一种基于机器视觉火车导轨轮廓测量中轮廓配准方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于基于图像的非接触式自动测量领域，涉及图像处理、激光与光学、计算 机、自动控制领域，具体是指一种基于机器视觉火车导轨轮廓测量中轮廓配准方法。
【背景技术】
[0002] 钢轨作为铁路运输中的重要载体，是铁路运输中最基础单元之一，它的状态好坏 直接影响着列车的运行安全。尤其是当列车在高速、重载、高密度下运行时，钢轨磨耗加大， 寿命缩短，对列车安全造成极大危害。铁道部在铁路线路"维规"中，针对钢轨轻、重伤规定 了轨头磨耗的限定值，并要求当检测出钢轨轨头磨耗超出限定值后就要及时进行处理或更 换，以保证列车的运行安全。
[0003] 随着铁路运输行车密度的提升、运行速度的急剧提高，钢轨的磨耗越来越严重，尤 其是轨头处的小半径曲线内侧磨损尤为严重，影响了列车的平稳运行，微小轨道的几何偏 差都有可能对列车（尤其是高铁）造成摇晃和各种振动，对列车行驶和旅客乘车的舒适度 都有影响，甚至由于轨道磨损加重造成横向运行的偏移。当轮横向力增大时，就有可能会发 生列车脱轨等情况，给旅客和行车安全带来极大的危害。钢轨的磨损程度决定钢轨的使用 寿命，磨损值到达一定限度时，需要及时地更换。钢轨磨耗的测量数据是工务系统决定钢轨 是否需要更换的重要依据，因此，准确地检测轨道的磨耗量大小，并分析各个路段磨耗情况 是一项非常重要的工作。
[0004] 机械接触测量法是我国目前使用得最多的一种方法，主要是采用卡尺进行手工测 量，这种方法完全是依靠人工，接触式测量的缺点是速度太慢，误差大，人为因素影响大、效 率低，而且不便于事后分析统计和存档。接触式测量另一个分支就是机械和电子、可编程等 技术综合应用开发的钢轨磨耗检查器。另外还有光电编码法、位移传感法和基于图像处理 的非接触式测量法，这种方法通过传感器间接获取钢轨断面的轮廓曲线，将绘制的曲线与 标准的曲线对比得到磨耗值。按照传感器的不同又可分为光电编码器和位移传感器。丹麦 绿林公司研制的MINIPR0F系统，它由一台笔记本、专用伸缩箱和轮轨测量装置组成。通过 测量装置上的小磁轮接触被测钢轨表面，人工控制小磁轮，通过计算机得到传感器的极坐 标数据，转换为笛卡尔坐标后计算出轮廓。磁轮芯的轨迹会被记录下来，计算机就可以算出 断面的真实轮廓。国内的光电编码检测设备有由同济大学铁道学院和靖江华星公司合作研 制的WRS2000型钢轨轨头外形测录仪，它是通过高精度的光电编码器来实现的。另外同济 大学还研制了一种下置滑动式铁路钢轨波浪形磨耗测量装置，该装置采用简单的机械构件 形成纵向测量基准和导轨，并采用USB接口和控制技术与计算机无线传输测量结果，能即 时将结果显示在屏幕上。
[0005] 基于机器视觉轮廓测量技术是一种非接触测量技术，具有速度快、能获取轮廓全 貌、数据管理方便等优点。近年来由于数字图像技术、激光技术和计算机技术的高速发展， 基于机器视觉的火车导轨轮廓测量技术得到很大发展。基于机器视觉轮廓测量技术是一种 非接触测量技术，具有速度快、能获取轮廓全貌、数据管理方便等优点。
[0006] 基于机器视觉火车导轨轮廓测量，其中最关键的环节是将所获取的导轨轮廓和实 际轮廓比对，才能计算进行磨耗计算，这个比对的过程称为轮廓配准。轮廓配准不对时，计 算出的磨耗尺寸有非常大的、完全错误的偏差，只有轮廓配准正确，所计算的磨耗尺寸才是 在一定误差范围内可信数据。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种非接触式火车导轨轮廓测量中 的轮廓配准方法，将经过处理的导轨实际轮廓线和标准轮廓线统一到同一个坐标系中，并 对实际轮廓线进行旋转、平移等处理，使得实际轮廓线和标准轮廓线的渐近线平行且端点 重合，以此确定两条轮廓线的相对位置，配准结果准确、浅显易懂、观察和计算方便，能够得 到可靠的磨耗数据。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于机器视觉火车导轨轮廓测 量中轮廓配准方法，其中，轮廓测量采用的是非接触式测量，它能够大大提高现场铁路检测 部门的工作效率。测量的主要原理是通过激光光切法获取钢轨断面轮廓曲线，同时，CCD相 机采集激光图像，并将图像信息传输到装载在小车上的计算机的处理芯片上，经过钢轨磨 耗测量程序对采集到的图像进行一系列的处理，得到钢轨断面的单像素曲线。通过对曲线 图像的匹配校正，与铁路检测部门定义的钢轨磨耗点进行比对，得出相应的侧面磨耗和垂 直磨耗的值。
[0009] 轮廓测量具体包括以下步骤：S1，采集钢轨图像；S2,将采集到的钢轨图像传输至 计算机进行处理，得到钢轨断面的单像素曲线；S3,对单像素曲线进行标定还原，得到实际 轮廓线；S4,进行轮廓配准；
[0010] 所述的步骤S4中的轮廓配准包括以下子步骤：
[0011] S41 :以导轨非工作边的最末端点作为轮廓线的定标点，即原点，建立笛卡尔坐标 系，将导轨的实际轮廓线和标准轮廓线统一到笛卡尔坐标系中，分别取两条轮廓线的渐近 线，并利用两轮廓线的渐近线取得两者之间的夹角Θ ;
[0012] S42 :用旋转因子R( Θ )对实际轮廓线进行旋转，使得两条轮廓线的渐近线相互平 行，得到旋转后的实际轮廓线；
[0013] S43:将旋转后的实际轮廓线进行平移，使该实际轮廓线端点与标准轮廓线的端点 重合，完成轮廓线的配准，此时，标准轮廓线和配准后的实际轮廓线相对位置已经确定。
[0014] 进一步地，所述的步骤Sl中采集钢轨图像的方法为：通过激光光切法获取钢轨断 面轮廓曲线，并采用CCD相机采集激光图像，CCD相机采集的是断面轮廓的散射光，该轮廓 的散射光是二维图像模型。
[0015] 进一步地，步骤S3中的标定还原是指对于采集到的二维图像模型，通过计算来还 原实际的三维空间上图像的信息，通过几何模型来重构二维图像和三维实物之间的对应关 系的过程。所述的步骤S3具体包括以下子步骤：
[0016] S31 :通过相机成像和图像畸变的变化，设其隐参数关系式为：
【主权项】
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