一种轨道可视化巡检成像系统的制作方法

本发明涉及轨道病害巡检技术领域，具体涉及一种轨道可视化巡检成像系统。

背景技术：

轨道交通是我国交通运输的支撑产业，在国民经济发展、人民生活出行等诸多方面发挥着巨大价值。轨道作为轨道交通的基础设施，其性能状态与轨道交通运营安全密切相关。地铁经长时间运行后，由于列车行轧、地基沉降、材料老化等多种原因，轨道状态会逐渐恶化，随机出现轨距改变、钢轨断裂、扣件失效等多种病害，若不能及时发现和处理，便有可能酿成列车脱轨等重大交通事故。因此，轨道检测维护工作对于地铁安全运营管理显得尤为重要。

近年来，国内外将视觉成像技术应用轨道可视化巡检，需要解决以下问题：对钢轨、道床、扣件三大系统进行清晰成像，获取关注病害的视觉信息。2d成像方法可以获取表面纹理信息，但是失去了高度方向的形状变化信息，难以实现螺栓浮起等高度变化病害的检测。为此，近年来，将二维与三维成像技术应用于轨道可视化巡检，同时获取轨道全断面二维与三维图像，其中的三维图像用于形状变化检测、二维图像用于纹理缺陷检测，比如裂纹、异物识别等。

在二维与三维融合成像中，面临的挑战包括：如何最大限度地、有效地获取可用的视觉数据。其中，对于扣件系统而言，需要获取扣件的纹理和三维形状信息，在成像过程中，需要考虑解决钢轨头部遮挡干扰问题；对于道床系统而言，需要获取道床的纹理与三维形状信息，其中纹理图像主要用于裂纹检测、三维信息主要用异物检测、尺寸测量等；对于钢轨系统而言，需要将钢轨表面的剥落掉块、折断、裂纹等信息获取到，受三维成像精度的限制，难以获取大视场、高精度三维数据，为此，对于这类病害，需要采用暗场照明成像，以凸显出钢轨表面的不平顺性异常(比如裂纹、剥落掉块、擦伤、鱼鳞纹等)。但是，现有可视化视觉检测系统，多采用明场照明(明场照明是指：光源照射方向与摄像机成像方向相同)方法获取轨道表面图像。明场照明可以很清楚地拍摄到扣件、道床表面的图像，但是，因日常使用的钢轨被列车车轮长期摩擦，近似于镜面，而存在明显的镜面反射。从而导致，现有明场照明成像方法无法获取轨道表面的裂纹等病害图像。

针对上述钢轨头部遮挡轨距挡板区域的问题，专利cn201811188680.9提出采用2个线结构光布局于摄像机两侧提供照明，用于解决遮挡问题，该方法的缺点是线结构光数量多，成本高。针对上述钢轨表面镜面反射干扰问题，采用斜向下照明的线光源为钢轨和扣件提供暗场照明，用于钢轨和扣件区域二维成像，用于解决钢轨表面镜面反射干扰问题，拍摄钢轨表面的裂纹等病害图像；但是，以这种方式同时为钢轨和两侧扣件区域提供照明，显著增加了线光源照射区域宽度。在专利cn201811188680.9实施例2中，光源照明方向与成像方向角度为60度，常规钢轨高度为176mm，线光源照明区域最小宽度为：176*tan(60)＝56.3mm，照射区域的长度一般为800mm，则需要800*56.3mm的照明区域，进而显著增加了led阵列线光源的功率要求。并且难以在依赖电池供电的智能巡检机器人等小型化巡检平台使用。

为满足在智能巡检机器人(例如cn201910331806.1、cn201920560452.3)等低速应用场合下，轨道可视化巡检任务的要求，急需研发一种适用于低速场合的成像系统，既能减少设备数量，降低系统成本，又能消除钢轨表面镜面反射干扰。

技术实现要素：

为解决上述背景技术中的问题，本发明提供了一种轨道可视化巡检成像系统，该系统适用于低速应用场合，不仅成本低，还能消除钢轨表面镜面反射干扰，拍摄钢轨裂纹等病害。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种轨道可视化巡检成像系统，该系统包含：

3台3d摄像机和3台线结构光发生器；

其中，所述3台线结构光发生器的光心分别位于所述轨道的两侧钢轨横截面和道床横截面的中轴线上，并垂直向下投射，为3d摄像机提供照明；

所述3台3d摄像机斜的光心分别位于所述轨道的两侧钢轨横截面和道床横截面的中轴线上，并斜向下拍摄；

由所述3台线结构光发生器产生的3个线结构光平面共面并与钢轨延伸方向垂直，3台线结构光照射区域存在部分重叠，覆盖整个轨道表面；3台3d摄像机的拍摄范围存在部分重叠，覆盖整个轨道表面。

进一步的，3d摄像机和线结构光以一定角度布局，可实现线结构光成像。所述3d摄像机为基于fpga或dsp或arm或pc的线结构光摄像机，通过线结构光中心线提取算法，获取轨道表面横截面高度信息，构建为轨道表面三维形貌数据；与此同时，根据计算的线结构光中心线位置，提取该位置上的颜色信息或亮度值，作为线结构光位置处轨道表面纹理信息，由此获取轨道表面二维纹理图像。

进一步的，所述3d摄像机和线结构光发生器的光心到所述轨道的钢轨顶面的距离不小于500mm。

进一步的，所述线结构发生器产生的线结构光厚度不超过1mm。

进一步的，为消除钢轨表面的镜面反射干扰，实现对钢轨表面的裂纹进销存成像，该系统还包含：

2台线阵摄像机和2台线光源对钢轨区域进行暗场照明成像，这2台线阵摄像机和2台线光源分别位于所述轨道的两侧钢轨正上方，所述线光源为线阵摄像机提供照明。

进一步的，所述钢轨正上方，沿钢轨延伸方向，依次放置，3d摄像机、线结构发生器、线阵摄像机和线光源，构成二维与三维融合成像及钢轨表面清晰成像系统。

进一步的，所述线阵摄像机垂直向下对钢轨表面进行成像，所述线光源位于线阵摄像机一侧，并斜向下照射钢轨表面。

进一步的，所述线光源的照射平面与线阵摄像机的成像平面的夹角为a，a的取值范围为40-90度。

进一步的，为消除环境和线光源对3d摄像机造成干扰，所述线光源的波长为n1、所述线结构光发生器产生的线结构光的波长为n2，n1≠n2；且在所述3d摄像机前端设置波长为n2的窄带滤光片，在线阵摄像机前端设置波长为n1的窄带滤光片。

进一步的，为避免线光源对3d摄像机造成干扰，所述钢轨正上方，沿钢轨延伸方向，依次放置，线阵摄像机、线光源、3d摄像机和线结构光发生器。

进一步的，为增大线光源与线阵摄像机的成像角度，并减小整体尺寸，所述钢轨正上方，沿钢轨延伸方向，依次放置，3d摄像机、线光源、线结构光发生器和线阵摄像机，其中线光源位于3d摄像机的下方，且不遮挡3d摄像机的成像视野。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明的成像系统采用了3台3d摄像机、3台线结构光发生器，用3d摄像机同时拍摄3d图像与提取二维图像，可获取严格对齐的二维与三维图像，如图4、5所示。与cn201821655668.x等通过线阵摄像机获取二维图像后，再通过软件算法，将三维数据与二维数据对齐的方法相比，本发明，更简单有效，且不受线阵摄像机与3d摄像机位置关系标定误差干扰。

2)本发明与cn201821655668.x等相比，减小了3台线阵摄像机及其照明光源，减小了为解决3d摄像机钢轨顶部遮挡干扰中的2台线结构光，在实现相同二维与三维融合成像的需求条件下，降低了系统成本。

3)本发明的成像系统还通过增加2台线阵摄像机和2台线光源对钢轨区域进行暗场照明成像，消除了钢轨表面的镜面反射干扰，能拍摄清晰的钢轨区域裂纹等病害。

附图说明

图1为实施例1轨道可视化巡检成像系统的俯视图；

图2为实施例1轨道可视化巡检成像系统的组成示意图；

图3为实施例1中线结构光3d成像示意图；

图4为实施例1获取的轨道三维深度图像；

图5为实施例1获取的轨道二维纹理图像；

图6为实施例2中线阵摄像机和线光源布局图；

图7为实施例2中钢轨上方成像系统布局示意图；

图8为实施例2轨道可视化巡检成像系统的俯视图；

图9为实施例4中钢轨上方设备布局示意图；

图10为实施例4轨道可视化巡检成像系统的俯视图；

图11为实施例5钢轨上方设备布局示意图；

图12为实施例5轨道可视化巡检成像系统的俯视图；

图中：1-钢轨；2-检测梁；3-3d摄像机；4-线结构光发生器；5-线结构光照射区域；6-3d摄像机拍摄范围；7-线阵摄像机；8-线光源；9-线阵摄像机成像平面；10-道床；11-线光源照射光线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的轨道可视化巡检成像系统由3台3d摄像机(3-1、3-2、3-3)、3台线结构光发生器(4-1、4-2、4-3)组成。

如图2所示，3d摄像机3-1、3-3的光心分别位于两侧钢轨横截面中轴线上，3d摄像机3-2的光心位于道床横截面中轴线上，3台3d摄像机均斜向下拍摄；线结构光发生器4-1、4-3的光心分别位于两侧钢轨横截面中轴线上，线结构光4-2的光心位于道床横截面中轴线上，3台线结构光发生器都垂直向下投射；线结构光平面共面且与钢轨延伸方向垂直，3台线结构光照射区域存在部分重叠，覆盖整个轨道表面；3台3d摄像机的拍摄范围存在部分重叠，覆盖整个轨道表面。

线结构光的光心、3d摄像机的光心位于钢轨横截面中轴线上，线结构光的光心、3d摄像机的光心到钢轨顶面的距离不小于500mm。3d摄像机的光心为提升精度，线结构光发生器产生的线结构光厚度不超过1mm。

如图3所示，3d摄像机和线结构光以一定角度布局，可实现线结构光成像。在进行线结构光成像时，通过线结构光中心线提取算法，获取轨道表面横截面高度信息，构建为轨道表面三维形貌数据；与此同时，根据计算的线结构光中心线位置，提取该位置上的颜色信息或亮度值，作为线结构光位置处轨道表面纹理信息，由此获取轨道表面二维纹理图像。获取的轨道三维深度图像和二维纹理图像分别如图4、5所示。

实施例2

在实施例1中，钢轨区域仍然是明场照明，存在钢轨表面的镜面反射干扰，无法对钢轨表面的裂纹进销存成像。为此，在实施例1的基础上，增加2台线阵摄像机和2台线光源对钢轨区域进行暗场照明成像，以拍摄钢轨区域裂纹等病害。

如图6所示，在钢轨上方放置一台线阵摄像机7，垂直向下对钢轨表面进行成像，并在线阵摄像机一侧，放置一个线光源8，线光源斜向下照射钢轨表面，为线阵摄像机提供照明。线光源照射平面11与线阵摄像机成像平面9的夹角为a，a的取值范围为40-90度。

如图7所示，在钢轨上方，线结构光6、线阵摄像机7放于中间，3d摄像机3和线光源8位于两侧，构成二维与三维融合成像及钢轨表面清晰成像系统。

图8为上述设备布局示意图，通过新增2台线阵摄像机7-1、7-2、2个线光源8-1、8-2，分别对左右两侧钢轨进行二维成像，可解决实施例1中钢轨表面成像时的镜面反射干扰问题，拍摄清晰的钢轨表面图像。

实施例3

与实施例2不同之处于，为消除线光源和环境对3d摄像机造成干扰，线光源波长为n1、线结构光波长为n2，n1不等于n2,且在3d摄像机前端设置波长为n2的窄带滤光片，在线阵摄像机前端设置波长为n1的窄带滤光片。

实施例4

与实施例2和3不同之处，为了避免线光源8对3d摄像机造成干扰，采用图9所示布局，沿钢轨延伸方向，依次是：线阵摄像机、线光源、3d摄像机和线结构光发生器。本实施例成像系统的设备布局示意图如图10所示。

实施例5

在实施例3的基础上，为了增大线光源与线阵摄像机的成像角度，并减小整体尺寸，采用图11所示的布局方式：沿钢轨延伸方向，分别是：3d摄像机、线光源、线结构光发生器和线阵摄像机，其中线光源位于3d摄像机的下方，且不遮挡3d摄像机的成像视野，进而缩短整个成像系统的长度。本实施例成像系统的设备布局示意图如图12所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的原理或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。