軌道扣件的圖像采集與振動(dòng)補(bǔ)償方法

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(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

0 引言

軌道扣件是固定鋼軌位置、阻止鋼軌位移和防止鋼軌傾翻的基礎(chǔ)設(shè)施[1]，列車(chē)的高速運(yùn)行易造成扣件松動(dòng)、斷裂和缺失[2]，直接影響到列車(chē)運(yùn)行的安全性，平穩(wěn)性及舒適性[3-4]。因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道扣件的高效檢測(cè)已成為維護(hù)列車(chē)安全運(yùn)行的必要手段之一。

采用機(jī)器視覺(jué)的圖像采集與處理技術(shù)，通過(guò)線陣相機(jī)采集軌道扣件圖像以檢測(cè)該類(lèi)故障，成為現(xiàn)階段的發(fā)展主流[5-7]。在諸多影響因素中，光源與振動(dòng)成為影響圖像質(zhì)量的主要因素[8]。光照條件欠缺將導(dǎo)致圖像出現(xiàn)花點(diǎn)、過(guò)度曝光、陰影和照明不均勻等問(wèn)題，無(wú)規(guī)則的低頻機(jī)械振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致圖像的旋轉(zhuǎn)、平移、模糊和畸變，這都將對(duì)后續(xù)的圖像處理造成極大的困難[9]。在照明方面，采用輔助光源主動(dòng)照明的方式可以滿足圖像對(duì)光線的需求[10]，但存在如何光源選擇和如何快速調(diào)節(jié)光源的問(wèn)題；振動(dòng)補(bǔ)償方面，目前常用的方法有：激光傳感器補(bǔ)償法[11-12]、計(jì)算機(jī)視覺(jué)補(bǔ)償法[13]以及基于面陣相機(jī)的振動(dòng)補(bǔ)償法[14]等，但以上方法均為針對(duì)鋼軌磨耗和接觸軌相關(guān)參數(shù)進(jìn)行研究，能否直接應(yīng)用于扣件圖像采集還有待驗(yàn)證。

本文將針對(duì)光源和振動(dòng)兩方面存在的問(wèn)題，對(duì)軌道扣件圖像的采集方法進(jìn)行研究。根據(jù)相機(jī)的成像原理，確定光源、相機(jī)和扣件區(qū)域之間的最佳位置關(guān)系，對(duì)光源各參數(shù)的選取進(jìn)行研究，獲得最佳的照明效果；針對(duì)相機(jī)拍攝軌面所得圖像，通過(guò)慣性測(cè)量單元(IMU)對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)振動(dòng)補(bǔ)償，提出了一種針對(duì)線陣相機(jī)的圖像振動(dòng)補(bǔ)償方法，獲得無(wú)畸變、高清晰度的軌道扣件圖像。

1 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1給出了軌道扣件圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)主要由線陣相機(jī)和IMU構(gòu)成，其中IMU包括加速度計(jì)和陀螺儀。為了采集高質(zhì)量的軌道扣件圖像，對(duì)光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立照明系統(tǒng)模型。使線陣相機(jī)與IMU同步采集，建立振動(dòng)補(bǔ)償矩陣，從而獲取帶有運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息的圖像，并完成振動(dòng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

圖1 軌道扣件檢測(cè)原理圖

1.2 照明系統(tǒng)

圖2給出了照明系統(tǒng)模型。相機(jī)與軌檢車(chē)上的光源位于同一橫截面，當(dāng)激光照射至扣件區(qū)域的上、下表面后反射至相機(jī)感光區(qū)域。設(shè)光源的寬度為d，扣件區(qū)域高度為Δh，光線的入射角為θ，光源中心點(diǎn)與扣件區(qū)域上表面的距離為Hg，相機(jī)與扣件區(qū)域上表面的距離為Hf，光源中心點(diǎn)投影與相機(jī)中心點(diǎn)投影之間的距離為l，相機(jī)感光區(qū)域的直徑為D。

圖2 照明系統(tǒng)的理論模型

考慮到實(shí)際情況，上述參量中的D、d和Δh為不可變量，其他均為可調(diào)節(jié)量。由此可以得到各參數(shù)之間的關(guān)系：

(1)

圖3 照明系統(tǒng)的點(diǎn)線簡(jiǎn)化模型

若將光源與相機(jī)抽象為一點(diǎn)，扣件區(qū)域抽象為線，可得圖3所示的簡(jiǎn)化模型。此時(shí)各參數(shù)之間的關(guān)系為：

l=(Hg+Hf+Δh)·tanθ

(2)

由(1)式可知，θ的增加(減小)會(huì)導(dǎo)致D的增加(減小)，因此當(dāng)D、d和Δh不變時(shí)，θ的值也將固定。通過(guò)(2)式可確定l、Hg與Hf三者之間的關(guān)系。

1.3 補(bǔ)償系統(tǒng)

受到軌面不平順的影響，車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)接收來(lái)自各方向的沖激響應(yīng)，造成無(wú)規(guī)則的振動(dòng)，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。通過(guò)IMU與線陣相機(jī)的剛性連接，實(shí)時(shí)采集車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的振動(dòng)補(bǔ)償。

1.3.1 平移補(bǔ)償

平移振動(dòng)分為3個(gè)方向：沿著鋼軌方向的x方向、垂直鋼軌方向的y方向以及垂直軌面的z方向，如圖4所示。由于x向振動(dòng)與車(chē)體運(yùn)行方向一致，可看作車(chē)輛的正常位移，因此只考慮y和z方向振動(dòng)的影響。

圖4 3個(gè)方向的平移振動(dòng)形式

y向平移如圖4(b)所示。在該方向發(fā)生的振動(dòng)會(huì)使相機(jī)的拍攝點(diǎn)偏離鋼軌正中心，導(dǎo)致圖像發(fā)生整體的左右平移。通過(guò)IMU可以計(jì)算出相機(jī)鏡頭的位移大小Δy，成像后的圖像整體向相反方向平移的距離dy為：

(3)

其中：u為相機(jī)與被拍攝物之間的距離(物距)，v為相機(jī)鏡頭的焦距(像距)。

z向平移如圖4(c)所示。該方向的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致相機(jī)與扣件區(qū)域間的垂向距離改變，使圖像產(chǎn)生縮放?？s放系數(shù)k為：

(4)

式中，當(dāng)振動(dòng)方向向上時(shí)，Δz的取值為正，反之為負(fù)。

1.3.2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償

與平移振動(dòng)相同，旋轉(zhuǎn)振動(dòng)同樣存在于x、y、z3個(gè)方向。x向旋轉(zhuǎn)如圖5(a)所示，若相機(jī)中心正對(duì)點(diǎn)的偏移距離為utanΔα，則圖像整體向相反方向平移的距離dα為：

(5)

式中，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)Δα取值為正，反之為負(fù)。

圖5 3個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)形式

y向旋轉(zhuǎn)如圖5(b)所示。該方向的旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致拍攝點(diǎn)偏離鋼軌正中心。與x向旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償類(lèi)似，若相機(jī)中心正對(duì)點(diǎn)的偏移距離為utanΔβ，則圖像整體向相反方向平移的距離dβ為：

(6)

式中，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)Δβ取值為正，反之為負(fù)。

z向旋轉(zhuǎn)如圖5(c)所示。該方向的旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致成像角度的偏轉(zhuǎn)(設(shè)為Δγ)，則圖像需反向補(bǔ)償?shù)慕嵌圈葄為：

θz=Δγ

(7)

綜上，圖像整體振動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖儞Q矩陣為：

(8)

其中：P0為原始圖像像素點(diǎn)，P為變換后的圖像像素點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括設(shè)備參數(shù)、圖像以及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息三大部分。設(shè)備參數(shù)主要是Hg、D等長(zhǎng)度信息和θ角的角度信息，前者可通過(guò)游標(biāo)卡尺和激光尺進(jìn)行精確測(cè)量，后者可以根據(jù)距離信息經(jīng)計(jì)算求得。設(shè)激光光源的垂直投影點(diǎn)與直射點(diǎn)間的距離為l0,則Hg、l0和θ間的關(guān)系為：

(9)

圖像信息以編碼器外觸發(fā)的方式，通過(guò)線陣相機(jī)進(jìn)行采集。設(shè)置采樣頻率為50 Hz，縱向分辨率為2048px。運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息通過(guò)IMU進(jìn)行采集，包含了3個(gè)方向的加速度與角加速度信息，結(jié)合頻域分析法進(jìn)行兩次積分，可得到用于振動(dòng)補(bǔ)償?shù)奈灰婆c角位移。

2.2 頻域分析法

IMU能夠同時(shí)測(cè)得六個(gè)方向位置的加速度變化，包含3個(gè)加速度(Gx、Gy、Gz)和3個(gè)角加速度(Ax、Ay、Az)。對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分變換求測(cè)點(diǎn)的位移和速度是振動(dòng)信號(hào)處理中常用的方法，但時(shí)域上對(duì)加速度的積分會(huì)產(chǎn)生一個(gè)未知常量，如果在下次積分前無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)和剔除常量所造成的誤差，這些誤差在第二次積分過(guò)程中將繼續(xù)被放大為一次趨勢(shì)項(xiàng)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)新的未知常量，這將會(huì)大大影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

頻域分析法是一種通過(guò)傅里葉變換建立起頻域與時(shí)域之間的聯(lián)系，把動(dòng)態(tài)信號(hào)變?yōu)橐灶l率軸為坐標(biāo)表示出來(lái)，在頻域維度對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，進(jìn)而得到精確解[15-17]的分析方法。設(shè)x(t)?X(ω)為傅里葉變換的表達(dá)形式，依據(jù)傅里葉變換的積分定理，則有：

(10)

根據(jù)以上原理，將速度或位移曲線中的趨勢(shì)項(xiàng)去除[18]，即可得滿足要求的位移(Δx、Δy、Δz)和角位移(Δα、Δβ、Δγ)，同時(shí)在最大程度上減小了實(shí)驗(yàn)誤差。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 IMU數(shù)據(jù)處理

對(duì)于以IMU為核心的姿態(tài)信息采集模塊，單獨(dú)采用陀螺儀或加速度計(jì)都無(wú)法提供有效而可靠的信息。陀螺儀動(dòng)態(tài)性能良好，可提供瞬間的動(dòng)態(tài)角度變化，不受加速度變化的影響，但受到積分過(guò)程的影響，存在累積漂移誤差；加速度計(jì)表態(tài)響應(yīng)好，可提供表態(tài)角度，但受動(dòng)態(tài)加速度影響較大，不適合跟蹤動(dòng)態(tài)角度運(yùn)動(dòng)。因此，必須通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)融合的方法得到一個(gè)更優(yōu)的值。

2.3.2 多傳感數(shù)據(jù)融合

多傳感數(shù)據(jù)融合是指對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)別、多方面、多層次的處理，以獲得單一傳感器所無(wú)法獲得的有意義的新信息[19-20]。對(duì)加速度計(jì)，采用低通濾波算法除去短時(shí)性快速變化的信號(hào)，保留長(zhǎng)時(shí)性緩慢變化的信號(hào)，而對(duì)于陀螺儀則采用高通濾波方法來(lái)抑制積分的漂移。將這兩種濾波方法相融合，組成一個(gè)互補(bǔ)濾波器，其原理為：

(11)

其中：θf(wàn)為融合角度，即3個(gè)方向最終的角位移(Δα、Δβ、Δγ)，θg為陀螺儀積分角度，θa為加速度計(jì)角度，ω為角速度，k為陀螺儀權(quán)值。式(11)中2個(gè)濾波系數(shù)之和1，因此所得θf(wàn)的值是一個(gè)比較精確的線性估計(jì)值，有助于減小誤差。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

快速獲得高質(zhì)量的圖像是支撐本文論理論的基點(diǎn)，本文將對(duì)光源調(diào)節(jié)和振動(dòng)補(bǔ)償2個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)所得圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。實(shí)驗(yàn)使用線陣相機(jī)IMU進(jìn)行圖像采集，如圖6所示。相機(jī)和IMU的主要參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 線陣相機(jī)的主要參數(shù)

表2 IMU的主要參數(shù)

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖

獲得精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)，通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用頻域分析法與多傳感數(shù)據(jù)融合進(jìn)行處理，可以獲得滿足要求的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.1 光源影響

進(jìn)行光源影響驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，將分別對(duì)Hf與l進(jìn)行控制變量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)與變量取值分別見(jiàn)表3、4，成像結(jié)果如圖7～8。

表3 光源調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表4 控制變量實(shí)驗(yàn)取值

圖7 改變Hf的成像效果圖

圖8 改變l的成像效果圖

如圖8所示，Hf的改變對(duì)成像效果并不明顯，而l的改變對(duì)成像影響則較為顯著。對(duì)每幅圖像中的感興趣區(qū)域ROI[21](紅色采樣線區(qū)域)進(jìn)行掃描，得到圖像亮度值的變化趨勢(shì)圖。提取圖像中扣件區(qū)域的平均亮度值，如圖9、表5所示。圖9(a)表明，若改變Hf，亮度曲線的整體走勢(shì)基本一致，扣件區(qū)域?qū)Ρ榷染^高；圖9(b)表明，若改變l，僅當(dāng)l=103 mm時(shí)能夠較好地識(shí)別出所有扣件區(qū)域。表5表明，當(dāng)Hf變化時(shí)，圖像中扣件區(qū)域的平均亮度幾乎保持不變，但當(dāng)l變化時(shí)的影響很顯著：l偏小時(shí)，扣件區(qū)域的上、下底座、鋼軌下表面和彈條區(qū)域未能有效識(shí)別，l偏大時(shí)，所有扣件區(qū)域均呈現(xiàn)黑色，嚴(yán)重影響扣件的辨識(shí)。因此，在所有影響成像質(zhì)量的參數(shù)中，l占據(jù)最主要地位。

驗(yàn)證外界光照條件變化對(duì)成像效果的影響，在軌檢樣車(chē)下方安裝2個(gè)長(zhǎng)條形LED光源，通過(guò)控制LED光源來(lái)模擬外界光源的強(qiáng)弱，并通過(guò)表3中的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，環(huán)境光線大多為散射光，射入不平滑的扣件區(qū)域表面后難以集中進(jìn)入鏡頭，對(duì)成像影響有限。成像效果如圖10所示。

圖9 亮度值變化趨勢(shì)圖

表5 扣件區(qū)域平均亮度值表

(a)不同Hf下的扣件區(qū)域平均亮度值表

(b)不同l下的扣件區(qū)域平均亮度值表

圖10 不同環(huán)境光照條件下的成像效果

3.2 振動(dòng)補(bǔ)償

推動(dòng)實(shí)驗(yàn)樣車(chē)在鋼軌上運(yùn)行，記錄采集過(guò)程中實(shí)驗(yàn)樣車(chē)的加速度和角加速度數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表6，原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表6 振動(dòng)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表7 IMU數(shù)據(jù)

若直接對(duì)加速度與角加速度進(jìn)行積分，會(huì)產(chǎn)生趨勢(shì)項(xiàng)和積分漂移，帶來(lái)明顯的誤差。采用互補(bǔ)濾波器進(jìn)行濾波，結(jié)合頻域積分法可以有效地減少誤差。積分后的數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 運(yùn)動(dòng)的位移與角位移

由表8可知，第2、3組數(shù)據(jù)在z方向發(fā)生了較大幅度的振動(dòng)。通過(guò)對(duì)六個(gè)方向分別進(jìn)行振動(dòng)補(bǔ)償，可以得到滿足檢測(cè)要求的圖像。補(bǔ)償后的圖像如圖11所示。

圖11 補(bǔ)償前后對(duì)比圖

補(bǔ)償前，圖11(a)約偏轉(zhuǎn)4.7°，扣件區(qū)域直徑占圖像總長(zhǎng)度的約59%；圖11(b)約偏轉(zhuǎn)4.5°扣件區(qū)域直徑占圖像總長(zhǎng)度的約68%；經(jīng)補(bǔ)償后，圖像的偏轉(zhuǎn)角度均消除，同時(shí)將扣件區(qū)域分別放大至65%和75%，放大比例超過(guò)10%，有效地優(yōu)化了圖像質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

快速實(shí)現(xiàn)高清晰度的圖像采集一直都是圖像處理的重要環(huán)節(jié)和前提條件。本文通過(guò)光源和振動(dòng)補(bǔ)償2個(gè)角度對(duì)成像造成的影響分別進(jìn)行了研究：對(duì)扣件區(qū)光源系統(tǒng)研究，限制了外界光源的影響，最大程度上提升成像質(zhì)量；使用IMU結(jié)合頻域分析法實(shí)現(xiàn)了采集過(guò)程中的振動(dòng)補(bǔ)償，并在理論分析的基礎(chǔ)上加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，光源調(diào)節(jié)后的圖像中，扣件區(qū)域的亮度值提高了超過(guò)10倍，提高了扣件與周?chē)h(huán)境對(duì)比度，使其更加容易辨識(shí)；振動(dòng)補(bǔ)償后的圖像中，可修正由于振動(dòng)造成的±5°以內(nèi)的圖像旋轉(zhuǎn)，并突出了圖像的主要扣件區(qū)域，使圖像更加統(tǒng)一。該方法符合理論基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)有的圖像采集和振動(dòng)補(bǔ)償方法進(jìn)行了改進(jìn)，具有現(xiàn)實(shí)意義。