CN103697813B - 无砟轨道板尺寸检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种无砟轨道板尺寸检测方法及装置，所述方法包括以下步骤：步骤S1：从不同方向及位置对所述无砟轨道板进行拍摄，得到无砟轨道板的多个影像相片，步骤S2：对所述多个影像相片进行图像处理，得到该无砟轨道板表面的多个照相测量点的三维坐标；步骤S3：将所述多个照相测量点的三维坐标与该无砟轨道板的三维模型进行匹配，得到所述无砟轨道板的点云形状；步骤S4：将所述无砟轨道板的点云形状上对应于该三维模型上相同面的测量点集进行拟合，并计算所述无砟轨道板尺寸检测量的值。本发明实现了快速准确地测量出无砟轨道板的尺寸，其检测速度快、精确度高且操作简便快捷、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及列车轨道测量技术领域，特别涉及一种无砟轨道板尺寸检测方法及装置。
背景技术
近年来，随着社会经济的提升，我国的轨道交通建设也得到极大的发展，尤其是高速铁路列车，已经形成初具规模的高速铁路网，为人们的出行带来了极大的便捷，提高了乘坐火车的舒适度。
在电气化的高速铁路轨道铺设中，通常采用CRTS即无砟轨道板，其主要分为CRTSI型无砟轨道板，CRTSII型无砟轨道板，CRTSIII型无砟轨道板，CRTSI型双块式无砟轨道板及CRTSII型双块式无砟轨道板。其中，CRTSIII型无砟轨道板（CRTS III，Slab BallastlessTrack）是指预制轨道板通过水泥沥青砂浆调整层，铺设在现场摊铺的混凝土支承层或现场浇注的钢筋混凝土底座（桥梁）上，并对每块板限位，适应ZPW－2000 轨道电路的连续轨道板无砟轨道结构型式。
目前，对上述无砟轨道板传统的测量方法主要是靠人工运用钢尺、游标卡尺、万能角度尺及相应工装对需要检测的几何尺寸进行逐一测量，或采用则用球棱镜及其配套工装通过全站仪进行测量。大量测量数据需要投入人工记录和计算，最后将所有检测数据汇总。从测量到数据处理不仅投入大量人力和时间，而且检测的人为误差较大。
发明内容
本发明的目的是提出一种无砟轨道板尺寸检测方法及装置，能快速准确地测量出无砟轨道板的尺寸，其检测速度快、精确度高且操作简便快捷、成本低。
为达到上述目的，本发明提出了一种无砟轨道板尺寸检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：在待测的无砟轨道板表面布设多个照相测量点及编码标志点，以及在该无砟轨道板表面或无砟轨道板附近放置，从不同方向及位置对所述无砟轨道板进行拍摄，得到无砟轨道板的多个影像相片，其中，所述多个影像相片中拍摄有该多个照相测量点、编码标志点及两标准尺，且相邻的所述多个影像相片中拍摄有至少四个相同的编码标志点；
步骤S2：根据所述多个影像相片中的多个照相测量点、编码标志点及两标准尺，对所述多个影像相片进行图像处理，得到该无砟轨道板表面的多个照相测量点的三维坐标；
步骤S3：提供该无砟轨道板的三维模型，将所述多个照相测量点的三维坐标与该无砟轨道板的三维模型进行匹配，得到所述无砟轨道板的点云形状；
步骤S4：将所述无砟轨道板的点云形状上对应于该三维模型上相同面的测量点集进行拟合，并计算所述无砟轨道板尺寸检测量的值。
进一步，在上述无砟轨道板尺寸检测方法中，所述多个编码标志点均匀布设于该无砟轨道板的表面，且每一所述多个影像相片中拍摄到至少四个编码标志点。
进一步，在上述无砟轨道板尺寸检测方法中，所述步骤S2具体包括：
步骤S21：根据影像相片中的多个照相测量点，通过图像识别算法识别出该照相测量点的边缘并提取出识别的边缘数据，通过该边缘数据定位测量点的中心位置；
步骤S22：根据影像相片中的多个编码标志点，将不同影像相片中相同编码的编码标志点进行匹配，以将所述多个影像相片拼接得到该无砟轨道板的全景图像；
步骤S23：根据所述多个照相测量点的边缘数据，通过光束法平差计算出该无砟轨道板的全景图像中多个照相测量点的三维坐标，即得到该无砟轨道板表面照相测量点的云数据。
进一步，在上述无砟轨道板尺寸检测方法中，所述步骤S22具体包括：
识别出该影像相片中的多个编码标志点；
将识别出的编码标志点与数据库里的模版标志点进行比对，得到影像相片中的多个编码标志点的编码；
将不同影像相片中相同编码的编码标志点进行匹配，以将所述多个影像相片拼接得到该无砟轨道板的全景图像。
进一步，在上述无砟轨道板尺寸检测方法中，所述步骤S3具体包括：
提供该无砟轨道板的三维模型；
根据所述多个照相测量点三维坐标的测量坐标系与三维模型的模型设计坐标系中的公共点坐标，获取所述测量坐标系与模型设计坐标系的转换参数，并根据所述转换参数将所述测量坐标系与模型设计坐标系进行对齐匹配；
或通过迭代就近点算法对所述多个照相测量点的三维坐标与三维模型进行最小二乘迭代，从而将所述多个照相测量点的三维坐标与三维模型进行匹配；
根据上述匹配结果拟合出所述无砟轨道板的点云形状。
进一步，在上述无砟轨道板尺寸检测方法中，所述步骤S4还包括：根据所述无砟轨道板尺寸检测量的几何关系进行计算生成测量报表。
本发明还提供一种无砟轨道板尺寸检测装置，用于检测无砟轨道板的尺寸，所述检测装置包括：布设于所述无砟轨道板表面的多个照相测量点及编码标志点、两标准尺、数码摄像机以及图像处理***，所述两标准尺放置于该无砟轨道板表面或无砟轨道板附近，所述数码摄像机用于从不同方向及位置对所述无砟轨道板进行拍摄，得到无砟轨道板的多个影像相片，其中，所述多个影像相片中拍摄有该多个照相测量点、编码标志点及两标准尺，且相邻的所述多个影像相片中拍摄有至少四个相同的编码标志点；
所述图像处理***包括：
坐标获取模块、用于根据所述多个影像相片中的多个照相测量点、编码标志点及两标准尺，对所述多个影像相片进行图像处理，得到该无砟轨道板表面的多个照相测量点的三维坐标；
坐标匹配模块、连接于所述坐标获取模块，用于将所述多个照相测量点的三维坐标与该无砟轨道板的三维模型进行匹配，得到所述无砟轨道板的点云形状；
以及拟合计算模块，连接于所述坐标匹配模块，用于将所述无砟轨道板的点云形状上对应于该三维模型上相同面的测量点集进行拟合，并计算所述无砟轨道板尺寸检测量的值。
进一步，在上述无砟轨道板尺寸检测装置中，所述图像处理***还包括连接于所述拟合计算模块的测量报表生成模块，用于根据所述无砟轨道板尺寸检测量的几何关系进行计算生成测量报表。
进一步，在上述无砟轨道板尺寸检测装置中，所述多个照相测量点为圆形，且采用定向反光材料制作而成的回光反射标志或者激光发射器投射激光点。
进一步，在上述无砟轨道板尺寸检测装置中，所述多个编码标志点为圆形且均匀布设于该无砟轨道板的表面，每一所述多个影像相片中拍摄到至少四个编码标志点。
本发明无砟轨道板尺寸检测方法及装置实现了快速准确地测量出无砟轨道板的尺寸，其检测速度快、精确度高且操作简便快捷、成本低。
附图说明
图1为本发明无砟轨道板尺寸检测方法的流程示意图；
图2为图1中步骤S2的具体流 程示意图；
图3为本发明无砟轨道板尺寸检测装置的结构示意图；
图4为本发明无砟轨道板尺寸检测装置的原理示意图；
图5为4个点的投影前后的交比分别定义示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
请参阅图1，本发明无砟轨道板尺寸检测方法包括以下步骤：
步骤S1：在待测的无砟轨道板表面布设多个照相测量点及编码标志点，以及在该无砟轨道板表面或无砟轨道板附近放置，从不同方向及位置对所述无砟轨道板进行拍摄，得到无砟轨道板的多个影像相片，其中，所述多个影像相片中拍摄有该多个照相测量点、编码标志点及两标准尺，且相邻的所述多个影像相片中拍摄有至少四个相同的编码标志点；
步骤S2：根据所述多个影像相片中的多个照相测量点、编码标志点及两标准尺，对所述多个影像相片进行图像处理，得到该无砟轨道板表面的多个照相测量点的三维坐标；
步骤S3：提供该无砟轨道板的三维模型（IGS模型），将所述多个照相测量点的三维坐标与该无砟轨道板的三维模型进行匹配，得到所述无砟轨道板的点云形状；所述点云形状由该无砟轨道板表面各个照相测量点的三维坐标形成。
步骤S4：将所述无砟轨道板的点云形状上对应于该三维模型上相同面的测量点集进行拟合，并计算所述无砟轨道板尺寸检测量的值。
其中，所述步骤S1中，待测的无砟轨道板上包括多个依次设置的承轨台，所述多个照相测量点可布设于该无砟轨道板的各表面，尤其是该多个承轨台上，该照相测量点可以采用定向反光材料制作而成的回光反射标志，也可以采用激光发射器投射激光点等，只要能清晰成像于影像相片中即可。本实施例中，所述多个照相测量点为圆形，也可为方形或其他形状；采用激光发射器投射激光点至无砟轨道板表面形成照相测量点。
所述多个编码标志点均匀布设于该无砟轨道板的表面，也可均匀布设于单独的编码控制场，使得拍摄时每一所述多个影像相片中拍摄到至少四个编码标志点，这样就可利用编码标志可以实现不同相片间的自动拼接。本实施例中，所述多个编码标志点为圆形，也可为方形或其他形状。
所述两标准尺是经计量单位标定的，能为整个测量提供长度基准。所述两标准尺可以放置于该无砟轨道板表面或无砟轨道板附近，只要使得所述两标准尺能被拍摄进影像相片中即可。本实施例中，所述两标准尺是垂直于该无砟轨道板长度方向放置于该无砟轨道板的表面。
所述从不同方向及位置对所述无砟轨道板进行拍摄，得到无砟轨道板的多个影像相片的步骤具体包括：用测量相机从该无砟轨道板的上下、左右各个方向及位置进行拍摄，所述多个影像相片中拍摄有该多个照相测量点、编码标志点及两标准尺，且相邻的所述多个影像相片中拍摄有至少四个相同的编码标志点。
请参阅图2，所述步骤S2具体包括：
步骤S21：根据影像相片中的多个照相测量点，通过图像识别算法识别出该照相测量点的边缘并提取出识别的边缘数据，通过该边缘数据定位测量点的中心位置；
步骤S22：根据影像相片中的多个编码标志点，将不同影像相片中相同编码的编码标志点进行匹配，以将所述多个影像相片拼接得到该无砟轨道板的全景图像；
步骤S23：根据所述多个照相测量点的边缘数据，通过光束法平差计算出该无砟轨道板的全景图像中多个照相测量点的三维坐标，即得到该无砟轨道板表面照相测量点的云数据。
其中，所述步骤S22具体包括：
识别出该影像相片中的多个编码标志点；
将识别出的编码标志点与数据库里的模版标志点进行比对，得到影像相片中的多个编码标志点的编码；
将不同影像相片中相同编码的编码标志点进行匹配，以将所述多个影像相片拼接得到该无砟轨道板的全景图像。
其中，所述识别出该影像相片中的多个编码标志点的步骤如下：
由于编码标志点是有几个圆点构成的一组具有特殊相对关系的点集，因此，首先是利用边缘检测算法识别每个圆的边界线，从而求取各圆心位置坐标；其次，通过求取的各圆心坐标，计算它们的交比值，当计算的交比值符合我们设定的阈值范围内，则确认识别该点集为编码标志点。
交比值不变量是透视投影下的基本不变量，交比根据同一直线上的 4个点距离来定义，如上图中4个点的投影前后的交比分别定义参见图5：
可以证明存在如下关系
所述步骤S23中光束法平差计算过程如下：
光束法平差是以每条空间光线为一单元，利用照相测量点、相应像点和相机中心点三点共线条件，由共线条件出发，对每个像点可以列出下列两个关系公式：
对上式进行线性化后即可得到光束法平差的误差方程式。
所述步骤S3具体包括：
提供该无砟轨道板的三维模型；该三维模型可为CAD文件中的 IGS模型。
根据所述多个照相测量点三维坐标的测量坐标系与三维模型的模型设计坐标系中的公共点坐标，获取所述测量坐标系与模型设计坐标系的转换参数，并根据所述转换参数将所述测量坐标系与模型设计坐标系进行对齐匹配，即实现所述测量坐标系与模型设计坐标系之间的最优化转换；
或通过迭代就近点算法（ICP算法）对所述多个照相测量点的三维坐标与三维模型进行最小二乘迭代，从而将所述多个照相测量点的三维坐标与三维模型进行匹配；
根据上述匹配结果拟合出所述无砟轨道板的点云形状。
其中，由于轨道板表面的复杂性，很难快速地得到所述多个照相测量点到三维模型表面的投影迭代计算的初值，可以利用四叉树算法提高自由曲面投影点初值的计算速度，该四叉树算法具体为：一个平面被区分为四个部份的一个空间划分***，每个平面可以根据需要继续细分为四个部份，直到满足条件，从而为后续迭代就近点算法（ICP算法）的步骤提供一个良好前提条件。
所述步骤S4还包括：根据所述无砟轨道板尺寸检测量的几何关系进行计算生成测量报表。
通过计算可以证明该方法求取各检测量误差范围均符合轨道板设计要求。
如下表所示，坡度设计要求值及误差范围为1:37~1:43，计算的坡度值均在这个范围之内。
请参阅3及图4，本发明还提供一种无砟轨道板尺寸检测装置，用于检测无砟轨道板100的尺寸，所述检测装置包括：布设于所述无砟轨道板100表面的多个照相测量点1及编码标志点2、两标准尺3、数码摄像机4以及图像处理***5，所述两标准尺3放置于该无砟轨道板100表面或无砟轨道板100附近，所述数码摄像机4用于从不同方向及位置对所述无砟轨道板100进行拍摄，得到无砟轨道板100的多个影像相片，其中，所述多个影像相片中拍摄有该多个照相测量点1、编码标志点2及两标准尺3，且相邻的所述多个影像相片中拍摄有至少四个相同的编码标志点；
所述图像处理***5包括：坐标获取模块52、坐标匹配模块54以及拟合计算模块56，所述坐标获取模块52用于根据所述多个影像相片中的多个照相测量点、编码标志点及两标准尺，对所述多个影像相片进行图像处理，得到该无砟轨道板表面的多个照相测量点的三维坐标；所述坐标匹配模块54连接于所述坐标获取模块52，用于将所述多个照相测量点的三维坐标与该无砟轨道板的三维模型进行匹配，得到所述无砟轨道板的点云形状；所述拟合计算模块56连接于所述坐标匹配模块54，用于将所述无砟轨道板的点云形状上对应于该三维模型上相同面的测量点集进行拟合，并计算所述无砟轨道板尺寸检测量的值。
所述图像处理***5还包括测量报表生成模块58，连接于所述拟合计算模块56，用于根据所述无砟轨道板尺寸检测量的几何关系进行计算生成测量报表。
本实施例中，所述多个照相测量点1及编码标志点2均为圆形，也可为方形或其他形状。
所述多个照相测量点1可布设于该无砟轨道板100的各表面，尤其是该多个承轨台6上，该照相测量点1可以采用定向反光材料制作而成的回光反射标志，也可以采用激光发射器投射激光点等，只要能清晰成像于影像相片中即可。本实施例中采用激光发射器7投射激光点至无砟轨道板表面形成照相测量点。
所述多个编码标志点2均匀布设于该无砟轨道板100的表面，也可均匀布设于单独的编码控制场，本实施例中所述多个编码标志点均匀布设于一编码支架8而形成编码控制场，使得拍摄时每一所述多个影像相片中拍摄到至少四个编码标志点，这样就可利用编码标志可以实现不同相片间的自动拼接。
相比于现有技术，本发明无砟轨道板尺寸检测方法及装置通过将测量点、编码点及基准尺等布设在待测无砟轨道板上，控制相机并拍摄得到影像相片；最后通过对拍摄的影像相片进行匹配、平差、计算检测量并自动生成检测量报表。
传统的测量方法检测一块轨道板需要耗时约40分钟，而且还不包括数据整理的时间。而本发明无砟轨道板尺寸检测方法及装置采用照相测量的方法，不仅速度快、测量数据精确，而且投入的人力也少。本发明通过现场实施，测量一块轨道板从原来的40分钟缩短到5分钟，测量进度达到0.01mm，大大提高了检测的效率及精度，而且节约了时间和人力投入。
综上，本发明无砟轨道板尺寸检测方法及装置实现了快速准确地测量出无砟轨道板的尺寸，其检测速度快、精确度高且操作简便快捷、成本低。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (7)
1.一种无砟轨道板尺寸检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在待测的无砟轨道板表面布设多个照相测量点及编码标志点，以及在该无砟轨道板表面或无砟轨道板附近放置两个标准尺，从不同方向及位置对所述无砟轨道板进行拍摄，得到无砟轨道板的多个影像相片，其中，所述多个影像相片中拍摄有该多个照相测量点、编码标志点及两标准尺，且相邻的所述多个影像相片中拍摄有至少四个相同的编码标志点；
步骤S2：根据所述多个影像相片中的多个照相测量点、编码标志点及两标准尺，对所述多个影像相片进行图像处理，得到该无砟轨道板表面的多个照相测量点的三维坐标；
步骤S3：提供该无砟轨道板的三维模型，将所述多个照相测量点的三维坐标与该无砟轨道板的三维模型进行匹配，得到所述无砟轨道板的点云形状；
步骤S4：将所述无砟轨道板的点云形状上对应于该三维模型上相同面的测量点集进行拟合，并计算所述无砟轨道板尺寸检测量的值；
所述多个编码标志点均匀布设于该无砟轨道板的表面，且每一所述多个影像相片中拍摄到至少四个编码标志点；
所述步骤S2具体包括：
步骤S21：根据影像相片中的多个照相测量点，通过图像识别算法识别出该照相测量点的边缘并提取出识别的边缘数据，通过该边缘数据定位测量点的中心位置；
步骤S22：根据影像相片中的多个编码标志点，将不同影像相片中相同编码的编码标志点进行匹配，以将所述多个影像相片拼接得到该无砟轨道板的全景图像；
步骤S23：根据所述多个照相测量点的边缘数据，通过光束法平差计算出该无砟轨道板的全景图像中多个照相测量点的三维坐标，即得到该无砟轨道板表面照相测量点的云数据。
2.根据权利要求1所述的无砟轨道板尺寸检测方法，其特征在于，所述步骤S22具体包括：
识别出该影像相片中的多个编码标志点；
将识别出的编码标志点与数据库里的模版标志点进行比对，得到影像相片中的多个编码标志点的编码；
将不同影像相片中相同编码的编码标志点进行匹配，以将所述多个影像相片拼接得到该无砟轨道板的全景图像。
3.根据权利要求1所述的无砟轨道板尺寸检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
提供该无砟轨道板的三维模型；
根据所述多个照相测量点三维坐标的测量坐标系与三维模型的模型设计坐标系中的公共点坐标，获取所述测量坐标系与模型设计坐标系的转换参数，并根据所述转换参数将所述测量坐标系与模型设计坐标系进行对齐匹配；
或通过迭代就近点算法对所述多个照相测量点的三维坐标与三维模型进行最小二乘迭代，从而将所述多个照相测量点的三维坐标与三维模型进行匹配；
根据上述匹配结果拟合出所述无砟轨道板的点云形状。
4.根据权利要求1所述的无砟轨道板尺寸检测方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：根据所述无砟轨道板尺寸检测量的几何关系进行计算生成测量报表。
5.一种无砟轨道板尺寸检测装置，用于检测无砟轨道板的尺寸，其特征在于，所述检测装置包括：布设于所述无砟轨道板表面的多个照相测量点及编码标志点、两标准尺、数码摄像机以及图像处理***，所述两标准尺放置于该无砟轨道板表面或无砟轨道板附近，所述数码摄像机用于从不同方向及位置对所述无砟轨道板进行拍摄，得到无砟轨道板的多个影像相片，其中，所述多个影像相片中拍摄有该多个照相测量点、编码标志点及两标准尺，且相邻的所述多个影像相片中拍摄有至少四个相同的编码标志点；
所述图像处理***包括：
坐标获取模块、用于根据所述多个影像相片中的多个照相测量点、编码标志点及两标准尺，对所述多个影像相片进行图像处理，得到该无砟轨道板表面的多个照相测量点的三维坐标；
坐标匹配模块、连接于所述坐标获取模块，用于将所述多个照相测量点的三维坐标与该无砟轨道板的三维模型进行匹配，得到所述无砟轨道板的点云形状；
以及拟合计算模块，连接于所述坐标匹配模块，用于将所述无砟轨道板的点云形状上对应于该三维模型上相同面的测量点集进行拟合，并计算所述无砟轨道板尺寸检测量的值；
所述图像处理***还包括连接于所述拟合计算模块的测量报表生成模块，用于根据所述无砟轨道板尺寸检测量的几何关系进行计算生成测量报表。
6.根据权利要求5所述的无砟轨道板尺寸检测装置，其特征在于，所述多个照相测量点为圆形，且采用定向反光材料制作而成的回光反射标志或者激光发射器投射激光点。
7.根据权利要求6所述的无砟轨道板尺寸检测装置，其特征在于，所述多个编码标志点为圆形且均匀布设于该无砟轨道板的表面，每一所述多个影像相片中拍摄到至少四个编码标志点。
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