一種基于圖像識別的鐵路信號設(shè)備三維建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于圖像識別的鐵路信號設(shè)備三維建模的方法，過對攝像機采集到的鐵路線路視頻進(jìn)行智能分析，識別沿線信號機、信號標(biāo)志等鐵路信號設(shè)備，并結(jié)合GPS設(shè)備采集的GPS信息，獲取鐵路信號設(shè)備的類型信息和位置信息；根據(jù)獲取的類型信息從定制的鐵路信號設(shè)備模型庫提取模型，并根據(jù)位置信息計算其在三維場景中的3D信息，實現(xiàn)虛擬場景中鐵路信號設(shè)備的三維建模。本發(fā)明提供的方法減少了鐵路信號設(shè)備建模數(shù)據(jù)的人工錄入處理，提高了工作效率，同時也有效地克服了由于鐵路信號設(shè)備建模數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致的建模不精確的問題。
【專利說明】
一種基于圖像識別的鐵路信號設(shè)備三維建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理與三維建模技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種三維建模的方法，特別 涉及一種基于圖像識別的鐵路信號設(shè)備的三維建模方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 近年來，隨著鐵路行業(yè)的蓬勃發(fā)展，鐵路數(shù)字化已經(jīng)初具規(guī)模，隨著鐵路數(shù)字化建 設(shè)與運營的逐步深入，對運營仿真模擬、設(shè)備數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)空間分析等方面的需求日益 增加。"數(shù)字鐵路"的發(fā)展方向之一就是鐵路虛擬現(xiàn)實，而三維建模是構(gòu)建虛擬環(huán)境、進(jìn)行人 機交互的基礎(chǔ)。由于現(xiàn)實狀況和信息技術(shù)的制約，鐵路空間數(shù)據(jù)庫的建設(shè)受到信息購買價 格昂貴、數(shù)據(jù)采集困難、維護(hù)代價高等因素的制約，需要尋求解決鐵路三維數(shù)據(jù)獲取、維護(hù) 的有效方法。另外，鐵路建模的數(shù)據(jù)依賴于工程測量或者是工程圖紙的設(shè)計數(shù)據(jù)，而將這樣 的數(shù)據(jù)應(yīng)用于三維建模中，需要大量的人工參與，存在勞動強度大、工作效率低等多方面的 缺點。為此，提出一種基于圖像識別的鐵路信號設(shè)備建模數(shù)據(jù)的獲取方法，并利用這些數(shù)據(jù) 實現(xiàn)對鐵路信號設(shè)備的三維建模。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種基于圖像識別的鐵路信號設(shè)備三維建模方法，有效解決 了鐵路虛擬場景建模中，由于鐵路信號設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致的建模不精確的問題。本發(fā) 明通過圖像識別和GPS信息相結(jié)合的方式，獲取鐵路信號設(shè)備的相關(guān)建模數(shù)據(jù)，減少了鐵 路信號設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)的人工錄入和處理，提高了工作效率，降低了開發(fā)成本。
[0004] 本發(fā)明實現(xiàn)上述目的采取的技術(shù)方案是：一種基于圖像識別的鐵路信號設(shè)備三維 建模方法，包括以下步驟：
[0005] (1)利用相關(guān)地形數(shù)據(jù)和鐵路線路數(shù)據(jù)，建立地形模型和鐵路模型，并將兩者拼合 在一起，形成鐵路線路的三維場景；
[0006] (2)利用三維建模工具制作鐵路信號設(shè)備的三維模型，生成鐵路信號設(shè)備三維模 型庫；
[0007] (3)對攝像機采集線路視頻進(jìn)行智能分析，利用圖像識別算法，獲取鐵路線路上信 號設(shè)備信息，包括類型信息和位置信息；
[0008] (4)根據(jù)圖像識別提供的鐵路信號設(shè)備類型和位置信息，將信號設(shè)備放置在所述 的鐵路線路三維場景中；
[0009] 在步驟（3)中，根據(jù)圖像識別獲取鐵路信號設(shè)備的類型信息和位置信息，其特征 在于，包括以下步驟：
[0010] 步驟3. 1，將攝像機采集的線路視頻與GPS模塊采集的GPS信息同步；
[0011] 步驟3. 2,根據(jù)被識別鐵路信號設(shè)備的特征，構(gòu)建相應(yīng)的識別算法；
[0012] 步驟3. 3,通過圖像識別算法對鐵路信號設(shè)備進(jìn)行識別，保存其類型信息和位置信 息；
[0013] 在步驟3. 1中，GPS模塊采集的GPS信息包括經(jīng)度坐標(biāo)、煒度坐標(biāo)、高程坐標(biāo)和時 間。
[0014] 在步驟3. 1中，視頻與GPS信息按照時間進(jìn)行同步，使得線路視頻的每一幀數(shù)據(jù)均 關(guān)聯(lián)GPS信息。
[0015] 在步驟3. 3中，通過圖像識別算法得到位置信息，包括經(jīng)度坐標(biāo)、煒度坐標(biāo)、高程 坐標(biāo)以及相對于鐵路中心線的位置，所述的相對于鐵路中心線的位置是指位于鐵路中心線 的左邊還是右邊。
[0016] 在步驟（4)中，根據(jù)圖像識別提供的鐵路信號設(shè)備類型和位置信息，將信號設(shè)備 放置在所述的鐵路三維場景中，其特征在于，包括以下步驟：
[0017] 步驟4. 1，根據(jù)識別出的鐵路信號設(shè)備類型，在鐵路信號設(shè)備模型庫中選出相應(yīng)類 型的信號設(shè)備；
[0018] 步驟4. 2,根據(jù)識別出的鐵路信號信號設(shè)備的經(jīng)度坐標(biāo)、煒度坐標(biāo)和高程坐標(biāo)，進(jìn) 行坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換為三維虛擬場景的坐標(biāo)；
[0019] 步驟4. 3,根據(jù)識別出的鐵路信號設(shè)備相對于鐵路中心線的位置，結(jié)合步驟4. 2中 計算出的該設(shè)備在三維場景中的坐標(biāo)，將步驟4. 1中的三維模型放置在步驟（1)所建立的 三維場景中；
[0020] 本發(fā)明通過對攝像機采集到的鐵路線路視頻進(jìn)行智能分析，識別沿線信號機、信 號標(biāo)志等鐵路信號設(shè)備，并結(jié)合GPS設(shè)備采集的GPS信息，獲取鐵路信號設(shè)備的類型信息和 位置信息；根據(jù)獲取的類型信息從定制的鐵路信號設(shè)備模型庫提取模型，并根據(jù)位置信息 計算其在三維場景中的3D信息，實現(xiàn)虛擬場景中鐵路信號設(shè)備的三維建模。
[0021] 其優(yōu)點在于：（1)本發(fā)明利用GPS模塊采集GPS信息，并與攝像機采集的鐵路線 路視頻信息同步，有效地為視頻的每一幀圖像添加了位置信息，即經(jīng)煒度和高程坐標(biāo)信息。 (2)本發(fā)明利用圖像識別算法，識別出每幀圖像中出現(xiàn)的鐵路信號設(shè)備的類型及相對位置 信息，結(jié)合經(jīng)煒度高程坐標(biāo)信息，為鐵路信號設(shè)備的三維建模提供所需的數(shù)據(jù)，從而減少了 鐵路信號設(shè)備建模數(shù)據(jù)的人工錄入處理，提高了工作效率，同時也有效克服了由于鐵路信 號設(shè)備建模數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致的建模不精確的問題。
【附圖說明】：
[0022] 圖1是一種基于圖像識別的鐵路信號設(shè)備三維建模方法的原理圖。
【具體實施方式】：
[0023] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。但本發(fā)明不局限以下實施方式。
[0024] -種基于圖像識別的鐵路信號設(shè)備三維建模方法，包括以下步驟：
[0025] (1)利用相關(guān)地形數(shù)據(jù)和鐵路線路數(shù)據(jù)，建立地形模型和鐵路模型，并將兩者拼合 在一起，形成鐵路線路的三維場景，具體實現(xiàn)步驟為：
[0026] ①利用航測或外業(yè)勘測的地形數(shù)據(jù)，建立線路行經(jīng)地區(qū)的數(shù)字高程模型（DEM)，利 用DEM模型生成一個規(guī)則的三角網(wǎng)，用于表示三維地形模型；
[0027] ②利用人工輸入的平面、縱斷面、橫斷面及橋、隧、路基等設(shè)計數(shù)據(jù)，建立線路三維 模型。線路三維模型的建立主要包括路基、橋梁及隧道的三維模型的建立，以建立路基的三 維模型為例，首先利用平面和縱斷面設(shè)計數(shù)據(jù)來確定線路中心線，然后根據(jù)橫斷面數(shù)據(jù)，計 算出路基的橫斷面，最后將這些橫斷面按照一定的次序連接起來，形成了路基的三角網(wǎng)，即 路基的三維模型。
[0028] ③將地形模型和線路模型拼合在一起，形成鐵路線路的三維場景。拼合的關(guān)鍵在 于屏蔽線路區(qū)域內(nèi)的地面。首先找出路基的邊緣線所圍成的多邊形，將多邊形的邊依次加 入到地形DEM模型生成三角網(wǎng)中，然后在三角網(wǎng)中刪除位于多邊形內(nèi)的三角形，從而達(dá)到 線路覆蓋地形的目的。
[0029] (2)利用3DMAX和AutoCAD等工具制作鐵路線路信號設(shè)備的三維模型，生成鐵路信 號設(shè)備的三維模型庫。模型庫中包括各種類型的信號機、線路標(biāo)志和信號標(biāo)志。信號機包 括高柱信號機和矮柱信號機；線路標(biāo)志包括公里標(biāo)、半公里標(biāo)、百米標(biāo)、曲線標(biāo)、坡度標(biāo)、橋 梁標(biāo)及隧道標(biāo)；信號標(biāo)志包括警沖標(biāo)、站地界和預(yù)告標(biāo)；
[0030] (3)對攝像機采集的線路視頻進(jìn)行智能分析，利用圖像識別算法，獲取鐵路線路上 信號設(shè)備的類型信息和位置信息，具體實現(xiàn)步驟為：
[0031] ①將一臺攝像機以及一個GPS設(shè)備放置在列車頭部，對需要建模的鐵路線路同時 進(jìn)行視頻彳目息米集以及GPS彳目息米集；
[0032] ②將攝像機采集的視頻信息與GPS模塊采集的GPS信息進(jìn)行同步，包括以下步 驟：
[0033] 步驟1 :讀取GPS模塊采集的GPS信息，該信息以.gpx文件的形式保存，包括采集 點的經(jīng)度坐標(biāo)、煒度坐標(biāo)、高程坐標(biāo)，以及采集該點的時間，時間信息的格式是年月日時分 秒；
[0034] 步驟2 :攝像機采集的線路視頻的每一幀圖像均關(guān)聯(lián)GPS位置信息，即每一幀均有 經(jīng)度坐標(biāo)、煒度坐標(biāo)以及高程坐標(biāo)；每一幀的坐標(biāo)計算公式為：
式中curFrameNumber為線路視頻當(dāng)前幀的幀號，frameRate為視頻的幀率，一般為25 幀/秒，curT表示從開始到當(dāng)前幀所經(jīng)歷的時間；W表示向下取整；l〇n[index]表示在第 index秒時，GPS設(shè)備采集的經(jīng)度坐標(biāo)；lat [index]表示在第index秒時，GPS設(shè)備采集的 煒度坐標(biāo)；ele [index]表示在第index秒時，GPS設(shè)備采集的高程坐標(biāo)；Ion、lat、ele分別 表示幀號為curFrameNumber的視頻幀對應(yīng)的經(jīng)度、煒度和高程坐標(biāo)。
[0035] ③融合被識別設(shè)備的顏色特征和形狀特征（如長寬比、矩形度、圓形度等）構(gòu)建識 別算法，識別出視頻中信號設(shè)備的類型及其相對于鐵路線的位置；以高柱信號機為例，其識 別算法的具體實現(xiàn)步驟是：
[0036] 步驟1 :根據(jù)高柱信號機的顏色特征，使用Otsu算法獲取圖像分割閾值T，由于高 柱信號機的顏色較深，將灰度值小于等于分割閾值T的像素點的灰度值設(shè)置為0,而灰度值 大于分割閾值T的像素點的灰度值設(shè)置為255,得到二值圖像；
[0037] 步驟2 :根據(jù)高柱信號機的形狀特征，進(jìn)行幾何特征過濾，將滿足過濾條件的連通 區(qū)域保留；設(shè)置其面積過濾條件為大于圖像面積SA30*50)，且小于圖像面積SA10*10) 的連通區(qū)域；設(shè)置其寬高比過濾條件為連通區(qū)域的外接矩形的寬高比例大于1. 2,且小于 4. 0 ；
[0038] 步驟3 :對滿足過濾的條件的區(qū)域利用Canny邊緣檢測算子進(jìn)行邊緣檢測，并與高 柱信號機輪廓模板進(jìn)行模板匹配，匹配度大于〇. 9的區(qū)域被識別為高柱信號機；
[0039] 步驟4:根據(jù)識別出的高柱信號機所在的圖像區(qū)域，計算出該區(qū)域的中心坐標(biāo)，若 中心點的x坐標(biāo)小于圖像寬度的一半，則高柱信號機位于鐵路中心線的左邊，否則高柱信 號機位置鐵路中心線的右邊，得到高柱信號機相對于鐵路中心的位置；
[0040] ④根據(jù)步驟③中識別出的信號設(shè)備的類型及相對位置，并結(jié)合步驟②為每幀圖像 所關(guān)聯(lián)的經(jīng)煒度和高程坐標(biāo)，得到信號設(shè)備的類型、經(jīng)煒度高程坐標(biāo)以及當(dāng)前設(shè)備與鐵路 中心線的相對位置；
[0041] (4)根據(jù)步驟（3)提供的信號設(shè)備類型及位置信息，將信號設(shè)備放置在所述的線 路三維虛擬場景中，具體實現(xiàn)步驟為：
[0042] ①根據(jù)步驟（3)中識別出的信號設(shè)備的類型，從步驟（2)建立的鐵路信號設(shè)備模 型庫中調(diào)出該類型設(shè)備的模型；
[0043] ②根據(jù)步驟（3)中識別出的信號設(shè)備的經(jīng)煒度高程坐標(biāo)，進(jìn)行大地坐標(biāo)系到三維 場景坐標(biāo)系的變換，將經(jīng)煒度高程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維虛擬場景下的坐標(biāo)；
[0044] ③根據(jù)步驟（3)中計算出的信號設(shè)備與鐵路中心線的相對位置，所述的相對位置 為當(dāng)前信號設(shè)備位于鐵路線的左邊還是右邊，并結(jié)合②中計算出的該設(shè)備在三維場景中的 坐標(biāo)，將①中的三維模型放置在步驟（1)所建立的三維場景中。
[0045] 綜上所述，本發(fā)明所提出了基于圖像識別的鐵路信號設(shè)備的三維建模方法，通過 增加GPS設(shè)備采集GPS信息，并將該信息與攝像機采集的視頻信息進(jìn)行同步，有效地為視頻 的每一幀圖像附加了位置信息，即經(jīng)煒度和高程坐標(biāo)信息。通過構(gòu)造圖像識別算法，得到視 頻每幀圖像中所包含設(shè)備的類型信息和相對位置信息，并結(jié)合經(jīng)煒度高程坐標(biāo)信息，將該 設(shè)備放置在三維場景中，提供了一種獲取鐵路信號設(shè)備建模數(shù)據(jù)方法，有效解決了在鐵路 虛擬場景建模中，因數(shù)據(jù)缺失而導(dǎo)致的建模不精確的問題。
【主權(quán)項】
1. 一種基于圖像識別的鐵路信號設(shè)備三維建模方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一：利用相關(guān)地形數(shù)據(jù)和鐵路線路數(shù)據(jù)，建立地形模型和鐵路模型，并將兩者拼合 在一起，形成鐵路線路的三維場景； 步驟二：利用三維建模工具制作鐵路信號設(shè)備的三維模型，生成鐵路信號設(shè)備三維模 型庫； 步驟三：對攝像機采集線路視頻進(jìn)行智能分析，利用圖像識別算法，獲取鐵路線路上信 號設(shè)備信息，包括類型信息和位置信息； 步驟四：根據(jù)圖像識別提供的鐵路信號設(shè)備類型和位置信息，將信號設(shè)備放置在所述 的鐵路線路三維場景中。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像識別的鐵路信號設(shè)備三維建模方法，其特征在于： 在步驟三中，根據(jù)圖像識別獲取鐵路信號設(shè)備的類型信息和位置信息，包括以下步驟： 步驟2. 1，將攝像機采集的線路視頻與GPS模塊采集的GPS信息同步； 步驟2. 2,根據(jù)被識別鐵路信號設(shè)備的特征，構(gòu)建相應(yīng)的識別算法； 步驟2. 3,通過圖像識別算法對線路設(shè)備進(jìn)行識別，保存其類型信息以及位置信息。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像識別獲取信號設(shè)備信息的方法，其特征在于：在步 驟2. 1中，GPS模塊采集的GPS信息包括經(jīng)度坐標(biāo)、煒度坐標(biāo)、高程坐標(biāo)和時間。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像識別獲取信號設(shè)備信息的方法，其特征在于：在步 驟2. 1中，視頻與GPS信息按照時間進(jìn)行同步，使得線路視頻的每一幀數(shù)據(jù)都關(guān)聯(lián)GPS信 息。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像識別獲取信號設(shè)備信息的方法，其特征在于：在步 驟2. 3中，通過圖像識別算法得到位置信息，包括經(jīng)度坐標(biāo)、煒度坐標(biāo)、高程坐標(biāo)以及相對 于鐵路中心線的位置，所述的相對于鐵路中心線的位置是指位于鐵路中心線的左邊還是右 邊。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像識別的鐵路信號設(shè)備三維建模方法，其特征在于： 在步驟四中，根據(jù)圖像識別提供的鐵路信號設(shè)備類型和位置信息，將信號設(shè)備放置在所述 的鐵路三維場景中，包括以下步驟： 步驟6. 1，根據(jù)識別出的鐵路信號設(shè)備類型，在鐵路信號設(shè)備模型庫中選出相應(yīng)類型的 信號設(shè)備； 步驟6. 2,根據(jù)識別出的鐵路信號信號設(shè)備的經(jīng)度坐標(biāo)、煒度坐標(biāo)和高程坐標(biāo)，進(jìn)行坐 標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換為三維虛擬場景的坐標(biāo)； 步驟6. 3,根據(jù)識別出的鐵路信號設(shè)備相對于鐵路中心線的位置，結(jié)合步驟6. 2中計算 出的該設(shè)備在三維場景中的坐標(biāo)，將步驟6. 1中的三維模型放置在步驟一所建立的三維場 景中。
【文檔編號】G06T17/00GK105894568SQ201410685154
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年11月17日
【發(fā)明人】栗芳, 鄭樂觀, 高志生, 張安全, 白曉亮
【申請人】鄭州捷安高科股份有限公司