本發(fā)明涉及鐵路限界檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于cmos面陣相機(jī)和可控頻閃光源的限界檢測(cè)測(cè)距方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

鐵路限界檢測(cè)一直備受鐵路相關(guān)部門高度重視，對(duì)鐵路運(yùn)輸安全與運(yùn)輸效率的提高起著至關(guān)重要的作用。目前限界檢測(cè)的測(cè)試手段主要包括接觸式限界檢測(cè)與非接觸式限界檢測(cè)。

限界檢測(cè)的早期，國(guó)內(nèi)外限界檢測(cè)測(cè)距系統(tǒng)普遍采用接觸式，主要有機(jī)械觸手式的和檢測(cè)架樣式的。這兩種方法都是通過(guò)在檢測(cè)車上面安裝一個(gè)框架，運(yùn)行中，通過(guò)記錄框架與周圍物體接觸實(shí)現(xiàn)限界檢測(cè)，檢測(cè)速度很低，嚴(yán)重影響鐵路正常運(yùn)營(yíng)。

非接觸式限界檢測(cè)最簡(jiǎn)單的測(cè)試方法是利用電磁測(cè)距來(lái)測(cè)量距離，用經(jīng)緯儀來(lái)測(cè)量角度。而這種檢測(cè)方法需要現(xiàn)場(chǎng)采集較高密度測(cè)點(diǎn)，耗費(fèi)人力時(shí)間。

激光測(cè)距是基于光學(xué)的非接觸式檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的測(cè)量方法之一，可分為脈沖測(cè)距、連續(xù)波相位差測(cè)距和干涉法激光測(cè)距。雷達(dá)和超聲測(cè)距技術(shù)與激光脈沖式測(cè)距在原理上比較相似，是利用超聲波或電磁波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量該波在發(fā)射后遇到目標(biāo)物反射回來(lái)的時(shí)間，計(jì)算得到相對(duì)距離。這些方法的核心是對(duì)返回光強(qiáng)度的識(shí)別，限界檢測(cè)過(guò)程中，相機(jī)數(shù)據(jù)相對(duì)跳變大、靈敏度太低，不能達(dá)到測(cè)距的準(zhǔn)確性和精度的要求。

常用的機(jī)器視覺(jué)測(cè)距主要是由多幅圖像(一般兩幅)獲取物體三維幾何信息的方法，在計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)中，用雙攝像機(jī)，從不同角度同時(shí)獲取周圍景物的兩幅數(shù)字圖像，由計(jì)算機(jī)重建周圍景物的三維形狀與位置?；谕c(diǎn)匹配的通用立體視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)算法復(fù)雜、匹配困難、幀率有限和數(shù)據(jù)計(jì)算量巨大，在低速、檢測(cè)對(duì)象固定的情況下可以得到較好結(jié)果，但難以滿足高速和環(huán)境多變的要求。三角測(cè)距限界檢測(cè)方法具有較高檢測(cè)精度和較密的周向采樣點(diǎn)及較高的縱向采樣頻率的優(yōu)點(diǎn)，但是限界檢測(cè)速度較快，縱向和橫向測(cè)點(diǎn)較多，數(shù)據(jù)量較大，液晶板各單元的開(kāi)關(guān)速度無(wú)法滿足要求，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)高速在線檢測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服以上背景技術(shù)中提到的不足和缺陷，提供一種適合于鐵路高速在線檢測(cè)、測(cè)量精度高和準(zhǔn)確性好的基于相機(jī)和可控頻閃光源的限界檢測(cè)測(cè)距方法及系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種基于相機(jī)和可控頻閃光源的限界檢測(cè)測(cè)距方法，包括以下步驟：

s1：在列車行駛狀態(tài)下，調(diào)節(jié)cmos面陣相機(jī)幀頻和可控頻閃光源的閃光頻率，使可控頻閃光源在cmos面陣相機(jī)曝光周期同一幀內(nèi)進(jìn)行多次頻閃，并將該幀時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的列車運(yùn)動(dòng)視為勻速，進(jìn)而使小于cmos面陣相機(jī)視場(chǎng)三分之一的被測(cè)物在cmos面陣相機(jī)同一幀圖像中周期成像；

s2：基于被測(cè)物在光源照射下亮度較大且周期成像，對(duì)周期成像圖像進(jìn)行傅里葉變換，在幅度譜曲線中的特定頻率處幅值達(dá)到最大，該最大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率即為頻閃周期內(nèi)被測(cè)物重復(fù)成像之間的像素?cái)?shù)量，將頻閃周期內(nèi)被測(cè)物重復(fù)成像之間的像素?cái)?shù)量與cmos面陣相機(jī)像素長(zhǎng)度相乘，即得一幀圖像中同一物體重復(fù)圖像之間的間距d；

s3：根據(jù)相機(jī)成像原理計(jì)算得到被測(cè)物距離，計(jì)算公式如下：

式中，h為物距，單位為mm；f為cmos面陣相機(jī)的焦距，單位為mm；v為列車運(yùn)行速度，單位為m/s；f為可控光源頻閃頻率，單位為fps；d為一幀圖像中同一物體重復(fù)圖像之間的間距，單位為mm。

傳統(tǒng)的測(cè)距方法(如基于三角測(cè)距原理的立體掃描測(cè)距方法和基于tof(飛行時(shí)間)原理的機(jī)器視覺(jué)測(cè)距方法)無(wú)法滿足鐵路高速在線限界檢測(cè)的要求。由于限界檢測(cè)速度較快，采用基于三角測(cè)距原理的立體掃描測(cè)距方法縱向和橫向測(cè)點(diǎn)較多，數(shù)據(jù)量較大，液晶板各單元的開(kāi)關(guān)速度無(wú)法滿足要求，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)高速在線監(jiān)測(cè)。而在基于tof原理的機(jī)器視覺(jué)測(cè)距方法中，ccd(電荷耦合元件)線陣相機(jī)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度難以滿足測(cè)試精度的要求。本發(fā)明采用cmos(金屬氧化物半導(dǎo)體元件)作為圖像傳感器，cmos與ccd相比具有成像過(guò)程快、集成度高、功耗小、讀出速度快等優(yōu)點(diǎn)，很好地滿足了鐵路高速在線限界檢測(cè)測(cè)距對(duì)于圖像傳感器讀出速度和集成度等的要求。本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)cmos面陣相機(jī)的幀頻和可控頻閃光源的閃光頻率，使可控頻閃光源在cmos面陣相機(jī)曝光周期同一幀內(nèi)進(jìn)行多次頻閃，進(jìn)而使小于cmos面陣相機(jī)視場(chǎng)三分之一的被測(cè)物在cmos面陣相機(jī)同一幀圖像中周期成像，再對(duì)周期成像圖像進(jìn)行傅里葉變換，得到頻閃周期內(nèi)被測(cè)物重復(fù)成像之間的像素?cái)?shù)量，進(jìn)而得出一幀圖像中同一物體重復(fù)圖像之間的間距d，然后根據(jù)相機(jī)成像原理計(jì)算物距，該方法測(cè)量速度快、測(cè)量精度高、準(zhǔn)確性好，適合于鐵路高速在線檢測(cè)，能夠滿足200km/h的實(shí)車在線限界檢測(cè)。并且克服了傳統(tǒng)激光測(cè)距只能檢測(cè)隧道與地鐵限界的缺點(diǎn)，能夠在明線上進(jìn)行限界檢測(cè)；采用可控頻閃光源照射，能夠全天候檢測(cè)，克服了傳統(tǒng)限界檢測(cè)受環(huán)境光影響大、抗干擾能力差的缺點(diǎn)。

進(jìn)一步的，步驟s3中，列車運(yùn)行速度v由如下方法測(cè)量得到：

s301：通過(guò)沿列車長(zhǎng)度方向并列設(shè)置的兩臺(tái)線陣ccd相機(jī)采集列車線路時(shí)序圖像，兩臺(tái)線陣ccd相機(jī)的視角存在交錯(cuò)重疊，并先后兩次通過(guò)該兩臺(tái)線陣ccd相機(jī)同時(shí)采集圖像，且同一相機(jī)先后兩次所采集的圖像存在重疊；

s302：根據(jù)先后兩次所采集的部分重疊的圖像，對(duì)單臺(tái)線陣ccd相機(jī)在先后兩次間隔δt內(nèi)采集的時(shí)序圖像進(jìn)行循環(huán)相關(guān)運(yùn)算，獲得δt內(nèi)列車移動(dòng)的像素個(gè)數(shù)；

s303：對(duì)兩臺(tái)線陣ccd相機(jī)在同一時(shí)刻所采集的圖像基于重疊的視角進(jìn)行循環(huán)相關(guān)運(yùn)算，得到的結(jié)果除兩臺(tái)線陣ccd相機(jī)的軸間距，即得線陣ccd相機(jī)每個(gè)像素代表的實(shí)際距離；

s304：列車在時(shí)間段δt內(nèi)移動(dòng)的像素個(gè)數(shù)與每個(gè)像素代表的實(shí)際距離相乘即得到δt內(nèi)線陣ccd相機(jī)移動(dòng)的距離；

s305：δt內(nèi)線陣ccd相機(jī)移動(dòng)的距離除以時(shí)間δt，即得列車的運(yùn)行速度v。

現(xiàn)有的測(cè)速方法主要有激光測(cè)速、gps測(cè)速、雷達(dá)測(cè)速和機(jī)車測(cè)速等。激光測(cè)速存在設(shè)備價(jià)格昂貴、測(cè)試過(guò)程中激光設(shè)備需處于靜止?fàn)顟B(tài)的缺點(diǎn)；gps測(cè)速存在衛(wèi)星信號(hào)在山區(qū)、隧道等路段接收困難，測(cè)速精度低等問(wèn)題；雷達(dá)測(cè)速存在雷達(dá)角度安裝調(diào)試要求較高、測(cè)試過(guò)程誤差較大等問(wèn)題；而機(jī)車測(cè)速的數(shù)據(jù)接口較為特殊，考慮到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩裕y以將數(shù)據(jù)同步到限界檢測(cè)中。本發(fā)明通過(guò)兩臺(tái)線陣ccd相機(jī)采集列車線路的時(shí)序圖像，采用循環(huán)相關(guān)算法得到列車在某時(shí)段內(nèi)移動(dòng)的像素個(gè)數(shù)，再用循環(huán)相關(guān)算法得到每個(gè)像素代表的實(shí)際距離，最終計(jì)算得到列車的運(yùn)行速度。該方法排除了列車運(yùn)動(dòng)、地形地貌等的影響，測(cè)速精度高，滿足鐵路高速在線限界檢測(cè)的要求。

進(jìn)一步的，步驟s302和步驟s303中，對(duì)線陣ccd相機(jī)采集的時(shí)序圖像進(jìn)行循環(huán)相關(guān)運(yùn)算之前，先對(duì)圖像進(jìn)行高通濾波處理，過(guò)濾掉圖像中的低頻部分。當(dāng)兩個(gè)圖像序列相同部分的灰度較為平緩，而不同的部分灰度變換較為劇烈時(shí)，計(jì)算結(jié)果將產(chǎn)生誤差。因此，在對(duì)線陣圖像進(jìn)行循環(huán)相關(guān)運(yùn)算之前先對(duì)圖像進(jìn)行高通濾波，將圖像中低頻部分過(guò)濾，以進(jìn)一步提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

進(jìn)一步的，步驟s301中，所述線陣ccd相機(jī)采集列車線路時(shí)序圖像時(shí)所用的主動(dòng)照明光源為紅外光源，所述紅外光源為寬度不小于5mm的線光源，紅外光源的長(zhǎng)度覆蓋兩臺(tái)線陣ccd相機(jī)視場(chǎng)范圍的總和。為了不影響鐵路線路的運(yùn)行安全，選用紅外光源作為測(cè)速系統(tǒng)的主動(dòng)照明光源。

進(jìn)一步的，步驟s1中，所述可控頻閃光源的閃光頻率大于所述cmos面陣相機(jī)幀率的三倍，可控頻閃光源在cmos面陣相機(jī)視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)等周期頻閃。確保cmos圖像傳感器中存在3個(gè)以上等間距的被測(cè)物成像。

進(jìn)一步的，所述cmos面陣相機(jī)和所述可控頻閃光源安裝在列車的端部，可控頻閃光源覆蓋cmos面陣相機(jī)的全視角。

進(jìn)一步的，所述可控頻閃光源為紅光、藍(lán)光或紫光led頻閃光源。由于cmos面陣相機(jī)的光譜響應(yīng)在波長(zhǎng)為700nm左右達(dá)到峰值，波長(zhǎng)小于700nm時(shí)，光譜響應(yīng)度逐漸減下，波長(zhǎng)大于700nm時(shí)光譜響應(yīng)度下降較快。選用波長(zhǎng)為640-750nm的紅光led頻閃光源作為主動(dòng)頻閃光源滿足測(cè)距要求，而考慮到紅色、黃色、綠色可能會(huì)影響鐵路信號(hào)，也可選用波長(zhǎng)相近的藍(lán)光或紫光作為led頻閃光源的顏色。

與上述方法相對(duì)應(yīng)的，本發(fā)明還公開(kāi)一種執(zhí)行上述方法的基于相機(jī)和可控頻閃光源的限界檢測(cè)測(cè)距系統(tǒng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明的限界檢測(cè)測(cè)距方法測(cè)量速度快、測(cè)量精度高、準(zhǔn)確性好，適合于鐵路高速在線檢測(cè)，并且克服了傳統(tǒng)激光測(cè)距只能檢測(cè)隧道與地鐵限界的缺點(diǎn)，能夠在明線上進(jìn)行限界檢測(cè)；采用可控頻閃光源照射，能夠全天候檢測(cè)，克服了傳統(tǒng)限界檢測(cè)受環(huán)境光影響大、抗干擾能力差的缺點(diǎn)。

(2)本發(fā)明通過(guò)兩臺(tái)線陣ccd相機(jī)采集列車線路的時(shí)序圖像，采用循環(huán)相關(guān)算法最終計(jì)算得到列車的運(yùn)行速度。該測(cè)速方法排除了列車運(yùn)動(dòng)、地形地貌等的影響，測(cè)速精度高，滿足鐵路高速在線限界檢測(cè)測(cè)距的要求。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為cmos面陣相機(jī)目標(biāo)成像行的灰度曲線。

圖2為對(duì)圖1中灰度圖像做傅里葉變換的幅度曲線。

圖3為相機(jī)成像原理示意圖。

圖4為cmos圖像傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖5為二維圖像相關(guān)運(yùn)算示意圖。

圖6為兩臺(tái)ccd線陣相機(jī)結(jié)合紅外成像技術(shù)測(cè)速原理示意圖。

圖7為ccd線陣相機(jī)結(jié)合紅外成像技術(shù)測(cè)速流程圖。

圖8為ccd線陣相機(jī)單像素點(diǎn)表征實(shí)際距離的計(jì)算原理圖。

圖9為ccd線陣相機(jī)兩行圖像循環(huán)相關(guān)計(jì)算流程圖。

圖10為循環(huán)相關(guān)算法仿真分析中第一行線陣ccd灰度曲線圖。

圖11為循環(huán)相關(guān)算法仿真分析中第二行線陣ccd灰度曲線圖。

圖12為循環(huán)相關(guān)算法仿真分析中兩行圖像傅里葉變換后直接進(jìn)行共軛計(jì)算的循環(huán)相關(guān)結(jié)果圖。

圖13為循環(huán)相關(guān)算法仿真分析中兩行數(shù)據(jù)傅里葉變換高通濾波后進(jìn)行共軛計(jì)算的循環(huán)相關(guān)結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說(shuō)明書附圖和較佳的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更全面、細(xì)致地描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于以下具體的實(shí)施例。

除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術(shù)語(yǔ)與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語(yǔ)只是為了描述具體實(shí)施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

除非另有特別說(shuō)明，本發(fā)明中用到的各種原材料、儀器和設(shè)備等均可通過(guò)市場(chǎng)購(gòu)買得到或者可通過(guò)現(xiàn)有方法制備得到。

實(shí)施例

本發(fā)明基于相機(jī)和可控頻閃光源的限界檢測(cè)測(cè)距方法的一種實(shí)施例，該限界檢測(cè)測(cè)距方法主要適用于鐵路限界的高速在線檢測(cè)中，為限界檢測(cè)提供物距數(shù)據(jù)。該測(cè)距方法主要包括以下步驟：

首先在列車行駛狀態(tài)下，調(diào)節(jié)cmos面陣相機(jī)幀率和可控頻閃光源的閃光頻率，使可控頻閃光源在cmos面陣相機(jī)曝光周期同一幀內(nèi)進(jìn)行多次頻閃，并將該幀時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的列車運(yùn)動(dòng)視為勻速，進(jìn)而使小于cmos面陣相機(jī)視場(chǎng)三分之一的被測(cè)物在cmos面陣相機(jī)同一幀圖像中周期成像。

然后基于被測(cè)物在光源照射下亮度較大且周期成像，對(duì)周期成像圖像進(jìn)行傅里葉變換，在幅度譜曲線中的特定頻率處幅值達(dá)到最大，該最大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率即為頻閃周期內(nèi)被測(cè)物重復(fù)成像之間的像素?cái)?shù)量。也就是說(shuō)，在曝光沒(méi)有達(dá)到飽和前提下，通過(guò)圖像識(shí)別，對(duì)重復(fù)成像行圖像進(jìn)行傅里葉變換，采取一定的帶通濾波，顯示幅度譜曲線，由于灰度圖像中重復(fù)成像部分在光源照射下灰度值較大，并以一定的周期變化，在幅度譜曲線中特定頻率處幅值達(dá)到最大，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率即為頻閃周期內(nèi)目標(biāo)重復(fù)成像之間的像素?cái)?shù)量。圖1為目標(biāo)成像行的灰度曲線，圖2為對(duì)圖1中灰度圖像做傅里葉變換的幅度曲線。將頻閃周期內(nèi)被測(cè)物重復(fù)成像之間的像素?cái)?shù)量與cmos面陣相機(jī)每一像素所表示的距離相乘，即得一幀圖像中同一物體重復(fù)圖像之間的間距d。

再根據(jù)相機(jī)成像原理計(jì)算得到被測(cè)物距離，計(jì)算公式如下：

該式中，h為物距，單位為mm；f為cmos面陣相機(jī)的焦距，單位為mm；v為列車運(yùn)行速度，單位為m/s；f為可控光源頻閃頻率，單位為fps；d為一幀圖像中同一物體重復(fù)圖像之間的間距，單位為mm。

相機(jī)成像原理如圖3所示，由圖3可見(jiàn)，列車速度相同時(shí)，h1、h2處的物體在圖像中成像的間距d1、d2不同，通過(guò)圖像識(shí)別以及處理，得出成像間距d，結(jié)合列車速度v、光源閃光頻率f以及相機(jī)焦距f，即可計(jì)算物點(diǎn)到攝像機(jī)的距離。

該測(cè)距系統(tǒng)主要包括光學(xué)成像子系統(tǒng)和高速圖像處理系統(tǒng)。其中光學(xué)成像子系統(tǒng)主要包括大功率的led陣列、光照頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和鏡頭及濾光裝置，大功率的led陣列用來(lái)保證全天候的檢測(cè)以及感光傳感器能夠接受到充足的光照；光照頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)列車的運(yùn)行速度，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)led光源的閃光頻率使其與圖像的幀頻相協(xié)調(diào)，確保每一幀圖像中，同一物點(diǎn)重復(fù)成像至少在三個(gè)以上；亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)用來(lái)調(diào)節(jié)led的光照強(qiáng)度，使光照強(qiáng)度隨著環(huán)境的變化而變化，如在光線較暗時(shí)，加大光照亮度，從而增加物體成像的對(duì)比度，便于圖像識(shí)別；鏡頭及濾光裝置主要用來(lái)增加感光傳感器的進(jìn)光量同時(shí)濾掉影響成像的光成分。高速圖像處理系統(tǒng)包括高速面陣cmos圖像傳感器、相機(jī)幀頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)和圖像采集卡，其中高速面陣cmos圖像傳感器用來(lái)感應(yīng)光強(qiáng)，將光能轉(zhuǎn)化為電壓值輸出；相機(jī)幀頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)列車速度來(lái)調(diào)節(jié)相機(jī)的幀頻，以適應(yīng)幀圖像的采集要求；圖像采集卡主要用來(lái)存儲(chǔ)圖像，并做進(jìn)一步的圖像處理。

在進(jìn)行高速采集過(guò)程中，對(duì)圖像傳感器的分辨率、快門形式及輸出形式等有較高要求。本實(shí)施例選擇aptina公司生產(chǎn)的500萬(wàn)像素的mt9p031系列cmos數(shù)字圖像傳感器。除了能滿足分辨率、快門以及輸出方式要求之外，該圖像傳感器還具有卓越的低光性能；可以編程進(jìn)行增益、幀速率、幀大小、曝光方面的控制，幀率可以達(dá)到53fps；高速采集過(guò)程中，瞬間曝光，暗電流極低，可忽略不計(jì)；而且接口較為簡(jiǎn)單，為兩線串行。cmos圖像傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

由于cmos的光譜響應(yīng)在波長(zhǎng)為700nm左右達(dá)到峰值，波長(zhǎng)小于700nm時(shí)，光譜響應(yīng)度逐漸減小，波長(zhǎng)大于700nm時(shí)光譜響應(yīng)度下降較快。太陽(yáng)光可見(jiàn)光譜中，紫色光平均每nm波長(zhǎng)的輻射度最小為0.943w·m^-2·nm^-1，其次為波長(zhǎng)為640-750nm的紅光，平均每nm波長(zhǎng)的輻照度為1.225w·m^-2·nm^-1，通過(guò)計(jì)算得到紫光兩者比值范圍為0.53-0.64，紅光的兩者之比范圍為0.78-0.82，顯然紅光更適合作為led光源顏色，在本實(shí)施例中，優(yōu)選用紅色led頻閃光源作為主動(dòng)光源?？紤]到紅色、黃色、綠色可能會(huì)影響鐵路信號(hào)，也可以選用藍(lán)光或者紫光作為led的光源顏色。

對(duì)列車速度的精確測(cè)試是保證準(zhǔn)確測(cè)距的基礎(chǔ)，在本實(shí)施例中，列車運(yùn)行速度v優(yōu)選采用如下方法測(cè)量得到：采用兩臺(tái)ccd線陣相機(jī)結(jié)合紅外光源，對(duì)ccd相機(jī)采集的時(shí)序圖像進(jìn)行循環(huán)相關(guān)處理計(jì)算，最終得到列車的運(yùn)行速度。

圖像的相關(guān)計(jì)算包括對(duì)圖像進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算和對(duì)兩幅圖像的互相關(guān)計(jì)算。自相關(guān)和互相關(guān)都是用來(lái)描述兩個(gè)信號(hào)的相似程度，其大小表示各信號(hào)在時(shí)空上的變化程度，在相關(guān)值最大的位置，兩個(gè)信號(hào)的相似程度最大。假設(shè)兩個(gè)能量有限的序列x(n)和y(n)，互相關(guān)計(jì)算為：

m為時(shí)間或者位移的延時(shí)變量，向左移動(dòng)為負(fù)，向右移動(dòng)為正，上式表示x(n)序列不動(dòng)，y(n)序列向左平移m時(shí)間或位移。

根據(jù)時(shí)間平移的相對(duì)性，上式等價(jià)于：

上式表示y(n)序列不動(dòng)，x(n)序列向右平移m時(shí)間或位移，因此兩式得到的互相關(guān)序列是相等的。

在特殊情況下x(n)＝y(tǒng)(n)，上述兩式就變成了x(n)序列的自相關(guān)，即

或者

在信號(hào)、一維圖像以及二維圖像中，x(n)和y(n)通常是有限的序列，尤其長(zhǎng)度為n的序列x(n)和y(n)滿足條件n＜0或者n≥n時(shí)，x(n)和y(n)的各元素為零，互相關(guān)和自相關(guān)計(jì)算為：

式中，m＞0時(shí)i＝m，k＝0且m＜0時(shí)i＝0，顯然，自相關(guān)rxx(n)在m＝0處取得最大值。

利用相關(guān)函數(shù)取得最大值時(shí)，兩序列相似程度最大的性質(zhì)，對(duì)兩個(gè)含有相同特征的圖像序列進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得到的峰值位置的變化即為圖像的移動(dòng)距離。在二維圖像中，為了提高運(yùn)算速度，選取圖像中一定范圍的像素構(gòu)成一個(gè)區(qū)域，稱為特征模板t(參見(jiàn)圖5)，讓t在圖像整個(gè)區(qū)域s內(nèi)做平移，特征模板t移動(dòng)過(guò)程中覆蓋區(qū)域的像素記為s(i，j)，(i，j)定義為s(i，j)左上角的像素點(diǎn)的坐標(biāo)。特征模板t與覆蓋區(qū)域s(i，j)的相似程度可以用兩序列的差方和衡量，即

圖像二值化后得到相關(guān)函數(shù)：

找到原始模板位置與r(i，j)的峰值位置之間的差值，即為特征區(qū)域移動(dòng)的距離。

二維圖像相關(guān)計(jì)算過(guò)程中，特征區(qū)域可以通過(guò)圖像處理確定，較為方便，然而在測(cè)試速度較高的情況下，要求相關(guān)運(yùn)算效率非常高，目前現(xiàn)有的技術(shù)很難達(dá)到這一要求。本發(fā)明采用線陣ccd傳感器連續(xù)采集圖像，將一維圖像進(jìn)行循環(huán)相關(guān)運(yùn)算，可以得到兩幅圖像的移動(dòng)距離，最終計(jì)算移動(dòng)速度。

循環(huán)相關(guān)是對(duì)有限序列長(zhǎng)度為n的數(shù)據(jù)y(n)以n為周期進(jìn)行若干周期的拓延，然后朝一個(gè)方向移位，每次移動(dòng)一個(gè)位置，由于周期性，向左移動(dòng)一個(gè)位置就相當(dāng)于向右平移n-1個(gè)位置。最后取(0，n-1)的n個(gè)值就得到了循環(huán)移位后的n個(gè)序列值。即

rxy(m)＝∑x(n)y((n))n

具體計(jì)算流程如下：

已知

x(n)＝[x1，x2…xn-1，xn]y(n)＝[y1，y2…yn-1，yn]

將y(n)進(jìn)行周期擴(kuò)展得到：

y(n)＝[…y1，y2…yn-1，yn，y1，y2…yn-1，yny1，y2…yn-1，yn…]

x(n)＝[x1，x2…xn-1，xn]

則

rxy(0)＝x1y1+x2y2+…xn-1yn-1+xnyn

rxy(1)＝x1y2+x2y3+…xn-1yn+xny1

rxy(n-2)＝x1yn-1+x2yn+…xn-1yn-3+xnyn-3

rxy(n-1)＝x1yn+x2y1+…xn-1yn-2+xnyn-1

用矩陣的形式表達(dá)循環(huán)相關(guān)為

計(jì)算得到一個(gè)n點(diǎn)長(zhǎng)的行向量，即rxy(m)m＝0，1，…，(n-1)。

在本文的測(cè)速方案中，兩臺(tái)ccd線陣相機(jī)沿車輛長(zhǎng)度方向布置，以固定間距精確布置在一條直線上，相機(jī)視角存在交錯(cuò)重疊(如圖6所示)?？刂凭€陣相機(jī)的采集頻率，通過(guò)同步觸發(fā)信號(hào)，ccd線陣相機(jī)采集線路圖像，循環(huán)相關(guān)計(jì)算結(jié)合兩臺(tái)相機(jī)光軸間距標(biāo)定出同時(shí)刻單像素點(diǎn)的表征距離；對(duì)單相機(jī)時(shí)序圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)相關(guān)計(jì)算，獲取數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)列車移動(dòng)的像素個(gè)數(shù)，通過(guò)單像素點(diǎn)的表征距離與采集周期內(nèi)列車移動(dòng)的像素個(gè)數(shù)計(jì)算列車運(yùn)行速度。

ccd線陣相機(jī)結(jié)合紅外成像技術(shù)的測(cè)速流程如圖7所示，其中g(shù)1(n，t)與g2(n，t)分別為相機(jī)1和相機(jī)2在t時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)，δt為線陣相機(jī)的采集周期，pi為第i次循環(huán)相關(guān)的像素?cái)?shù)量，d為兩線陣相機(jī)的軸心距，s為線陣相機(jī)的采集周期內(nèi)列車移動(dòng)距離，v為列車運(yùn)行速度。

由圖7可以看出，測(cè)速方案的實(shí)質(zhì)就是單相機(jī)在t，t+δt時(shí)刻采集的時(shí)序圖像循環(huán)相關(guān)獲得δt時(shí)間內(nèi)列車移動(dòng)的像素個(gè)數(shù)；雙相機(jī)在同一時(shí)刻采集的圖像循環(huán)相關(guān)運(yùn)算后得到的結(jié)果除兩臺(tái)相機(jī)的軸間距即得相機(jī)每個(gè)像素代表的實(shí)際距離；移動(dòng)的像素個(gè)數(shù)與每個(gè)像素代表的實(shí)際距離的乘積即為δt內(nèi)相機(jī)移動(dòng)的距離，并對(duì)兩臺(tái)相機(jī)循環(huán)相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果取平均值以進(jìn)一步提高計(jì)算精度，最終可以計(jì)算列車運(yùn)行速度。

每個(gè)像素代表的實(shí)際距離的計(jì)算方法具體如下：

如圖8所示，距離投影中心h長(zhǎng)度為x的物體在兩臺(tái)線陣ccd相機(jī)中的圖像分別為a1b1與a2b2，設(shè)μ為每個(gè)像素的長(zhǎng)度，每臺(tái)ccd相機(jī)的總像素個(gè)數(shù)為n0，a1b1與a2b2包含有n個(gè)像素，有a1b1＝a2b2＝nμ，則單像素表征的實(shí)際距離k0＝x/n。根據(jù)透視投射定理，單像素點(diǎn)表征實(shí)際距離可以轉(zhuǎn)化為相機(jī)焦距f與物點(diǎn)到焦點(diǎn)距離h的比值關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。然而，在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，列車運(yùn)行姿態(tài)時(shí)刻發(fā)生變化，h也不會(huì)固定不變。為解決這一問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)方案設(shè)計(jì)以及幾何關(guān)系推導(dǎo)出不受列車運(yùn)動(dòng)影響的單像素點(diǎn)表征的實(shí)際距離，具體過(guò)程如下：

由透投射原理得

式中

a1b1＝nμ

可以求得

則每個(gè)像素代表的距離為

為了使兩線陣ccd相機(jī)有共同成像，需要滿足

x≥0

即

由循環(huán)相關(guān)原理可知，雙相機(jī)在同一時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)相關(guān)后，所得到的結(jié)果p0滿足以下關(guān)系

p0+n＝n0

綜上

可見(jiàn)，任一時(shí)刻單像素點(diǎn)表征實(shí)際距離為兩線陣相機(jī)軸線間距d(軸心距)與同一時(shí)刻兩相機(jī)采集的圖像循環(huán)相關(guān)所得像素p0的比值，d為兩相機(jī)軸心距，固定不變，排除了列車運(yùn)動(dòng)的影響，提高了測(cè)速精度。

值得說(shuō)明的是，本發(fā)明在測(cè)速時(shí)并不是直接采用循環(huán)相關(guān)法，因?yàn)橹苯硬捎醚h(huán)相關(guān)在邏輯實(shí)現(xiàn)時(shí)存在問(wèn)題，需要很多乘法器，且需要多個(gè)計(jì)數(shù)周期。不但會(huì)影響運(yùn)算效率，還可能會(huì)降低計(jì)算精度。因此，本發(fā)明將循環(huán)相關(guān)的原始計(jì)算原理進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到更為便捷的算法，以保證測(cè)速效率以及測(cè)速精度。

由相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，循環(huán)相關(guān)的最大值反映的是兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差，即當(dāng)其中一個(gè)信號(hào)移動(dòng)了最大值對(duì)應(yīng)的位置，兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)程度最大，相似度最高。然而在循環(huán)相關(guān)計(jì)算線陣圖像過(guò)程中，存在一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)兩個(gè)圖像序列相同部分的灰度較為平緩，而不同的部分灰度變換較為劇烈，計(jì)算結(jié)果將產(chǎn)生誤差。因此，對(duì)線陣圖像進(jìn)行循環(huán)相關(guān)運(yùn)算之前需要進(jìn)行高通濾波，將圖像中低頻部分部分過(guò)濾，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，假設(shè)

令gn＝y(tǒng)-n，則gn的傅里葉變換為

另外

根據(jù)卷積定理得

由上式可知，兩行數(shù)據(jù)的相關(guān)運(yùn)算等價(jià)于將兩行數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換(fft)后，其中一行數(shù)據(jù)的結(jié)果乘以另一行數(shù)據(jù)的共軛后，再進(jìn)行逆傅里葉變換(ifft)；此過(guò)程在邏輯實(shí)現(xiàn)中，只需要采用fft核即可較容易的實(shí)現(xiàn)，由于采用了循環(huán)相關(guān)算法，在進(jìn)行傅里葉變換時(shí)不需要再進(jìn)行周期擴(kuò)張。線陣ccd兩行圖像循環(huán)相關(guān)計(jì)算流程如圖9所示。

為了驗(yàn)證循環(huán)相關(guān)的可行性，在測(cè)速設(shè)備開(kāi)發(fā)前期，對(duì)線陣ccd采集的兩行數(shù)據(jù)進(jìn)行了循環(huán)相關(guān)仿真分析。采樣為4096點(diǎn)的線陣ccd，數(shù)據(jù)位寬為8位，像素大小為5μm×5μm。數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，按要求輸出其中部分?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)同一方向相隔4mm采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了圖像處理與計(jì)算。

由計(jì)算分析可知，由于兩個(gè)像素元是緊密連接在一起的，它們之間的中心距離即為像素元的尺寸長(zhǎng)度，為5μm，因此兩行數(shù)據(jù)相差4mm相當(dāng)于移動(dòng)了800個(gè)像素，也就是循環(huán)相關(guān)計(jì)算后，循環(huán)相關(guān)曲線應(yīng)該在像素800處的值最大。如圖10-13所示，圖12是將圖10和圖11曲線進(jìn)行傅里葉變換后直接用其中一行數(shù)據(jù)的結(jié)果乘以另一行數(shù)據(jù)的共軛，再進(jìn)行傅里葉逆變換直接得到的循環(huán)相關(guān)曲線。由圖12可以看出，在800像素位置出現(xiàn)了峰值點(diǎn)，但是由于低頻背景的影響，該點(diǎn)并不是循環(huán)相關(guān)最大值點(diǎn)。圖13是在傅里葉變換后通過(guò)高通濾波消除背景影響后得到的曲線，最大值出現(xiàn)在800像素位置，充分證明了循環(huán)相關(guān)在雙線陣ccd相機(jī)結(jié)合紅外光源成像技術(shù)速度測(cè)試方案中的實(shí)用性。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。