CN103217111B - 一种非接触式接触线几何参数检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式接触线几何参数检测方法。包括以下步骤：首先使用采集控制信号等时间间隔的采集高清图像，再利用中值滤波、图像灰度化等技术完成图像预处理；接着使用阈值迭代法及数字形态学去除孤立噪声法，实现对激光光斑中心点的定位以及坐标提取；然后提取匹配的目标区域，并对其横向灰度奇异值检测；再利用“图像坐标系—摄像机坐标系”以及“摄像机坐标系—检测车坐标系”的转换，给出接触线在该处的导线高度和拉出值，再补偿车体振动；最终给出导高、拉出值的精确检测值，将几个参数信息显示在开发的图形化监控界面中。本发明方法有效地提高了接触网几何参数的检测效率，简化了算法的同时提高了故障检测的精准性，能较针对性的提高高铁接触网的安全可靠性。

Description

一种非接触式接触线几何参数检测方法

技术领域

本发明涉及高速铁路检测领域，尤其涉及一种基于图像处理的新型非接触式接触线几何参数检测方法。

背景技术

在电气化铁路上为了延长机车受电弓的使用寿命，使受电工弓的滑板磨耗均匀，将接触线在线路直线区布设成之字形。接触网拉出值如果设置的小，达不到均匀滑板磨耗和延长受电弓寿命的目的；设置过大，如遇恶劣天气，接触线会越限，造成刮弓或钻弓的事故，除此由于金具零件松动，支柱倾斜等，也会造成拉出值超出设计值，之字形拉出值一般为(480±10)mm，因而要经常检测接触网拉出值。为了使电力机车受电弓与架空接触线之间良好接触,并保证有适当的接触力，接触线的高度有一定的要求,这个高度为(6000±30)mm。

目前国内外对接触线几何参数使用的检测方法主要有：坠线加钢尺、道尺测量法；测量杆加专用计算器测量法；光学测量法；DJJ多功能接触网检测仪等。这些检测方法都取得了一定的效果，但不少方法存在测量不准确、危险性高、操作复杂、设备昂贵笨重、检测任务重强度大、抗干扰能力差等问题。基于图像处理的接触线几何参数检测尚未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于图像处理的新型非接触式接触线几何参数检测方法，以解决现有接触线几何参数检测效率低，***灵活性差等缺点。

本发明的技术解决方案是：

一种非接触式接触线几何参数检测方法，以如此构成的几何参数检测装置中采集高清图像：激光器发射线形激光照亮其正上方的接触线，再通过安装于检测车车顶的高分辨率高帧率摄像装置采集，其中摄像机与激光器放在检测车上的水平横梁上，摄像机与横梁呈现一定的角度，激光器垂直于横梁朝上，横梁在接触网正下方且与轨道中心线平行；所述检测装置中安装有振动传感器实现对振动波形的监测；完成对接触线几何参数的修正有经图像处理得到接触网接触线的导高、拉出值的精确检测值，包括以下步骤：

A、图像采集步骤，激光器发射线激光打在接触线上呈现亮斑，利用CCD摄像机采集装置，实时采集接触线高清图像；

B、图像数据处理步骤，对采集的图像进行预处理，并实现对其中激光打在接触线位置的检测和定位，求出成像平面坐标系中激光光斑中心点位置的坐标，完成该位置在“图像坐标系—摄像机坐标系”以及“摄像机坐标系—检测车坐标系”的转换，给出接触线在该处的导线高度和拉出值；

C、根据振动传感器的振动信号，检测车多次行驶后的振动波形，拟合振动波形，对上述导线高度和拉出值进行补偿，修正；

D、将所述的监控信息显示在图形化监控界面中。

所述的图像数据处理步骤中，由于线激光打在接触线上位置强度最大，图像中该处灰度值最大，直接对图像二值化处理，再利用最优阈值迭代及数字形态学去除孤立噪声的方法，完成对激光光斑的定位以及光斑中心点在成像平面坐标系中坐标的提取。

所述的图像数据处理步骤中，还包括激光光斑中心点位置的坐标在“图像坐标系—摄像机坐标系”以及“摄像机坐标系—检测车坐标系”的转换，从而实现对该位置导线高度，拉出值的检测。

所述图形化监控界面包括：接触线导高监测控件、接触线拉出值监测控件、振动检测控件，还包括对导高正常信息以及故障信息进行储存。

采用本发明视觉采集测量方法，对高清摄像机拍摄的接触线进行分析，在检测车运行下对海量图像实时处理。具体是在检测车顶横梁上安装激光器、高分辨率高帧频CCD摄像机，激光器往接触线上发射线激光，等间隔时间采集接触线运行图像，在设定的间隔时间内可完成对接触线导高、拉出值的计算。再通过检测模型训练及在线测试、修正方案，适应所检测线路接触线几何参数的测量。

本发明提出的基于图像处理的新型非接触式接触线几何参数检测方法主要有以下优点：

1、本发明直接通过图像处理方法对接触网几何参数检测，算法简便，可批量处理海量图像，克服了传统人工检测方法的缺陷，为接触网几何参数的可靠性、快速性检测提供一种较好的手段。

2、与光学方法相比，随着计算机处理器价格的急剧下降，机器视觉***的成本效率也变得越来越高。

3、机器视觉***与光学传感器等相比有更好的灵活性和适应性，其硬件设备相对固定，所需的仅仅是软件的相应变化或升级而不是添置昂贵的硬件设备。

4、机器视觉***的操作和维护费用非常低，且***稳定。

5、基于图像处理的检测方法是非接触式的，对接触网部件没有任何磨损和危险，且能得到较为精准的导高、拉出值数据。

因此，本发明提出的技术方案对于基于图像处理的新型非接触式接触线几何参数检测是非常合适和有相当发展前景的检测手段。该技术能在检测车运行中对接触线进行非接触、在线测量，克服了传统方法只能在静态下工作、难以适应高速铁路的需求等缺点，本发明经实验证明了检测车运行下的实时检测性能，并且在理论上具备高速下在线测量的能力，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的检测装置简图。

图2为本发明的实施例的硬件设备构成图。

图3为本发明本文提出方法的思路示意图。

图4本发明的实施例检测车参数标示图。

图5为本发明计算机图像示意图。

图6为本发明用到的三角形相似关系示意图。

图7为本发明激光光斑定位流程图。

图8为本发明图像激光光斑定位图（图8a:原图，图8b:中值滤波效果图，图8c:形

态学去噪效果图，图8d:激光光斑定位图）。

图9为本发明界面功能示意图。

具体实施方式：

下面结合在实验拍摄的实际图片对本发明的实施方案做进一步的详述。

结合图1所示，其为本发明的检测装置简图。其中检测车横梁位于轨道中心线正上方；激光器垂直横梁朝上，发射出的线激光区域大于接触线最大拉出值；CCD摄像机与横梁呈现一固定角度。

工作原理为：检测车沿着轨道前行的过程中，激光器发射线激光打在接触线上，形成较亮的光斑，位于检测车后端的倾斜向上的CCD摄像机将按照设定的时间间隔进行拍照。随着接触线的高低左右空间位置的不同，图像中激光光斑的位置有着相应的呈现。通过对光斑位置的定位可以较好的反应接触线导高，拉出值。在不考虑轨面高度变化的前提下，光斑距离图像底端的距离可以反映出导高，光斑偏离图像中心的距离能够反映拉出值的变化量。

图2为本发明的实施例的硬件设备构成图。本发明硬件设备主要由检测车横梁上摄像装置、用于测量的激光光源装置、车底振动检测装置、用于图像采集处理的数据采集处理单元(笔记本电脑)以及车底的车体振动补偿测量装置。

图3所示为本发明本文提出方法的思路示意图。主要步骤为：包括以下步骤：首先使用采集控制信号等时间间隔的采集高清图像，再利用中值滤波、图像灰度化等技术完成图像预处理；接着使用阈值迭代法及数字形态学去除孤立噪声法，实现对激光光斑中心点的定位以及坐标提取；然后提取匹配的目标区域，并对其横向灰度奇异值检测；再利用“图像坐标系—摄像机坐标系”以及“摄像机坐标系—检测车坐标系”的转换，给出接触线在该处的导线高度和拉出值，再补偿车体振动；最终给出导高、拉出值的精确检测值，将几个参数信息显示在开发的图形化监控界面中。

图4本发明的实施例检测车参数标示图。摄像机的主光轴为直线l，激光器与摄像机水平间距为L，图像所在平面为AB，检测车横梁与接触线间距为H₁，检测车横梁与钢轨中心线垂直距离为d。

结合图4所示，实施例中搭建CCD摄像机针孔模型如下：

CCD摄像机标定采用的模型一般分为线性和非线性两种。线性模型即为针孔模型，本发明使用的标定方法检测车坐标系，摄像机坐标系和计算机坐标系定义如图4所示。

检测车坐标系原点在检测车重心位置，x轴垂直纸面向里，y轴垂直于轨面向上，z轴沿着轨道向右；摄像机坐标系原点为o_a，z_a和摄像机主光轴的方向保持一致，y_a垂直于z_a向上，x_a轴垂直纸面向里，与检测车坐标系保持一致。图中成像平面为AB，与光轴垂直，距离o_a长度为f(摄像机的焦距)。

易知，摄像机坐标系顺时针旋转θ，再沿旋转后坐标系的y轴移动-d，沿z轴移动L/2即为检测车坐标系。

旋转变换齐次矩阵为：

$\mathrm{Rot}(x,\mathrm{\θ})=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ 0& \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

平移变换齐次矩阵为：

$\mathrm{Trans}(0,-d,d_1)=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& -d\\ 0& 0& 1& L/2\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

显然检测车坐标系相对于摄像机坐标系的齐次矩阵为：

$T=\mathrm{Rot}(x,\mathrm{\θ})\mathrm{Trans}(0,-d,d_1)=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& -d\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{Lg}\sin \mathrm{\θ}/2\\ 0& \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& -d\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{Lg}\cos \mathrm{\θ}/2\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

由于接触线安装的特殊性，架设呈现之字形的特点，在图像中的反应如图5所示。x表示接触线激光点所在位置的拉出值，y表示激光点处的导高。

线性模型，根据线性方程求解，简单快速。本文采用小孔成像模型进行标定，根据相似三角形的关系，如图6所示,可以直接得到：

y＝f_y，gy₁/D

同理：x＝f_xgx₁/D

与图像中(x,y)对应的检测车坐标系点坐标为(x_r,y_r,z_r)，则：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_r=\mathrm{Lx}/\left(\sin \mathrm{\θg}{f}_x\right)\\ y_r=\frac{\mathrm{yL}\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}{\mathrm{gf}}_y}+L\tan \mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{yL}}{\tan \mathrm{\θ}{\mathrm{gf}}_y}+L\tan \mathrm{\θ}\\ z_r=L/2\end{array}\right.$

图7为本发明激光光斑定位流程图。激光光斑中心点定位中采用迭代阈值法，该方法是阈值法图像分割中比较优秀的方法，该算法首先选择一个近似阈值作为估计值的初始值，然后进行图像分割，产生子图像，并根据图像的特性来选择新的阈值，再用新的阈值分割图像，经几次循环，可使错误分割的像素点减少到最少。

图7中最优阈值迭代算法的实现步骤如下:

(a)假设没有物体确切位置的信息，第一部近似，可将图像的平均灰度值设置为初始阈值。该做法的合理性体现在平均灰度一定在背景灰度和物体灰度之间;

(b)利用阈值，将图像分为两组，分别为Q₁和Q₂;

(c)计算Q₁和Q₂的灰度均值R₁和R₂;

(d)求取新的阈值T_n＝(R₁+R₂)/2;

(e)若T_n+1＝T_n，则结束迭代，否则继续进行步骤b。

最终取T_n+1为最佳分割阈值。该算法一般在迭代5次左右就可以收敛到最佳阈值，具有一定的自适应性。

图7中图像中值滤波处理实现如下:中值滤波就是用一个有奇数点的滑动窗口，将窗口中心点的值用窗口内各点的中值代替。假设以为序列f₁，f_2，Lf_n。取窗口长度为m(m为奇数)，进行中值滤波处理，即从输入序列中抽出个m数f_i-v,Lf_i-1,f_i,f_i+1,L,窗口中心点为f_i。再将这些点按数值大小排序，取序号中心点数值作为滤波输出。

$y_i=\mathrm{Med}\{f_{i-v},L{f}_i,L,f_{i+v}\}i\∈Z,v=\frac{m-1}{2}$

中值滤波具有不变性，能够克服最小均方滤波、平均值滤波等线性滤波器产生的细节丢失和图像边缘模糊现象，对图像椒盐噪声的滤除效果较好。

图7中数字形态学去除孤立噪声实现如下：

采用数学形态学方法进行处理。先腐蚀后膨胀，为了运动目标内部不致太多空洞，采用了条件腐蚀：

（1）如果当前像素A(x₀,y₀)是白色，则遍历其3×3邻域。

（2）若有一点B(x₁,y₁)是黑色，转（3）；否则转（4）。

（3）遍历A点7×7邻域，统计邻域内白点数目，若小于阈值T，则把A点腐蚀掉，即赋值为黑色。

（4）处理下一像素。

腐蚀处理后的图像留下了部分小的空洞，因此再对图像进行3×3膨胀，从图8可以看到，经过膨胀处理后激光光斑处内部的空洞基本消失。

去噪后的图像由于摄像机本身抖动等因素仍然会存在一些杂点，由于区域较大，形态学方法无法消除，在这里对图像进行空穴检出，然后检查每个空穴即连通的白色区域内白点数目，如果小于阈值T，就将当前空穴所有像素赋以背景值0，进行消去。最后图像中留下的大块白色区域，就是所要提取的激光光斑目标。

Claims (1)

1.一种非接触式接触线几何参数检测方法，以如下构成的几何参数检测装置中采集高清图像：激光器发射线形激光照亮其正上方的接触线，再通过安装于检测车车顶的高分辨率高帧率摄像装置采集，其中，仅设置一台摄像机与激光器放在检测车上的水平横梁上，该台摄像机与横梁呈现一定的角度，激光器垂直于横梁朝上，横梁在接触网正下方且与轨道中心线平行；所述检测装置中安装有振动传感器实现对振动波形的监测；完成对接触线几何参数的修正并经图像处理得到接触网接触线的导线高度、拉出值的精确检测值，包括以下步骤：

A、图像采集步骤，激光器发射线激光打在接触线上呈现亮斑，利用CCD摄像机采集装置，实时采集接触线高清图像；

B、图像数据处理步骤，对采集的图像进行预处理，并实现对其中激光打在接触线位置的检测和定位，求出成像平面坐标系中激光光斑中心点位置的坐标，完成该位置在“图像坐标系—摄像机坐标系”以及“摄像机坐标系—检测车坐标系”的转换，给出接触线在该处的导线高度和拉出值；

C、根据振动传感器的振动信号，检测车多次行驶后的振动波形，拟合振动波形，对上述导线高度和拉出值进行补偿，修正；

D、将C步骤所得信息显示在图形化监控界面中；

所述的图像数据处理步骤中，由于线激光打在接触线上位置强度最大，图像中该处灰度值最大，直接对图像二值化处理，再利用最优阈值迭代及数字形态学去除孤立噪声的方法，完成对激光光斑的定位以及光斑中心点在成像平面坐标系中坐标的提取。