Sistema de apoyo a la seguridad de vías férreas basado en técnicas de análisis de imágenes

Resumen

En esta tesis se ha propuesto un sistema de apoyo a la seguridad en vías férreas, basado en técnicas de procesamiento digital de imágenes, a partir de cámaras ubicadas en determinados puntos de la vía férrea. El objetivo general que se persigue, es detectar la presencia de objetos sobre la vía que puedan suponer un riesgo para la circulación de los trenes. Dado que los sistemas de detección de objetos forman parte de sistema de seguridad, las exigencias que se imponen por parte del explotador ferroviario no son posibles de satisfacer utilizando únicamente un sistema visión; por ello la alternativa que aquí se propone se debe contemplar como un sistema de apoyo a otras alternativas, tales como redes de hilos, fibra óptica, etc. Como resumen general de esta tesis cabe decir que en la misma, tras definir los objetivos que se persiguen se ha realizado una revisión de los trabajos más significativos relacionados con la problemática que se aborda, para a continuación definir las condiciones impuestas al sistema propuesto y finalmente se describen los diferentes algoritmos y propuestos para realizar la detección de objetos, además de las conclusiones y futuras líneas de investigación. Teniendo presente que el sistema a diseñar debe operar en entornos exteriores y en consecuencia en diferentes condiciones de iluminación y climáticas, en esta tesis se propone crear un modelo del fondo utilizando la técnica del Análisis de Componentes Principales (PCA). También se propone que dicho modelo se pueda ir actualizando, con el fin de ir incorporando las diferentes condiciones de funcionamiento y en consecuencia adaptándose a ellas. En este sentido, se han propuesto dos alternativas para la actualización del fondo, una continua y otra selectiva. En la actualización continua (algoritmo ACM) cada imagen captada se incorpora al modelo del fondo si en la misma se han detectado nuevos objetos. Por otra parte, en la detección selectiva (algoritmo ASM) el fondo solamente se actualiza si se detecta un cambio significativo en las condiciones de iluminación de la escena. En ambas alternativas se utiliza el umbral adaptativo (algoritmo UHD-M) propuesta en esta tesis, que permite conseguir una segmentación óptima en las diferentes condiciones de iluminación y con independencia de que existan o no objetos. El valor de dicho umbral se ajusta, en cada instante, a partir de la extracción de información de las propias imágenes captadas, lo que proporciona una gran robustez al proceso de segmentación ya que en todo momento se tienen presentes los cambios del entorno. Los resultados de las pruebas prácticas realizadas han puesto de manifiesto las excelentes prestaciones de estas propuestas, tanto para el modelo del fondo como para su actualización y umbralización adaptativa. Otro aspecto importante abordado en esta tesis es la validación de los posibles objetos detectados. Este aspecto es de vitar importancia en nuestra aplicación, ya que si bien la detección de objetos es vital también lo es la generación de falsas alarmas. Por ello, una vez que el algoritmo principal (basado en PCA) detecta la presencia de nuevos objetos en la vía se procede a la validación de los mismos aplicando diferentes estrategias. En estesentido, las estrategias más importantes planteadas en esta tesis son: utilización de un sistema estéreo, uso del test de relación de probabilidad de orden reducido, correlación entre regiones de imágenes, ponderación de candidatos en función del área, ponderación de candidatos en función de su movimiento, y ponderación en función de la zona por la que los objetos entran en la escena. La utilización del sistema estéreo (algoritmo VES) cumple dos objetivos; por una parte introduce redundancia en la detección, y por otra permite obtener información sobre la altura aproximada (suficiente para los objetivos planteados) de los objetos, lo que permite diferenciar objetos reales de objetos falsos generados por la presencia de sombras, brillos, etc. La determinación aproximada de la altura, a partir de las dos cámaras, se apoya en la información del plazo de vía que se obtiene a partir de la detección de los railes. El uso del test de relación de probabilidades de orden reducido (algoritmo FCA-RLT) permite eliminar falsos objetos a partir de la información obtenida por un test de probabilidades que tiene en cuenta la información proporcionada por la diferencia de imágenes, el gradiente de una de ellas (la primera) y las varianzas del ruido y movimiento. La extracción de características de laszonas de ubicación de potenciales candidatos (algoritmo CRI) elimina falsos candidatos a partir de la obtención del coeficiente de correlación entre la zona ocupada por el posible objeto y la misma zona en la imagen media utilizada en la obtención del modelo del fondo. Esta estrategia permite realizar la discriminación entre cambios graduales de iluminación y objetos. La ponderación de candidatos en función del área (algoritmo POA) se basa en ponderar aquellos candidatos cuya área en el plano imagen es inferior a un determinado umbral, que se fija en función de las dimensiones de los objetos a detectar y la ubicación más desfavorable. La ponderación de candidatos en función de su movimiento (algoritmo POM) se basa en la hipótesis de que si un objeto entra en la escena, el sistema debe detectar su movimiento. Finalmente, la ponderación en función de la zona por la que los objetos entran en la escena (algoritmo POE) se realiza teniendo presente que si un objeto entra en la escena, debe hacerlo por uno de los obrdes. Esto elimina, entre otros efectos, potenciales brillos que puedan presentarse en la escena. Por último indicar que en esta tesis se han realizado numerosas pruebas prácticas en entornos exteriores cuyos resultados han sido altamente satisfactorios y ponen de manifiesto la validez de las diferentes propuestas realizadas. Se ha de señalar, además, que muchas de estas pruebas se han realizado en entornos más complejos que los que se presentan en las vías férreas. Por todo ello se puede concluir que esta propuesta constituye una alternativa de interés en el apoyo a los sistemas de seguridad en el entorno ferroviario.