視覺(jué)-線(xiàn)結(jié)構(gòu)光組合技術(shù)在軌道檢測(cè)中的應(yīng)用

許萬(wàn)旸,劉艷杰,李 潘,王 順,王志恒

(1.天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院,天津 300384；2.北京普達(dá)迪泰科技有限公司,北京 100083；3.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130062 )

1 引 言

當(dāng)前我國(guó)鐵路里程長(zhǎng)、運(yùn)輸量大,軌道的安全性檢測(cè)至關(guān)重要。對(duì)于軌道變形引起的安全隱患必須及時(shí)被發(fā)現(xiàn)并予以消除。軌道檢測(cè)的幾何參數(shù)一般包括軌距、超高、軌向、平順性等[1]。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法主要是人工手段,作業(yè)效率低；隨著機(jī)械自動(dòng)化處理技術(shù)的出現(xiàn),以軌檢車(chē)為載體的接觸式檢測(cè)法在一定程度上提高了效率,且不受制于天氣情況,但由于集成的傳感器比較多,會(huì)影響到授流質(zhì)量和測(cè)量精度[2]；而以視覺(jué)-線(xiàn)結(jié)構(gòu)光組合的非接觸式三維測(cè)量技術(shù)既可以做到實(shí)時(shí)檢測(cè),同時(shí)又不會(huì)影響授流質(zhì)量[3]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外都在嘗試將非接觸式軌檢設(shè)備應(yīng)用于鐵路檢測(cè)中。國(guó)外的軌檢車(chē)價(jià)格比較昂貴[4],而我國(guó)的GJ系列則在平順性檢測(cè)等方面存在一定的缺陷,與搗固車(chē)的配合作業(yè)依然是一個(gè)需要研究和攻克的問(wèn)題[5]。西南交大團(tuán)隊(duì)研制的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)需在軌道內(nèi)外側(cè)安置多個(gè)相機(jī),同時(shí)由于獲取的圖像背景復(fù)雜,處理難度也比較大[6]。

本文繼續(xù)從視覺(jué)-線(xiàn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)入手,設(shè)計(jì)了一種更為簡(jiǎn)捷有效的軌道檢測(cè)裝置。僅僅需要兩個(gè)工業(yè)相機(jī)和三個(gè)結(jié)構(gòu)光光源從軌道內(nèi)側(cè)構(gòu)象測(cè)量；同時(shí)設(shè)計(jì)紅外為主、紅色為輔的結(jié)構(gòu)光源,配合紅外濾光片從圖像來(lái)源上剔除雜色背景的干擾,利于后期的圖像識(shí)別和處理分析。通過(guò)一系列的標(biāo)定和實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了此組合測(cè)量技術(shù)的有效性。

2 視覺(jué)-線(xiàn)結(jié)構(gòu)光組合的軌道測(cè)量原理

視覺(jué)-線(xiàn)結(jié)構(gòu)光是一種有效的非接觸式三維測(cè)量方式。在近距離的三維測(cè)量中,視覺(jué)-線(xiàn)結(jié)構(gòu)光組合往往能夠獲取比較高的精度和效率[7]。對(duì)于軌道這種特殊的被測(cè)物體而言,軌道的間距比較大,通常無(wú)法直接用單個(gè)結(jié)構(gòu)光模型測(cè)量,而是采用兩個(gè)結(jié)構(gòu)光模型分別測(cè)量,然后統(tǒng)一起來(lái),從而得到軌道之間的軌距、超高等參數(shù)。本文提出的測(cè)量裝置采用兩個(gè)相機(jī)、三個(gè)結(jié)構(gòu)光組合進(jìn)行軌道測(cè)量。系統(tǒng)左部分由一個(gè)相機(jī)和一個(gè)結(jié)構(gòu)光組成三維測(cè)量系統(tǒng),系統(tǒng)右部分則由一個(gè)相機(jī)和兩個(gè)結(jié)構(gòu)光組成,左右部分通過(guò)支架聯(lián)系起來(lái),支架上安置有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)易的軌檢設(shè)備,如圖1所示。

軌檢設(shè)備沿著軌道行進(jìn),兩側(cè)各有一套結(jié)構(gòu)光測(cè)量裝置,相機(jī)內(nèi)參需要提前標(biāo)定。假定相機(jī)和結(jié)構(gòu)光的關(guān)系提前精確標(biāo)定,即結(jié)構(gòu)光平面在對(duì)應(yīng)相機(jī)坐標(biāo)系下的光平面方程已知；同時(shí)相機(jī)1和相機(jī)2的相對(duì)關(guān)系提前標(biāo)定,即相機(jī)2在相機(jī)1下的相對(duì)方位已知。對(duì)于左結(jié)構(gòu)光模型而言,設(shè)相機(jī)1坐標(biāo)系為O-XYZ,結(jié)構(gòu)光平面與鐵軌表面的交線(xiàn)為L(zhǎng),三維點(diǎn)P為L(zhǎng)上一點(diǎn),其坐標(biāo)表示為(XP,YP,ZP)。在軌檢車(chē)行進(jìn)的任一時(shí)刻,通過(guò)對(duì)相機(jī)捕獲的激光線(xiàn)條進(jìn)行處理計(jì)算,即可得到當(dāng)前位置處直線(xiàn)L上的任意一點(diǎn)的三維坐標(biāo)。同樣,對(duì)于右結(jié)構(gòu)光模型而言,可以同時(shí)實(shí)時(shí)獲取右軌道表面上激光線(xiàn)條上任意一點(diǎn)在相機(jī)2坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。將右模型下的三維坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)化到左模型下,即可得到左右鐵軌上對(duì)應(yīng)位置在同一坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo),進(jìn)而可以進(jìn)行各項(xiàng)軌道參數(shù)的計(jì)算。視覺(jué)-線(xiàn)結(jié)構(gòu)光組合的軌道測(cè)量流程如圖2所示。

圖1 視覺(jué)-線(xiàn)結(jié)構(gòu)光組合的軌道測(cè)量示意圖Fig.1 Track measurements based on the combination of visual-linear structured lights

圖2 軌道測(cè)量流程Fig.2 Track measurement procedure

3 視覺(jué)-線(xiàn)結(jié)構(gòu)光組合的軌道測(cè)量方法

3.1 單結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量模型建立

對(duì)于一個(gè)相機(jī)-結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量模型而言,結(jié)構(gòu)光平面與相機(jī)方位的精確標(biāo)定至為重要。以圖1為例,假設(shè)光平面的法向量為n,光平面方程表達(dá)式為:

aX+bY+cZ+d=0

(1)

式中,a,b,c,d為常數(shù)系數(shù);n=[a,b,c]T,各系數(shù)可以通過(guò)標(biāo)定獲取。假設(shè)光平面在相機(jī)坐標(biāo)系下的方程已知,三維點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)為 (uP,vP),根據(jù)攝影成像關(guān)系有:

(2)

同時(shí),點(diǎn)P也在結(jié)構(gòu)光平面上,即:

aXP+bYP+cZP+d=0

(3)

三個(gè)方程聯(lián)立,即可求解得到三個(gè)未知數(shù)(XP,YP,ZP),即P點(diǎn)坐標(biāo)。如此,整個(gè)線(xiàn)條上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)都可以解算。同理,可以得到右軌道表面上兩個(gè)光條上的任意三維點(diǎn)坐標(biāo)。

3.2 異向軌道的結(jié)構(gòu)光模型統(tǒng)一

對(duì)于左結(jié)構(gòu)光模型而言,光條的三維點(diǎn)坐標(biāo)是基于左相機(jī)坐標(biāo)系,而右軌道的光條坐標(biāo)是基于右相機(jī)坐標(biāo)系,左右軌道的三維點(diǎn)坐標(biāo)不統(tǒng)一。因此需要將右相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到左相機(jī)坐標(biāo)系下,實(shí)現(xiàn)異向軌道的結(jié)構(gòu)光模型統(tǒng)一。

假定右軌道上有一點(diǎn)P′,將右結(jié)構(gòu)光模型下三維點(diǎn)P′ 轉(zhuǎn)化到左相機(jī)坐標(biāo)系可以通過(guò)公式(4)實(shí)現(xiàn):

(4)

式中,[X2,Y2,Z2]表示P′點(diǎn)在右結(jié)構(gòu)光模型下的坐標(biāo);[X1,Y1,Z1] 表示P′在左結(jié)構(gòu)光模型下的坐標(biāo)；R和T分別表示右相機(jī)坐標(biāo)系在左相機(jī)下的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量,一般通過(guò)雙相機(jī)標(biāo)定可以得到。

3.3 軌道圖像光條提取與處理

線(xiàn)結(jié)構(gòu)光投射的光線(xiàn)與鐵軌表面相交成直線(xiàn)狀。由于激光有一定的強(qiáng)度,直線(xiàn)寬度上并不是由單像素組成,圖像提取時(shí)直線(xiàn)上的每個(gè)部位都是由多個(gè)像素構(gòu)成。需要先通過(guò)濾波進(jìn)行噪聲去除,后進(jìn)行亮帶細(xì)化、中心線(xiàn)條提取、線(xiàn)條端點(diǎn)提取,以計(jì)算有關(guān)軌道參數(shù)。

(5)

圖3 光條提取與計(jì)算Fig.3 Strip extraction and calculation

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

取一段鐵軌置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi),平行放置,軌間距為1435 mm。軌檢小車(chē)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易,沒(méi)有安裝傾角儀、加速度計(jì)等傳感器,因此只進(jìn)行軌距測(cè)量實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)相機(jī)為德國(guó)Basler工業(yè)類(lèi)型,型號(hào)為SCA640-90 gm,分辨率為659×494,像元尺寸為7.4 μm2；三個(gè)結(jié)構(gòu)光都是紅外線(xiàn)激光器,功率為200 mW,發(fā)射的激光含有部分紅色光,以實(shí)現(xiàn)可視化引導(dǎo),特別有利于調(diào)試階段使用；相機(jī)鏡頭處安裝有跟紅外激光波長(zhǎng)匹配的紅外濾光片,原則上只允許紅外激光能量通過(guò)；相機(jī)和結(jié)構(gòu)光以一定的交互角度安置,保證最佳方位測(cè)量。檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 軌道檢測(cè)簡(jiǎn)易系統(tǒng)Fig.4 Track inspection simple system

由于工業(yè)相機(jī)畸變比較明顯,因此在進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)之前,首先利用十參數(shù)標(biāo)定法進(jìn)行相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定[7],標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

表1 相機(jī)內(nèi)部參數(shù)

相機(jī)和結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定也在室內(nèi)進(jìn)行,采用基于圓形靶標(biāo)的簡(jiǎn)易標(biāo)定法[8]。一個(gè)空間平面的確定需要平面上一點(diǎn)和平面法向量,如公式(1)所表達(dá)。表2列出了各個(gè)結(jié)構(gòu)光平面上一點(diǎn)及相應(yīng)的法向量參數(shù)。(對(duì)于表中參數(shù),結(jié)構(gòu)光平面1是基于左相機(jī)坐標(biāo)系,結(jié)構(gòu)光平面2和3是基于右相機(jī)坐標(biāo)系。)

表2 結(jié)構(gòu)光平面方程參數(shù)

接下來(lái)對(duì)左右相機(jī)的相對(duì)方位進(jìn)行標(biāo)定,得到右相機(jī)坐標(biāo)系在左相機(jī)坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移參數(shù)。標(biāo)定結(jié)果如表3所示。

表3 右相機(jī)在左相機(jī)下的相對(duì)方位元素

所有標(biāo)定工作完成以后,開(kāi)始測(cè)量作業(yè)。軌檢車(chē)緩慢移動(dòng),兩個(gè)相機(jī)通過(guò)同步控制裝置實(shí)現(xiàn)同步拍攝,幀頻為10 f/s,在8 s的時(shí)間內(nèi),共采集了80張影像。由于濾光片過(guò)濾掉了所有非紅外的能量,采集的圖像結(jié)構(gòu)光線(xiàn)條對(duì)比度特別明顯,如圖5和圖6所示。直接獲取的圖像就如同二值化后的效果一樣,幾乎沒(méi)有背景雜色的干擾,特別有利于后續(xù)的圖像精確和快速處理。首先對(duì)獲取的影像進(jìn)行畸變校正,然后經(jīng)過(guò)直線(xiàn)提取、直線(xiàn)擬合、端點(diǎn)的中心像素提取、中點(diǎn)定位,即可利用整個(gè)結(jié)構(gòu)光模型系統(tǒng)實(shí)時(shí)的對(duì)軌距進(jìn)行測(cè)量。從圖像中可以明顯看出,線(xiàn)條的兩個(gè)端點(diǎn)和中心點(diǎn)可以很容易被定位出來(lái),按照3.3節(jié)的計(jì)算方法,可以直接解算軌距。但是,由于沒(méi)有慣導(dǎo)等定姿定位設(shè)備,作為基準(zhǔn)的左相機(jī)坐標(biāo)系無(wú)法跟大地水準(zhǔn)面產(chǎn)生關(guān)聯(lián),故無(wú)法對(duì)超高、水平等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

圖5 左軌道圖像Fig.5 Image of left track

圖6 右軌道圖像Fig.6 Image of right track

接下來(lái)對(duì)軟件處理解算出的80個(gè)軌距數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。與真實(shí)值1435 mm對(duì)比,從圖7可以看出均值為1435.135 mm,最大誤差為0.96 mm,均方根誤差為0.56 mm,測(cè)量精度達(dá)到毫米級(jí),基本滿(mǎn)足檢測(cè)需求。

圖7 軌距測(cè)量值Fig.7 The gauge value

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的視覺(jué)-結(jié)構(gòu)光組合測(cè)量技術(shù)裝置簡(jiǎn)捷易行,只用兩個(gè)相機(jī)即可實(shí)現(xiàn)軌道參數(shù)的測(cè)量。同時(shí),將紅外結(jié)構(gòu)光發(fā)射器和紅外濾光片結(jié)合,以紅光作為引導(dǎo),使后期的圖像處理簡(jiǎn)單有效。但是,由于系統(tǒng)尚缺乏慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、角度傳感器等組件,因此僅僅獲取了軌距參數(shù),無(wú)法實(shí)現(xiàn)超高、平順性等軌道參數(shù)獲取[9]。下一步會(huì)繼續(xù)進(jìn)行多傳感器組合研究,實(shí)現(xiàn)實(shí)際鐵路軌道的多參數(shù)工程化檢測(cè)。