一种大视场异物检测装置及方法

1.本发明涉及一种大视场异物检测装置及方法，适用于地铁隧道等各种需要大范围检测的领域，属于轨道交通安全技术领域。


背景技术：

2.视场是光学成像系统的重要参数之一，它与分辨率一起决定了光学成像系统所能获得的信息量。受光学成像系统原理的限制，光学成像系统很难达到180
°
以上的成像范围，而在视频监控、军事军工和生物医学等领域，常规成像系统的视场大小往往不能满足应用需求，故需要追求更大视场范围的成像系统。
3.大视场范围成像方法主要可分为两类——扫描拼接成像法和直接拍摄成像法。扫描拼接成像法可分为单镜头扫描拼接和多镜头同时拍摄拼接，其中前者需要多次采集图像，存在时延，速度慢，且由于扫描过程抖动的存在，成像质量差；后者系统成本高、体积大，在应用上存在局限性。直接拍摄法采用同一套光学成像镜头和探测器，对场景一次成像，速度快，效率高，是目前的研究热点，具有广泛的应用前景。
4.而在地铁隧道异物检测领域，为避免检测装置安装在隧道顶部时，装置意外脱落造成隧道异物入侵事故，往往将检测装置安装于隧道侧壁，而安装于侧壁的装置往往只能拍摄到隧道一侧的异物情况，对安装侧的异物情况不能实现很好地拍摄与监控。为了满足节约成本以及减少风险的需要，需要研究有更大视场范围的直接拍摄法光学成像系统用于地铁异物检测。


技术实现要素：

5.针对上述需求，本发明公开了一种大视场异物检测装置及方法。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.设计一种大视场异物检测装置，包括中央处理器、数据存储模块、通讯模块、驱动模块、电源模块、成像模块，所述中央处理器分别与数据存储模块、通讯模块、驱动模块、电源模块、成像模块相连。
8.进一步地，所述的大视场异物检测装置，在运行中由驱动模块控制在指定位点停留，由成像模块拍摄图像，并将拍摄到的图像与存储在数据存储模块中预先拍摄的无异物图像，经过中央处理器进行比对分析来判断有无异物，再将判断结果输送至通讯模块中，由通讯模块传输至控制中心。
9.进一步地，所述的大视场异物检测装置运行于安装在侧壁的专用轨道上，由驱动模块控制其在轨道上行进和停留。
10.进一步地，所述通讯模块与中央处理器相连，接收中央处理器的处理结果信息，并将该信息发送至控制中心，由控制中心决定进一步处理措施。
11.进一步地，所述成像模块，包括以下部件：
12.光源，其用于生成光对场景进行照明；
13.反射镜，其为中心旋转对称结构，中空且内部抛光为镜面，用于反射光线；
14.相机，用于接收光线并成像。
15.进一步地，所述反射镜由一个中心旋转对称的圆台构成，圆台上下底面均开口，来自装置正前方侧壁的光线直接穿过反射镜中空部分被相机光敏面接收，来自与装置同侧的侧壁的光线经过反射镜反射后再被相机光敏面接收。
16.进一步地，所述反射镜下底面靠近相机，并与相机光敏面平行，圆台内部挖空，并将内壁抛光，用作反射镜。
17.进一步地，所述反射镜的轴和相机的光轴是一致的。
18.进一步地，所述反射镜除了能使用圆台形结构，还能使用棱台形结构，棱台上下底面均开口，下底面靠近并平行于相机，内侧抛光。
19.进一步地，所述反射镜除了能使用圆台形和棱台形结构，还能使用多块平面镜拼接形结构，能根据需要选择任意多块平面镜围绕光轴放置，单块平面镜的角度可调节以满足需要。
20.本发明还提供一种大视场异物检测方法，采用上述检测装置，包括以下操作步骤：
21.步骤1：根据实际拍摄环境和拍摄要求，选择合适的装置参数和安装位置。安装完成后，对待检测环境进行拍摄；
22.步骤2：对拍摄到的图像进行分割，获得前方场景图像和后方场景图像；
23.步骤3：分别对前方场景图像和后方场景图像进行处理，将图像复原为正常视角下的完整图像。
24.进一步地，所述步骤2拍摄到的图像为前方场景图像和后方场景图像交叠而成的组合图像，需要对其进行分割处理。
25.进一步地，所述步骤2的分割处理，包括以下操作步骤：
26.步骤2.1：当选用圆台形反射镜进行拍摄时，获得的是径向图像，需要进行径向切割，切割后内圆获得的是前方场景图像的径向图像，外圆环获得的是后方场景图像的径向图像；
27.步骤2.2：当选用棱台形反射镜或平面镜拼接形反射镜进行拍摄时，获得的是不同视角的前方场景图像和后方场景图像的组合图像，需要根据成像原理，分析场景不同位置在最终图像上的成像位置，对图像进行合理分割，供下一步处理。
28.进一步地，所述步骤3，包括以下步骤：
29.步骤3.1：当选用圆台形反射镜进行拍摄时，需要对切割后获得的前方场景图像的径向图像和后方场景图像的径向图像分别进行处理，实现径向视角向立体视角的转换；
30.步骤3.2：当选用棱台形反射镜或平面镜拼接形反射镜进行拍摄时，需要对切割得到的不同视角下的平面图像进行平面图像拼接处理，以还原成完整的场景图像。
31.进一步地，所述步骤3.1的径向图像需要经过处理，实现径向视角向立体视角的转换，包括以下操作步骤：
32.步骤3.1.1：连续提取径向图像的径向线，将其分割为三部分，分别用于生成左视图、中心视图和右视图，将提取到的图像叠加生成三视图图像；
33.步骤3.1.2：对中心视图图片进行模糊处理，以补偿镜面像差；
34.步骤3.1.3：以中心视图为基准，使用左视图和右视图图像运用归一化互相关视差
匹配法进行立体匹配，获得最终图像。
35.本发明的有益效果是：
36.本发明利用反射镜通过单个相机的单次拍摄完成了对视场的扩展；
37.本发明装置结构简单，成本低；
38.本发明能够增加铁路线路的安全性，减少铁路系统运行过程中事故的发生率。
附图说明
39.图1为本发明的整体装置示意图
40.图2为装置成像模块示意图
41.图3为物面和像面的成像关系图
42.图4为棱台形反射镜结构示意图
43.图5为平面拼接式反射镜结构示意图
44.图6为本发明的方法流程图
具体实施方式
45.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
46.图1是本发明的整体装置示意图，结合附图1可见，本发明公开的一种大视场的异物检测装置，包括中央处理器3、数据存储模块5、通讯模块4、驱动模块2、电源模块7、由光源6、相机9和反射镜8组成的成像模块。
47.其中中央处理器3分别与数据存储模块5、通讯模块4、驱动模块2、电源模块7、成像模块相连，控制各模块的彼此配合，正常运行。
48.所述异物检测装置的运行过程：由驱动模块2控制装置在指定位点停留，由成像模块拍摄图像，并将拍摄到的图像与存储在数据存储模块5中预先拍摄的无异物图像，经过中央处理器3进行比对分析判断有无异物，再将判断结果输送到通讯模块4中，由通讯模块4传输至控制中心。
49.所述异物检测装置运行于安装在侧壁的专用轨道1上，由驱动模块2控制其在轨道上行进和停留。本装置应用于地铁隧道异物检测时，为了避免安装在隧道顶部时，装置发生意外脱落事故，造成异物入侵风险，故将专用轨道安装于地铁隧道一面的侧壁上。
50.所述通讯模块4与中央处理器3相连，接收中央处理器3的处理结果信息，并将该信息发送至控制中心，由控制中心决定进一步的处理措施。
51.对于成像模块，结合图2对其所成像过程进行说明。
52.反射镜8由一个中心旋转对称的圆台构成，圆台上下底面均开口，下底面靠近相机，并与相机9的光敏面平行，圆台内部挖空，并将内壁抛光，用作反射镜。在使用时，反射镜8的轴和相机9的光轴是一致的。
53.成像模块使用时，来自装置正前方侧壁的光线直接穿过反射镜8中空部分被相机9的光敏面接收，来自与装置同侧的侧壁的光线经过反射镜8反射后再被相机9的光敏面接收。从而实现了单个相机通过一次成像同时采集相机前后场景信息。
54.图3为物面和像面的成像关系图。反射镜8与光轴所成夹角为θ。物体面10投影到成
像面11，两者的夹角为φ。根据几何关系可知，两者的关系为
[0055][0056]
为了实现更好的成像效果，希望物体面10投影到成像面11的面积尽可能大，即希望尽可能小，故希望θ即反射镜8与光轴夹角尽可能大。
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而θ过大，在下底面面积一定的情况下，会导致圆台开口的上底面的面积过小，从而影响装置对正前方物体的成像。故需要根据具体使用情况，合理设置圆台上下底面半径和圆台长度，以满足同时对装置前后方场景顺利成像的目的。
[0058]
除了合理设置参数外，本发明还提出了其他的结构来解决前后方成像问题。
[0059]
图4为棱台形反射镜结构示意图。棱台形反射镜8上下底面均开口，下底面靠近并平行于相机9，内侧抛光作为反射镜。与圆台形反射镜类似，位于视场范围内的来自装置正前方的大部分光线直接通过开口的上底面，穿过反射镜8被相机9的光敏面直接接收，小部分光线则经过反射镜的一次或多次反射最终被相机9的光敏面接收；来自装置后方的位于视场范围内的光线则全部经过反射镜反射，最终被相机9的光敏面接收，从而实现通过单个装置一次拍摄完成对装置前后方物体的成像。
[0060]
图5为平面拼接式反射镜结构示意图。该结构的反射镜8由围绕光轴对称放置的多块平面镜组合而成。在实际使用过程中，单块平面镜与光轴所成角度可调节以满足需要。同时平面镜之间不直接相连而是留出一定空隙，用于对前方场景的拍摄。若平面镜采用彼此之间紧密相连的结构，则对前方物体的开口区域只有平面镜围成的上底面。在倾角较大时，上底面面积有限。这会导致对前方物体成像的视场范围过小，而采用图5所示结构，能够有效避免这个问题，在保证倾角足够大的前提下，增大对前方物体成像的视场范围。
[0061]
图6是本发明的方法流程图，结合附图6可见，本发明公开的一种大视场异物检测方法，采用图1所示装置，主要包括以下步骤：
[0062]
步骤1：根据实际拍摄环境和拍摄要求，选择合适的装置参数和安装位置。安装完成后，对待检测环境进行拍摄；
[0063]
步骤2：对拍摄到的图像进行分割，获得前方场景图像和后方场景图像；
[0064]
步骤3：分别对前方场景图像和后方场景图像进行处理，将图像复原为正常视角下的完整图像。
[0065]
本发明的目标是通过单个设备的单次拍摄来同时完成对前后方场景的捕捉，故所获取的原始图像为前方场景图像和后方场景图像交叠而成的组合图像，需要对其进行分割处理。而使用的反射镜不同，获取的原始图像类型也有所不同，故要根据使用的反射镜，来采用不同的操作步骤。
[0066]
当选用圆台形反射镜进行拍摄时，获得的是径向图像，需要经过以下操作步骤：
[0067]
步骤2.1：对获取的径向图像，进行径向切割，切割后内圆获得的是前方场景图像的径向图像，外圆环获得的是后方场景图像的径向图像。
[0068]
当选用棱台形反射镜或平面镜拼接形反射镜进行拍摄时，得到的是不同视角下的前后场景平面图像的组合图像，需要经过以下操作步骤：
[0069]
步骤2.2：需要根据成像原理，分析场景不同位置在最终图像上的成像位置，对图像进行合理分割，供下一步处理。
[0070]
完成了图像分割后，需要根据使用反射镜的情况，分别对获得的图像进行处理，将
其还原为正常视角下的图像。
[0071]
当选用圆台形反射镜时，经过步骤2获得的是前方场景和后方场景的径向图像，需要经过以下操作步骤：
[0072]
步骤3.1：对切割后获得的前方场景图像的径向图像和后方场景图像的径向图像分别进行处理，实现径向视角向立体视角的转换，具体包括以下流程：
[0073]
步骤3.1.1：连续提取径向图像的径向线，将其分割为三部分，分别用于生成左视图、中心视图和右视图，将提取到的图像叠加生成三视图图像；
[0074]
步骤3.1.2：对中心视图图片进行模糊处理，以补偿镜面像差；
[0075]
步骤3.1.3：以中心视图为基准，使用左视图和右视图图像运用归一化互相关视差匹配法进行立体匹配，获得最终图像。
[0076]
当选用棱台形反射镜或平面镜拼接形反射镜时，经过步骤2得到的是不同视角下的前后场景平面图像，需要经过以下操作步骤：
[0077]
步骤3.2：对切割得到的不同视角下的平面图像进行平面图像拼接处理，以还原成完整的场景图像。
[0078]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。