線掃描相機(jī)成像技術(shù)在鐵路車輛故障圖像檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

李俠 張鍇 張亨 韓濤

【摘要】線掃描相機(jī)配合激光光源的成像技術(shù)在鐵路車輛故障圖像檢測(cè)領(lǐng)域使用，相比面陣相機(jī)成像技術(shù)，有以下優(yōu)點(diǎn)：1）圖像完整性好，有利于檢車員看圖并容易發(fā)現(xiàn)車輛故障。2）采用紅外線性激光光源，能量集中，圖像亮度均勻，抗陽(yáng)光干擾效果更加理想。3）實(shí)現(xiàn)了整車無(wú)縫拼接，更有利于圖像故障自動(dòng)識(shí)別。

【關(guān)鍵詞】線掃描相機(jī)激光光源鐵路車輛故障圖像檢測(cè)

1.前言

最初的鐵路車輛故障檢測(cè)完全采用人工方式，車輛入段（編組站）后，鐵路工人拎著錘子通過(guò)觀察和聽(tīng)錘子敲擊車輛的聲音判斷車輛故障。這種原始的車輛故障檢測(cè)手段，人工作業(yè)難度大，不容易發(fā)現(xiàn)隱蔽故障，且無(wú)法核實(shí)和追溯故障。

2005年，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)開(kāi)始研究車輛故障圖像檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)安裝在軌道底部和兩側(cè)的工業(yè)相機(jī)，在鐵路車輛通過(guò)時(shí)，動(dòng)態(tài)拍攝車輛圖片，圖片實(shí)時(shí)傳輸?shù)搅袡z中心，作業(yè)人員在電腦上瀏覽車輛圖片，發(fā)現(xiàn)故障后及時(shí)通知維修。這種方式將現(xiàn)場(chǎng)人員從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，極大地提高了鐵路車輛檢修的效率。

早期的車輛故障圖像檢測(cè)系統(tǒng)采用的面陣相機(jī)每次曝光成像一幅照片，圖像在拍攝方向上不能無(wú)縫拼接，且容易因?yàn)樾盘?hào)的干擾造成丟圖、竄圖等問(wèn)題，給作業(yè)人員造成了不小的困擾。2009年，線掃描相機(jī)的出現(xiàn)，革命性地改變了車輛故障圖像檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展，線掃描相機(jī)形成的圖像可以做到無(wú)縫拼接，并為實(shí)現(xiàn)圖像故障自動(dòng)識(shí)別提供了條件。

2.線掃描相機(jī)成像技術(shù)

線掃描相機(jī)，主要應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、科研與安全領(lǐng)域的圖象處理。在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域中，線掃描相機(jī)是一類特殊的視覺(jué)機(jī)器。與面陣相機(jī)相比，它的傳感器只有一行感光元素，因此使高掃描頻率和高分辨率成為可能。線掃描相機(jī)的典型應(yīng)用領(lǐng)域是檢測(cè)連續(xù)的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測(cè)的物體通常勻速運(yùn)動(dòng)，利用一臺(tái)或多臺(tái)相機(jī)對(duì)其逐行連續(xù)掃描，以達(dá)到對(duì)其整個(gè)表面均勻檢測(cè)?？梢詫?duì)其圖象一行一行進(jìn)行處理，或者對(duì)由多行組成的面陣圖象進(jìn)行處理。另外線掃描相機(jī)非常適合測(cè)量場(chǎng)合，這要?dú)w功于傳感器的高分辨率，它可以準(zhǔn)確測(cè)量到微米。

從車輛故障圖像檢測(cè)領(lǐng)域廣泛使用的線掃描相機(jī)對(duì)光譜的敏感曲線可以看出，該相機(jī)對(duì)800nm附近波段的光線最敏感。另一方面，可見(jiàn)光處于390nm～770nm波段，太陽(yáng)光在808nm波段的光功率密度大概是0.95*808W/m2=0.7676mW/mm2，光功率密度相對(duì)于可見(jiàn)光部分要小，如果采用808nm波段的近紅外補(bǔ)償光源，既能很好地滿足線掃描相機(jī)對(duì)感光的要求，且由于近紅外光基本不可見(jiàn)，消除了補(bǔ)償光源在軌邊對(duì)車輛駕乘人員的干擾。

激光單色性好、功率大、能量集中，能很好地配合線掃描相機(jī)使用。如果光功率密度選擇合適，則既能滿足線掃描相機(jī)的需要，又能起到很好的抗陽(yáng)光干擾的效果。

激光光源分為三部分，激光器、光纖、激光鏡頭。激光器是激光發(fā)生源，是激光光源最重要的部分。光纖是激光傳輸?shù)慕橘|(zhì)，連接激光器和激光鏡頭。激光鏡頭由光學(xué)鏡頭組成，將光纖傳輸過(guò)來(lái)的點(diǎn)狀激光光斑變成線狀激光光斑。光纖必須按照激光器配套，芯徑400um，數(shù)值孔徑0.22，而激光鏡頭的好壞決定了激光光源光斑的均勻性。

早期的激光補(bǔ)償光源兩端光弱、中部光強(qiáng)，使線掃描相機(jī)所采集的圖像在靠近鋼軌側(cè)曝光不足，線掃描相機(jī)視場(chǎng)中部卻曝光過(guò)度；在垂直于線掃描相機(jī)掃描線方向上，補(bǔ)償光源是發(fā)散式的，近處光強(qiáng)而遠(yuǎn)處光弱，使線掃描相機(jī)采集的圖像在列車底部交叉桿等近處曝光過(guò)度、遠(yuǎn)處卻曝光不足。

隨著技術(shù)發(fā)展，另外一種新型激光鏡頭出現(xiàn)，該鏡頭發(fā)出的線性光源兩端光強(qiáng)、中部光弱，使線掃描相機(jī)所采圖像在靠近鋼軌側(cè)也可充分曝光，而相機(jī)視場(chǎng)中部不會(huì)過(guò)度曝光；在垂直線掃描相機(jī)掃描線方向上會(huì)聚光，使線掃描相機(jī)采集的圖像在動(dòng)車底部中間不會(huì)過(guò)度曝光，而動(dòng)車底部距相機(jī)較遠(yuǎn)處也可充分曝光。由此使線掃描相機(jī)所采集的圖像在橫向、遠(yuǎn)近取景處都有合適的曝光度。

3.線掃描相機(jī)成像技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）采用線掃描相機(jī)作為拍攝單元，結(jié)合廣角拍攝技術(shù)，采用單個(gè)相機(jī)即可完成列車底部可視部件的圖像采集，拍攝圖像完整性好，真正實(shí)現(xiàn)了列車側(cè)部與底部拍攝圖片的無(wú)縫拼接。

2）采用紅外線性激光光源，能量集中，抗陽(yáng)光干擾效果更加理想。3）線掃描相機(jī)拍攝的圖像更有利于車輛故障圖像自動(dòng)識(shí)別。

線掃描相機(jī)拍攝的圖片沒(méi)有拼接，有利于故障位置的定位。線掃描相機(jī)白天與夜間拍攝的圖片基本一致，基本無(wú)陽(yáng)光干擾。線掃描相機(jī)只對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體成像，對(duì)靜止的物體不成像，背景圖像單一。

目前，線掃描相機(jī)成像技術(shù)在動(dòng)車組運(yùn)行故障圖像檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)識(shí)別，雖然故障預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率僅能達(dá)到50%，但能在很大程度上減輕作業(yè)人員的工作量，作業(yè)人員只需要對(duì)系統(tǒng)預(yù)報(bào)的故障進(jìn)行核實(shí)，不需要再查看全部圖像。線掃描相機(jī)成像技術(shù)在鐵路車輛故障圖像檢測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)了前所未有的革命性變化。

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