本發(fā)明涉及一種基于圖像處理技術(shù)的鐵路軌道二維地圖的創(chuàng)建方法。

背景技術(shù)：

隨著高速鐵路的發(fā)展，列車運(yùn)行的安全穩(wěn)定性也要求更高，出現(xiàn)了能夠精確有效測(cè)量軌道各項(xiàng)靜態(tài)幾何參數(shù)的設(shè)備——軌檢儀；另一方面，基于機(jī)器視覺(jué)的圖像處理技術(shù)愈發(fā)成熟。本發(fā)明結(jié)合這倆方面現(xiàn)有的技術(shù)成果，提出了一種基于圖像處理技術(shù)的鐵路軌道二維地圖的創(chuàng)建方法，用于獲取軌道的幾何參數(shù)，能夠提高測(cè)量的精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)目前現(xiàn)有技術(shù)，提出一種基于圖像處理技術(shù)的鐵路軌道二維地圖的創(chuàng)建方法，用于測(cè)量軌道的軌距及任意弦長(zhǎng)的軌向參數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于圖像處理技術(shù)的鐵路軌道二維地圖的創(chuàng)建方法，包括以下步驟：

步驟1：對(duì)軌道進(jìn)行連續(xù)拍攝，得到一組連續(xù)幀的軌道圖像；

步驟2：對(duì)拍攝的圖片通過(guò)幾何模型進(jìn)行校正，將梯形失真的軌道還原成平行軌道；

步驟3：對(duì)還原后的軌道圖像進(jìn)行特征匹配，找到需要進(jìn)行測(cè)量的目標(biāo)軌道；

步驟4：通過(guò)對(duì)已匹配完成的圖片進(jìn)行拼接，得到目標(biāo)軌道的完整圖像；

步驟5：對(duì)此幅完整軌道圖像進(jìn)行邊緣化處理，得到軌道的內(nèi)邊緣曲線；

步驟6：建立坐標(biāo)系，創(chuàng)建軌道外形曲線的二維地圖。

所述的方法，所述的步驟1中，對(duì)軌道進(jìn)行連續(xù)拍攝，是通過(guò)在軌檢儀上安裝相機(jī)，在軌檢儀行進(jìn)過(guò)程中同時(shí)對(duì)軌道進(jìn)行拍攝。

所述的方法，所述的步驟2中，進(jìn)行校正的幾何模型為：

其中，f是所用相機(jī)的焦距，在模型中相機(jī)拍攝點(diǎn)s到兩張圖片的垂直距離都為f，ai、bi、ci(i＝1,2,3)為常數(shù)，由方位角元素決定，x,y為拍攝的傾斜圖片上的a點(diǎn)在坐標(biāo)系0～xy中的坐標(biāo)，x0,y0,z0為校正后的水平圖片上a點(diǎn)的構(gòu)象a0點(diǎn)在坐標(biāo)系s～x0y0z0中的坐標(biāo)。所述的方法，所述的步驟3中進(jìn)行特征匹配的過(guò)程為：

首先從相鄰兩張圖片中提取包括邊緣點(diǎn)、角點(diǎn)、交叉點(diǎn)在內(nèi)的特征點(diǎn)，再利用相似性進(jìn)行配準(zhǔn)，得到兩幅圖片的銜接關(guān)系；

如果第一張軌道圖片上a點(diǎn)周圍的內(nèi)容與第二張圖片上b點(diǎn)周圍的內(nèi)容相似，則根據(jù)a、b點(diǎn)將這兩張圖片進(jìn)行匹配；判定內(nèi)容相似的方法是將第一張圖片中預(yù)設(shè)間隔的兩行像素的差值作為特征模板，第二張圖片相同間隔計(jì)算差值，找到與第一張模板差方和的極小值，極小值處即作為相似點(diǎn)；

其中特征點(diǎn)的提取方法采用forstner算子進(jìn)行特征提取，計(jì)算像素點(diǎn)(i,j)周圍灰度差的絕對(duì)值為：

對(duì)給定的閾值，若上式中的值都大于閾值，則像素點(diǎn)作為特征點(diǎn)。

所述的方法，所述的步驟4中，進(jìn)行拼接時(shí)，圖片重疊度為0.4-0.7，即需要進(jìn)行拼接的兩張圖片重疊部分面積的占比為40％-70％。

所述的方法，所述的步驟5中，進(jìn)行邊緣化處理，得到軌道的內(nèi)邊緣曲線的步驟為：

1)將拼接后的軌道圖片進(jìn)行高斯濾波，得到一副處理后的平滑圖像。其中二維高斯函數(shù)的任意一階導(dǎo)數(shù)為噪聲濾波器；

2)計(jì)算圖像梯度的幅度和方向，檢測(cè)出圖像的邊緣；

計(jì)算方法如下：

幅度

方向

其中m(i,j)為圖像的灰度值，mx(i,j)和my(i,j)是其橫縱軸的鄰域差。

3)將梯度的幅度值與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，排除極大值點(diǎn)，使邊緣細(xì)化。

所述的方法，所述的步驟6中，建立坐標(biāo)系的步驟為：

選取圖片中某個(gè)特殊點(diǎn)設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，通過(guò)圖幅定向確定坐標(biāo)的x、y軸，使得二維地圖具有大地坐標(biāo)可量測(cè)性；其中特殊點(diǎn)是由軌道cpiii點(diǎn)和控制網(wǎng)確定的已知坐標(biāo)信息的點(diǎn)。

其中圖幅定向具體是通過(guò)完整軌道圖片四個(gè)內(nèi)圖廓點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，四個(gè)內(nèi)圖廓點(diǎn)的圖像坐標(biāo)從圖像上獲取，即整幅圖像的四個(gè)邊界點(diǎn)，獲得四個(gè)圖廓點(diǎn)理論大地坐標(biāo)后，采用仿射變換模型建立大地坐標(biāo)和影像坐標(biāo)之間的解析關(guān)系模型；

其中仿射變換模型為：

其中，(x′i,y′j)為圖廓點(diǎn)大地坐標(biāo)，(xi,yj)為圖廓點(diǎn)圖像坐標(biāo)，參數(shù)k,θ,x0,y0為配準(zhǔn)參數(shù)，k為縮放因子，θ為旋轉(zhuǎn)角度，x0,y0為平移量。

一種基于軌道二維地圖的軌距及軌向測(cè)量方法：采用所述的一種基于圖像處理技術(shù)的鐵路軌道二維地圖的創(chuàng)建方法，在生成的軌道二維地圖中測(cè)量軌道的軌距及任意弦長(zhǎng)的軌向，所述測(cè)量方法包括以下步驟：

步驟1：計(jì)算地圖中軌道某個(gè)特定點(diǎn)的軌距，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到此幅地圖的比例尺，設(shè)為1：k；

步驟2：在地圖上計(jì)算軌道任意上任一點(diǎn)的軌距以及任意兩點(diǎn)間的軌向參數(shù)，分別設(shè)為a，b；

步驟3：通過(guò)比例尺換算，即能夠精確測(cè)量軌道的軌距及任意兩點(diǎn)間的軌向?qū)嶋H參數(shù)，為ka，kb。

附圖說(shuō)明

為了更加清晰明確地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要用到的附圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(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是本發(fā)明提供的基于圖像處理技術(shù)創(chuàng)建鐵路軌道二維地圖的實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖2是本發(fā)明提供的軌道圖像梯形校正模型及校正結(jié)果示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的軌道圖像拼接示意圖；

圖4是本發(fā)明提供的軌距及軌向測(cè)量示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。

圖1示出了本發(fā)明中所述二維地圖的創(chuàng)建方法，步驟如下：

步驟1：在軌檢儀行進(jìn)過(guò)程中連續(xù)的對(duì)軌道進(jìn)行拍照，采集一組連續(xù)幀的軌道圖像；

步驟2：對(duì)軌道圖像進(jìn)行校正，將側(cè)視視角的梯形軌道還原成俯視視角的平行軌道；

步驟3：進(jìn)行軌道圖像的特征匹配，排除岔道、護(hù)軌，找到目標(biāo)軌道；

步驟4：對(duì)匹配完成的圖片進(jìn)行拼接，得到目標(biāo)軌道的完整圖像；

步驟5：對(duì)完整的軌道圖像進(jìn)行邊緣化處理，取內(nèi)邊緣得到軌道的外形曲線；

步驟6：建立坐標(biāo)系，將軌道的外形曲線縮放后平移到坐標(biāo)系中，創(chuàng)建軌道外形曲線的二維地圖。

圖2示出了本發(fā)明中所述軌道圖像梯形校正模型及校正結(jié)果示意圖。在圖像采集過(guò)程中，相機(jī)采用側(cè)向拍照的視角，所得到的軌道圖像會(huì)產(chǎn)生梯形失真，需要對(duì)其進(jìn)行幾何校正，將傾斜的圖像變成水平的圖像。根據(jù)所述圖像幾何變換模型，設(shè)傾斜照片1上的a點(diǎn)在水平照片2上的構(gòu)象為a0，a點(diǎn)在坐標(biāo)系0～xy中的坐標(biāo)為(x,y)；a0點(diǎn)在坐標(biāo)系s～x0y0z0中的坐標(biāo)為(x0,y0,z0)。則根據(jù)構(gòu)象方程，可導(dǎo)出水平相片與傾斜相片對(duì)應(yīng)像點(diǎn)之間的坐標(biāo)關(guān)系為：

其中ai、bi、ci(i＝1,2,3)為常數(shù)，由方位角元素所決定，可利用待定系數(shù)法計(jì)算出來(lái)。

根據(jù)所述校正模型，可將失真的軌道圖像校正為水平軌道圖像，如圖中所示。

圖3示出了本發(fā)明中所述軌道圖像拼接示意圖。相機(jī)采集到的相鄰圖片間應(yīng)該具有重疊部分，利用重疊部分可以將圖像進(jìn)行拼接，得到一副完整圖像。在拼接過(guò)程中，需要根據(jù)特征匹配排除岔道、護(hù)軌對(duì)圖像拼接的影響，再將包括直軌道、彎曲軌道在內(nèi)的軌道圖像進(jìn)行拼接。根據(jù)工業(yè)實(shí)施案例，可將圖片重疊度設(shè)置在0.4-0.7之間，使得拼接總體誤差降低。

圖4示出了本發(fā)明中所述二維地圖創(chuàng)建及軌向測(cè)量示意圖。建立坐標(biāo)系，將邊緣化處理后的軌道外形曲線進(jìn)行縮放后平移到坐標(biāo)系中，得到軌道的二維地圖。此地圖需要計(jì)算出相應(yīng)的比例尺，假設(shè)實(shí)際測(cè)得a點(diǎn)處的軌距為a，保持二維地圖縮放比例不變，計(jì)算地圖中a點(diǎn)處的軌距

則此幅二維地圖的比例尺為在測(cè)量軌道任意兩點(diǎn)(如圖中a、b兩點(diǎn))的軌向時(shí)，計(jì)算出地圖上ab點(diǎn)的弦長(zhǎng)

再根據(jù)地圖比例尺，得到ab點(diǎn)的實(shí)際弦長(zhǎng)為因此可測(cè)量任意弦長(zhǎng)的軌向。所述方法在測(cè)量長(zhǎng)弦軌向時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生如傳統(tǒng)弦測(cè)法測(cè)量軌向中誤差疊加的問(wèn)題，提高了測(cè)量精度。

同理，根據(jù)地圖比例尺，可測(cè)量軌道上a點(diǎn)外任意點(diǎn)的軌距，其測(cè)量方法屬于非接觸測(cè)量，精度有所提高。

結(jié)合圖1至圖4的敘述，下面步驟示出利用圖像處理方法創(chuàng)建軌道外形二維地圖并用于測(cè)量軌向的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的步驟如下：

步驟1：對(duì)軌道進(jìn)行拍照，采集一組連續(xù)幀的軌道圖像；

步驟2：利用幾何校正模型對(duì)對(duì)軌道圖像進(jìn)行校正；

步驟3：進(jìn)行特征匹配，排除岔道、護(hù)軌，找到目標(biāo)軌道，將圖片重疊度設(shè)置在0.4-0.7之間，對(duì)目標(biāo)軌道進(jìn)行拼接，得到目標(biāo)軌道的完整圖像；

步驟4：將完整的軌道圖像進(jìn)行邊緣化處理，取其內(nèi)邊緣形成軌道的外形曲線；

步驟5：建立坐標(biāo)系，將軌道外形曲線植入坐標(biāo)系中，創(chuàng)建軌道外形曲線的二維地圖；

步驟6：在地圖中計(jì)算軌道上某處的軌距，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到地圖比例尺，根據(jù)地圖比例尺，計(jì)算圖片范圍內(nèi)軌道的軌距及任意弦長(zhǎng)的軌向參數(shù)。