（电路与系统专业论文）图像处理在轨道检测中的应用研究.pdf

e立垄丝厶望 亟：鲎垃迨塞空塞塑玺 中文摘要 摘要：随着我国铁路交通的快速发展，火车速度的不断提高，对轨道的质量要求 也越来越高，轨道的状态是影响铁路行车安全的重要因素，科学准确的轨道检测是 轨道安全的重要研究课题。 本文首先介绍了国内的g j - 4 轨检车改造项目的意义。为了提高g j - 4 轨检车 的检测准确度和安全性，引进了美国i m a g e m a p 公司的激光摄像方式轨距轨向测量 系统。本文在第二章重点介绍 m a g e m a p 测量系统。首先说明系统的构成和测量原 理，同时对钢轨测量参数和整个测量系统中图像处理流程进行说明。无接触光学 测量系统的核心是图像处理系统，本文在第三章重点介绍测量系统中的图像处理 过程。根掘系统工作流程依次分析研究了图像平滑、图像滤波、狄度拉伸、图像 分割和图像锐化技术，这些部是轨道检测中图像曲线提取的预备工作。图像曲线 的提取关系到整个测量的精度，本文首先分析介绍光截曲线的中心线提取算法， 找出现有算法的缺点，提出了改进的o p t a 细化算法，提高了中心线提取的精度。 由于摄像机捕获图像的角度和自身的原因，提取的中心线并不能代表实际的轨道 参数，在第四章介绍图像的系统标定，通过肘获得图像进行畸变校正和坐标变换， 得到标定后的图像精确反映了轨道的参数，由此可获得轨道的实时状态。最后分 析整个实施方案并对本文提出的图像处理技术的应用价值进行了分析。 关键词：轨距；c c d ；图像处理：细化：坐标转换 分类号：【请输入分类号( 1 - 2 ) ，以分号分隔。】 塞奎遒厶望亟翌i 兰坌塞 旦墨ib 姐 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr a i l w a yi nc h i n a ，a n dt r a i nv e l o c i t y b e c o m em o r ea n dm o r eh i g h ，t h er e q u e s to ft h er a i l w a yq u a l i t yi sb e c o m i n gm o r ea n d l i l o r eh i g h ，t h er a i l w a yc o n d i t i o ni si m p o r t a n tf a c t o rt ot h es e c u r i t yo fo p e r a t i o n ，s o e f f e c t i v er a i l w a yd e t e c t i n gi st h ei m p o r t a n tr e s e a r c hp r o j e c tf o rt h er a i l w a ys e c u r i t y t h ep a p e rf i r s t l yp r e s e n t e dt h es i g n i f i c a t i o nt h a tg j 4g a u g em e a s u r e m e n tv e h i c l e w a si m p r o v e d l a s e rg a u g em e a s u r e m e n ts y s t e mo fi m a g e m a pi na m e r i c aw a s i n t r o d u c e dt oi m p r o v et h es e c u r i t ya n dn i c e t yo fg j 一4 1 m a g e m a pm e a s u r e m e n ts y s t e m w a se x p i a i n e dd e t a i l e d t h ef i r s t l ? ；t h es y s t e me l e m e n ta n dm e a s u r em e a n sw a s i n t r o d u c e d ，f o l l o w e dt oe x p l a i nt h ep a r a m e t e r so fr a i la n di m a g ep r o c e s s i n gf r a m e i m a g ep r o c e s s i n gi s t h ek e yo fn o n c o n t a c tl i g h ts e c t i o nm e t h o dm e a s u r e m e n t s y s t e m i m a g ep r o c e s s i n gw a sr e s e a r c h e di nt h et h i r dc h a p t e r i m a g es m o o t h i n g ，f i l t e r , g r a ye x a l t ，s e g m e n t a t i o na n ds h a r pt e c h n o l o g yw a sa n a l y z e d i nf o l l o w t h e ya r e p r e c o n d i t i o no fi m a g ec u r v ed i s t i l l i n g ，t h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o nd e p e n d so ni m a g e c u r v e ，s ot h ea l g o r i t l m ah o wc e n t e rr a i lo b j e c tc u r v ew a sp i c k e du pw a si n t r o d u c e d f i r s t l o nt h eb a s i so ft h es h o r t c o m i n go fh i l d i t c h a l g o r i t h m ，t h ep a p e rp r e s e n t i m p r o v e do p t at h i n n i n ga l g o r i t h m ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w e dt h a ti tc o u l dg e ta s m o o t h ，c e n t e rl o c a t i o no fr i d g e ss k e l e t o n t h es k e l e t o nt h i n n e dc o u l de x p r e s st h et r u e p a r a m e t e r sb e c a u s eo fv i d i c o n sa n g l ea n dp r e c i s i o n a b e r r a t i o ne m e n d a t i o n ，a n d c o o r d i n a t et r a n s f o r mw e r er e s e a r c h e dt of i n dp r e c i s i o ng a u g ep a r a m e t e r s i nl a s t ，w h o l e i m p l e m e n tp r o j c c ta n dt h ev a l u et h a ti m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw a sp r e s e n ti nt h e p a p e ra r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：g a u g e ；c c d ；i m a g ep r o c e s s i n g ；t h i n n i n g ；c o o r d i n a t et r a n s f o r m ； c l a s s n o ：【请输入分类号，以分号分隔。】 致谢 本论文的工作是在我的导师陈后会教授的悉心指导下完成的，陈后金教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 陈后金老师对我的关心和指导。 陈后金教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助。可以说没有陈后会老师多年来一贯的指导和支持，我 是难以面对如此繁重的学习任务和研究工作。在此再次向陈后金老师表示衷心的 谢意。 候建军教授对于我的科研工作和论文部提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期问，李杰、章洵等同学对我论文中的图像处理研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。 壅窆壅2 i 堂亟 ： 堂 芷迨 主i !蛊 1 1轨道检测的意义 1 引言 长期以来，铁路运输在国民经济建设中一直扮演着极为重要的角色，是国民 经济建设的命脉。为了确保铁路行车安全铁路部门需要定期对每段铁路进行安 全检查。随着火车的不断提速和各种新型机车的运行，因此为保证线路经常保持 稳定和良好状态，就必须加强对轨道的养护维修。所以目前钢轨轨道管理的主要 问题已经不仅仅是保障行车安全，更重要的科学指导线路的养护维修，降低维修 成本。以前由于铁路网规模小，列车运行速度比较低，行车密度比较小，轨道动 态检测的主要目的是监督行车安全。随着中国铁路第六次大面积提速调图的实施， 如今管理的重点已经转变，迅速掌握线路的准确几何参数和动态变化规律已经成 为重要的任务之一。因此，为保障铁路运输的安全与畅通、提高运营效率，通过 采用现代化轨道检查车提供的高精度数掘，对钢轨等关键设备的状态进行实时监 控科学指导维修养护作业，已成为历史的必然。轨道检查车提供了动念检测轨 道轨距、轨向、车体加速度等多个数据平台，此论文是在深入研究荚固 m a g e m a p 公司的激光摄像测量系统的基础上，针时枪测过程中图像曲线的提取算法进行了 改进，可以进一步提高检测的精确度。 1 2 轨道检测的发展状况 目前，轨道检查的范围大致可分为三个方面：i 、轨道几何的不平顺状态：2 、 轨道部件的损伤劣化；3 、轨道的参数性能“：。轨道几何的不平顺状态主要包括轨 距、轨向、水平、扭曲、高低等。 1 2 1 轨道磨损检测发展0 3 i 1 2 1 1 机械式接触测量 这是我国铁路现场主要使用的一种测量方法。它分为车载式和便携式两种。 车载式装在专门的车辆上。走行过程中用绘图方式测量钢轨断面形状：便携式包 括绘图式和测点式。代表产品为6 0 型、6 l 型9 针钢轨测磨仪、g | j 一0 1 型3 针钢 轨磨耗测量计。该法测量速度馒工作面的选取对测量结果影响很大。使用一段 立銮丝 厶室亟堂垃迨奎i !直 时间后固定和活动侧头磨损。会使测量结果存在一定的误差。检定人员处理误差 时要么更换标尺，要么加以校正。不过钢轨测磨仪具有稳定性高、成本低、携带 方便等优点，在定期的检修中仍然被广泛的使用。 l 2 1 2 传感器式的电子测量 这种方法借助传感器作为测量媒介、间接得到钢轨的外形尺寸从而绘制出 轮廓线并由实际曲线与标准曲线对比得到相应的磨耗值。根据使用的传感器的 不同，它又可具体分为：光电编码器法和位移传感器法。 1 2 1 3 无接触式的图像测量 目前发达国家已大量使用无接触的方法来自动检测钢轨磨损程度；而我国现 场大部分还使用“钢轨测磨器”来手工进行测量，为了改变我囡测量钢轨磨耗技 术的现状，一些高校与科研单位于二十世纪九十年代丌始磨耗自动测量的探索式 研究。 1 2 2 轨距检测的发展状况 轨距，轨向是整个轨道检测的个重要指标，它的检测是最简单也是最直接 有效的一种检测手段。以往对火车轨距的检测都是采用人工的方法，提着道尺进 行巡道检查，费时、费力、误差大、效率低，尤其在一些人烟稀少的地区更是难 以实现。因此，铁路部门非常需要一种自动、快速的测量设备，以减轻铁路工人 的劳动强度，及时发现超限处所，迅速加以整治，以确保铁路行车安全。随着技 术的发展，国际上于7 0 年代术丌始对钢轨轨距自动测量系统的研究。自动测量轨 道轨距的仪器装在大型的轨检车上，实现在火车高速运动状态下的轨距自动测量。 由于需要在高速运动状态下完成轨距测量任务，因此很多依靠压力传感的接触式 测量方法无法使用，测量系统只能采取一些非接触式的测量手段。就目前而言， 能够实现非接触式精密测量的方法有很多，如激光测量，微波测量等。而在众多 方法中，直接利用光学图像进行物体位置尺寸测量是更为直观有效的一种方法。 特别是随着计算机技术以及图像处理技术的进一步发展，这种图像检测技术已经 得到越来越广泛的应用。 当前轨距测量广泛使用无接触式光电测量方法。各国轨距测量的原理和结构 有所不同，荷兰加拿大两国采用h e n e 激光器照射轨头，这种方法发射和接收光 线的光程长易受外界干扰，冬季正常工作需加温设备。澳大利亚采用钢轨断面扫 描装置测量钢轨断面，同时完成轨距测量。发射光源发出的光经窄缝光阑后变成 t 童 窒适盍堂亟：望i 立迨塞! !亩 乎面光，它与钢轨相交得到钢轨的断面轮廓断面信息由电荷祸合c c d 摄像机获 取。这种方法采样间隔受扫描频率的影响。美国的光电传感器由砷化镓半导体脉 冲激光发射器及半导体四象限光电二极管接收器两部分组成，抗震性能好适应性 强。1 9 9 8 年中国铁道科学研究院研制成功g j - 4 型轨检车。其检测系统采用了先 进技术和测量原理，解决了测量结果受运行方向和速度影响的问题，具有非常好 的重复性和可靠性，将我国轨检车的技术水平提高到新的高度。其轨距测量装置 有原理和结构完全相同的左右两个予装置构成，它们各自测量左轨和右轨的轨距 变化分量。两个轨距分量之和可得到轨距值。左右轨距测量子装置均包括五个部 分：光电传感器、调制解调器、信号处理器、功放、伺服机械。g j 一4 型轨检车性 能优良、稳定性好、可靠性高、检测精度高、捡测项目齐全，代表我国的现代轨 检车的水平，同是也存在一些问题。 1 3 国内轨检车面临的问题 目前国内轨检车轨距、轨向测量系统大量采用光电伺服跟踪装置。基于其检 测原理，为满足检测系统定位精度的要求，安装有机械装置和传感器的检测梁安 装于与车体平行的两个均衡梁上，该均衡梁通过螺栓悬挂于列车的轴箱上。其工 作环境恶劣，振动和冲击很大。随着我因铁路运行速度不断提高，轨检车的检查 密度增加，现有轨检车的吊梁构架在使用过程中经常发生裂纹、折断现象，一旦 发生断梁事故，不仅中断检测工作，而且严重影响行车安全。同时检测速度提高 后，悬挂构架相对于安装基准的振动位移加大，造成轨距、轨向测量准确性显著 下降，甚至有时无法检测，严重影响了线路检查工作。 实际上，从1 9 9 7 年开始，随着检测速度的提高，陆续发生了北京局、成都局、 乌鲁木齐局轨检车断梁事故，使全路的轨检车存在严重的不安全隐患。为此，铁 道部运输局于1 9 9 9 年发文明确规定在2 3 年内采用新型轨距系统，取消轨距吊梁。 而且，为防止断梁事故，一般列车运行2 0 力公晕要更换检测梁，造成极大的浪费； 同时随着列车运行速度的提高，维护检测精度的难度增加，维修工作量大大增加， 在快速线路检查中，经常出现因来不及维修而出现的漏检现象。 鉴于g j 一4 型轨检车轨距轨向系统安全性的缺陷和其较高的故障率，此种检测 子系统的更新换代成为当务之急。 1 4解决思路 近些年来，随着计算机技术、传感器技术、及图像测量技术的飞速发展，国 立銮丝厶堂亟：差芷途塞i j 主 外先进的轨道检查车采用了图像测量技术检测钢轨断面及轨道几何参数。该装置 采用图像测量技术，由摄像机获取钢轨断面轮廓图像，对该图像进行实时处理， 从而得到钢轨上被测点的空问位置信号。由于摄像传感器可以获得被测对象在空 间的二维位置信息，检测梁结构可以安装在减震弹簧上的转向架上，即可满足轨 距、轨向测量点的定位精度要求，同时系统结构所承受的冲击、振动显著降低。 且系统结构简单、可靠，维修工作量较少。从我国引进美国 m a g e m a p 公司的五套 轨距、轨向测量系统看，一直未出现安全事故。该检测系统目前在关国、加拿大、 澳大利亚、欧洲一些国家广泛推广应用，处于国际先进水平。我们主要引进 i m a g e m a p 的图像测量系统，安装在o j 4 型轨检车上，升级改造g j 一4 型轨检车的 检测系统，提高整个测量系统的性能。本文通过整个改造系统论述研究，特别是 图像处理部分深入细致的探讨，提出自己的改进思想。因此，本文的研究有利于 我国轨道检测技术的发展。 4 e 立窒迫厶堂亟：堂垃迨塞 幽量丕丝攫鲞 2 测量系统概述 随着铁路交通的不断提速，铁路轨道的质量要求也越来越高，对轨道质量的 检测显得更加重要。那么传统检测方法精度较低，同时检测速度较慢，不能满足 现代铁路对轨道检测车的要求。近年来计算机技术、传感器技术、及图像测量技 术的飞速发展，同时带动了新的铁路轨道检测技术迈上一个新台阶。无接触式光 电枪测技术成为现代轨道检测车流行的手段，我固作为铁路交通的大国，无接触 式光电检测技术在9 0 年代开始研制，推出g j 4 型轨检车。g j 4 型轨检车轨距轨 向系统安全性的缺陷和其较高的故障率，此种检测子系统的更新换代成为当务之 急。鉴于上述原因，铁道部运输局经过多方比选，决定采用美固i m a g e m a p 公司的 激光摄像方式轨距轨向系统，由检测中心实施轨距轨向系统的改造工作。本章介 绍整个美国i m a g e m a p 公司的激光摄像方式轨距轨向系统，同时也有利于对此系统 进行改造，提高轨道检测系统的日产化率。 2 1系统构成 该检测系统功能是实时地提供精确的和可靠的钢轨轮廓和轨道轨距、轨向的 几何测量。从钢轨轮廓数据可判定出标准参考轮廓和测得的钢轨头部形状之i 日j 的 差别。轨道的轨距，轨向可通过对钢轨断面的图像处理得到。这种测量方法，采 用图像采集卡及软件处理方式实现轨距的测量。 l p g m s 是钢轨横断面和轨道几何的测量设备。它的功能是实时地提供精确的 和可靠的钢轨轮廓和轨道几何测量。从轮廓数据可判定出标准参考轮廓和测得的 钢轨头部形状之间的差别。轨道不平顺性可从几何数扼得以判定和鉴别。 l p g m s 包括两个主要部分( 1 ) v m e b u s 计算机系统和( 2 ) 非接触测量组合。 v m e b u s 计算机系统安装在车辆的内部，非接触测量组合则位于车辆底部。 2 i 1v m e b u s 计算机系统 计算机系统是基于v m e b u s 结构的。从功能上说，v m e 系统使用两处理器配 置。一个处理器( c p u ) ，也就是i oc p u ，提供了操作者界面、测量与标准的比 较、数据登陆和报告，文件管理、相对与其它系统的界面、系统功能监视和出错 检查及诊断功能。第二个c p u ，也就是几何( g e o m ) c p u ，从传感器生成轨道 几何数据并把这数据传输到i oc p u 。g e o mc p u 从位于组装梁中部的惯性测量 包( i m p ) 的串口得到数据。惯性测量包给出了滚动、摇头、垂向和横向运动的测 塞奎堑厶主亟堂位适塞型量丕丝拯姿 量结果。这些运动由可视测量设备获得。暖性测量由从i oc p u 获得的x 和y 钢 轨位置数据和介于用于产生测量的轨道参数的采样j 甘j 的时i 日】组成。几何数据然后 被传输到l j oc p u 以作进一步的处理和储存。 完全的系统包含在标准的、1 9 英寸、2 1 插槽主板上。系统电源由8 0 0 w 的电 源供应。卡披垂直安装。而且提供降温器。主板包括有：两个v m i c 7 7 4 0 c p u 卡 一i o 处理器和几何处理器；一个v m i v m e 7 4 5 2 磁盘驱动软一g - 驱动；一个l t c 3 激光温度控制器和十个图像处理卡。 图像处理器是由e h r a 公司生产和设计的。用于位于轨道上的钢轨测量系统。 它通过使用超低的锁象环( 。 e 密窒遂叁堂亟翌垃途塞垫道丝型生鲍幽堡堕垡握塑 3 3中值滤波 图3 4 高斯平滑效果 为了抑制噪声，通常我们选用低通滤波，但由于边缘轮廓含有大量高频信息， 所以，过滤噪声的同时，必然使边界模糊。反之，为了提升边缘轮廓，我们需要 高通滤波，但同时噪声也加强了。能否找到一种新的增强方法，在过滤噪声的同 时，还能很好的保护边缘轮廓信息。中值滤波就是这样一种合适的增强方法。 中值滤波的原理和简单。用一个窗口w 在图像上扫描，把窗口内包含的图像 像素按厌度级升序排列起来，取灰度值居中的像素灰度为窗口中心像素的灰度， 便完成了中值滤波。通常窗口内像素数为奇数，以便有个中间像索。若窗1 2 1 像素 数为偶数时，则中问取中间两个像索灰度的平均值。 常用的窗口有线形、方形、十字形、圆形和环形等，如图3 5 所示。 a 巾 b “ f c 圈3 5 中值滤波窗口 d j 一 g e 夏垄迪鑫至亟主位迨塞塑道缝型主曲笪篮鱼垡堡监 中值滤波对于消除孤立点和线段的干扰将足十分有用的，特别是对于二进噪 声尤为有效，肘于消除高斯噪声影响则效果不佳。其突出的优点足在消除噪声的 同时，还能保护边界信息。当窗1 3 噪声像素数超过有用像素之半时，中值滤波将 失效。对于一些细节较多的复杂图像，还可以多次使用不同的中值滤波，然后再 综合所得结果作为输出，这样可以获得更好的平滑和保护边缘的效果。本文利用3 x 3 窗口进行中值滤波，获得图像效果如图3 6 所示。 3 4灰度拉伸 图3 63 3 中值滤波 图像灰度拉伸时敛字图像处理中的一种图像增强技术，用于提升目标图像与 背景图象的对比度。灰度变换属于点到点的逐点变换，实质上是旧图到新图的驮 度级逐点映射。灰度变换的过程是通过一定映射关系将原始灰度图厂变换成目标 坎度图g 的过程。这种映射关系可表示为：g = g ( 厂) ，式中，g 和，均在【o ，l 】 问变化。 e 立奎适厶至亟茔位迨塞塾堕捡型生鲍幽堡酋线埕塑 i 。 g b a b l 幽3 7 灰度变换天系 典型的变换关系如图3 7 所示，其对应交换关系式如下： fa f ( x ，y ) g c x ，y ) = l ，( f - a ) + g 。 【，( 一6 ) + g 。 0 ， 口 a ， = 2 条件2 ：a ( p ) = l ； 条件3 ：b ，只，只= 0 或爿( b ) ! = l 条件4 ：b ，只，只= 0 或4 ( 只) ! = l 当没有像素满足这些条件时就停止扫描。 现在，我们单独分析每一个条件。条件l ：6 = b ( 尸) = 2 这个条件包括两个子条件，即像素p 的： 零邻域数目大于等于2 个和像素p 的 非零邻域数目小于等于6 个。第一个条件确保结束点像素不被删除。第二个条件 确保是边缘像素。如图3 1 4 所示， p _ r r r ep 6p i b ( p ) = 1 p ，rp j r_ r p ，p br 8 ( p ) = 0b ( p ) = 7 圈3 1 4 不满足条什1 的情形 条件2 ：4 ( p ) = l ；这是一个连通性检测，例如图3 1 5 所示，a ( p ) 1 ，如果删 除p 将造成像素的不连续。 e 立銮堑厶堂亟堂位途塞丛遵丝型虫塑幽堡鱼缝逞塑 爿( 只) ! = 1 只= 0 这个条件可以确保2 条件4 ：p 2 p 4 只= p lp 2p 1_ r_ p 4 n p 6 p 5_ 4 ( 只) l - 1 条件4 可以确保2 像素宽的垂直线段并不能够完全被腐蚀掉，如图3 1 9 所示。 e 峦窒适厶堂亟堂位迨塞垫遵捡趔虫丝幽趁凿缝逞题 图3 1 92 像素宽的币直线段