 мм, выполненная согласно изобретению.
A
A
Табл. 2. Таблица значений относительной погрешности вычисления расстояния L от плоскости объектив камеры до текущей точки А на поверхности груза для разных расстояний L и разных фокусных расстояний камеры, для случая смещения вагона на расстояние 500 мм, выполненная согласно изобретению.
A
Табл. 3. Таблица значений, приведенных в пикселях (размер пикселя матрицы видеокамеры взят 5 микрометров), смещения проекции точки А на поверхности груза на фоточувствительную матрицу объектива для разных расстояний L и разных фокусных расстояний объектива, выполненная согласно изобретению.
Табл. 4. Таблица значений смаза изображения за время экспозиции при разных экспозициях в зависимости от скорости движения вагона, при наблюдении вагона с расстояния 1 м камерой с разрешением 4 Мп, выполненная согласно изобретению.
Табл. 5. Таблица значений смещения изображения на плоскости матрицы между соседними кадрами для разной частоты кадров в зависимости от скорости движения вагона, при наблюдении вагона с расстояния 1 м камерой с размером матрицы 4 Мп, выполненная согласно изобретению.
Рассмотрим функционирование варианта выполнения заявленной системы определения габаритности груза железнодорожных вагонов (Фиг. 1). Система содержит камеру 1, выход которой соединен с входом вычислительного устройства–коррелятора 2, а вход которой соединен с первым выходом устройства 4 синхронизации и считывания, второй выход которого соединен с входом дальномера 3, выход которого соединен с входом сервера 6, который также соединен с выходом вычислительного устройства – коррелятора 2.
Способ определения габаритности груза железнодорожных вагонов осущестляется следующим образом (Фиг. 1-3).
С помощью устройства 4 синхронизации и считывания формируют сигналы синхронизации частоты съемки кадров камеры 1 с частотой измерений дальномера 3, и передают сигналы синхронизации в камеру 1 и дальномер 3.
С помощью камеры 1 формируют покадровое изображение груза и передают его в вычислительное устройство–коррелятор 2, с помощью которого вычисляют карты смещения точек изображения по соседним кадрам по мере смещения вагона, а также передают кадры изображения и карты смещения в сервер 6.
С помощью дальномера 3 измеряют смещение вагона и передают его в сервер 6.
С помощью камеры 5 считывания бортового номера вагона считывают бортовой номер вагона и передают его в сервер 6.
A
A
С помощью сервера 6 определяют профиль поверхности груза, при этом вычисляют по мере перемещения вагона для каждого кадра изображения и соответствующего ему положения вагона расстояние L от плоскости объектива камеры 1 до текущей точки А на поверхности груза согласно выражению L= B*f / Р, где
B – расстояние, на которое сместился вагон между соседними кадрами, в данном варианте это расстояние можно назвать стереобазой, по аналогии с терминологией для стереокамер (расстояние между оптическими осями объективов), в которых также используется явление параллакса,
f – расстояние от оптического центра объектива до фоточувствительной матрицы объектива,
Р = |P1- P2| - величина сдвига проекции точки А на поверхности груза на фоточувствительную матрицу камеры, вызванная параллаксом,
P1, P2 – расстояния от точек A1 и A2 проекции на планарную фоточувствительную матрицу объектива точки А на поверхности груза до оптической оси объектива.
Рассмотрим более подробно вариант выполнения заявленных системы и способа определения габаритности груза железнодорожных вагонов, содержащих одну камеру, при смещении вагона на расстояние B.
В заявленном варианте выполнения изобретения (Фиг. 3) параллакс, как сдвиг проекции точки А на матрице одной камеры возникает в последовательных кадрах из-за смещения всего объекта наблюдения - вагона из позиции I где снят первый кадр на известное расстояние В, в позицию II, в которой снимается следующий кадр. Расстояние В, по аналогии со стереовидением, можно назвать стереобазой.
Самой трудоемкой задачей в изобретении является нахождение однозначного соответствия точки A1 - проекции точки А на планарную фоточувствительную матрицу камеры на первом кадре, точке проекции A2 той же точки А на планарную фоточувствительную матрицу на втором кадре. Задача нахождения соответствия точек A1 и A2 является классической и ее успешно решают с помощью различных корреляционных методов, а требуемая вычислительная сложность зависит от размера окрестности точек A1 и A2 в которой требуется искать соответствие.
A
Если пренебречь нелинейными геометрическими искажениями, вносимыми оптической системой камеры, тогда расстояние Lможно, в первом приближении, рассчитатьисходя из соображений геометрических пропорций:
A
L= B*f / (|P1-P2|);
где  B – расстояние смещения вагона,
f – расстояние от оптического центра объектива до фоточувствительной матрицы объектива (до плоскости изображения),
P1, P2 – расстояния от точек A1 и A2 проекции на планарную фоточувствительную матрицу камеры точки А на поверхности груза до оптической оси объектива до и после смещения вагона на расстояние B,
Р = | P1- P2| - величина сдвига проекции точки А на поверхности груза на фоточувствительную матрицукамеры, вызванная параллаксом.
Тогда:
A
L= B*f / Р.
A
Точность измерения значения L в конечном счете определяется погрешностями вычисления углов ϕ1и   ϕ2 и значением B, или опосредованно – точностью измерения и вычисления значения Р – сдвига изображения вызванного параллаксом и геометрическими и оптическими параметрами камеры.
L
A
В нашем идеализированном случае среднеквадратическая погрешность m вычисленного значения L можно представить как
__________________
L
2
2
2
m= (√(B*mP)+(P*mB))/P;
где mP и mB соответственно среднеквадратичные ошибки значений для Р и В.
Более точно расчет погрешности восстановления дистанции по данным от камеры приведен в работе [Хамухин Анатолий Владимирович “Высокоэффективные алгоритмы семантической обработки видеоизображений и управления приборными комплексами технического зрения” диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук, Москва 2018], однако даже приведенное приближение позволяет вполне наглядно проиллюстрировать возможности заявленного изобретения.
Рассмотрим более подробно вариант выполнения заявленных системы и способа определения габаритности груза железнодорожных вагонов, содержащих стереокамеру, которая состоит из двух объективов, оптические оси которых строго параллельны и смещены на расстояние B друг от друга (Фиг. 2).
A
Каждую точку А на поверхности измеряемого груза наблюдают двумя объективами I и II стереопары под углами ϕ1 и ϕ2 соответственно, которые образованы расстояниями проекций A1 и A2 точки А на на планарные фоточувствительные матрицы объективов I и II и параллельными оптическими осями каждого объектива I и II. Измеренные углы ϕ1и   ϕ2 и базовое расстояние стереопары В позволяют вычислить расстояние L от плоскости объективов стереокамеры до текущей точки А на поверхности груза как высоту треугольника, образованного центрами левого и правого объективов стереокамеры со стереобазой B и измеряемой точки A.
A
Если абстрагироваться от нелинейных геометрических искажений, вносимых оптическими системами камер, расстояние Lможно, в первом приближении, рассчитатьисходя из соображений геометрических пропорций:
A
1
2
L= B*f / (|P-P|),
где  B – стереобаза (расстояние между оптическими осями объективов стереокамеры),
f – расстояние от оптического центра  объектива до плоскости изображения (до фоточувствительной матрицы),
1
2
P, P – расстояние проекции точки А на  плоскости изображения до оптической оси объектива камеры,
1
2
Заменим Р = | P- P| - собственно величина сдвига проекции точки А на плоскости  изображения, вызванная параллаксом стереопары.
A
Тогда  L= B*f / Р;
A
Точность измерения значения L в конечном счете определяется погрешностями вычисления углов ϕ1и   ϕ2 и значением B, или опосредованно – точностью измерения и вычисления значения Р – сдвига изображения вызванного параллаксом и геометрическими и оптическими параметрами стереопары.
L
В нашем идеализированном  случае среднеквадратическая погрешность m вычисленного значения L можно представить как
__________________
L
2
2
2
m= (√(B*mP)+(P*mB))/P,
где mP и mB соответственно среднеквадратичные ошибки значений для Р и В.
A
В таблицах 1 и 2 представлены значения среднеквадратической ошибки и относительной погрешности в процентах в зависимости от фокусного расстояния объектива камеры f и расстояния до объекта L для стереобазы В равной 500 мм (в данном варианте равного смещению вагона).
A
Погрешность вычисления L в диапазоне от 4м до 1м может быть достигнута менее 1см для условий, когда B равно 1м. Но при такой стереобазе, возрастают требования к камере: для обеспечения приемлемого угла обзора и точности определения углов ϕ1 и   ϕ2 требуется камера высокого разрешения порядка 4 - 6 мегапикселей и высокой чувствительности. Также требуется чрезвычайно высокая стабильность положения камеры, или  коллинеарность оптических осей объективов в случае примера для стереокамеры. В основном, эти требования в настоящее время вполне реализуемы различными способами, однако реализация такого подхода при большой стереобазе требует гигантских вычислительных ресурсов
A
Чем больше фокусное расстояние f объектива и чем ближе поверхность груза, тем выше точность, однако при этом сильно растет параллакс и тем сложнее определить ту же точку поверхности груза на разных изображениях. В таблице 3 представлены значения, приведенные в пикселях (размер пикселя взят 5 микрометров), смещения проекции точки А на поверхности груза на фоточувствительную матрицу объектива для разных расстояний L и разных фокусных расстояний объективов.
Для корреляционных методов поиска совмещения база P равная 400 – 1200 элементам просто не достижима по вычислительной сложности, так как возрастает пропорционально четвертой степени зоны поиска.  А для более короткофокусных объективов и меньших размеров стереопары параллакс уменьшается и уменьшается вычислительная сложность системы, но ошибка становится недопустимой.
В качестве варианта решения данной задачи, набирают требуемую стереобазу B на линейном массиве из N стереокамер, каждая из которых отстоит от соседней на расстоянии B/(N-1). В этом случае, чтобы набрать стереобазу B, эквивалентную апертуре в 500 пикселей, при разумном значении для вычислителя, области корреляционного поиска в 16х16 пикселей, разбивают всю стереобазу на 500/16 ≈ 32 интервала. Соответственно, вычислительная сложность при этом вырастет в 31 раз, но не в 30 тысяч раз, как при поиске по всей апертуре.
Конечно, систему из 32 синхронизированных камер высокого разрешения конструировать абсурдно.
В предложенном варианте система имеет камеру с одним объективом, при этом стереобазу В формируют за счет смещения вагона на расстояние B и поочередной съемки вагона одним объективом в разных позициях вагона. В данном случае задачу решают с помощью одной камеры, а стереобазу набирают за счет линейного перемещения самого вагона. Такая камера производит N снимков в процессе перемещения вагона, при этом набирает нужную для вычисления рельефа статистику не за счет параллакса, возникающего наобъективах стереокамеры, разнесенных на расстояние B, а за счет смещения вагона между сьемкой последовательности кадров одной камерой. В этом случае необходимо контролировать положение вагона с точностью, требуемой для формирования стереобазы.
Такая организация системы позволяет существенно снизить, до реально достижимых возможностей, требования к вычислительной сложности коррелятора, и более того организовать процесс вычисления итерационно, при котором вычисления для каждой  точки объекта прекращаются при достижении необходимой точности, то есть для точки, расположенной ближе к объективу, необходимая точность может быть достигнута на меньшем количестве снимков, чем для более удаленных точек.
В таблицах 4 и 5 для условий наблюдения вагона с расстояния 1 м камерой с размером матрицы объектива 4 Мп показан смаз изображения в зависимости от экспозиции и скорости перемещения вагона и смещение в пикселях изображения на плоскости матрицы между соседними кадрами для разной частоты кадров в зависимости от скорости движения вагона
Из таблиц 4 и 5 можно сделать вывод, что заявленные система и способ реализуемы при результирующей стереобазе B равной 500 мм, фокусном расстоянии f объектива равном 4 мм, размере матрицы камеры  равном 4 мегапикселя, но для экспозиции не более 2 мс (при скорости вагона до 40 км/час) и частоте кадров 60 кадров в секунду. При этом предельная погрешность измерения расстояния в диапазоне от 1 до 4 м от стереокамеры составит 0,8%.
Следует иметь в виду, что синхронно с экспонированием каждого кадра необходимо измерять линейное смещение вагона. Суммарная ошибка на дистанции 500 мм не должна превышать 1-2 мм, иначе эта ошибка станет доминирующей для результирующей ошибки вычислений.
Для увеличения точности измерения необходимо соответственно ужесточать требования к параметрам камер.
Заявленные система и способ определения габаритности груза железнодорожных вагонов основаны на использовании явления параллакса возникающего из-за смещения движущегося вагона при последовательной съемке поверхности груза, находящегося в открытом вагоне одной, неподвижно закрепленной камерой, которая выполняет функции 3-D сканера, для измерения объема загружаемого груза, а также расчета веса загруженного груза с достаточной для коммерческого применения относительной точностью менее 1%. Заявленные система и способ также позволяют контролировать габариты груза с целью исключения превышения допустимых габаритов. Преимуществом заявленного изобретения является отсутствие движущихся сканирующих деталей, относительная дешевизна, компактность и мобильность системы. Данные получаемые с камеры также могут быть использованы для контроля состояния внутреннего объема пустых вагонов и определения наличия посторонних предметов внутри вагонов.
Хотя описанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации заявленного изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла заявленного изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.