全景圖自動生成技術在地鐵中的應用

于淑萍 李文鋒

（南京鐵道職業(yè)技術學院，210031，南京∥第一作者，教授）

地鐵速度快、載客量大，其運營過程中的行車安全直接關系到人民生命財產和國家財產的安全以及社會安定等。因此，地鐵的行車安全已越來越受到業(yè)界的關注。文獻［1］、［3］、［4］對地鐵行車過程中的安全影響因素進行分析，并針對性地提出相應的控制措施，提高地鐵的行車安全。文獻［2］從地鐵應用系統(tǒng)出發(fā)，通過分析安全保障系統(tǒng)的結構和信息傳輸?shù)汝P鍵技術 ，提出實現(xiàn)安全保障系統(tǒng)的方案。目前，地鐵行車安全管理主要通過車廂內及車站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)對列車進行實時跟蹤。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以對地鐵的行車視頻信息進行實時保存，并在發(fā)生事故時，通過現(xiàn)場情景還原來分析事故原因。但是，這種方式僅能從一個角度去看現(xiàn)場（如攝像頭是向下拍攝的，則只能看到俯視的監(jiān)控畫面），而且只有在有攝像頭的范圍內才能看到，這給行車安全事故的追蹤帶來了不確定性。

為了更好地調度列車和還原事故現(xiàn)場的情景，本文提出使用基于LTE（長期演進）的車載臺拍照功能，利用全景圖拼接技術，將列車運行過程中拍攝的各個方面的照片拼接成立體畫面。調度人員通過可視化界面，可實時了解列車的位置及周邊的情景；當發(fā)生事故時，可以通過多維度清晰觀察現(xiàn)場情況。

1 全景拼圖技術

全景拼圖是一種應用較廣的基于圖像的繪制技術。全景拼圖的主要思想是：利用離散的且有一定重合度的照片序列，對其邊界進行定位和重合，形成一張照片，再對其顏色、亮度等進行校正，然后進行無縫平滑處理；如此依次拼接，最后形成水平方向360°環(huán)視的圖像環(huán)境。全景圖的生成包括圖像配準和圖像拼接兩個最為關鍵的步驟。

1.1 圖像配準

圖像配準的目的是找出相鄰圖像間的重疊區(qū)域范圍和位置，以便得到兩幅圖像間的相似度。圖像配準被定義為兩幅圖像間在坐標位置和灰度級上的雙重映射變換，由此，圖像配準問題轉化為尋找最佳空間或幾何變換參數(shù)問題。設兩幅待配準圖像I1（x，y）和I2（x，y）分別為參考圖像和匹配圖像，f是二維空間坐標變換，g是一維的灰度變換，則雙重映射變換可表示為：

基于相位相關度的圖像配準技術的主要思想，是利用傅立葉變換式、小波變換式等先對圖像進行變換，通過互功率譜直接計算出兩幅圖像間的平移矢量，然后將兩幅待配準圖像變換到頻域。旋轉和縮放在頻域都有其對稱性，可以先對圖像計算旋轉，而后計算平移，再利用變換后的圖像的某些特性進行匹配。假定I1（x，y），I2（x，y）分別為兩幅待拼接的圖像，I2（x，y）是由I1（x，y）簡單平移得到的。即：

根據(jù)傅立葉變換的性質可得：

式中：

F2（ξ，η），F(xiàn)1（ξ，η）——分 別 為I2（x，y）和I1（x，y）的傅立葉變換。

F2（ξ，η），F(xiàn)1（ξ，η）的互功率譜為：

假定I2（x，y）是由I1（x，y）以ρ為參數(shù)進行縮放后再逆時針旋轉θ0后得到的圖像，則其滿足：

令I1p（φ，θ）和I2p（φ，θ）分別為I1（x，y）、I2（x，y）的極坐標形式，得到：

若對I1p（φ，θ）和I2p（φ，θ）沿ρ方向取對數(shù)，即：

則

從式（9）可以看出，I1pl（λ，θ）和I2pl（λ，θ）之間滿足一種簡單的平移關系。利用上述相位相關方法同樣可獲得λ0和旋轉角度θ0，由此可獲得縮放尺度φ＝eλ0。

1.2 圖像拼接

圖像拼接就是將兩幅圖像拼成一幅圖像。如果兩幅圖像的重疊部分只是簡單地取兩幅圖像進行疊加，會造成圖像的模糊和明顯的邊界，因此需要采用一定的方法處理重疊部分。本文采用取平均值法。

令I1（x，y）、I2（x，y）、I（x，y）分別表示第一幅圖像、第二幅圖像和融合圖像在點（x，y）處的像素值，則融合圖像中各點的像素值按下式確定。

式中：

R1——第一幅圖像中未與第二幅圖像重疊的圖像區(qū)域；

R2——第一幅圖像中和第二幅圖像重疊的圖像區(qū)域；

R3——第二幅圖像中未與第一幅圖像重疊的圖像區(qū)域。

2 全景拼接技術在地鐵中的應用

利用全景拼接技術，首先需要遵循圖像自動拼接的過程。即完成圖像的獲取、預處理、配準、拼接和圖片的展示。將此過程統(tǒng)一集中到行車調度軟件實現(xiàn)。行車調度軟件用于行車調度員對在線運營列車的實時語音和數(shù)據(jù)調度，能實時以列表和圖形化的形式顯示列車。

2.1 軟件架構

調度軟件框架如圖1所示。根據(jù)調度軟件承擔的功能不同，軟件設計主要分為感知層、資源層、管理層和應用層。

感知層是信息源，負責獲取語音、數(shù)據(jù)等信息。本系統(tǒng)中感知層有車載臺、固定臺及廣播話筒等。資源層主要負責系統(tǒng)運行的一些資源調度，包括計算資源池、存儲資源池、網絡資源池等，通過本層可有效管理系統(tǒng)資源，提高資源的利用率。管理層主要用于管理系統(tǒng)運行過程中的一些用戶、算法及安全審計機制。應用層提供各種應用的實現(xiàn)，如語音的呼叫、列車的圖形化及列表顯示、用戶管理等。

2.2 軟件的處理流程

調度軟件的處理流程比較復雜，包括了信號系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)及短信服務系統(tǒng)的交互處理流程。地鐵線路的主要組成元素是固定的，不會發(fā)生變化，利用這些照片可以生成整個線路的全景圖。另外，列車每個時刻的位置在變化，行車調度軟件通過全景技術也可生成針對每列列車每一時刻的全景圖。本文主要介紹與全景拼接技術相關的處理流程，如圖2所示。

圖1 調度軟件框架

圖2 圖像拼接處理流程

流程主要涵蓋了以下4個主要部分：

圖像采集：圖像采集功能主要由司機室安裝的車載臺上的攝像頭實現(xiàn)。列車的左側、正前方及右側分別部署攝像頭，分別采集列車左側、正前方和右側的圖像數(shù)據(jù)。這些圖片通過LTE網絡發(fā)送到調度中心。

圖像提?。盒熊囌{度軟件可通過數(shù)據(jù)庫直接訪問調度中心保存的圖片數(shù)據(jù)，提取這些圖像的像素及灰度信息。

圖像預處理：主要對圖像進行幾何畸變校正和噪聲點的抑制，讓參考圖像和待拼接圖像不存在明顯的幾何畸變。圖像預處理為圖像配準做準備，使圖像質量能夠滿足圖像配準的要求。

圖像配準和拼接：圖像配準是對來自不同傳感器以及從不同時相、不同角度所獲得的兩幅或多幅圖像進行最佳匹配的處理。圖像拼接對圖像進行縫合，并對縫合的邊界進行平滑處理，使縫合自然過渡。由于任何兩幅相鄰圖像在采集條件上都不可能做到完全相同，因此，一些本應該相同的圖像特性（如圖像的光照特性等）在兩幅圖像中也會表現(xiàn)得不完全一樣。圖像拼接縫隙就是由一幅圖像的圖像區(qū)域過渡到另一幅圖像的圖像區(qū)域時由于圖像中的某些相關特性發(fā)生了躍變而產生的。圖像融合就是讓圖像間的拼接縫隙不明顯，拼接更自然。

2.3 軟件的顯示界面

軟件實現(xiàn)后，能夠將連續(xù)圖片連成實際的地鐵線路圖，同時，能顯示車輛所在區(qū)域的全景圖。圖3、圖4分別為某一時刻車載臺拍攝的兩張圖片，經過系統(tǒng)配準及拼接后，形成圖5所示的線路全景圖。

圖3 車載臺左攝像頭拍攝圖片

圖4 車載臺右攝像頭拍攝圖片

3 結語

圖5 調度界面上全景地圖

地鐵是未來城市的主要交通方式，其安全性越來越受到關注?；贚TE技術的車載臺能隨時拍攝列車的周邊場景，并實時傳輸?shù)秸{度中心。應用圖像全景技術，對車載臺拍攝的圖像進行處理，可形成地鐵線路全景圖，并以三維方式實時顯示每列列車所在的位置。利用全景圖自動生成技術為調度中心調度員提供可視化的界面，有利于提高其工作效率和調度命令的準確性。

［1］紀開權.關于影響地鐵行車安全因素的思考［J］.黑龍江科技信息，2011（7）：45.

［2］崔艷萍，唐禎敏，武旭.地鐵行車安全保障系統(tǒng)的研究［J］.城市軌道交通研究，2004（5）：23.

［3］陳麗艷.基于安全行為分析的軌道交通司機安全性評價研究［D］.北京：北京交通大學，2010.

［4］曾慶生.地鐵行車安全事故預防［J］.科技風，2012（3）：122.

［5］蔣蘇蓉，王松，馮剛.基于圖像的全景視圖的實現(xiàn)技術［J］.計算機應用，2002，22（6）：12.