DE102007006885A1 - Verfahren und Anordnung zur Erfassung vorbeifahrender Züge - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erfassung vorbeifahrender Züge mittels einer gleisseitig positionierbaren Videokamera (2). Um (17) die Bewegungswerte des Zuges (14) zu ermitteln und Aufnahmen des Zuges bestimmten Ereignissen im Messsignal einer gleisseitigen Signalquelle (5.1, 5.2) zuzuordnen, ist vorgesehen, dass die Videokamera (2) derart positioniert wird, dass eine Aneinanderreihung zeitlich aufeinander folgender, teilweise überlappender Einzelaufnahmen des Bildausschnittes (b<SUB>Ausschnitt</SUB>) entsteht, deren Verschiebungsvektoranalyse die Ermittlung der Bewegungswerte (14) des Zuges sowie die Synthese von Panoramaansichten ermöglicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erfassung vorbeifahrender Züge mittels einer gleisseitig positionierbaren Videokamera.
  • Bei verschiedenen mess- und prüftechnischen Aufgabenstellungen an der Gleisanlage ist die genaue Kenntnis der Geschwindigkeit und Beschleunigung vorbeifahrender Züge notwendig bzw. hilfreich. Zugleich ist häufig eine bildliche Darstellung des vorbeifahrenden Zuges als Ganzes oder in größeren Abschnitten erwünscht, welche möglichst eine gleichmäßige Ausleuchtung und Verzerrungsfreiheit besitzen sollte, sowie den Ort einer Signalquelle mit darstellt. Die Zuordnung bestimmter Signalereignisse in einem Messsignal der Signalquelle zu Positionen am vorbeifahrenden Zug kann je nach Aufgabe wertvolle Informationen liefern. Derartige Messsignale können beispielsweise Sollgeschwindigkeiten oder Signalbegriffe betreffen.
  • Bisher wurden für die Geschwindigkeitsermittlung verschiedene, meist aufwändige oder in ihrem Ergebnis ungenaue Methoden angewendet, beispielsweise Schätzung nach dem Augenschein, manuelles Stoppen der Vorbeifahrzeit oder Absprachen mit dem Zugführer.
  • Videobilder des Zuges wurden davon unabhängig fast ausschließlich zu Dokumentationszwecken genutzt. Die Bilder geben in der Regel nur einen kleinen, schwer auswertbaren Ausschnitt des Zuges wieder. Panoramaaufnahmen aus größerer Entfernung sind nur selten möglich und dann meist aufwändig, wobei auch diese Bilder aufgrund von perspektivischen Verzer rungen, wechselnden Belichtungsverhältnissen, verdeckenden Hindernissen und geringer Auflösung häufig nur mit Schwierigkeiten interpretierbar sind. Die Beleuchtung des Zuges über eine größere Länge ist praktisch nicht möglich, so dass Aufnahmen auf das Tageslicht angewiesen sind.
  • Das Einspeisen des Messsignals der Signalquelle als synchrone Tonspur bei der konventionellen Videoaufnahme eines Übersichtsbildes ist durch die große Entfernung zwischen gleisfernem Videorecorder und Signalquelle am Gleis meist nicht durchführbar. Damit können Signalereignisse bei der Auswertung nur sehr ungenau bestimmten Zeitpunkten der Vorbeifahrt oder Positionen am Zug zugeordnet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit einer Videokamera vorzuschlagen und ein Verfahren zur Aufbereitung der Videodaten anzugeben, das neben sehr präzisen Bewegungswerten des vorbeifahrenden Zuges auch eine Panoramasicht liefern kann und es erlaubt, jedem Zeitpunkt des aufgenommenen Videosignals eine genaue Zugposition, z. B. in Metern vom Zuganfang/ende aus, zuzuordnen und Signalereignisse den Zugpositionen zuzuordnen.
  • Verfahrensgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Videokamera derart positioniert wird, dass sie eine Aneinanderreihung zeitlich aufeinander folgender, teilweise überlappender Einzelaufnahmen eines Bildausschnittes erfasst und daraus Bewegungswerte des Zuges in Korrelation zu einem Messsignal einer gleisseitigen Signalquelle ermittelt werden.
  • Die Positionierung der Videokamera wird für die Erfassung des Bildausschnittes und nicht mehr für die Erfassung des gesamten Panoramabildes vorgenommen. Die Position der Videokamera ist durch die Höhe des interessierenden Bildausschnittes und die erwartete Geschwindigkeit bestimmt. So kann der Standort der Videokamera erheblich näher am Gleis und an der Signalquelle gewählt werden und es fällt leichter, eine Position mit freier Sicht zu finden. Dabei kann die freie Sicht auf den minimal notwendigen Bildausschnitt begrenzt sein und braucht keine Rücksicht auf die Sichtbarkeit der zu überwachenden Signalquelle zu nehmen.
  • Eine bildliche Darstellung des vorbeifahrenden Zuges als Ganzes oder in größeren Abschnitten ist fast immer möglich. Da nur ein kleiner Ausschnitt des Zuges aufgenommen wird, ist auch bei Nacht eine Beleuchtung mittels Handscheinwerfer oder den Scheinwerfern eines günstig abgestellten Kraftfahrzeuges ausreichend. Die Darstellung ist gleichmäßig hell und nahezu verzerrungsfrei, wobei die physische Auflösung der Kamera durch die sich überlappenden Einzelaufnahmen um ein Vielfaches überschritten wird. Wegen der durchweg freien Sicht auch auf kleine Objekte an ungünstigen Stellen, beispielsweise am Zugunterbau, ist es praktisch ohne Einschränkungen möglich, diese zu vergrößern und zu analysieren.
  • Durch die Korrelation der Bewegungswerte, insbesondere Geschwindigkeit und Beschleunigung, mit dem Messsignal der Signalquelle können Signalereignisse an der Signalquelle synchron zur Zugposition auch dann dargestellt werden, wenn die Signalquelle für die Videokamera gar nicht sichtbar ist.
  • Dazu kann das Messsignal der Signalquelle gemäß Anspruch 2 bei der Videoaufnahme in eine synchrone Tonspur eingespeist werden. Die Tonspureinspeisung ist durch die geringe Entfernung zur Signalquelle meist problemlos durchführbar. Für eine rein qualitative Bewertung der Signale kann sogar völlig auf eine separate Messsignaleinspeisung verzichtet werden. Damit können Signalereignisse bei der Auswertung auf wenige Zentimeter genau bestimmten Positionen am Zug zugeordnet werden.
  • Die Messanordnung gemäß Anspruch 7 gestattet die Nutzung handelsüblicher Videocamcorder. Ein netzunabhängiger Betrieb lässt sich dementsprechend unkompliziert über passende Hochleistungsakkus realisieren. Auch elektrische Brummschleifen können so vermieden werden.
  • Es ist eine einfache Durchführung der Video-Aufnahme meist unmittelbar am Gleis möglich. Dies hat eine einfache Bedienung und Verkabelung zur Folge.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen, insbesondere bezüglich der bildgestützten Ermittlung der Bewegungswerte und der Korrelation, sind Gegenstand der Unteransprüche und werden nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Messszenario mit Anordnung einer Videokamera,
  • 2 einen Verfahrensablauf der Videodatenverarbeitung,
  • 3 Verschiebungsvektoren an einem Differenzbild,
  • 4 und 5 Histogramme,
  • 6 und 7 Geschwindigkeitsdarstellungen und
  • 8 Panoramabilder.
  • 1 zeigt ein Messszenario mit einem Gleis 1 und einer Videokamera 2, welche einen Streckenbereich zwischen zwei Markern 3 und 4 erfasst. Der Streckenabschnitt, und damit der Abstand der Videokamera 2 vom Gleis 1, ist dabei derart ge wählt, dass ein Bildausschnitt eines vorbeifahrenden Zuges aufgenommen und durch teilweise überlappende Aneinanderreihung aufeinander folgender Einzelaufnahmen zu einem Panoramabild zusammensetzbar ist. Dem Panoramabild örtlich und zeitlich zugeordnet soll ein Messsignal einer gleisseitigen Signalquelle 5.1 bzw. 5.2, insbesondere bezüglich bestimmter Signalereignisse, überwacht werden. Im Idealfall ist die Signalquelle 5.1 in dem freien Sichtbereich der Videokamera 2, d. h. zwischen den Markern 3 und 4, angeordnet. In diesem Fall ist die Synchronisierung zwischen dem Videosignal der Videokamera 2 und dem Messsignal der Signalquelle 5.1 relativ einfach. Häufig befindet sich die Signalquelle 5.2 jedoch an einem Streckenabschnitt, der durch ein Sichthindernis 6 nicht direkt von der Videokamera 2 überwachbar ist. In diesem Fall müssen zur Herstellung der Synchronität der Abstand ΔSQ der Signalquelle 5.2 von dem Marker 3 sowie die Geschwindigkeit und ggf. auch die Beschleunigung des vorbeifahrenden Zuges berücksichtigt werden.
  • Die Signalquelle 5.1 bzw. 5.2 und die Videokamera 2 sind jeweils über Messkabel 7 und 8 mit einer Signalaufzeichnung 9 verbunden. Optional kann ein Scheinwerfer 10 zur Beleuchtung des von der Videokamera 2 überwachten Streckenbereichs vorgesehen sein.
  • 2 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung einen Verfahrensablauf der Videodatenverarbeitung. Nachdem die Videokamera 2 einen herannahenden Zug erkannt hat, d. h. nach einer Bewegungserkennung 11, werden Verschiebungsvektoren 12 zwischen aufeinander folgenden Einzelaufnahmen gebildet und einer Vektorberechnung 13 zugeführt, aus der Bewegungswerte 14 bezüglich der Geschwindigkeit und ggf. der Beschleunigung des Zuges abgeleitet werden. Außerdem dient die Vektorberechnung 13 der Bildung von Synthesevektoren 15 in einer Panoramabildsynthese 16 zur Zusammensetzung der Einzelaufnahmen zu einem Panoramabild 17. Für die Panoramabildsynthese 16 muss ggf. ein Kamerawinkel und/oder eine Signalquellenposition 18 außerhalb des Sichtbereiches der Videokamera 2 berücksichtigt werden. Die einzelnen Verfahrensschritte werden nachfolgend genauer erläutert.
  • Im ersten Schritt werden die Verschiebungsvektoren 12 je zweier aufeinander folgender Einzelbilder ermittelt, wie in 3 dargestellt. Diese Funktion unterstützen mehrere Standardwerkzeuge der Videoverarbeitung. Sie ermitteln durch Korrelation kleiner Bildbereiche eine Anzahl lokaler Verschiebungsvektoren 12, welche dann mit statistischen Mitteln zu einem repräsentativen globalen Verschiebungswert zusammengeführt werden. Das im Folgenden beschriebene Verfahren wertet die Verschiebung in X- und Y-Richtung aus.
  • Zuerst sollen in (1.1) die durch den Messaufbau gegebenen Größen für die Vektorberechnung 13 zusammengefasst werden. Dies sind vor allem der Abstand der Marker 3 und 4 in Metern und die Anzahl der entsprechenden Pixel in einer Kalibrieraufnahme der Videokamera 2. Die konkreten Werte entsprechen einem über die gesamte Erklärung fortgeführten realen Anwendungsbeispiel: ΔMarkenmeter ≔ 4 Abstand der Marker 3 und 4 in Meter ΔMarkenPixel ≔ 274 Abstand der Marker 3 und 4 in Pixel (1.1)
  • Für den Fall, dass die interessierende Signalquelle 5.1 im Bildausschnitt sichtbar ist, sind keine zusätzlichen Betrachtungen hinsichtlich der Signalquellenmarkierung notwendig.
  • Verdeckt dagegen ein Sichthindernis 6 die Signalquelle 5.2 im Bildausschnitt, benötigt man als weiteren Parameter den Abstand ΔSQ der Signalquelle 5.2 vom Marker 3 (1.2). Dabei wird es implizit als akzeptabel angenommen, dass die Signalquelle 5.2 ohne verdeckendes Sichthindernis 6 im Bildausschnitt an der Markerposition zu sehen wäre. Eine Verschiebung in Fahrtrichtung wird im konkreten Beispiel mit einem negativen Vorzeichen und entgegengesetzt mit einem positiven Vorzeichen versehen. Die Position des Bezugsmarkers 3 zur Pixelzählung muss dabei entsprechend des eingesetzten Videoverarbeitungstools berücksichtigt werden. ΔSQmeter ≔ 0 (1.2)
  • Weitere vorab bekannte Berechnungsgrundlagen in (1.3) ergeben sich aus dem Bewegungsmodell des Fahrzeuges und der Videoverarbeitung: vmin ≔ 5 Minimalgeschwindigkeit in km/h vmax ≔ 300 Maximalgeschwindigkeit in km/h FPS ≔ 50 Bilder in der Sekunde im Video (1.3)
  • Auf dieser Grundlage lässt sich die Breite bAusschnitt des Bildausschnittes hinsichtlich ihrer Gültigkeit überprüfen (1.4):
    Figure 00070001
    Randbedingung: bAuschnitt > Δ MarkenPixel (1.4)
  • Ein örtlicher Signalquellenversatz ΔSQmeter im Messszenario führt zu einem festen Versatz in Pixel (1.5):
    Figure 00080001
  • Bei vorgelagerter Signalquelle 5.2 ist ein zeitlicher Vorlauf Δtvideo für die Videoverarbeitung (1.6) notwendig, der aus technischen Gründen konstant entsprechend der maximal möglichen Fahrzeuggeschwindigkeit gewählt wird:
    Figure 00080002
  • Damit sind die Vorraussetzungen für die Verarbeitung der Verschiebungsvektoren 12 getroffen.
  • Zu einer ersten Einschätzung wird ein Histogramm gemäß 4 aus den medianvorgefilterten X-Verschiebungswerten gebildet. Die leichte Medianfilterung über 3 oder 5 Werte stellt dabei sicher, dass keine einzelnen Ausreißer berücksichtigt werden. Dabei bietet es sich an (1.7), kleine Verschiebungswerte shiftmin unterhalb der Minimalgeschwindigkeit Vmin im Histogramm zu unterdrücken:
    Figure 00080003
  • Für die automatische wie auch für die manuelle Interpretation des Histogrammes ist es günstig, noch eine Datenglättung z. B. mit Hilfe eines Gaußschen Kerns durchzuführen.
  • Zur besseren Störunterdrückung bietet sich noch eine in 5 veranschaulichte relative Anhebung höherer Verschiebungen an, da Störungen mit niedrigeren Verschiebungsvektorbeträgen nahe des Stillstandes anteilig häufiger vorkommen. M_hist1,j ≔ histsmoothj·(|x_intj| + 0.2·shiftmax)
  • So erhält man über die Maximumposition eine erste Schätzung ,true_motion' für die durchschnittliche Bildverschiebung und damit für die Fahrzeuggeschwindigkeit (1.8).
  • Figure 00090001
  • Im nächsten Schritt kann nun die Abschätzung des Geschwindigkeitsverlaufes mit Beschleunigung und dessen Verlängerung über den Messbereich hinaus erfolgen. Dies beginnt mit der Umrechnung (1.9) der vorzeichenbehafteten Verschiebungswerte in vorzeichenlose Geschwindigkeitswerte in km/h:
    Figure 00100001
  • Anhand der Schätzung für die Fahrzeuggeschwindigkeit (1.8) kann man auf ein Einzelbild des Videos genau den Beginn und das Ende der Zugvorbeifahrt bestimmen, wie 6 zeigt. Dabei werden die mediangefilterten Geschwindigkeitswerte auf die erste und die letzte Überschreitung von 0,8·νschätz hin getestet. Dem gegenüber wird der Bereich der zur Berechnung verwendeteten Videoframes [FitBeginn, FitEnde] allerdings noch etwas verringert, um Glättungs- und Einschwingeffekte auszublenden. Ausgehend vom Schätzwert vschätz für die Durchschnittsgeschwindigkeit kann auch für die Rohgeschwindigkeitswerte ein relativer Fangbereich für relevante Geschwindigkeitswerte festgelegt werden.
  • Die so eingegrenzten relevanten Daten sind nun zur Einschätzung einer möglichen Kameraverdrehung 18 und der sich daraus ergebenden Winkelkorrektur für die Geschwindigkeitswerte in (1.10) nutzbar. Hierfür findet der Median aller relevanter Quotienten aus jeweils den zusammengehörenden X- und Y-Verschiebungsvektoren 12 Verwendung. Der so ermittelte Wert dient in der Panoramabildsynthese 16 zur Winkelkorrektur.
  • Figure 00100002
  • Die korrigierten relevanten Daten dienen nach einer auf sie beschränkten neuerlichen partiellen Medianfilterung als Aus gangspunkt für eine lineare Regression, wie 7 zeigt. Auf diese Weise werden die Ausgangsgeschwindigkeit bfit und Beschleunigung afit des Fahrzeuges als absoluter und linearer Koeffizient mit einem statistischen Standardverfahren numerisch ermittelt.
  • Anhand der Regression können nun in (1.11) die relativen X-Verschiebungswerte zwischen den Bildern errechnet werden. Die Y-Werte werden durch die Korrektur der Kameraverdrehung auf 0 gebracht.
    Figure 00110001
    Ergebnisverschiebung in Pixel für Bild f gegenüber Bild f-1
  • Für die Videoverarbeitung in der Panoramabildsynthese 16 wird die Zugbewegung auch für den nicht sichtbaren Zeitraum extrapoliert, um einen kontinuierlichen Bildaufbau zu gewährleisten. Die Regression ermöglicht andererseits die Berechnung einer Standardabweichung (1.12) zur Einschätzung der Abweichungen des Messverfahrens.
  • Figure 00110002
  • Obwohl für das Beispiel ein Datensatz gewählt wurde, der zu den am stärksten gestörten der Messreihe gehört, liegen die durchschnittlichen punktuellen Abweichungen unter einem Pro zent. Die rechnerische Zuglänge oder die Störerpositionen als integrative Größen weisen demgegenüber eine noch wesentlich höhere Genauigkeit auf. Dies wird zum Beispiel an der errechneten Zuglänge (1.13) deutlich, welche gegenüber der konstruktiven Länge von 400 m nur geringfügig abweicht. Dabei muss die Umrechnung von km/h in m/s beachtet werden:
    Figure 00120001
  • Die Längenberechnung ist allerdings durch die zeitliche Auflösungsgrenze von einem Videoframe beschränkt. Dadurch entsteht folgende (1.14) grundlegende Messunsicherheit:
    Figure 00120002
  • Die Position am Zug für einen im Video lokalisierten Störer oder ein anderes interessantes Objekt lässt sich entsprechend folgender Formel (1.15) errechnen, welche sich aus (1.13) ableitet.
  • Figure 00120003
  • Zur genauen Positionsbestimmung im Video bei vorgelagerter Signalquelle 5.2 muss aber aus dem zeitlichen Vorlauf der Vi deoverarbeitung eine geschwindigkeits- und frameabhängige Differenzwegstrecke (1.16) errechnet werden.
  • Figure 00130001
  • Es ist bei dem beschriebenen Verfahren möglich, eine Anordnung zu wählen, bei der die Signalquelle 5.2 außerhalb des von der Videokamera 2 erfassten Bereichs liegt. In diesem Fall muss die Signalquellenposition in der Panoramaansicht durch eine Einblendung bezeichnet werden. Befindet sich die Signalquelle 5.2 in Fahrtrichtung vor dem videoüberwachten Bereich, so führt ein feststehender Zeitversatz zur Verzögerung des Messsignals gegenüber dem Video und so zur virtuellen Verschiebung der Signalquelle in Fahrtrichtung hinter den Aufnahmeort. Eine Markierungsmöglichkeit der virtualisierten, geschwindigkeitsabhängigen Signalquellenposition mit Standardwerkzeugen der Videoverarbeitung ist z. B. die Generierung einer angepassten Untertiteldatei.
  • Die in (1.10) bestimmte Kameraverdrehung 18 wird vor der Panoramabildsynthese 16 zur Winkelkorrektur genutzt. Das vorgegebene Panoramabildformat wird aus den fortlaufenden Einzelbildern des Videos gefüllt, indem man diese gegeneinander um die in (1.11) berechneten Werte verschiebt und der Reihenfolge nach übereinander legt, wie in 8 veranschaulicht. Dabei verdecken zum Teil nachfolgende Einzelbilder die vorangehenden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Erfassung vorbeifahrender Züge mittels einer gleisseitig positionierbaren Videokamera (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Videokamera (2) derart positioniert wird, dass sie eine Aneinanderreihung zeitlich aufeinander folgender, teilweise überlappender Einzelaufnahmen eines Bildausschnittes (bAusschnitt) erfasst und daraus Bewegungswerte (14) des Zuges in Korrelation zu einem Messsignal einer gleisseitigen Signalquelle (5.1, 5.2) ermittelt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal der Signalquelle (5.1, 5.2) bei der Videoaufnahme in eine synchrone Tonspur eingespeist wird.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bewegungswert (14) die Geschwindigkeit des Zuges ermittelt wird, indem Verschiebungsvektoren (12) jeweils zweier aufeinander folgender Einzelaufnahmen des Bildausschnittes (bAusschnitt) ausgewertet werden.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bewegungswert (14) die Beschleunigung des Zuges ermittelt wird, indem Verschiebungsvektoren (12) mehrerer aufeinander folgender Einzelaufnahmen des Bildausschnittes (bAusschnitt) zeitlich ausgewertet werden.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Einzelaufnahmen des Bildausschnittes (bAusschnitt) anhand der errechneten Verschiebungsvektoren ein oder mehrere Panoramabilder des gesamten Zuges oder eines größeren Zugteiles synthetisiert wird (16).
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ggf. ein örtlicher Versatz (ΔSQ) der Signalquelle (5.2) am Gleis gegenüber dem von der Videokamera (2) erfassten Bildausschnitt (bAusschnitt) berücksichtigt wird, indem eine bewegungswertabhängige Differenzstrecke (ΔxVorlauf(f)) im Panoramabild oder Zeitdifferenz (ΔtVideo) im Video berücksichtigt wird.
  7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Videokamera (2) zur Erfassung eines Bildausschnittes (bAusschnitt) eines vorgegebenen Panoramabildformates positioniert ist, wobei erste Mittel zur Panoramabildsynthese (16) durch teilweise überlappende Aneinanderreihung zeitlich aufeinander folgender Einzelaufnahmen des Bildausschnittes (bAusschnitt) und zweite Mittel zur Ermittlung von Bewegungswerten (14) des Zuges in Korrelation zu einem Messsignal einer gleisseitigen Signalquelle (5.1, 5.2) vorgesehen sind.
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