一种基于图形识别的道路救援装备绞盘绳防过拉预警方法与流程

本发明属于道路救援装备安全预警领域，具体涉及一种绞盘绳防过拉预警方法。

背景技术：

随着我国经济的快速增长，道路交通基础设施条件逐渐改善，机动车保有量也逐年增长，道路车辆事故救援、城市违章车辆处理以及自然灾害抢险救援等社会需求也随之快速增长。与此同时，作为汽车后市场的道路救援行业也逐渐被重视，得到了快速的发展。根据相关数据显示，道路救援装备在实施作业的过程中，往往存在着道路救援装备不能实施有效救援的情况，随带绞盘不能实现有效的牵拉、起吊操作就是其中之一。究其原因，一方面存在道路救援装备自身设备性能不足等因素，如绞盘牵引能力不足；另一方面针对道路救援装备的相关监控设备尚未完善，不能为操作人员提供准确的相关设备信息，如绞盘绳收放程度的不确定，也是不可回避的因素；但目前对于道路救援装备随带绞盘的绞盘绳收放程度进行监控的相关技术尚未见研究。

绞盘是道路救援装备的重要部件，是一种牵引装置，其主要用于对被救车辆的牵拉、起吊等操作；在进行道路救援作业时，缠绕于绞盘滚筒上的绞盘绳应不少于10圈，以保证绞盘绳与滚筒之间的摩擦力从而为绞盘绳提供拉力，否则会出现绞盘绳拉力不足甚至绳头脱落、绞盘绳断裂的危险状况。传统的绞盘在工作时对绞盘绳收放程度的控制主要依靠人工观察的方式，这种方法容易受到恶劣天气、观察不视角等因素的影响，存在着较多的不足之处。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于图形识别的道路救援装备绞盘绳防过拉预警方法，该方法结合道路救援装备绞盘的工作特点，在绞盘绳槽挡板外侧设置有规律的几何图形标记并通过模板匹配算法进行识别，实现对绞盘绳收放程度的实时监控，避免出现绞盘绳过拉的情况，从而达到提高道路救援装备救援效率及安全性能的目的。

技术方案：本发明采用如下技术方案：一种基于图形识别的道路救援装备绞盘绳防过拉预警方法，包括如下步骤：

(1)在绞盘绳槽外侧轮盘的圆周上均匀标记几何图形；

(2)在道路救援装备绞盘绳槽外侧设置图形采集装置，所述图形采集装置的采集区域大于单个几何图形标记，在采集区域中设置大于单个几何图形标记的区域为感兴趣区域，使感兴趣区域最多只能包含一个几何图形标记；

(3)对图形采集装置采集到的每一帧图像中的感兴趣区域识别其中包含的几何图形标记的类型；

(4)连续识别采集到的图像，得到几何图形标记变化序列；根据几何图形标记变化序列，得到绞盘转轴旋转方向和旋转角度；

(5)对绞盘转轴旋转方向和旋转角度进行计算，当绞盘绳圈数小于阈值时进行安全报警。

图形采集装置可以采用输出频率为25hz的低成本摄像头，其采集频率支持最大绳速为10米/分钟的绞盘。

在图形采集装置上设置照明设备，所述照明设备用于图形采集装置的采集区域的照明，以应对光线不充足的道路救援场景。

几何图形有三种，分别编号为0、1、2；按012的顺序为一组，在绞盘绳槽外侧轮盘的圆周上均匀标记4组。

几何图形标记变化序列为021、102、210三种时，绞盘转轴为顺时针旋转；几何图形标记变化序列为012、120、201三种时，绞盘转轴为逆时针旋转。

所述三种几何图形分别为正方形、圆形和三角形。

步骤3中采用模板匹配法识别图像感兴趣区域中的几何图形标记类型。

有益效果：与现有技术相比，本发明公开的基于图形识别的道路救援装备绞盘绳防过拉预警方法具有以下优点：1、本方法的实施所需设备简单，成本低，采用模板匹配识别几何图形，算法简单，识别速度快，满足绞盘绳最大绳速；2、结合辅助照明设备，满足在光线不足的道路救援场景中的应用。

附图说明

图1是实施例中绞盘绳槽挡板外侧的几何图形标记示意图；

图2是图形识别装置的安装位置示意图；

图3是模板匹配法识别几何图形标记的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

一种基于图形识别的道路救援装备绞盘绳防过拉预警方法，包括如下步骤：

(1)在绞盘绳槽外侧轮盘的圆周上均匀标记几何图形；

本实施例中的几何图形标记采用三种：正方形“□”、圆形“○”及等边三角形“△”；将三者按照“□○△”的顺时针顺序在轮盘上均匀地以一周四组的形式进行设置，即每个几何图形标记占据轮盘30°的角度范围，一周共进行四组共12个几何图形标记，具体的标记形式如图1所示，三种几何图形标记的颜色采用轮盘底色的对比色以提高识别的准确率，本实施例中绞盘绳槽轮盘颜色为红色，故几何图形标记的颜色选用绿色。

(2)在道路救援装备绞盘绳槽外侧设置图形采集装置，所述图形采集装置的采集区域大于单个几何图形标记，在采集区域中设置大于单个几何图形标记的区域为感兴趣区域，使感兴趣区域最多只能包含一个几何图形标记；

如图2所示，在道路救援装备绞盘绳槽外侧的固定位置设置图形采集装置4，本实施例选用输出频率为25hz的低成本摄像头，采集频率支持最大绳速为10米/分钟的绞盘，并加装灯光辅助装置应对光线不充足的道路救援场景。

图形采集装置的采集区域1为摄像头正对的轮盘位置，调整摄像头位置或参数，使采集范围1大于单个几何图形标记3的尺寸大小，并将大于单个几何图形标记的矩形区域视为感兴趣区域2，具体形式如图1及图2所示。图2中绞盘绳绕在旋转轴承6上，当放绳或收绳时旋转轴承6和绞盘绳挡板5一同转动，摄像机采集到的几何图形标记也在变化。

(3)对图形采集装置采集到的每一帧图像中的感兴趣区域识别其中包含的几何图形标记的类型；

图形采集装置的感兴趣区域为略大于单个几何图形标记的范围，且最多只能包含一个几何图形标记，即对于每一帧图像的感兴趣区域，图形识别装置至多可进行一个类型的几何图形标记识别，本实施例使用相似度测度法对图形采集装置采集到的每一帧图像中的感兴趣区域进行模板匹配。

本实施例中的几何图形模板分别为正方形“□”、圆形“○”及等边三角形“△”，通过模板匹配算法来判断图形采集装置采集到的感兴趣区域图像数据中是否包含已标记的几何图形模板，匹配算法的数学模型如图3所示，其操作思路为：将已有几何图形模板即正方形“□”、圆形“○”及等边三角形“△”依次由采集到的图像数据像素起始位置开始，与其同等大小的区域进行对比，然后平移至下一个像素，之后持续进行同样的操作，直到图像中所有的位置都比对完毕，相似度测度达到预设阀值则代表图形采集装置采集到的图像数据中包含相应的几何图形模板，否则视识别结果为“空”。

根据文献《模板匹配在图像识别中的应用》可知，式(1)可用于衡量采集到的图像数据与几何图形模板的相似度：

式(1)中，t表示几何图形模板，k表示几何图形模板的编号，本实施例中将其编码为[0，1，2]分别表示正方形模板“□”、圆形模板“○”及等边三角形模板“△”；s表示几何图形模板覆盖区域采集到的图像数据，即子图，i,j表示子图s左上角的像素在采集到的图像数据中的坐标即参考点，其取值范围是：1<i,j<n-m+1，n为感兴趣区域的边长像素，m为几何图形模板的边长像素；d(i,j)表示参考点位为(i,j)的子图相对于对应几何图形模板的相似程度。

对式(1)进行展开可得：

式(2)中，等号后第一项表示几何图形模板覆盖所对应子图si,j的能量，它随着参考点(i,j)位置的变化而变化；第二项表示模板与子图之间的相互关系，同样随着参考点(i,j)位置的变化而变化，当二者完全匹配时此项的值达到最大；第三项为几何图形模板的总能量，是一个与参考点(i,j)位置无关的值；因此可用式(3)作相似性测度：

式(3)中，r(i,j)即表示几何图形模板与采集到的图像数据的相似度测度，当二者完全匹配时r(i,j)＝1，否则r(i,j)<1；显然r(i,j)越大，几何图形模板与采集到的图像数据就越相似。

(4)连续识别采集到的图像，得到几何图形标记变化序列；根据几何图形标记变化序列，得到绞盘转轴旋转方向和旋转角度；

每一帧图像数据的识别结果为正方形模板“□”、圆形模板“○”及等边三角形模板“△”及无匹配模板“空”；由于图像识别装置的采集频率为25赫兹，即每40ms采集得到一帧图像数据，且道路救援装备随带绞盘转轴的旋转速度相对较慢，因此会出现连续数帧采集得到同一几何图形标记的情况，本实施例的几何图形标记变化序列将此连续相同结果输出视为单次识别结果输出，而对于识别结果为“空”的情况，本实施例中的几何图形标记变化序列做不纳入处理；识别结果中的几何图形每变化一次，则表明绞盘转轴旋转了30°。

几何图形标记变化序列可能出现的情况为：(1)队列1：□△○，编码为[0,2,1]；(2)队列2：○□△，编码为[1,0,2]；(3)队列3：△○□，编码为[2,1,0]；(4)队列4：□○△，编码为[0,1,2]；(5)队列5：○△□，编码为[1,2,0]；(6)队列6：△□○，编码为[2,0,1]；其中“□”、“○”、“△”分别代表识别到正方形模板、圆形模板及等边三角形模板。

前述的6种情况即为本实施例中所有可能出现的几何图形标记变化序列情况，每个序列出现一次代表绞盘转轴旋转了0.25圈；结合图1可知序列1、2、3为绞盘转轴顺时针旋转状态，即绞盘处于放绳的状态；序列4、5、6为绞盘转轴逆时针旋转状态，即绞盘处于收绳的状态。

(5)对绞盘转轴旋转方向和旋转角度进行计算，当绞盘绳圈数小于阈值时进行安全报警。

已知绞盘绳圈数初始值，通过步骤1-4对绞盘转轴旋转方向和旋转角度的判断和计算，可以对绞盘绳剩余圈数实时计算和监控，当计算到绞盘绳圈数小于阈值时进行安全报警。本实施例阈值设为10圈。

经过上述步骤，本发明所提出的系统能够对道路救援装备随带绞盘的绞盘绳收放程度进行有效监控，从而达到提高道路救援装备的救援效率及安全性能的目的。