基于改進(jìn)Hough變換的列車軌道邊沿檢測(cè)

李曉光 萬通 譚宇航

摘 要：針對(duì)列車軌道邊沿的檢測(cè)，提出的改進(jìn)的Hough變換檢測(cè)方法，首先利用Canny算子對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，然后二值化處理，視其中的白色點(diǎn)為邊緣點(diǎn)，最后將直線空間轉(zhuǎn)換為參數(shù)空間，獲取直線函數(shù)，得到直線結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文算法能有效提取軌道列車邊沿。

關(guān)鍵詞：軌道檢測(cè);邊沿檢測(cè);Hough變換;圖像處理

一、 引言

鐵路運(yùn)輸作為基本的運(yùn)輸方式之一，一直以來在各國(guó)交通運(yùn)輸領(lǐng)域中都占據(jù)著主導(dǎo)地位，其對(duì)各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著特殊且重要的作用，鐵路運(yùn)輸在給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人們的生活帶來巨大提高與改善的同時(shí)，也使得鐵路交通事故呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，每一起鐵路交通事故都給國(guó)家和人民帶來了非常嚴(yán)重的損失，這使得列車的行車安全逐漸成為大眾關(guān)注的焦點(diǎn)，為了保障列車行車安全，軌道環(huán)境檢測(cè)是最重要的檢測(cè)環(huán)節(jié)，檢測(cè)到軌道上的環(huán)境情況可以為列車提供環(huán)境數(shù)據(jù)，一旦有危險(xiǎn)情況發(fā)生，可以提前發(fā)出預(yù)警信號(hào)，輔助列車提前采取措施。而軌道環(huán)境檢測(cè)中軌道外沿的檢測(cè)尤其重要，雙軌之間的環(huán)境才是決定列車行車安全的關(guān)鍵，因此本文針對(duì)軌道外沿檢測(cè)提出了改進(jìn)的Hough變換檢測(cè)算法。

二、 改進(jìn)的Hough變換原理

1962年P(guān)aul Hough提出了用于檢測(cè)圖像中直線的Hough變換算法，該算法將直線由直角坐標(biāo)系變換到參數(shù)坐標(biāo)系，利用參數(shù)空間的信息計(jì)算各個(gè)點(diǎn)是否處于同一條直線上，算法容錯(cuò)性好，魯棒性強(qiáng)，能夠較好地處理局部遮擋、覆蓋等問題，但是由于參數(shù)的離散化導(dǎo)致結(jié)果不精確，其分布效應(yīng)容易產(chǎn)生虛假直線，計(jì)算復(fù)雜度比較高，運(yùn)算速度較慢。

本文針對(duì)傳統(tǒng)Hough變換算法存在的問題，提出了改進(jìn)的Hough變換算法。

（一）基于Canny算子的圖像邊緣檢測(cè)

邊緣是圖像中目標(biāo)的輪廓，利用灰度變化率表征是否為目標(biāo)的輪廓，Canny算子在原有的一階微分算子基礎(chǔ)上，增加了非最大值抑制和雙閾值處理兩項(xiàng)改進(jìn)。利用非最大值抑制不僅可以有效地抑制多響應(yīng)邊緣，還可以提高邊緣的定位精度，利用雙閾值可以有效減少邊緣的漏檢率。利用Canny算法進(jìn)行邊緣檢測(cè)主要包括以下四個(gè)步驟：

（1）利用高斯函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波;

（2）計(jì)算梯度值與方向角;

（3）非最大值抑制，將在梯度方向上具有最大梯度值的像素作為邊緣像素保留，其他像素刪除。

（4）滯后閾值化，設(shè)定高閾值和低閾值，任何像素對(duì)邊緣算子的響應(yīng)高于高閾值，記為邊緣點(diǎn)，高低閾值之間需二次判斷，判斷其四鄰域像素是否有邊緣點(diǎn)，若有，則記為邊緣點(diǎn)，否則不是邊緣點(diǎn)，響應(yīng)低于低閾值視為噪聲。

（二）Hough變換直線提取

利用點(diǎn)與線的對(duì)偶性，將影像坐標(biāo)系中一條直線上的所有點(diǎn)通過參數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)換到參數(shù)坐標(biāo)系中，形成N條直線。由于影像空間中一條直線上所有點(diǎn)的斜率和截距數(shù)值一樣，因此，這些直線的相同點(diǎn)是聚焦于同一點(diǎn)。然后再使用累加器進(jìn)行每個(gè)點(diǎn)的累計(jì)，尋找累加器中的峰值，從而提取直線。這就將檢測(cè)問題從原始影像空間的整體變換到參數(shù)空間中的局部問題。

一條直線在直角坐標(biāo)系下的直線方程式為：

直線方程式中，k是斜率，b是截距，（x，y）為直線上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)。在直線處于垂直狀態(tài)的時(shí)候，此時(shí)的斜率和截距取值范圍是無限大。然后，將直角坐標(biāo)系中的某一直線使用參數(shù)方程表達(dá)式變換到極坐標(biāo)系中。其中，極坐標(biāo)方程為：

當(dāng)直角坐標(biāo)系中的任意一點(diǎn)（x1，y1）作為已知量，那么k，b為變量坐標(biāo)。將極坐標(biāo)系（ρ，θ）作為變換空間，那么點(diǎn)（x1，y1）在極坐標(biāo)系中的參數(shù)方程式為：

ρ表示極點(diǎn)O與點(diǎn)P的距離。θ表示按逆時(shí)針方向，射線與極軸的夾角，也稱為極角。直角坐標(biāo)系中直線上的所有點(diǎn)通過極坐標(biāo)方程轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系中可以得到N條正弦曲線，這些正弦曲線聚焦于同一點(diǎn)。

三、 整體實(shí)驗(yàn)流程

本文先對(duì)圖像使用Canny算子檢測(cè)得到邊緣點(diǎn)，然后使用Hough變換提取直線，整體流程如圖1所示。

四、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在Visual Studio中對(duì)視野良好，軌道交叉，光線不均勻等不同的軌道圖像進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖所示。

從圖2中可以看出，本文算法能夠在光線不均勻的情況下很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道邊沿的檢測(cè)，但從圖二和圖三可以看出，在軌道出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎角度時(shí)，本算法只能檢測(cè)到軌道中直線的部分，要完成對(duì)帶弧度的軌道的檢測(cè)，尚需要進(jìn)一步開展研究。

五、 總結(jié)

為了保障軌道行車安全，檢測(cè)軌道邊沿是關(guān)鍵的檢測(cè)步驟之一，本文提出了改進(jìn)的Hough變換檢測(cè)方法完成平直軌道邊沿的檢測(cè)，首先利用Canny算子對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，然后二值化處理，視其中的白色點(diǎn)為邊緣點(diǎn)，最后將直線空間轉(zhuǎn)換為參數(shù)空間，獲取直線函數(shù)，得到直線結(jié)果，通過用各種不同背景下軌道檢測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，本文算法能有效提取軌道列車邊沿。

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作者簡(jiǎn)介：

李曉光，萬通，譚宇航，吉林省長(zhǎng)春市，長(zhǎng)春光華學(xué)院。