一种基于结构光的扣件缺失检测方法及其装置制造方法
【专利摘要】一种基于结构光的扣件缺失检测方法及其装置，包括结构红外光源、图像处理系统、GPS系统和计算机控制系统四大结构。所述结构红外光源和高速红外摄像头分别放置于扣件上方的列车底盘上，其中结构光源置于扣件正上方，向扣件以及轨枕发射几道平行于铁轨的红外光，红外摄像头位于列车光源的内侧，拍摄铁轨上被红外结构光照射的扣件区域，将图像实时传输给图像处理系统，能够对图像进行一个离线或者实时处理和判断，并将所采集的图像进行存储。其中图像处理过程，采用了不同以往的方法，通过对结构光的独特处理，高速有效的解决了轨枕识别以及扣件缺失的检测的问题。本发明改善了现有技术方案的识别速度慢，误差率大的缺点，环境适用能力强，能满足高速下的自动检测。
【专利说明】一种基于结构光的扣件缺失检测方法及其装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及铁路精密测量领域，是一种基于结构光的扣件缺失检测方法及其装置。
【背景技术】
[0002]扣件是连接钢轨和轨枕使之形成轨排的部件，在保证轨道稳定性、可靠性方面起着重要作用。在铁路基础设施检测上，我国长期以来以人工和静态检测为主，近年我国高速铁路迅猛发展，对铁路检测的自动化、实时性提出了更高的要求。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。高速摄像机图片采集速率高达几百帧，尽管采集很容易，但采集回来数据膨大的图像，处理判断起来却十分花费时间。原因是图片信息量很大，铁路现场环境十分复杂，对图像处理的难度要求很高。因此在行车速度如此高的环境下，应用起来很有难度。
[0003]经过现有的检测技术的检索，发现上海交通大学的《基于结构光的铁路扣件高速探测系统与方法》也提到了结构光在铁路扣减识别上的应用。采用4?8道结构光源进行照明，然后得到的图像根据连续光条的数量，运用统计学的规律来对扣件进行识别与判断。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于解决现有技术的不足而提供一种识别率高，识别速度快，环境适应能力强的基于结构光的扣件缺失检测方法及其装置。由于该发明使得图像处理难度的大大下降，系统可以应用于铁道扣件的离线或者在线实时识别，同时对病态扣件图像的采集和地理位置的编号的保存，便于线下工作人员的维修。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0006]一种基于结构光的扣件缺失检测方法，包括如下步骤
[0007]a、将结构红外光源系统和图像采集系统置于车体底部，所述结构红外光源系统的红外发光源置于轨道扣件的正上方并且红外发光源垂直地面，向轨道扣件照射形成平行于铁轨的光带，所述图像采集系统的图像采集器对准所述轨道扣件拍摄并且其位置使得图像采集器与照射在轨道扣件上的红外光路形成30?45度的拍摄角度；
[0008]b、图像采集，通过图像采集器采集红外发光源照射在扣件上后的光线形成的图像；
[0009]C、数据处理，将采集到的图像与扣件正常时红外线下形成的标准图像进行比较，通过差异比较，得出扣件缺失与否。
[0010]所述红外发光源包括三道直线型光源，其中一道照射在距离该扣件边缘3?7cm的轨枕上形成定位结构光，其余两道照射在扣件上面，其中一道照射在扣件的螺杆和弹条上，另一道只照射在弹条上。
[0011]所述差异比较具体步骤如下:将采集到的图像转换为二值图，使得在图像中红外光源照射处呈现为白色，通过图像中定位结构光形成的长且平滑的线条快速定位，锁定图像上轨枕中心位置后，再依据扣件各部件的分布，找出螺杆和螺杆左侧弹条、螺杆右侧弹条所在的位置，将图像分为三幅独立的图片，将这三副独立的图片与标准图像中对应的三副图片进行模版匹配。
[0012]所述图像采集系统根据GPS系统或/和安装在火车轮轴上的光电编码器提供的速度信息经由控制系统对图像采集器进行触发拍摄，并且通过存储器实时的保存，在存储的同时通过GPS系统在图像上记录位置信息。
[0013]所述红外发光源采用波长为850NM至950NM的结构光。
[0014]所述图像采集器的采集端上设置有过滤低于SOOnm波长光线的高通滤光片。
[0015]一种基于结构光的扣件缺失检测装置，包括结构红外光源系统和图像采集系统，所述结构红外光源系统的红外发光源和图像采集系统的图像采集器均置于车体底部轨枕的上方，所述红外发光源置于轨道扣件的正上方并且红外发光源垂直地面向轨道扣件照射形成平行于铁轨的光带，所述图像采集器对准所述轨道扣件拍摄并且所述图像采集器设置的位置使得图像采集器与照射在轨道扣件上的红外光路形成30?45度的拍摄角度。
[0016]所述红外发光源和图像采集器形成的直线与轨枕平行，每根铁轨上设置有两套所述结构红外光源系统和图像采集系统分别检测该铁轨内外两侧的扣件。
[0017]所述红外发光源包括三道直线型光源，其中一道照射在距离该扣件边缘3?7cm的轨枕上形成定位结构光，其余两道照射在扣件上面，其中一道照射在扣件的螺杆和弹条上，另一道只照射在弹条上。
[0018]还包括和计算机控制系统、GPS系统或/和安装在火车轮轴上的光电编码器，所述GPS系统或/和安装在火车轮轴上的光电编码器与图像采集系统和计算机控制系统连接，所述图像采集系统根据GPS系统或/和安装在火车轮轴上的光电编码器提供的速度信息经由计算机控制系统对图像采集器进行触发拍摄，并且通过计算机控制系统的存储器实时的保存，在存储的同时通过GPS系统在图像上记录位置信息。
[0019]由于采用上述方法，当有砟轨道的情况下，照射在轨枕上面的光源在图像中呈现出一条长而且直的线条，在咋石上面呈现出凌乱的斑点，可以很快在图像中定位轨枕的位置；在无砟轨道的情况下，照射在轨枕的光源，由于轨枕和轨道板都是平整的，在图像上都是以直线呈现出来，但由于摄像机和竖直方向存在倾角，在图像中轨枕和轨道板将呈现出不相交的平行线，这样同样可以很快定位到轨枕的位置，根据扣件与轨枕的分布，可以找到扣件区域。找到轨枕的目的是更容易在照片上找到扣件区域，能够大大减少现有图像识别里边全图的计算，进而可以需针对较小区域进行特征对比，这样可以加快检测速度，更快的判断出扣件的病害。
[0020]所述红外发光源采用三道直线型光源，其中一道照射在距离该扣件边缘3?7cm的轨枕上形成定位结构光，其余两道照射在扣件上面，其中一道照射在扣件的螺杆和弹条上，另一道只照射在弹条上，照射在轨枕上的定位结构光是用于图像的识别定位，而另外两道光线其中一道来检测道钉的存在与否，另外一道辅助检测扣件弹条缺损与否。
[0021]在扣件区域的图像，由于扣件本身弹条以及螺杆的高度变化，通过图像扣件区域的单独对比，在图像中呈现光线图像上的变化。在有扣件和无扣件以及扣件断裂、有螺杆和无螺杆的各种情况下，都有明显的图像特征，通过相应的模版匹配，从而实现对扣件的缺失情况做识别判断。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1 (a)为图像采集器采集到的图像转换为二值图的图像；
[0023]图1(b)为图1(a)中图像采集器采集到的轨枕图像；
[0024]图1 (C)为图1 (a)中图像采集器采集到的螺杆图像；
[0025]图1 (d)为图1 (a)中图像采集器采集到的左弹条图像；
[0026]图1 (e)为图1 (a)中图像采集器采集到的右弹条图像；
[0027]图2(a)为图像采集器采集到的扣件弹条和螺杆都不在的图像转换为二值图的图像；
[0028]图2(b)为图2(a)中图像采集器采集到的轨枕图像；
[0029]图2(c)为图2(a)中图像采集器采集到的螺杆图像；
[0030]图2(d)为图2(a)中图像采集器采集到的左弹条图像；
[0031]图2(e)为图2(a)中图像采集器采集到的右弹条图像；
[0032]图3(a)为图像采集器采集到的扣件螺杆尚在弹条缺失的图像转换为二值图的图像；
[0033]图3(b)为图3(a)中图像采集器采集到的轨枕图像；
[0034]图3(c)为图3(a)中图像采集器采集到的螺杆图像；
[0035]图3(d)为图3(a)中图像采集器采集到的左弹条图像；
[0036]图3(e)为图3(a)中图像采集器采集到的右弹条图像。
[0037]图4为本发明的结构原理图。
[0038]图5为红外发光源照射在轨枕和扣件上的示意图。
【具体实施方式】
[0039]以下结合附图对本发明专利作进一步说明。
[0040]如图4所示，一种基于结构光的扣件缺失检测方法，包括结构红外光源系统、图像采集系统、GPS系统或/和安装在火车轮轴上的光电编码器和计算机控制系统四大结构。其中结构红外光源系统中的红外发光源5和图像采集系统中的图像采集器6置于车体外轨枕上方，其中红外发光源5位于扣件正上方，红外发光源5发出平行于铁轨的光带，图像采集器6设置的位置使得图像采集器6与轨道扣件形成30?45度的拍摄角度；GPS系统或/和安装在火车轮轴上的光电编码器和计算机控制系统位于整个系统的控制盒内，给图像采集器6提供触发信号，实时的采集红外发光源5照射在扣件上后红外线形成的图像，并同时将其图像进行储存，再通过图像识别进行处理。
[0041]上述的光电编码器为安装在火车轮轴上的用来测量车轴转速的装置(通常动检车预先安装有该光电编码器，具有开源的接口)，车轴每转动一周，光电编码器产生N个脉冲，同时能够判断正反转，根据车轮的周长，能够准确得到车辆的速度，同时能够判断车辆处于进、退状态，为触发拍照提供了触发信号，确保拍到所有扣件，同时减少扣件的重复拍摄。光电编码器与GPS系统相比，GPS系统的缺陷在于精度不如光电编码器高，同时还受到外界条件的影响，比如隧道、山区信号弱，影响触发拍摄的准确性，因此在选择速度信号时，优先使用光电编码器。采用的GPS系统定位得到地理信号，实现图片与地理位置的对应。
[0042]光源使用红外光，波长为850匪至950匪的结构光。所述红外发光源5包括三道直线型光源，其中一道光源照射在距离该扣件边缘3?7cm的轨枕上形成定位结构光2，其余两道光源I照射在扣件上面，其中一道照射在扣件的螺杆41和弹条42上，另一道只照射在弹条42上。
[0043]所述图像采集器采用红外高速摄像头。所述红外高速摄像头前面设置有滤光片，滤光片为大于SOOnm的高通滤片，能够很好的和所用的红外光源匹配。
[0044]红外高速摄像头和光源分别与扣件的连线呈现30?45度角度。摄像头和扣件的连线垂直于照射在扣件上的光线。
[0045]本装置通过以下几个步骤工作:
[0046]第一步:打开系统的电源，启动计算机控制系统，打开GPS系统以及红外光源，实现系统的初始化设置，完成准备工作；
[0047]第二步:由GPS系统提供的速度信息经由控制系统对摄像头进行触发拍摄，并且实时的保存拍摄下来的图像，通过GPS和列车上的公里标信息对图片进行编号保存，实现图片时对地理位置的对应，以便检测问题扣件后能够在线路上找到位置，对扣件进行维护。通常动检车上装载有轮对光电编码器，且能提供开源的接口，从而能够更为准确的提供车辆的实时速度，在装载有光电编码器的车辆，使用该编码器脉冲速度信号控制拍摄。
[0048]第三步:图像处理系统通过图像的预处理，先提取出照射在轨枕上的长且平滑的定位结构光2 (无论有砟无砟)，然后在图像中定位轨枕的中心位置，再找到扣件区域，对扣件各个区域进行关键的特征提取，达到有效快速的分析出扣件的状况的目标。
[0049]实验所采集到的正常轨枕的图像:如图1所示
[0050]如上图1(a)所示为通过预处理后转换的二值图，图中白色部分为三条红外结构光源的照射效果。在图像处理过程中，截取轨枕存在区域图1(b)，先定位轨枕的中心位置，然后根据轨枕的位置定位螺杆和弹条的位置，再将每个部分单独对比。
[0051]如上图1(b)为图1(a)截取的轨枕部分单独图(轨枕的定位就是在图1(b)中寻找一条达到要求长度的直线连通域，同时计算出该直线连通域的质心)，确定了中心位置，再在图1 (a)图中找到弹条位置和螺杆的相对位置。构成图1 (C)，图1 (d)，图1 (e)。
[0052]再对图1 (C)、图1(d)和图1(e)图像中进行比对分析。在比对过程中可以采取多种方式。在本例中，采用如下方式，如图所示，如果弹条区域出现2个足够大的白色连通域，表明该测扣件的弹条正常。中间螺杆的位置与标准模版进行匹配，根据匹配度确定扣件螺杆是否正常。(由于不同线路上采用的扣件类型不一样，我们能够针对性的对图像进行不同的分割和特征匹配)。
[0053]在试验过程中，我们模拟的扣件的病态情况，如图2所示，图2(c)、图2(d)和图2(e)与图1(c)、图1(d)和图1(e)的标准图像相比，差异巨大，从而可以明确的分析出扣件弹条和螺杆都不在。
[0054]如图3所示，扣件螺杆尚在，弹条缺失，同理图像反映也是很明显。
[0055]显然我们能够在病态扣件和正常扣件图像中能够找到很大的差异，而且图像处理的计算量不大，从而快速、准确的实现扣件识别。
【权利要求】
1.一种基于结构光的扣件缺失检测方法，其特征在于:包括如下步骤 a、将结构红外光源系统的红外发光源和图像采集系统的图像采集器置于车体底部，所述红外发光源置于轨道扣件的正上方并且红外发光源垂直地面向轨道扣件照射形成平行于铁轨的光带，所述图像采集器对准所述轨道扣件拍摄并且其位置与照射在轨道扣件上的红外光路形成30?45度的拍摄角度； b、图像采集，通过图像采集器采集红外发光源照射在扣件上的光线形成的图像； C、数据处理，将采集到的图像与扣件完整时红外线形成的标准图像进行比较，通过差异比较，得出扣件缺失与否。
2.根据权利要求1所述的基于结构光的扣件缺失检测方法，其特征在于:所述红外发光源包括三道直线型光源，其中一道照射在距离扣件边缘位置3?7cm的轨枕上形成定位结构光，其余两道照射在扣件上面，其中一道照射在扣件的螺杆和弹条上，另一道只照射在弹条上。
3.根据权利要求2所述的基于结构光的扣件缺失检测方法，其特征在于:所述差异比较具体步骤如下:将采集到的图像转换为二值图，使得在图像中红外光源照射处呈现为白色，通过图像中定位结构光形成的长且平滑的线条快速定位，锁定图像上轨枕中心位置后，再依据扣件各部件的分布，找出螺杆和螺杆左侧弹条、螺杆右侧弹条所在的位置，将图像分为三幅独立的图片，将这三副独立的图片与标准图像中对应的三副图片进行模版匹配。
4.根据权利要求1至3之一所述的基于结构光的扣件缺失检测方法，其特征在于:所述图像采集系统根据GPS系统或/和安装在火车轮轴上的光电编码器提供的速度信息经由控制系统对图像采集器进行触发拍摄，并且通过存储器实时的保存，在存储的同时通过GPS系统在图像上记录位置信息。
5.根据权利要求4所述的基于结构光的扣件缺失检测方法，其特征在于:所述红外发光源采用波长为850匪至950匪的结构光。
6.根据权利要求5所述的基于结构光的扣件缺失检测方法，其特征在于:所述图像采集器的采集端上设置有过滤低于SOOnm波长光线的高通滤光片。
7.一种基于结构光的扣件缺失检测装置，利用权利要求1至6之一所述的检测方法，其特征在于:包括结构红外光源系统和图像采集系统，所述结构红外光源系统的红外发光源和图像采集系统的图像采集器均置于车体底部轨枕的上方，所述红外发光源置于轨道扣件的正上方并且红外发光源垂直地面向轨道扣件照射形成平行于铁轨的光带，所述图像采集器对准所述轨道扣件拍摄并且其位置使得图像采集器与照射在轨道扣件上的红外光路形成30?45度的拍摄角度。
8.根据权利要求7所述的基于结构光的扣件缺失检测装置，其特征在于:所述红外发光源和图像采集器形成的直线与轨枕平行，每根铁轨上设置有两套所述结构红外光源系统和图像采集系统分别检测该铁轨内外两侧的扣件。
9.根据权利要求8所述的基于结构光的扣件缺失检测装置，其特征在于:所述红外发光源包括三道直线型光源，其中一道照射在距离该检测扣件边缘3?7cm的轨枕上形成定位结构光，其余两道照射在扣件上面，其中一道照射在扣件的螺杆和弹条上，另一道只照射在弹条上。
10.根据权利要求7至9之一所述的基于结构光的扣件缺失检测装置，其特征在于:还包括和计算机控制系统、GPS系统或/和安装在火车轮轴上的光电编码器，所述GPS系统或/和安装在火车轮轴上的光电编码器与图像采集系统和计算机控制系统连接，所述图像采集系统根据GPS系统或/和安装在火车轮轴上的光电编码器提供的速度信息经由计算机控制系统对图像采集器进行触发拍摄，并且通过计算机控制系统的存储器实时的保存，在存储的同时通过GPS在图像上记录位置信息。
【文档编号】G01N21/95GK104359921SQ201410667430
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】吴湘华, 刘彦, 王雷, 杨勇, 张东, 王一军, 贺志军, 余明扬, 陈 峰 申请人:中南大学, 中国铁路总公司, 长沙铁信交通科技有限公司