一種車載高速動(dòng)態(tài)軌道表面缺陷視頻檢測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種車載高速動(dòng)態(tài)軌道表面缺陷視頻檢測(cè)裝置，固定安裝在列車底部，該檢測(cè)裝置包括TDI線掃描相機(jī)、工控機(jī)、顯示器、列車運(yùn)行狀態(tài)記錄設(shè)備組和光源組件，所述的TDI線掃描相機(jī)、工控機(jī)、顯示器依次連接，所述的列車運(yùn)行狀態(tài)記錄設(shè)備組分別連接TDI線掃描相機(jī)和工控機(jī)，所述的TDI線掃描相機(jī)和光源組件設(shè)置在列車底部。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有檢測(cè)速度快、檢測(cè)精度高、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種車載高速動(dòng)態(tài)軌道表面缺陷視頻檢測(cè)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種軌道表面缺陷檢測(cè)裝置，尤其是涉及一種車載高速動(dòng)態(tài)軌道表面缺陷視頻檢測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在軌道交通中軌道表面缺陷，如扣件斷裂缺損、軌道表面擦傷、掉塊、裂紋等會(huì)對(duì)輪對(duì)、軸承等造成很大損害，車輪在表面有缺陷的軌道上運(yùn)動(dòng)，不僅會(huì)縮短列車各部件的使用壽命，而且是造成車輛顛覆、燃軸、切軸的重要原因，因此定期對(duì)軌道狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)顯得尤為重要。在我國，目前普通鐵路檢測(cè)還是以人工巡查為主，但是隨著電氣化鐵路的快速發(fā)展，列車提速和重載，很多地方鐵路周邊環(huán)境惡劣、仍舊采用人工方式就顯得力不從心，迫切需要開發(fā)高效、可靠的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)來滿足鐵路運(yùn)行安全檢測(cè)的需求。鐵路技術(shù)先進(jìn)的國家(日、美、德、法、奧等)都開發(fā)有自己的綜合軌道檢測(cè)車，這些檢測(cè)車上安裝有各種檢測(cè)傳感器，以計(jì)算機(jī)為數(shù)據(jù)處理主體，采用各種模擬、數(shù)字處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道幾何參數(shù)、表面缺陷的檢測(cè)；而我國目前還沒有自己的軌檢車，現(xiàn)有的準(zhǔn)高速軌檢車也主要靠引進(jìn)國外技術(shù)，進(jìn)行集成制造，因此開展對(duì)軌檢技術(shù)基礎(chǔ)理論的深入研究，提升我國自主研發(fā)能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]在軌檢技術(shù)方面，現(xiàn)有的軌檢車集成有各種高精度檢測(cè)傳感器，如:各種慣性傳感器(陀螺儀，加速度計(jì)、傾角計(jì)等)、激光圖像傳感器、超聲波探傷設(shè)備等。其中，實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)任務(wù)的還是以各種機(jī)械傳感器為主，探傷主要為超聲波檢測(cè)技術(shù)，而基于圖像傳感器的檢測(cè)僅起到一個(gè)輔助作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，計(jì)算機(jī)圖形、圖像處理技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展，以視頻檢測(cè)為主進(jìn)行軌道檢測(cè)成為可能，國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行相關(guān)方面的研究。
[0004]基于視頻的軌道檢測(cè)面臨的主要問題是:如何在高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)對(duì)軌道進(jìn)行高分辨率的圖像獲取，只有高分辨率的圖像采集才能保證檢測(cè)精度。例如，如果進(jìn)行軌道裂紋檢測(cè)，其檢測(cè)精度至少要保證小于0.1mm，而目前最快的線掃描相機(jī)(行掃描頻率IlOkHz)在80千米/小時(shí)的速度下，其空間分辨率為0.2mm,根據(jù)采樣定理，能夠分辨的景物為
0.4mm，而這還是在保證其他成像因素完全理想的情況下的成像。因此如何在現(xiàn)有圖像傳感器技術(shù)限制的條件下進(jìn)一步通過圖像處理技術(shù)提高分辨率是需要解決的關(guān)鍵所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種檢測(cè)速度快、檢測(cè)精度高、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)的車載高速動(dòng)態(tài)軌道表面缺陷視頻檢測(cè)裝置。
[0006]本實(shí)用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0007]—種車載高速動(dòng)態(tài)軌道表面缺陷視頻檢測(cè)裝置，固定安裝在列車底部，該檢測(cè)裝置包括TDI線掃描相機(jī)、工控機(jī)、顯示器、列車運(yùn)行狀態(tài)記錄設(shè)備組和光源組件，所述的TDI線掃描相機(jī)、工控機(jī)、顯示器依次連接，所述的列車運(yùn)行狀態(tài)記錄設(shè)備組分別連接TDI線掃描相機(jī)和工控機(jī)，所述的TDI線掃描相機(jī)和光源組件設(shè)置在列車底部。
[0008]所述的工控機(jī)為帶有高速圖像采集卡的大存儲(chǔ)容量工控機(jī)。
[0009]所述的TDI線掃描相機(jī)設(shè)有至少兩套，相鄰TDI線掃描相機(jī)在空間上錯(cuò)開固定位移。
[0010]所述的列車運(yùn)行狀態(tài)記錄設(shè)備組包括列車速度檢測(cè)設(shè)備、列車行駛里程計(jì)算器和GPS定位儀，所述的列車速度檢測(cè)設(shè)備分別連接TDI線掃描相機(jī)和工控機(jī)，所述的列車行駛里程計(jì)算器和GPS定位儀均與工控機(jī)連接。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型提出利用TDI C⑶亞像元?jiǎng)討B(tài)成像及超分辨率圖像處理技術(shù)，保證即使在較高運(yùn)動(dòng)速度下，仍能夠高分辨率成像，本實(shí)用新型主要對(duì)超分辨亞像元高速動(dòng)態(tài)視頻檢測(cè)機(jī)理進(jìn)行研究，重點(diǎn)解決高速運(yùn)動(dòng)物體的高分辨率成像問題，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0012]1、將超分辨亞像元成像技術(shù)應(yīng)用于軌道檢測(cè)中，保證在不犧牲檢測(cè)速度的前提下，突破現(xiàn)有圖像傳感器技術(shù)的限制，提高圖像空間分辨率，進(jìn)而提高檢測(cè)的速度和精度；
[0013]2、成像設(shè)備采用高速TDI線掃描相機(jī)，可在低照度的條件下獲得高靈敏度、高空間分辨率的圖像，由于TDI線掃描相機(jī)本質(zhì)上屬于線掃描相機(jī)，其工作原理如圖3所示，與面陣相機(jī)相比，它的傳感器只有一行有效像素，可以實(shí)現(xiàn)高速、高分辨率掃描成像，檢測(cè)速度快、檢測(cè)精度高；
[0014]3、將超分辨亞像元成像技術(shù)應(yīng)用于TDI線掃描相機(jī)中，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，由于每掃描一行就輸出一行圖像信息，因此易于實(shí)現(xiàn)像素級(jí)的實(shí)時(shí)圖像處理，圖像處理可以采用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以采用軟件實(shí)現(xiàn)，計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)要求；
[0015]4、亞像元成像通常需要特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)拼接，使同一景物分別成像于在X軸和y軸方向均相差半個(gè)像元的兩片TDI CXD上，之后通過圖像處理方法提高分辨率；本實(shí)用新型中沒有設(shè)計(jì)特殊的光學(xué)拼接，而是通過對(duì)兩臺(tái)TDI線掃描相機(jī)所成圖像進(jìn)行標(biāo)定和配準(zhǔn)，確定兩行圖像的亞像元位移，從而實(shí)現(xiàn)亞像元成像和超分辨率圖像處理，極大的簡(jiǎn)化對(duì)硬件設(shè)計(jì)的依賴。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為本實(shí)用新型的工作原理示意圖；
[0018]圖3為TDI線掃描相機(jī)的工作原理圖；
[0019]圖4為TDI線掃描相機(jī)像點(diǎn)與物點(diǎn)投影關(guān)系示意圖；
[0020]圖5為本實(shí)用新型圖像配準(zhǔn)示意圖；
[0021]圖6為圖像插值計(jì)算示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0023]如圖1所示，一種車載高速動(dòng)態(tài)軌道表面缺陷視頻檢測(cè)裝置，該裝置固定安裝在列車底部，包括TDI線掃描相機(jī)1、工控機(jī)2、顯示器3、列車運(yùn)行狀態(tài)記錄設(shè)備組和光源組件，所述的TDI線掃描相機(jī)1、工控機(jī)2、顯示器3依次連接，所述的列車運(yùn)行狀態(tài)記錄設(shè)備組分別連接TDI線掃描相機(jī)I和工控機(jī)2，所述的TDI線掃描相機(jī)和光源組件設(shè)置在列車底部。
[0024]所述的工控機(jī)2為帶有高速圖像采集卡的大存儲(chǔ)容量工控機(jī)，圖像的預(yù)處理、配準(zhǔn)、插值、缺陷識(shí)別、記錄等過程全部由高速、大容量的工控機(jī)進(jìn)行。
[0025]所述的TDI線掃描相機(jī)I設(shè)有兩套，相鄰TDI線掃描相機(jī)在空間上錯(cuò)開固定位移，且參數(shù)設(shè)置完全一致。檢測(cè)過程中列車高速行駛，兩個(gè)相機(jī)對(duì)軌道表面進(jìn)行高速掃描成像。相機(jī)為線掃描相機(jī)，有效像素只有一行，對(duì)應(yīng)同一行景物，兩個(gè)相機(jī)所成圖像在時(shí)間上一前一后，空間上錯(cuò)開有亞像元的位移。恰是利用這個(gè)位移可以對(duì)兩行像素進(jìn)行圖像融合處理，從而提聞圖像空間分辨率。
[0026]相機(jī)參數(shù)根據(jù)列車運(yùn)行速度，圖像空間分辨率的要求進(jìn)行選擇。假設(shè)列車的運(yùn)行速度為V，TDI線掃描相機(jī)的行掃描頻率為f，TDI級(jí)數(shù)為N，對(duì)應(yīng)空間分辨率為Rs，則根據(jù)TDI線掃描相機(jī)的成像原理(如圖3所示)，計(jì)算參數(shù)為:
[0027]Tff=l/f
[0028]Rs=vX (1/f)
[0029]系統(tǒng)中的列車運(yùn)行速度和加速度要進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定TDI線掃描相機(jī)的行掃描頻率為f，保證列車運(yùn)行速度與行掃描速度同步，同時(shí)列車運(yùn)行速度和加速度的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果還會(huì)被送到工控機(jī)中，如果存在不同步，可通過圖像處理方法進(jìn)行圖像復(fù)原處理，盡量減少由于不匹配導(dǎo)致的圖像降質(zhì)問題。
[0030]所述的列車運(yùn)行狀態(tài)記錄設(shè)備組包括列車速度檢測(cè)設(shè)備4、列車行駛里程計(jì)算器5和GPS定位儀6，所述的列車速度檢測(cè)設(shè)備4分別連接TDI線掃描相機(jī)I和工控機(jī)2，所述的列車行駛里程計(jì)算器5和GPS定位儀6均與工控機(jī)2連接，列車速度檢測(cè)設(shè)備4用于實(shí)時(shí)檢測(cè)列車的速度和加速度。
[0031]所述的光源組件包括成像專用光源7和光線檢測(cè)設(shè)備8，光線檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)檢測(cè)自然光源是否充足，如果自然光充足，則可取消成像專用光源，如果夜間或陰雨天進(jìn)行檢測(cè)，則需要啟動(dòng)專用光源，同時(shí)根據(jù)成像時(shí)的光線情況，調(diào)整相機(jī)的TDI級(jí)數(shù)N，保證合理的曝光。
[0032]為了覆蓋全部鋼軌，TDI線掃描相機(jī)可以設(shè)置兩套或四套，這取決于所采用的相機(jī)傳感器的參數(shù)，例如，如果要求相機(jī)的空間分辨率為0.2mm左右，而相機(jī)一行的像素為2048個(gè)，則一行像素對(duì)應(yīng)的空間長度L=2048*0.2mm=40.96cm，勉強(qiáng)可以覆蓋一條軌道；如果相機(jī)一行的像素為1024個(gè)，則一行像素對(duì)應(yīng)的空間長度L=1024*0.2mm=20.48cm，則不能覆蓋一條軌道，同時(shí)完成全部的檢測(cè)任務(wù)需要四套相同的成像設(shè)備組成。
[0033]如果為兩套，則每一套對(duì)應(yīng)一根鋼軌；如果為四套則分別為左軌左成像設(shè)備、左軌右成像設(shè)備、右軌左成像設(shè)備、右軌右成像設(shè)備，成像設(shè)備鏡頭朝下，垂直于地面安裝，四套成像設(shè)備需要各配置一套光源設(shè)備。
[0034]如圖2所示，上述車載高速動(dòng)態(tài)軌道表面缺陷視頻檢測(cè)裝置的工作原理包括如下步驟:
[0035]I)根據(jù)檢測(cè)要求確定TDI線掃描相機(jī)運(yùn)行參數(shù)，包括相機(jī)掃描行頻、相機(jī)的安裝固定方法及相機(jī)間空間參數(shù)關(guān)系。
[0036]2)列車速度檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)檢測(cè)列車運(yùn)行的速度和加速度并傳輸給TDI線掃描相機(jī)，保證TDI線掃描相機(jī)成像的同步。
[0037]3) TDI線掃描相機(jī)進(jìn)行圖像標(biāo)定，根據(jù)投影理論確定世界坐標(biāo)系中像點(diǎn)與物點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0038]由于采用兩臺(tái)完全一致的TDI線掃相機(jī)對(duì)同一景物成像，因此需要對(duì)兩臺(tái)相機(jī)所成圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，這就需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行使用前的標(biāo)定。建立TDI CCD相機(jī)投影關(guān)系如圖4所示。圖中各部分的關(guān)系為:1.世界參考坐標(biāo)系Ο-xyz相對(duì)于物面不變，像面坐標(biāo)0_XpypZp相對(duì)于相機(jī)不變；2.相機(jī)的萬向節(jié)點(diǎn)假設(shè)位于相機(jī)傳感器的最后一行的中點(diǎn)上，并且在鏡頭的光學(xué)軸上，相機(jī)萬向節(jié)點(diǎn)在x-z平面上的投影總是位于z軸上，并且在t=0時(shí)恰好位于世界參考坐標(biāo)系Ο-xyz的原點(diǎn)上；3.相機(jī)以勻速V(單位為lines/s)沿z軸掃描物面；
4.相機(jī)萬向節(jié)點(diǎn)G到x-z平面的距離不變恒為H。
[0039]為了方便進(jìn)行齊次線性變換，將像點(diǎn)和物點(diǎn)的坐標(biāo)寫成齊次坐標(biāo)向量的形式，則物點(diǎn)U坐標(biāo)可以寫成(X，O, z, I)，圖像標(biāo)定后像點(diǎn)與物點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:
[0040]Uph=TU(I)
[0041]式中，Uph=(kxp，kyp, kzp, k)T為像面坐標(biāo)系0-xpypzp中像點(diǎn)的齊次坐標(biāo)向量，T為變換陣:
[0042]T=PXRXT1(2)
[0043]式中=T1為將相機(jī)的萬向節(jié)點(diǎn)G移到世界參考坐標(biāo)系Ο-xyz中的線性變換陣，P為像點(diǎn)到物點(diǎn)的投影變換矩陣，R使相面對(duì)準(zhǔn)世界參考幀的線性變換陣:
[0044]R=RpRtRs(3)
[0045]式中，Rp將像面沿水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度Θ，Rt將像面沿上下方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度Φ，Rs將像面沿軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度Ψ。
[0046]對(duì)于具體情況，TDI線掃描相機(jī)從物點(diǎn)到像點(diǎn)的對(duì)應(yīng)投影關(guān)系可以用式子(I)~
(3)描述，如果給定TDI行掃描速率V，給定相機(jī)的姿態(tài)和位置θ，φ，ψ和H，則從景物到TDI CCD傳感器的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)投影關(guān)系就可以確定了。
[0047]4) TDI線掃描相機(jī)實(shí)時(shí)采集圖像并傳輸給工控機(jī)，工控機(jī)對(duì)兩個(gè)TDI線掃描相機(jī)所獲得的圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，獲得圖像配準(zhǔn)后的圖像，并確定圖像間的亞像元位移。所述的圖像配準(zhǔn)具體為:
[0048]假設(shè)兩臺(tái)TDI線掃描相機(jī)的傳感器分別為TDI CXDl與TDI (XD2，TDI CXDl有效行像素的中間像素位于坐標(biāo)原點(diǎn)，TDI (XD2有效行像素的中間像素相對(duì)于TDI CXDl有效行像素的中間像素的坐標(biāo)為(X1, Y1),如圖5所示，則TDI (XD2相對(duì)于TDI CXDl對(duì)相同景物的成像滯后像素列數(shù)Nx計(jì)算法則為:
[0049]nx=INT(Xl/Rs)，INT 表示取整計(jì)算，若 xl/Rs > nx+0.5，則 TDI CCD2 相對(duì)于 TDICXDl對(duì)相同景物的成像滯后像素列數(shù)為Nx=nx+1，否則，Nx=nx，其中，Rs為TDI線掃描相機(jī)的分辨率；
[0050]對(duì)于行方向上，ny=INT(yl/Rs)，若yl/Rs > ny+0.5，則 TDI CCD2 相對(duì)于 TDICCD1對(duì)相同景物的成像滯后像素行數(shù)為Ny=ny+1，否則，Ny=ny ；
[0051]采用計(jì)算得到的Nx、Ny對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。[0052]5)對(duì)配準(zhǔn)后的、空間錯(cuò)開一定亞像元位移的圖像進(jìn)行圖像插值計(jì)算，從而獲得插值點(diǎn)的像素值，并最終獲得空間分辨率得到提高的軌道表面圖像。所述的圖像插值計(jì)算可以采用簡(jiǎn)單易于硬件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的三點(diǎn)均值插值、四點(diǎn)均值插值、中點(diǎn)插值方法，也可以采用插值效果較好的計(jì)算速度也較快的雙線性插值方法。插值計(jì)算后的像素點(diǎn)數(shù)據(jù)分布如圖6所示。
[0053]6)對(duì)圖像進(jìn)行分割裁減，并對(duì)圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、邊緣提取，獲得軌道表面缺陷的圖像信息。
[0054]7)對(duì)軌道表面缺陷進(jìn)行分類識(shí)別。
[0055]8)工控機(jī)給出軌道表面缺陷的警示，并結(jié)合列車行駛里程和GPS定位信息給出故障點(diǎn)的位置信息。
[0056]9)記錄檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表并輸出給顯示器，對(duì)于不確定的難以判斷的表面缺陷可以對(duì)相應(yīng)圖像進(jìn)行回放作為人工參與判斷的參考。
【權(quán)利要求】
1.一種車載高速動(dòng)態(tài)軌道表面缺陷視頻檢測(cè)裝置，固定安裝在列車底部，其特征在于，該檢測(cè)裝置包括TDI線掃描相機(jī)、工控機(jī)、顯示器、列車運(yùn)行狀態(tài)記錄設(shè)備組和光源組件，所述的TDI線掃描相機(jī)、工控機(jī)、顯示器依次連接，所述的列車運(yùn)行狀態(tài)記錄設(shè)備組分別連接TDI線掃描相機(jī)和工控機(jī)，所述的TDI線掃描相機(jī)和光源組件設(shè)置在列車底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載高速動(dòng)態(tài)軌道表面缺陷視頻檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的工控機(jī)為帶有高速圖像采集卡的大存儲(chǔ)容量工控機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載高速動(dòng)態(tài)軌道表面缺陷視頻檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的TDI線掃描相機(jī)設(shè)有至少兩套，相鄰TDI線掃描相機(jī)在空間上錯(cuò)開固定位移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載高速動(dòng)態(tài)軌道表面缺陷視頻檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的列車運(yùn)行狀態(tài)記錄設(shè)備組包括列車速度檢測(cè)設(shè)備、列車行駛里程計(jì)算器和GPS定位儀，所述的列車速度檢測(cè)設(shè)備分別連接TDI線掃描相機(jī)和工控機(jī)，所述的列車行駛里程計(jì)算器和GPS定位儀均與工控機(jī)連接。
【文檔編號(hào)】G01N21/88GK203396714SQ201320233764
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年5月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月2日
【發(fā)明者】陳曉麗 申請(qǐng)人:上海工程技術(shù)大學(xué)