专利名称：基于结构光的铁路扣件高速探测系统与方法
技术领域：
本发明涉及的是一种光学检测技术领域的装置，具体是一种基于结构光的铁路扣件高速探测系统与方法。
背景技术：
目前，国内对铁路扣件的检查依靠人工巡查的方法，费时、费力、可靠性差，缺少实用可行的检测手段与方法。国内外已有扣件检测技术为视觉图像检测技术，如美国ENSCO公司的VIS系统、德国Atlas Electronic公司开发的光电式轨道检测系统及北京福斯达公司高速车载式轨道图像识别系统等。这种方法都是采取用高速摄像机采集扣件完整图片，然后进行图像处理， 判断扣件是否存在。现今高速摄像机图片采集速率高达几百帧，采集部分并不耗费很多时间，而在图像处理判断耗费较多时间。原因是所采集的图片信息量很大，不利于图像处理， 因此很难适应速度要求极高的高速轨检车。经过对现有技术的检索发现，大连海事学院的谭伟2004年的硕士论文《基于图像的铁轨缺陷检测系统的算法研究及软件设计》也曾提出了一种结构光法，采用数条结构光作为主动照明，高速摄像机获取图像，得到一系列光条，然后对光条进行搜索，提取光条位置和形状等信息，与标准扣件的结构光光条模型进行匹配，从而判断扣件是否缺失。但是该现有技术虽然也使用激光器与高速摄像机的组合进行采集图片，但激光器和高速摄像机的安装没有明确的固定方法。此外，该方法需要采用标准扣件，匹配模型选取较为复杂，很难列举出所有情况，因此适应性、通用性差。另外，该方法受环境影响很大，精确率很低，目前还没有在实际轨检车上使用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于结构光的铁路扣件高速探测系统与方法，解决现有技术识别速度慢、通用性差的缺陷，可应用于铁路钢轨扣件缺失的在线快速探测，具有识别速度快、通用性好、适应性强的优点。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及一种铁路扣件高速探测系统包括高速摄像机、激光光源和处理系统， 其中激光光源和高速摄像机分别设置于待测扣件区域的上方且分别，发出的一组结构光投向扣件所在区域并由高速摄像机拍摄扣件区域的图像，高速摄像机与处理系统相连并传输图像，处理系统进行图像处理和判断得到探测结果。所述的激光光源具体设置于扣件上方的车厢底部整流罩内，该激光光源由多个独立的半导体激光线光源排列组成，激光的波长为390nm 1. 5 μ m。所述的半导体激光线激光光源垂直照射到扣件所在区域并在扣件所在区域形成一组平行宽光条，宽光条的方向平行或垂直于钢轨，个数为4 8条。所述的高速摄像机具体设置于扣件上方的车厢底部整流罩内，且
1)高速摄像机与扣件的连线方向与激光光源与扣件的连线方向呈10° 30°的夹角；2)高速摄像机与激光光源的连线方向与激光光源在扣件区域形成的宽光条的方向垂直；3)高速摄像机的光轴正对扣件的中心。所述的高速摄像机镜头前可加装滤光片，滤光片的中心波长应与激光光源波长相匹配，带宽大于等于激光光源的波长波动范围。所述的处理系统由工业控制计算机实现，通过对高速摄像机所拍摄的扣件区域的图像进行处理得到断续光条的线段特征，并进一步利用线段特征判断识别扣件的完整性。本发明涉及上述系统的铁路扣件高速识别方法包括以下步骤第一步、在处理系统的控制下，打开激光光源，并在扣件区域产生多个平行宽光
第二步、高速摄像机快速捕获扣件区域图像，并实时传输到处理系统。第三步、处理系统对高速摄像机拍摄得到的图像进行滤波、二值化和去毛刺等常规预处理，提取出图像中的所有的断续光条，并得到光条的线段特征信息。所述的光条的线段特征信息包括线段数、线段数方差、线段平均长度、线段长度方差、线段相对长度、线段相对长度方差。从理论分析和试验测试两个方面可以确认，当扣件存在或者缺失的两种情况下，少数线段特征信息均出现明显的变化和不同，而且两者状态下少数特征信息不出现重叠的现象。因此，完全可以采用上述线段特征信息作为判断扣件存在与否的评价依据。第四步、利用上一步得出的图像的线段特征信息对图像进行判断和识别，最终得出对应扣件的状态当探测系统行驶到两个扣件区域之间的位置时由于不存在扣件、砧板及固定螺栓，因此形成的光条组仍然为一组连续的直线，处理系统无需进行判断；当探测系统行驶到扣件区域的正上方位置时a)当此时扣件完整存在，由于扣件本身弹条高度和形状的变化，使得原本连续的光条变为许多段断断续续的直线段；b)当此时扣件缺失，由于扣件弹条和扣件砧板的缺失，使得许多在扣件存在时产生的段断断续续的光条重新变成若干条连续的光条，利用扣件区域中光条的上述线段信息的变化，就可以实现扣件缺失的自动识别与判断。本发明由于采用了若干个平行光条的信息来识别和判断扣件是否存在，因此本发明的方法与传统的计算机视觉识别方法相比，具有信息少、速度快、可靠性好、通用性强的突出特点。
图1是本发明的探测系统结构示意图。图2是探测系统的结构原理图；图中(a)是高速摄像机与扣件区域垂直，(b)是激光光源与扣件区域垂直。图3是激光光源在扣件上的形成的平行光条；图中(a)为光条与钢轨平行，(b)为光条与钢轨垂直。
图4是扣件存在时高速摄像机获得的光条示意图；图中(a)为光条与钢轨平行，(b)为光条与钢轨垂直。图5是扣件存在时高速摄像机获得的光条示意图；图中(a)为光条与钢轨平行，(b)为光条与钢轨垂直。图6是实际拍摄的光条图像；图中(a)为无扣件图像，(b)为有扣件图像。图7是有无扣件时线段段数的对比结果示意图。图8是有无扣件时线段长度均方差的对比结果示意图。图中，1为激光光源、2为高速摄像机、3为处理系统、4为铁路扣件、5为扣件砧板、 6为钢轨、7为固定螺栓、8为激光光源在扣件上形成的光条、9车厢底部整流罩、10滤光片。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例如图1和图2所示，本实施例包括激光光源1、高速摄像机2和处理系统3，其中 激光光源1和高速摄像机2分别设置于待测扣件4所在区域的上方且分别，发出的一组结构光投向扣件4所在区域并由高速摄像机2拍摄扣件区域的图像，高速摄像机2与处理系统3相连并传输图像，处理系统3进行图像处理和判断得到探测结果。所述的激光光源1具体设置于扣件上方的车厢底部整流罩9内，该激光光源1由多个独立的半导体激光线光源1排列组成，激光波长为628nm。所述的半导体激光线激光光源1垂直照射到扣件所在区域并在扣件4所在区域形成一组平行宽光条8，宽光条8的方向平行或垂直于钢轨6，且为4条。所述的高速摄像机2具体设置于扣件上方的车厢底部整流罩9内，并且高速摄像机2与扣件的连线方向与激光光源1与扣件的连线方向呈25°的夹角；高速摄像机2与激光光源1的连线方向与激光光源1在扣件4所在区域形成的宽光条8的方向垂直。高速摄像机2的光轴正对扣件4的中心。所述的高速摄像机2镜头前加装与激光光源1的波长匹配的滤光片10，中心波长 628nm,带宽 50nmo所述的处理系统3由工业控制计算机实现，通过对高速摄像机2所拍摄的扣件区域的图像进行处理得，到断续光条8的线段特征，并进一步利用线段特征判断别扣件的完整性。本装置通过以下步骤实现铁路扣件高速识别方法(如图3-图8所示)第一步、在处理系统3的控制下，打开激光光源1，并在扣件4所在区域产生多个平行宽光条8。图3是激光光源1在扣件4所在区域形成的光条8的示意图。其中图3a为光条8与钢轨6平行的情形，图3b为光条8与钢轨6垂直的情形。经过高速摄像机2的捕获后得到的光条图像经过处理系统3处理后如图4和图5所示。
第二步、高速摄像机2快速捕获扣件区域图像，并实时传输到处理系统3。图4a和图4b为光条8与钢轨6平行的情形下，有扣件和无扣件的光条图像。图5a和图5b为光条 8与钢轨6垂直的情形下，有扣件和无扣件的光条图像。第三步、处理系统3对高速摄像机2拍摄得到的图像进行滤波、二值化和去毛刺等常规预处理，提取出图像中的所有的断续光条8，并得到光条的线段特征信息。图6是实际拍摄得到的扣件经第一步处理后的区域图像，a)为无扣件的图像，b)为有扣件的图像。显然，无扣件时光条的线段数量明显少于有扣件时光条的线段数量，而且无扣件时光条的连续性明显强于有扣件时光条的连续性。因此，利用光条线段数量的多少和线段的连续性，可以可靠识别的判断出扣件是否存在。所述的光条8的线段特征信息，具体为线段数、线段数方差、线段平均长度、线段长度方差、线段相对长度、线段相对长度方差。从理论分析和试验测试两个方面可以确认， 当扣件存在或者缺失的两种情况下，少数线段特征信息均出现明显的变化和不同，而且两者状态下少数特征信息不出现重叠的现象。因此，完全可以采用上述线段特征信息作为判断扣件存在与否的评价依据。图7是对连续采集的25此有扣件和无扣件图像进行线段段数分析处理的统计结果。显然，有扣件的图像的线段数均大于13，无扣件的图像的线段数均小于10，有扣件的线段数明显高于无扣件的线段数，而且二者之间不存在交叉和重叠，因此完全可以用来判断扣件的有无，例如采用线段数为11或者12作为分界线标准。图8是对连续采集的25此有扣件和无扣件图像进行线段长度均方差分析处理的统计结果。显然，有扣件的图像的线段长度均方差均小32，无扣件的图像的线段长度均方差均大于55，有扣件的线段长度均方差明显小于无扣件的线段长度均方差，而且二者之间不存在交叉和重叠，因此完全可以用来判断扣件的有无，例如采用线段长度均方差为40左右作为分界线标准。第四步、处理系统3利用上一步得出的光调8的线段特征信息对图像进行判断和识别，最终得出对应扣件4的状态。由于在不同的情况下光条8的特征出现明显的变化和不同，因此判断和识别的方法有所不同当探测系统行驶到两个扣件区域之间的位置时由于不存在扣件、砧板及固定螺栓，因此形成的光条8仍然为一组连续的直线。此时，处理系统3无需进行判断。当探测系统行驶到扣件区域的正上方位置时当此时扣件4(包括扣件砧板及固定螺栓)完整存在，由于扣件4本身弹条高度和形状的变化，使得原本连续的光条8变为许多段断断续续的直线段；当此时扣件4 (也包括扣件砧板)缺失，由于扣件4弹条和扣件砧板的缺失，使得许多在扣件4存在时产生的段断断续续的光条8重新变成若干条连续的光条8。因此，利用扣件区域中光条8的上述线段信息的变化(光条数量的变化或者光条连续性的变化)，就可以实现扣件缺失的自动识别与判断。由于本发明采用的有限个光条的线段信息来识别扣件的存在与否，因此信息量少、处理速度快，可以在ms量级上实现扣件的实时探测。
权利要求
1.一种铁路扣件高速探测系统，其特征在于，包括高速摄像机、激光光源和处理系统，其中激光光源和高速摄像机分别设置于待测扣件区域的上方且分别，发出的一组结构光投向扣件所在区域并由高速摄像机拍摄扣件区域的图像，高速摄像机与处理系统相连并传输图像，处理系统进行图像处理和判断得到探测结果。
2.根据权利要求1所述的铁路扣件高速探测系统，其特征是，所述的激光光源设置于扣件上方的车厢底部整流罩内，该激光光源由多个独立的半导体激光线光源排列组成。
3.根据权利要求1或2所述的铁路扣件高速探测系统，其特征是，所述的激光的波长为 390nm 1. 5 μ m。
4.根据权利要求1所述的铁路扣件高速探测系统，其特征是，所述的半导体激光线激光光源垂直照射到扣件所在区域并在扣件所在区域形成一组平行宽光条，宽光条的方向平行或垂直于钢轨。
5.根据权利要求4所述的铁路扣件高速探测系统，其特征是，所述的宽光条的个数为 4 8条。
6.根据权利要求1所述的铁路扣件高速探测系统，其特征是，所述的高速摄像机设置于扣件上方的车厢底部整流罩内，且1)高速摄像机与扣件的连线方向与激光光源与扣件的连线方向呈10° 30°的夹角；2)高速摄像机与激光光源的连线方向与激光光源在扣件区域形成的宽光条的方向垂直；3)高速摄像机的光轴正对扣件的中心。
7.根据权利要求1或6所述的铁路扣件高速探测系统，其特征是，所述的高速摄像机镜头前设有滤光片，滤光片的中心波长应与激光光源波长相匹配，带宽大于等于激光光源的波长波动范围。
8.一种根据上述任一权利要求所述系统的铁路扣件高速识别方法，其特征在于包括 以下步骤第一步、在处理系统的控制下，打开激光光源，并在扣件区域产生多个平行宽光条； 第二步、高速摄像机快速捕获扣件区域图像，并实时传输到处理系统； 第三步、处理系统对高速摄像机拍摄得到的图像进行滤波、二值化和去毛刺等常规预处理，提取出图像中的所有的断续光条，并得到光条的线段特征信息；第四步、利用上一步得出的图像的线段特征信息对图像进行判断和识别，最终得出对应扣件的状态。
9.根据权利要求8所述的铁路扣件高速识别方法，其特征是，所述的光条的线段特征信息包括线段数、线段数方差、线段平均长度、线段长度方差、线段相对长度、线段相对长度方差。
10.根据权利要求8所述的铁路扣件高速识别方法，其特征是，所述的判断和识别是指当探测系统行驶到两个扣件区域之间的位置时由于不存在扣件、砧板及固定螺栓，因此形成的光条组仍然为一组连续的直线，处理系统无需进行判断； 当探测系统行驶到扣件区域的正上方位置时a)当此时扣件完整存在，由于扣件本身弹条高度和形状的变化，使得原本连续的光条变为许多段断断续续的直线段；b)当此时扣件缺失，由于扣件弹条和扣件砧板的缺失，使得许多在扣件存在时产生的段断断续续的光条重新变成若干条连续的光条，利用扣件区域中光条的上述线段信息的变化，就可以实现扣件缺失的自动识别与判断。
全文摘要
一种光学检测技术领域的基于结构光的铁路扣件高速探测系统与方法，该系统包括高速摄像机、激光光源和处理系统，激光光源和高速摄像机分别设置于待测扣件区域的上方且分别，发出的一组结构光投向扣件所在区域并由高速摄像机拍摄扣件区域的图像，高速摄像机与处理系统相连并传输图像，处理系统进行图像处理和判断得到探测结果。本发明解决现有技术识别速度慢、通用性差的缺陷，可应用于铁路钢轨扣件缺失的在线快速探测，具有识别速度快、通用性好、适应性强的优点。
文档编号G01N21/88GK102221553SQ20111007363
公开日2011年10月19日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者任盛伟, 刘伟文, 刘晖, 刘满华, 刘炜浩, 杨金峰, 王卫东, 赵辉, 钱广春, 陶卫 申请人:上海交通大学, 中国铁道科学研究院