CN113776462A - 基于数字图像的高铁无咋轨道承轨台三维形貌检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字图像的高铁无咋轨道承轨台三维形貌检测方法，由双目视觉相机和全站仪棱镜测量单元构成检测***，双目视觉相机和全站仪棱镜测量单元中的棱镜组共同固定设置在测量机架上，建立相机坐标；利用由双目视觉相机拍摄获得的包含有承轨台表面自然纹理的数字图像重建承轨台的三维点云轮廓数据；由全站仪棱镜测量单元获得棱镜组中各棱镜在CPⅢ控制网中的位置，建立相机坐标系与CPⅢ控制网的关系，并依此将承轨台的三维点云轮廓数据统一到CPⅢ控制网下，实现承轨台三维形貌检测。本发明极大地提高了检测效率，测量精度满足实现工况的要求。
Description
技术领域
本发明涉及无咋轨道施工，更具体地说是针对无咋轨道承轨台进行三维形貌检测的方法。
背景技术
高速铁路运营速度高、密度大，对轨道的平顺性和稳定性都有很高的要求。为保证高速铁路轨道的平顺性和稳定性，在高铁轨道施工铺设轨道前，需要对轨道板上的承轨台进行三维空间形貌的测量。
目前实际应用中针对承轨台的检测是以人工测量为主，测量效率低、劳动强度大，不能满足现代化高速铁路的检测需求。
授权公告号为CN206208175 U，名称为“CRTSIII型轨道板承轨台钳口测量工装”的实用新型专利申请文件中，公开了一种承轨台钳口测量工装，在实地测量时，将该测量工装放置与承轨台槽口相接触，使用全站仪对测量工装上的棱镜进行测量，移动测量工装并逐一在各承轨台上进行检测，直至完成一片CPTSIII型轨道板上所有承轨台的检测。该方法操作简单，但是效率较低，难以满足施工现场高效高精度测量的要求。
公开号为CN 105906219 A，名称为“检测CRTSIII型轨道板外观尺寸偏差的方法”的发明专利申请文件中，公开了一种采用绝对激光跟踪仪与手持激光扫描仪相结合的检测方法，快速获取轨道板表面数据。然而该方法只针对轨道板加工车间出厂检测，不能适用于工地现场轨道板上承轨台的检测，同时，所使用的绝对激光跟踪仪和手持激光跟踪仪在土木和铁建行业中缺乏使用条件。
在公开号为CN 111486831 A，名称为“一种无砟轨道承轨台测量工装的检测装置及方法”的中国发明专利申请文件中，公开了一种使用包含精密棱镜杆的承轨台检测模具来测量承轨台的关键尺寸信息，将该测量模具弹性连接于升降支架用于实现自动化的模具放置。该方法在一定程度上减少了人工干预，但其每次测量都需要不断调整测量模具的位置，测量过程时间长，同时其测量信息只有轨道的高程数据，信息量少而难以满足实际施工对全方位、多维度三维形貌数据的要求。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于数字图像的高铁无咋轨道承轨台三维形貌检测方法，通过融合光学测量方法实现室外环境下高效率和高精度的多个承轨台空间形貌测量，包含单个承轨台形貌测量和多个承轨台相对位置测量；使其测量数据能够用来拟合预测铺设轨道后的轨道三维走向，指导后续的施工和物料采购，提升轨道铺设效率和质量。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于数字图像的高铁无咋轨道承轨台三维形貌检测方法的特点是：
设置检测***，包括双目视觉相机和全站仪棱镜测量单元；
所述双目视觉相机由两只相机组成，分别是第一相机和第二相机，两只相机固定安装在检测机架的同一高度位置上、且分处在检测机架的左右两侧；
所述全站仪棱镜测量单元是由全站仪和固定安装在检测机架上的棱镜组构成；所述棱镜组包含至少4个棱镜；
由所述双目视觉相机通过拍摄获得包含有承轨台的表面自然纹理的数字图像，通过对所述数字图像的图像处理重建承轨台的三维点云轮廓数据；
由所述全站仪棱镜测量单元通过测量获得棱镜组中各棱镜在CPⅢ控制网中的位置，由此获得双目视觉相机的相机坐标系与CPⅢ控制网的关系；
依据所述相机坐标系与CPⅢ控制网的关系，将所述承轨台的三维点云轮廓数据统一到CPⅢ控制网下，实现承轨台三维形貌检测。
本发明基于数字图像的高铁无咋轨道承轨台三维形貌检测方法的特点也在于：
设置可移动的检测机架，在所述检测机架上固定设置双目视觉相机，并固定设置全站仪棱镜测量单元中的棱镜组；针对所述双目视觉相机进行参数标定，确定双目视觉相机的相机坐标系，标定棱镜组中各棱镜在所述相机坐标系中的三维坐标；
所述检测方法按如下步骤进行：
步骤1.将所述检测机架置于待测区段轨道板上，使待测承轨台处于双目视觉相机视场的中心区域；在距所述检测机架的设定距离处架设全站仪，采用自由设站标边角交会的方法架设CPⅢ控制网；
步骤2.由所述双目视觉相机进行拍摄，获得包含有待测承轨台表面自然纹理的数字图像并编号保存；同时，使用全站仪采集获得所述检测机架上各棱镜在CPⅢ控制网中的三维坐标并编号保存；
步骤3.基于图像匹配的算法，对所述包含有待测承轨台承轨台表面自然纹理的数字图像进行数字图像处理，计算获得承轨台表面特征点在所述数字图像中的像素坐标；针对所述像素坐标，根据双目视觉相机标定出的相机参数进行三维重建，由此获得承轨台在相机坐标系下的三维点云轮廓数据；
步骤4.根据各棱镜在CPⅢ控制网中的三维坐标以及各棱镜在相机坐标系中的三维坐标建立相机坐标系与CPⅢ控制网的坐标变换关系，依据所述坐标变换关系将承轨台在相机坐标系下的三维点云轮廓数据转换到CPⅢ控制网中；
步骤5.沿着待测区段的轨道板移动检测机架和全站仪，并保持全站仪与测量机架中各棱镜在设定的距离中，重复步骤2-4，实现待测区段中所有承轨台三维形貌检测。
本发明基于数字图像的高铁无咋轨道承轨台三维形貌检测方法的特点也在于：
所述针对双目视觉相机进行参数标定，确定双目视觉相机的相机坐标系，以及所述标定棱镜组中各棱镜在所述相机坐标系中的三维坐标是按如下方式进行：
步骤3.1、调节双目视觉相机中第一相机和第二相机，使所述第一相机和第二相机对于待测承轨台能够同时清晰成像；利用所述第一相机和第二相机通过图像采集分别获得标定板的标定图象，利用所述第一相机和第二相机的标定图像和标定板信息对第一相机和第二相机进行标定，计算获得第一相机和第二相机的相机参数，在所述第一相机上建立相机坐标系；
所述步骤标定板信息包含标定板上不共线的3个特征点之间的距离；
所述相机参数包括：第一相机和第二相机各自的等效焦距、主点坐标、畸变参数；第一相机到第二相机的位置关系，包含第一相机的光轴和第二相机的光轴之间的角度关系，第一相机的光心和第二相机的光心之间的距离关系；
步骤3.2、在距测量机架的设定距离处架设全站仪并建立全站仪坐标系，由全站仪对测量机架上的各棱镜逐个进行三维坐标测量，重复测量多次后取平均值作为各棱镜在全站仪坐标系中的棱镜三维坐标；
步骤3.3、在待测区域内放置中心十字的圆形标记点，由所述第一相机和第二相机对所述圆形标记点进行拍摄，获得圆形标记点在相机坐标系下的标记点三维坐标；由全站仪和棱镜对中杆对圆形标记点的中心十字进行测量，获得圆形标记点在全站仪坐标系下的标记点三维坐标；
步骤3.4、在待测区域内随机移动圆形标记点，重复步骤3.3，得到不同位置时的圆形标记点在相机坐标系和全站仪坐标系中的三维坐标，由此计算获得相机坐标系和全站仪坐标系之间的坐标变换关系；所述待测区域是按承轨台表面轮廓界定的空间区域；
步骤3.5、根据步骤3.2得到的各棱镜在全站仪坐标系中的棱镜三维坐标和步骤2.4中相机坐标系和全站仪坐标系之间的变换关系，计算获得棱镜组在相机坐标系中的三维坐标，完成标定。
本发明基于数字图像的高铁无咋轨道承轨台三维形貌检测方法的特点也在于：所述CPⅢ控制网是指无砟轨道客运专线铁路工程测量平面控制网中的第三级基桩控制网；所述所述CPⅢ控制网或为GPS控制网和北斗控制网，是建立固定点上、不随检测机架移动的三维直角坐标系。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明方法基于双目立体视觉拍摄承轨台在双目相机中的图片，使用数字图像相关方法利用承轨台表面特有的混凝土纹理进行相关计算，无需使用投影仪和激光发射器，实现承轨台三维表面轮廓的测量。
2、与现有技术中采用激光扫描仪进行测量的方法相比，本发明方法测量时间短，一次采集图片即可完成测量，测量效率高。
3、本发明测量精度保持在0.1mm以下，满足实际工况要求。
4、本发明方法通过预先测量棱镜在相机坐标系中的位置实现相机坐标系和CPⅢ控制网之间关系的转换，所使用的全站仪和棱镜都是施工单位已经掌握的测量仪器，无需对测量人员进行单独培训，易于准确实施。
附图说明
图1为本发明检测方法示意图；
图2为本发明检测方法中测量机架示意图；
图3为本发明检测方法中测量机架与全站仪标定过程示意图；
图4a和图4b分别为承轨台主视图和俯视图；
图中标号：1检测机架，2第一棱镜，3第二棱镜，4第一相机，5第二相机，6全站仪，7轨道板，8承轨台，9棱镜对中杆，10圆形标记点。
具体实施方式
参见图1、图2和图3，为实现基于数字图像的高铁无咋轨道承轨台三维形貌检测设置检测***，包括双目视觉相机和全站仪棱镜测量单元；其中，双目视觉相机由两只相机组成，分别是第一相机4和第二相机5，两只相机固定安装在检测机架1的同一高度位置上、且分处在检测机架1的左右两侧；具体实施中，双目视觉相机由两只工业相机和配套镜头组成，相机型号为海康威视MV-CH089-10UM，分辨率4096×2160像素，长宽比为16：9，接近单个承轨台的形状；与工业相机搭配的镜头是海康威视MVL-KF2528M-12MP，25mm定焦镜头，选取25mm焦距的镜头可以实现在1.5米的距离时拍摄的承轨台占据图像主要部分；两只相机固定安装在检测机架的横梁上，距离地面的高度为1.5米，相互之间的距离为410毫米，安装夹角为16.3°。
全站仪棱镜测量单元是由全站仪和固定安装在检测机架1上的棱镜组构成；棱镜组包含至少4个棱镜，本实施例中共设置5个棱镜，其中两个棱镜朝向待测承轨台一侧，另外三个棱镜安装在背离待测承轨台的一侧；图2中以标号分别示意第一棱镜2和第二棱镜3，并有分处在不同位置上的其它各棱镜；图1中在检测机架1的两侧分别设有双目视觉相机，用于针对分处在轨道板两侧的两只承轨台同时进行检测，提高检测效率。
检测方法是：由双目视觉相机通过拍摄获得包含有承轨台8的表面自然纹理的数字图像，通过对数字图像的图像处理重建承轨台的三维点云轮廓数据；由全站仪棱镜测量单元通过测量获得棱镜组中各棱镜在CPⅢ控制网中的位置，由此获得双目视觉相机的相机坐标系与CPⅢ控制网的关系；依据相机坐标系与CPⅢ控制网的关系，将承轨台8的三维点云轮廓数据统一到CPⅢ控制网下，实现承轨台三维形貌检测。
如图1、图2和图3所示，本实施例中设置可移动的检测机架1，在检测机架1上固定设置双目视觉相机，并固定设置全站仪棱镜测量单元中的棱镜组；针对双目视觉相机进行参数标定，确定双目视觉相机的相机坐标系M，标定棱镜组中各棱镜在相机坐标系M中的三维坐标；检测方法是按如下步骤进行：
步骤1.将检测机架1置于待测区段轨道板上，使待测承轨台处于双目视觉相机视场的中心区域；在距检测机架1的设定距离10米处架设全站仪，采用自由设站标边角交会的方法架设CPⅢ控制网。
步骤2.由双目视觉相机进行拍摄，获得包含有待测承轨台表面自然纹理的数字图像并编号保存；同时，使用全站仪采集获得检测机架1上各棱镜在CPⅢ控制网中的三维坐标并编号保存为
其中：o从1到5。
步骤3.基于图像匹配的算法，对包含有待测承轨台承轨台表面自然纹理的数字图像进行数字图像处理，计算获得承轨台表面特征点在数字图像中的像素坐标；针对像素坐标，根据双目视觉相机标定出的相机参数进行三维重建，由此获得承轨台在相机坐标系M下的三维点云轮廓数据为
其中：t从1到4000。
步骤4.根据各棱镜在CPⅢ控制网中的三维坐标
以及各棱镜在相机坐标系M中的三维坐标
建立相机坐标系M与CPⅢ控制网的坐标变换关系，依据坐标变换关系将承轨台在相机坐标系M下的三维点云轮廓数据
转换到CPⅢ控制网中为
步骤5.沿着待测区段的轨道板7移动检测机架1和全站仪，并保持全站仪与测量机架中各棱镜在设定的距离中，重复步骤2-4，实现待测区段中所有承轨台8三维形貌检测。
本实施例中，针对双目视觉相机进行参数标定，确定双目视觉相机的相机坐标系M，以及标定棱镜组中各棱镜在相机坐标系M中的三维坐标是按如下方式进行：
在实验室内放置单个承轨台，将检测机架移动到承轨台所在位置上方，调节双目视觉相机中第一相机4和第二相机5，使第一相机4和第二相机5对于待测承轨台能够同时清晰成像。考虑到室外环境下光照充足，在实验室标定过程中需要布置额外的灯具补光。在调节双目视觉相机清晰成像后，移走承轨台，开始进行检测机架的标定工作。
步骤a1、在实验室内放置单个承轨台，将检测机架移动到承轨台所在位置上方，调节双目视觉相机中第一相机4和第二相机5，使第一相机4和第二相机5对于待测承轨台能够同时清晰成像；随后移走承轨台，并在承轨台所在位置放置标定板，利用第一相机4和第二相机5通过图像采集分别获得标定板的标定图象，随机移动标定板，同时保持标定板在待测区域范围内，再次进行图像采集，重复操作至少14次，利用第一相机4和第二相机5拍摄获得的标定图像和标定板信息对第一相机4和第二相机5进行标定计算，获得第一相机4和第二相机5的相机参数，在第一相机4上建立相机坐标系M，其坐标原点在第一相机4的光心处，xy平面与第一相机4靶面重合，z轴垂直于第一相机4靶面指向待测区域。
标定板信息包含标定板上不共线的3个特征点之间的距离；
相机参数包括：第一相机4和第二相机5各自的等效焦距、主点坐标和畸变参数；第一相机4到第二相机5的位置关系，包含第一相机4的光轴和第二相机5的光轴之间的角度关系，第一相机4的光心和第二相机5的光心之间的距离关系；
步骤a2、在距测量机架1的设定距离处架设全站仪6并采用自由设站法建立全站仪坐标系N，由全站仪6对测量机架1上的各棱镜逐个进行三维坐标测量，重复测量多次后取平均值作为各棱镜在全站仪坐标系N中的棱镜三维坐标
其中：o从1到5。
步骤s3、将承轨台8重新放回待测区域内，在待测区域内放置中心十字的圆形标记点10，圆形标记点10是由反光材料制成，粘贴在2毫米厚的铝板上，由第一相机4和第二相机5对圆形标记点10进行拍摄，使用opencv中的findcircle函数对第一相机4和第二相机5拍摄图像中的圆形标记点进行点位，使用步骤a1中获得的相机参数对圆形标定板的三维空间坐标值进行重建计算，获得圆形标记点10在相机坐标系M下的三维坐标；
由全站仪6和棱镜对中杆9对圆形标记点10的中心十字进行测量，是将棱镜对中杆9抵住圆形标记点的中心十字，调节棱镜对中杆9的位置，使得棱镜对中杆上的水平气泡居中，使用全站仪6对对中杆的棱镜进行三维坐标测量，获得圆形标记点10在全站仪坐标系N下的三维坐标。
步骤a4、在待测区域内随机移动圆形标记点10，重复步骤3.3，得到20组不同位置时的圆形标记点10在相机坐标系M下的三维坐标
其中：i从1到20，以及在全站仪坐标系N中的三维坐标
其中：i从1到20，由此计算获得相机坐标系M和全站仪坐标系N之间的坐标变换关系RN-M和TN-M；
待测区域是按承轨台表面轮廓界定的空间区域；
步骤a5、根据步骤a2得到的各棱镜在全站仪坐标系N中的棱镜三维坐标(
o从1到5)和步骤a4中相机坐标系M和全站仪坐标系N之间的变换关系RN-M和TN -M，计算获得棱镜组在相机坐标系M中的三维坐标(
o从1到5)：
完成标定。
CPⅢ控制网是指无砟轨道客运专线铁路工程测量平面控制网中的第三级基桩控制网；CPⅢ控制网或为GPS控制网和北斗控制网，是建立固定点上、不随检测机架移动的三维直角坐标系。
本发明精度能达到0.1mm以下，满足实际工况要求。
验证测量精度：
在室外环境下，针对单个轨道板上的承轨台A和承轨台B采用本发明方法进行检测，并同时采用三维激光扫描仪进行检测，获得相关的尺寸信息如表1，包括图4a和图4b所示的承轨台内侧倾角α1和α2，以及承轨台底边宽度L。
表1
通过和三维激光扫描仪比较，本方法测量时间短(仅需要采集一次图片)，测量效率高；在和激光扫描仪进行精度比较时，相比于激光扫描仪0.02mm的标称精度，本方法精度略有下降，但仍然在0.1mm以下，满足实际工况要求。
除此之外，本方法通过预先测量棱镜在相机坐标系中的位置实现相机坐标系和CPⅢ控制网之间关系的转换，全站仪和棱镜是施工单位已经掌握的测量仪器，无需对测量人员单独培训。
Claims (4)
1.一种基于数字图像的高铁无咋轨道承轨台三维形貌检测方法，其特征是：
设置检测***，包括双目视觉相机和全站仪棱镜测量单元；
所述双目视觉相机由两只相机组成，分别是第一相机(4)和第二相机(5)，两只相机固定安装在检测机架(1)的同一高度位置上、且分处在检测机架(1)的左右两侧；
所述全站仪棱镜测量单元是由全站仪和固定安装在检测机架(1)上的棱镜组构成；所述棱镜组包含至少4个棱镜；
由所述双目视觉相机通过拍摄获得包含有承轨台(8)的表面自然纹理的数字图像，通过对所述数字图像的图像处理重建承轨台的三维点云轮廓数据；
由所述全站仪棱镜测量单元通过测量获得棱镜组中各棱镜在CPⅢ控制网中的位置，由此获得双目视觉相机的相机坐标系与CPⅢ控制网的关系；
依据所述相机坐标系与CPⅢ控制网的关系，将所述承轨台(8)的三维点云轮廓数据统一到CPⅢ控制网下，实现承轨台三维形貌检测。
2.根据权利要求1所述的基于数字图像的高铁无咋轨道承轨台三维形貌检测方法，其特征是：
设置可移动的检测机架(1)，在所述检测机架(1)上固定设置双目视觉相机，并固定设置全站仪棱镜测量单元中的棱镜组；针对所述双目视觉相机进行参数标定，确定双目视觉相机的相机坐标系(M)，标定棱镜组中各棱镜在所述相机坐标系(M)中的三维坐标；
所述检测方法按如下步骤进行：
步骤1.将所述检测机架(1)置于待测区段轨道板上，使待测承轨台处于双目视觉相机视场的中心区域；在距所述检测机架(1)的设定距离处架设全站仪，采用自由设站标边角交会的方法架设CPⅢ控制网；
步骤2.由所述双目视觉相机进行拍摄，获得包含有待测承轨台表面自然纹理的数字图像并编号保存；同时，使用全站仪采集获得所述检测机架(1)上各棱镜在CPⅢ控制网中的三维坐标并编号保存；
步骤3.基于图像匹配的算法，对所述包含有待测承轨台承轨台表面自然纹理的数字图像进行数字图像处理，计算获得承轨台表面特征点在所述数字图像中的像素坐标；针对所述像素坐标，根据双目视觉相机标定出的相机参数进行三维重建，由此获得承轨台在相机坐标系(M)下的三维点云轮廓数据；
步骤4.根据各棱镜在CPⅢ控制网中的三维坐标以及各棱镜在相机坐标系(M)中的三维坐标建立相机坐标系(M)与CPⅢ控制网的坐标变换关系，依据所述坐标变换关系将承轨台在相机坐标系(M)下的三维点云轮廓数据转换到CPⅢ控制网中；
步骤5.沿着待测区段的轨道板移动检测机架(1)和全站仪，并保持全站仪与测量机架中各棱镜在设定的距离中，重复步骤2-4，实现待测区段中所有承轨台三维形貌检测。
3.根据权利要求2所述的基于数字图像的高铁无咋轨道承轨台三维形貌检测方法，其特征是：
所述针对双目视觉相机进行参数标定，确定双目视觉相机的相机坐标系(M)，以及所述标定棱镜组中各棱镜在所述相机坐标系(M)中的三维坐标是按如下方式进行：
步骤3.1、调节双目视觉相机中第一相机(4)和第二相机(5)，使所述第一相机(4)和第二相机(5)对于待测承轨台能够同时清晰成像；利用所述第一相机(4)和第二相机(5)通过图像采集分别获得标定板的标定图象，利用所述第一相机(4)和第二相机(5)的标定图像和标定板信息对第一相机(4)和第二相机(5)进行标定，计算获得第一相机(4)和第二相机(5)的相机参数，在所述第一相机(4)上建立相机坐标系(M)；
所述步骤标定板信息包含标定板上不共线的3个特征点之间的距离；
所述相机参数包括：第一相机(4)和第二相机(5)各自的等效焦距、主点坐标、畸变参数；第一相机(4)到第二相机(5)的位置关系，包含第一相机(4)的光轴和第二相机(5)的光轴之间的角度关系，第一相机(4)的光心和第二相机(5)的光心之间的距离关系；
步骤3.2、在距测量机架(1)的设定距离处架设全站仪(6)并建立全站仪坐标系(N)，由全站仪(6)对测量机架(1)上的各棱镜逐个进行三维坐标测量，重复测量多次后取平均值作为各棱镜在全站仪坐标系(N)中的棱镜三维坐标；
步骤3.3、在待测区域内放置中心十字的圆形标记点(10)，由所述第一相机(4)和第二相机(5)对所述圆形标记点(10)进行拍摄，获得圆形标记点(10)在相机坐标系(M)下的标记点三维坐标；由全站仪(6)和棱镜对中杆(9)对圆形标记点(10)的中心十字进行测量，获得圆形标记点(10)在全站仪坐标系(N)下的标记点三维坐标；
步骤3.4、在待测区域内随机移动圆形标记点(10)，重复步骤3.3，得到不同位置时的圆形标记点(10)在相机坐标系(M)和全站仪坐标系(N)中的三维坐标，由此计算获得相机坐标系(M)和全站仪坐标系(N)之间的坐标变换关系；所述待测区域是按承轨台表面轮廓界定的空间区域；
步骤3.5、根据步骤3.2得到的各棱镜在全站仪坐标系(N)中的棱镜三维坐标和步骤2.4中相机坐标系(M)和全站仪坐标系(N)之间的变换关系，计算获得棱镜组在相机坐标系(M)中的三维坐标，完成标定。
4.根据权利要求1所述的基于数字图像的高铁无咋轨道承轨台三维形貌检测方法，其特征是：所述CPⅢ控制网是指无砟轨道客运专线铁路工程测量平面控制网中的第三级基桩控制网；所述所述CPⅢ控制网或为GPS控制网和北斗控制网，是建立固定点上、不随检测机架移动的三维直角坐标系。
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