本發(fā)明涉及鐵路隧道限界檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鐵路隧道限界圖像處理系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

為了確保機(jī)車車輛在鐵路線路上運(yùn)行的安全，防止機(jī)車車輛撞擊鄰近線路的建筑物和設(shè)備，而對機(jī)車車輛和接近線路的建筑物、設(shè)備所規(guī)定的不允許超越的輪廓尺寸線，稱為限界。在鐵路《技規(guī)》中更是做出了明確規(guī)定：一切建筑物、設(shè)備，在任何情況下均不得侵入鐵路的建筑限界。鐵路建筑限界測量的精確性十分重要，直接關(guān)系到鐵路擴(kuò)大貨物運(yùn)輸?shù)陌踩院瓦\(yùn)輸收入的增長。以往某些區(qū)段限界尺寸測量不準(zhǔn)確，導(dǎo)致一些擴(kuò)大貨物運(yùn)輸必須繞行或拒運(yùn)，造成鐵路運(yùn)能的浪費(fèi)和運(yùn)輸收入的損失。

鐵路建筑限界大多使用如“吊繩”、“觸桿”、“皮尺”等手工方法進(jìn)行測量，費(fèi)時費(fèi)力，測量精度低。隨著鐵路電氣化線路迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的測量手段已經(jīng)無法適應(yīng)快速、準(zhǔn)確、安全的鐵路隧道限界檢測要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種鐵路隧道限界圖像處理系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種鐵路隧道限界圖像處理系統(tǒng)，包括：

待檢測隧道信息采集單元：載入待檢測隧道信息，包括隧道各采樣點(diǎn)與兩鋼軌中心的距離；

里程記錄單元：對初始里程進(jìn)行設(shè)定，并在隧道檢測過程中對里程累計；

圖像采集存儲單元：以25幀/秒的速度采集并保存激光光帶圖像；

圖像處理單元：對激光光帶圖像進(jìn)行幾何變換、去噪校正、圖像插值、拼接處理得到隧道斷面圖像；

隧道斷面積計算單元：根據(jù)隧道斷面圖像計算隧道斷面積。

所述圖像處理單元，包括：

幾何變換模塊：用幾何變換方式描述激光光帶位置、大小、形狀；

去噪校正模塊：去除激光光帶圖像中的噪聲干擾；

圖像插值模塊：采用擬合生長算法插值得到完整的激光光帶圖像；

拼接處理模塊：將各激光光帶圖像拼接成完整的隧道斷面圖像。

采用所述的鐵路隧道限界圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行鐵路隧道限界圖像處理的方法，包括：

載入待檢測隧道信息，包括隧道各采樣點(diǎn)與兩鋼軌中心的距離；

對初始里程進(jìn)行設(shè)定，并在隧道檢測車行進(jìn)過程中對里程累計；

以25幀/秒的速度采集并保存激光光帶圖像；

對激光光帶圖像進(jìn)行幾何變換、去噪校正、圖像插值、拼接處理得到完整的隧道斷面圖像：對激光光帶圖像用幾何變換方式描述激光光帶位置、大小、形狀；去除激光光帶圖像中的噪聲干擾；采用擬合生長算法插值得到完整的激光光帶圖像后，將各激光光帶圖像拼接成完整的隧道斷面圖像。

根據(jù)隧道斷面圖像計算隧道斷面積。

所述采用擬合生長算法插值得到完整的激光光帶圖像，具體方法是：定義單像素激光光帶圖像中最長的光帶為基本段，對經(jīng)過去噪校正的激光光帶圖像進(jìn)行連通區(qū)域標(biāo)記，統(tǒng)計各個區(qū)域的長度，留取最長的區(qū)域作為基本段圖像，通過檢測基本段的端點(diǎn)在圖像中的位置來判斷基本段是否完整：如果基本段的上端點(diǎn)位于上邊界期望值的下面，則認(rèn)為該基本段向上不完整；同理，如果基本段的下端點(diǎn)在下邊界期望值的上面，則認(rèn)為該基本段向下不完整，如果基本段是完整的，則認(rèn)為該基本段近似為激光帶的中心線；如果基本段是不完整的，則需要對不完整的基本段采用擬合生長算法進(jìn)行擬合生長，從而得到較完整的激光帶中心線，得到完整的激光光帶圖像。

有益效果：

1、完成隧道斷面信息的實(shí)時采集與存儲。

2、進(jìn)行隧道斷面信息的圖像處理和存檔。

3、有效去除激光光帶圖像中的噪聲干擾，得到完整的激光帶圖像。

4、對激光帶圖像進(jìn)行處理，得到隧道斷面圖像。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的鐵路隧道限界圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的鐵路隧道限界圖像處理方法流程圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的幾何變換處理過程流程圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的激光帶基本段提取結(jié)果；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例2的激光帶的擬合結(jié)果，其中(a)細(xì)化結(jié)果，(b)激光帶生長部分，(c)除去基本段的激光帶，(d)完整的激光帶中心線；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例2的圖像處理和拼接流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

一種鐵路隧道限界圖像處理系統(tǒng)，如圖1所示，包括：

待檢測隧道信息采集單元：載入待檢測隧道信息，包括隧道各采樣點(diǎn)與兩鋼軌中心的距離；

里程記錄單元：對初始里程進(jìn)行設(shè)定，并在隧道檢測過程中對里程累計；

圖像采集存儲單元：以25幀/秒的速度采集并保存激光光帶圖像；

圖像處理單元：對激光光帶圖像進(jìn)行幾何變換、去噪校正、圖像插值、拼接處理得到隧道斷面圖像；

隧道斷面積計算單元：根據(jù)隧道斷面圖像計算隧道斷面積。

圖像處理單元，包括：

幾何變換模塊：用幾何變換方式描述激光光帶位置、大小、形狀；

去噪校正模塊：去除激光光帶圖像中的噪聲干擾；

圖像插值模塊：采用擬合生長算法插值得到完整的激光光帶圖像；

拼接處理模塊：將各激光光帶圖像拼接成完整的隧道斷面圖像。

實(shí)施例2

采用所述的鐵路隧道限界圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行鐵路隧道限界圖像處理的方法，如圖2所示，包括：

步驟1、載入待檢測隧道信息，包括隧道各采樣點(diǎn)與兩鋼軌中心的距離；

步驟2、對初始里程進(jìn)行設(shè)定，并在隧道檢測車行進(jìn)過程中對里程累計；

步驟3、以25幀/秒的速度采集并保存激光光帶圖像；

步驟4、對激光光帶圖像進(jìn)行幾何變換、去噪校正、圖像插值、拼接處理得到完整的隧道斷面圖像；

對激光光帶圖像用幾何變換方式描述激光光帶位置、大小、形狀；去除激光光帶圖像中的噪聲干擾；采用擬合生長算法插值得到完整的激光光帶圖像后，將各激光光帶圖像拼接成完整的隧道斷面圖像。

用幾何變換方式描述激光光帶位置、大小、形狀，即對圖像還原，將各路CCD攝像機(jī)具有不同的水平傾角α，垂直傾角β和繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)角γ。因此，每個CCD攝像機(jī)的每個像素都有不同的成像公式，相當(dāng)于從不同的觀測點(diǎn)得到的結(jié)果，因而不能進(jìn)行直接的拼接合成。如果先將具有α、β、γ轉(zhuǎn)角的圖像轉(zhuǎn)換成沒有這些安裝角度時CCD感光面成的像，然后就可對其進(jìn)行拼接合成。拼接以后所得的圖像的成像公式，對各像素點(diǎn)是統(tǒng)一的。其幾何變換處理過程相當(dāng)于如圖3所示。還原時為便于處理，首先將圖像轉(zhuǎn)換到廣義坐標(biāo)下。設(shè)某一物點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)為：V_i0 =[ x _i0 y _i0 z _i0 ]’，變換到廣義坐標(biāo)系下為：

V_i^# =w _i*[ x _i0 y _i0 z _i0 1]’ ，轉(zhuǎn)換成無安裝傾角時的像點(diǎn)廣義坐標(biāo)為：V_i⁰=P*R^-1*P^-1*V _i^# ,其中 ，?為焦距，

分別為繞3個坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的變換矩陣。

經(jīng)過圖像還原的激光帶線條仍然可能摻雜一些噪點(diǎn)，也可能會丟失部分激光光帶信息，造成得到的激光帶中心線不準(zhǔn)確，因此需要去除激光光帶圖像中的噪聲干擾，以便得到完整的激光帶圖像。根據(jù)二值圖像中連通區(qū)域的像素數(shù)，留取最長的激光帶子帶，本發(fā)明采用一種適于激光帶的簡便快速的區(qū)域生長算法，最終得到完整的激光帶圖像。

區(qū)域生長是一種典型的圖像分割方法，最早的區(qū)域生長圖像分割方法是由Levine等人提出。區(qū)域生長的基本思想是將具有相似性質(zhì)的像素集合起來構(gòu)成區(qū)域。具體的算法原理指的是在待分割的圖像區(qū)域中選定一個叫做種子的像素作為生長的起點(diǎn)，接著在種子像素的各個鄰域內(nèi)，根據(jù)某種相似性準(zhǔn)則查找與種子像素具有相同或相似特性的像素，然后將這些滿足相似性準(zhǔn)則的像素合并到種子區(qū)域，用新的區(qū)域重復(fù)這個過程，直到?jīng)]有滿足相似性準(zhǔn)則的像素點(diǎn)為止，區(qū)域生成過程結(jié)束。其中，相似性準(zhǔn)則包括灰度級、梯度、紋理等特性。

Moigne 和 Tilton 提出一種迭代的并行區(qū)域生長算法，在迭代生長的過程中通過合并像素優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)來進(jìn)行區(qū)域生長。Hojjatoleslami和Kruggel提出一種區(qū)域生長算法，該算法包括進(jìn)行區(qū)域生長的灰度級相似準(zhǔn)則和防止區(qū)域過度生長的尺寸準(zhǔn)則。Hojjatoleslami 和 Kittler 使用平均對比度和周圍的對比度來控制區(qū)域生長過程。大多數(shù)的區(qū)域生長方法都會導(dǎo)致過度分割，即將圖像分割成過多的區(qū)域。為克服這一問題，需要將圖像中較小的區(qū)域進(jìn)行合并，以得到滿意的輸出圖像。合并的目的在于根據(jù)某些相似性準(zhǔn)則將較小的區(qū)域合并到鄰近的區(qū)域。Chang 和Li提出一種評估區(qū)域一致性的自適應(yīng)算法，該方法根據(jù)區(qū)域特征分布來決定合并的區(qū)域。

區(qū)域生長方法根據(jù)具體的情況選定某個像素作為生長的開始，然后在種子點(diǎn)處按照一定的準(zhǔn)則查找其4-鄰域或者8-鄰域，并且逐步合并滿足條件的鄰域像素，當(dāng)滿足一定的條件時生長結(jié)束。在區(qū)域生長的過程中，有三個非常關(guān)鍵的要素，分別是選取的種子點(diǎn)、區(qū)域生長的準(zhǔn)則和終止生長的條件，這些要素決定著區(qū)域生長的質(zhì)量，因此區(qū)域生長之前需要先明確這三個要素。

總之，區(qū)域生長的基本思想較為簡單，通常能夠分割具有相同特征的連通區(qū)域，但是該方法空間和時間復(fù)雜度比較大，可能會對灰度分布不均的圖像造成過度分割，而且該方法對圖像的陰影處理效果不好。本發(fā)明通過分析激光帶在圖像中的分布特點(diǎn)和激光帶的形態(tài)特征，采用適用于隧道斷面激光帶圖像的擬合生長算法。

所述采用擬合生長算法插值得到完整的激光光帶圖像，具體方法是：定義單像素激光光帶圖像中最長的光帶為基本段，對經(jīng)過去噪校正的激光光帶圖像進(jìn)行連通區(qū)域標(biāo)記，統(tǒng)計各個區(qū)域的長度，留取最長的區(qū)域作為基本段圖像，通過檢測基本段的端點(diǎn)在圖像中的位置來判斷基本段是否完整：如果基本段的上端點(diǎn)位于上邊界期望值的下面，則認(rèn)為該基本段向上不完整；同理，如果基本段的下端點(diǎn)在下邊界期望值的上面，則認(rèn)為該基本段向下不完整，如果基本段是完整的，則認(rèn)為該基本段近似為激光帶的中心線；如果基本段是不完整的，則需要對不完整的基本段采用擬合生長算法進(jìn)行擬合生長，從而得到較完整的激光帶中心線，得到完整的激光光帶圖像。具體方法是：

1）逐行掃描二值圖像，分別得到基本段上下端點(diǎn)坐標(biāo)和。

2）如果上端點(diǎn)在y方向的坐標(biāo)小于隧道的上邊界期望值d₁，即y₁<d₁，則基本段是向上不完整的，然后在基本段上選取靠近上端點(diǎn)的若干點(diǎn)作為生長的起點(diǎn)，按照曲線走勢近似不變原則進(jìn)行曲線擬合，可以擬合得到一條理論曲線。其中，對于第一類圖像擬合直線，第二類圖像擬合二次曲線，不滿足則不執(zhí)行。

3）如果下端點(diǎn)在y方向的坐標(biāo)大于下邊界期望值d₂，即y₂>d₂，則基本段是向下不完整的，然后在基本段上選取靠近下端點(diǎn)的若干點(diǎn)作為起點(diǎn)向下生長，按照與2）中同樣的原則進(jìn)行曲線擬合得到理論曲線，不滿足則不執(zhí)行。

4）將擬合之后的線條與留取基本段之前的圖像進(jìn)行比較，除基本段之外，將留取基本段之前的圖像中像素灰度值為1且與擬合的理論曲線在一定范圍內(nèi)的像素點(diǎn)留下，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計并經(jīng)過驗(yàn)證，保留5個像素間距內(nèi)的像素點(diǎn)并加上基本段能夠得到較完整的激光帶圖像。

圖4中提取的激光帶基本段，其中y₁和y₂分別是基本段的上下端點(diǎn)在y軸的坐標(biāo)，d₁和d₂分別為上下邊界期望值，需要說明的是，d₁與d₂的選取與要求的精度有關(guān)，d₁越大精度越高，d₂越小精度越高，具體可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計得出。記Y為圖像行數(shù)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計，本實(shí)施例選取d₁=0.1Y，d₂=0.9Y，能夠滿足檢測系統(tǒng)的需要。

根據(jù)激光帶圖像的形狀特征對二值圖像部分噪聲干擾去除得到感興趣區(qū)域即激光帶所在區(qū)域，然后采用Zhang快速并行細(xì)化算法對去噪后的圖像進(jìn)行細(xì)化處理，可得到圖5(a)。前面提到的圖4是圖5(a)只留取基本段并且去除其他部分的基本段圖。由基本段完整性的判斷準(zhǔn)則可知，圖4中激光帶基本段是向下不完整的，所以取靠近基本段下端點(diǎn)的若干點(diǎn)作為生長的起點(diǎn)，根據(jù)激光帶的趨勢向下進(jìn)行直線擬合，擬合出的理論曲線如圖5(b)所示。圖5(a)中除去基本段得到圖5 (c)，將圖5 (b)與圖5 (c)進(jìn)行比較，保留圖5(c)中像素值為1且與圖5 (b)在5個像素間距內(nèi)的像素點(diǎn)，再加上基本段即得到較完整的激光帶中心線圖像，如圖5 (d)所示。

將提取正確定義為提取光帶長度達(dá)到原光帶95%以上，采用本方法對10個隧道約5萬幅斷面激光帶圖像進(jìn)行處理，并從每個隧道中隨機(jī)抽取約10%，總共約5000幅圖像進(jìn)行人工判別，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計

圖像處理和拼接是高鐵隧道限界檢測的核心，對于整個隧道限界檢測起著至關(guān)重要的作用。其中，圖像處理的主要功能是對來自多路CCD攝像機(jī)采集的隧道斷面圖像視頻進(jìn)行圖像處理，實(shí)現(xiàn)隧道斷面激光帶提取及輪廓檢測。圖像拼接主要對多路CCD攝像機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行拼接，根據(jù)預(yù)先生成的標(biāo)定文檔進(jìn)行真值對應(yīng)，按照真值對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行圖像拼接，從而實(shí)現(xiàn)對整個隧道斷面輪廓的檢測。圖像處理和拼接流程如圖6所示。

1）圖像處理

隧道檢測車上的CCD攝像機(jī)實(shí)時采集視頻并將其壓縮后保存在下位機(jī)中，將下位機(jī)中存儲的壓縮視頻進(jìn)行解碼，形成光帶連續(xù)的圖像，然后對隧道斷面圖像進(jìn)行行幾何變換、去噪校正、圖像插值、拼接處理。

本實(shí)施例中能夠?qū)Χ嗦穲D像進(jìn)行并行處理，多線程技術(shù)的應(yīng)用極大的提高了系統(tǒng)的處理速度，只需要用戶選擇待處理視頻的正確路徑即可。在處理過程中，不但會顯示當(dāng)前視頻總的幀數(shù)，而且還會實(shí)時顯示當(dāng)前正在處理的幀數(shù)，在處理過程中用戶可隨時進(jìn)行查看；此外，也可選擇特定的某一幀圖像進(jìn)行單獨(dú)處理。圖像處理完畢后，檢測效果會顯示在標(biāo)準(zhǔn)輸出的同時，會在視頻所在的目錄下生成相應(yīng)的處理文件夾存儲處理的數(shù)據(jù)結(jié)果。

由于在圖像采集是多路CCD攝像機(jī)對隧道斷面進(jìn)行拍攝，每一路CCD攝像機(jī)只采集了隧道斷面輪廓的部分圖像，因此經(jīng)過提取得到的有效光帶并不是完整的隧道斷面輪廓，每一路視頻圖像經(jīng)處理后只能得到部分?jǐn)嗝孑喞€，還需要進(jìn)行后續(xù)的拼接操作才能得到完整的隧道斷面輪廓圖像。

2）圖像拼接

主要實(shí)現(xiàn)隧道斷面圖像的拼接功能，由于隧道輪廓由多路CCD攝像機(jī)拍攝的圖像拼接形成，因此經(jīng)過將多路相機(jī)進(jìn)行幀對齊再進(jìn)行斷面輪廓提取之后，這一部分將根據(jù)預(yù)先生成的標(biāo)定文檔將多路視頻圖像中檢測到的激光帶進(jìn)行真值對應(yīng)，即將圖像中的點(diǎn)與實(shí)際的空間位置進(jìn)行一一對應(yīng)，然后根據(jù)圖像對應(yīng)的真值進(jìn)行圖像拼接，生成隧道的斷面輪廓圖，從而實(shí)現(xiàn)對整個隧道斷面輪廓的檢測，最后將所有的真值綜合就可以形成隧道的最小限界。

斷面文本文檔，包括斷面號、行駛速度、位置、角度等。綜合各個文檔生成直線和曲線的綜合文檔。最后將生成的直線、曲線綜合斷面保存到固定格式Excel表中。處理每一幀圖像時尋找隧道輪廓的真值點(diǎn)會產(chǎn)生一定的誤差。實(shí)際測量時由于激光帶有一定的寬度和運(yùn)動造成的光帶拉動，隧道壁顯示在圖像上是一道白色寬帶，往往會有3~5個象素寬度，少數(shù)隧道的會有6~8個象素。將圖像進(jìn)行二值化后，將圖像中所有的白色點(diǎn)均看成有效點(diǎn)，平等的對待，進(jìn)行擬和，擬和后的圖像每一行僅有一個有效點(diǎn)。

由于受到鏡頭畸變等非線性因素影響，所以很難直接用數(shù)學(xué)模型來計算所攝錄圖像中各個象素所對應(yīng)的真實(shí)值。因此不采用公式法。本實(shí)施例中采用真值表法。真值表法是將測量范圍空間的真實(shí)值與圖像中象素點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系以查找表的形式予以保存，被測點(diǎn)通過查找表得到實(shí)際坐標(biāo)值。這種方法實(shí)際是將鏡頭畸變非線性微分化，有效的克服了鏡頭畸變所造成的誤差。

真值坐標(biāo)保存在標(biāo)定文檔中，標(biāo)定文檔是產(chǎn)生真值的基準(zhǔn)，因而這一部分最重要的技術(shù)即為基準(zhǔn)點(diǎn)的選取和非基準(zhǔn)點(diǎn)的填充。結(jié)合數(shù)字圖像處理知識，首先采用區(qū)域生長的方法將基準(zhǔn)圓與背景進(jìn)行分離，隨后使用空穴檢出的方法將每個基準(zhǔn)圓予以標(biāo)記，最后結(jié)合矩的定義，將基準(zhǔn)圓的重心提取出來，將從標(biāo)定圖像中提取的重心與空間內(nèi)的真值一一對應(yīng)，就完成了對基準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)定。標(biāo)定圖像中兩個基準(zhǔn)點(diǎn)之間的點(diǎn)稱為非基準(zhǔn)點(diǎn)，非基準(zhǔn)點(diǎn)的填充主要是依靠線性投影的方法來實(shí)現(xiàn)的。

步驟5、根據(jù)隧道斷面圖像計算隧道斷面積。