利用比例因子和帧差测量接触网几何参数的方法及装置与流程

本发明涉及电气化铁路供电技术领域。更具体地，本发明涉及利用比例因子法、帧差以及计算机视觉中的单应性变换测量接触网几何参数的方法及装置。

背景技术：

在电气化铁路供电系统中，接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的输电线路，接触线是为电力机车供电的导线。为保证接触线与电力机车受电弓之间的良好接触需对接触线的几何参数进行精确设置，其中最重要的参数有接触线导高和拉出值。接触线导高是接触线到铁轨的垂直高度，拉出值是接触线在定位点处相对于线路中心的偏移距离(接触线一般设置成“之”字型，拉出值是接触线尖端到“之”字中轴线的距离)。

接触线的导高和拉出值需要定期检测，以保证电力机车受电弓与接触网保持良好的接触，从而保证牵引供电系统的安全性和可靠性。

目前对接触线的导高和拉出值的测量方法主要有非接触式和接触式两类测量方式。接触式检测通常使用检测车测量，在检测车的受电弓滑条或弓架上安装传感器与接触线直接接触进行检测。接触式检测法还有人工吊杆式测量法，作业人员使用带有测量尺刻度的测量杆一头搭载接触线上，另一头搭载钢轨面上，读出测量杆伸出的最大刻度即为导高。

非接触检测方法主要有激光测量法和计算机视觉法，目前非接触式检测法已经成为主流的检测方法。激光测距法实例如山东蓝动激光技术有限公司开发的接触网激光测距仪djj-8，已应用于多家铁路相关单位。该测距仪使用的是激光脉冲测距的实现方式，测量时使用视频瞄准，在高分辨率tft液晶屏上使用光学摄像系统瞄准待测的接触线，即可得到接触网几何参数。

计算机视觉法有多目视觉法、双目视觉法和单目视觉法。多目视觉法是对多个相机(一般为四个)同时拍摄到的接触线上一点的图像进行处理，基于视差原理获得该点的位置信息，计算出该点处接触线的导高和拉出值的方法。双目视觉法与多目视觉法类似，同样采用视差原理通过图像处理获得导高和拉出值，区别在于双目视觉法是对两个布置在与铁轨延伸方向垂直的平面上的相机同时拍摄到的接触线上一点的图像进行处理。

单目视觉法是使用1台摄像机和1组激光器，激光器在与铁轨延伸方向垂直的截面内发射面激光，对用摄像机获取含有激光面与接触线的交点的图像进行图像处理，得到接触线导高和拉出值的方法。

目前采用单目视觉法的实例是西南交通大学的张桂南、刘志刚等人提出的基于摄像机标定的非接触式接触线导高和拉出值的检测方法。该方法的主要硬件是摄像头和激光器，摄像头和激光器沿铁轨延伸方向放置于检测车车顶，激光器可发射激光到接触线上。该方法主要有采集图像、定位激光光斑中心点、通过图像坐标与获取空间坐标三个步骤，据此计算接触线的导高、拉出值。采集图像的过程是，激光器发射线激光照射在接触线上，ccd摄像机采集图像。激光光斑中心点的定位通过迭代阈值算法实现。摄像头获得的图像坐标与激光点在空间中的位置关系可通过建立系统的几何模型进行分析，可根据三角形关系得以图像上的横纵坐标为参数的接触线导高和拉出值的公式计算出结果。此方法求得的拉出值与光学测量仪的实测值之差小于11mm，所得导高之差小于10mm。

中国专利申请公开文本cn103557788a(公开日2014年2月5日)也披露了一种高铁接触网几何参数检测非接触式补偿及卡尔曼滤波修正方法。该方法包括实时采集发射以线激光打在接触线上的光斑高清图像；对所采集的图像进行预处理，以对激光打在接触线上的位置进行检测和定位，其中检测和定位包括预测目标光斑在图像中可能出现的区域，以及利用质心法和图像形态学方法定位目标光斑在图像中的位置；采用基于空间几何关系推导的方法，求出在世界坐标系下的图像位置坐标，从而定位出接触线在该处的导线高度和拉出值；最后，利用卡尔曼滤波方法修正接触线导高几何参数。然而，刘志刚的方法要求激光器处于常开状态，从而实现实时采集光斑高清图像；求出在世界坐标系下的图像位置坐标的方法，即基于空间几何关系推导的方法比较复杂；需要对目标预测区域中的图像预处理，消除光斑的几何畸变；对所定位出的导高和拉出值还需要修正。

对于接触检测法，不论是使用检测车测量还是人工测量，在测量时都会因接触而对接触线产生压力，导致接触线表面、测量头和仪器传动系统发生弹性变形，造成测量误差。而且接触式检测法消耗大量人力物力，测量效率低，还会对作业人员人身安全造成威胁。

对于非接触检测法，激光测距法存在设备成本高、维护难和操作复杂的问题，以djj-8测距仪为例，售价在3万元以上且维修困难，设备操作比较复杂、测量前需对作业人员进行培训，每次测量前需手动选择目标激光点，无法实现连续实时测量。

多目和双目视觉法都需要确保摄像机的光学参数一致，还会受到摄像机安装调试误差影响，多个摄像机的图像同时处理的计算量大，测量数据存在冗余，系统延迟较大。即使双目视觉法需要的摄像机数目和图像处理的数据量都比多目视觉法少，但对摄像机安装和调试的精度要求更高，图像处理计算量仍然较大。而对于现有的采用单目视觉法的方案，识别激光光斑点的方案是对单幅图像的全部像素进行处理，效率低、处理速度慢，无法在光线环境复杂的情况下使用。因此，现在对接触线导高和拉出值进行测量的最佳方案是单目计算机视觉测量法。单目测量法的过程是通过对摄像机获得的带有激光光斑点的图像进行处理，得到接触线导高和拉出值。测量的技术问题是如何从图像上识别出激光光斑，和如何将图像上的坐标与接触线的实际导高和拉出值一一对应上。然而，现有的采用单目视觉法的方案还是存在着各种问题，例如识别激光光斑点的方案过程复杂，处理效率低导致无法满足实时性的要求，识别结果受复杂环境的干扰大，测量过程涉及的标定方法在工程上不易实现等等。

因此，需要提供一种不存在接触式检测法带来的消耗大量人力物力、因接触而产生测量误差的问题，且相对激光测距法，设备结构简单、易于维护且成本低廉、操作简便、可实现连续测量，相对于单目和多目视觉法，设备成本低、采集到的数据没有冗余、反应速度快、精度高的利用比例因子法、帧差以及计算机视觉中的单应性变换测量接触网(特别是高铁接触网)几何参数的方法及装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用比例因子和帧差测量接触网几何参数的方法及装置，解决现有的方法无法稳定、高效、精确地从图像上识别出激光光斑，将图像上的坐标与接触线的导高和拉出值对应上的过程复杂、涉及参数多、误差较大，且存在延迟较大，不适用于连续实时测量的问题。

本发明通过采用基于比例因子的方法对所选择的测量基准进行定标，能够实现在低尺度下(因此更加方便地)进行定标，在实际尺度下通过添加适当的比例因子实现实际尺度下的实时测量；采用帧差的方法，即对有激光的图像帧与无激光的图像帧采集图像，并且进行差值运算、选取适当的阈值对激光光斑进行提取；然后利用计算机视觉中的单应性变换，即将摄像机成像平面上坐标点通过矩阵运算变换到与线激光所形成的检测平面上，其中检测平面上的各个空间点与摄像机成像平面上各点具有一一对应的关系，也就是说，摄像机成像平面上的各个点唯一地对应了一组高铁接触网几何参数(包括导高和拉出值)；由此可以在该检测平面上同时测量导高与拉出值。

本发明公开了一种利用比例因子和帧差测量接触网几何参数的方法，该方法包括如下步骤：

a.将支架系统置于机车顶部，其中，支架系统上置有线激光器和摄像机，且所述线激光器和摄像机的水平连线与机车行进方向平行，以及所述线激光器发射的线激光形成的平面与机车行进方向垂直；

b.选择摄像机和线激光器之间的任意位置作为低尺度，通过低尺度棋盘格标定摄像机在所述低尺度下的单应性变换矩阵；

c.计算所述低尺度位置到摄像机的距离与所述线激光器到摄像机的距离之比，作为低尺度与实际尺度的比例因子；

d.通过与线激光器连接的继电器，将线激光器控制在开启和关闭两种状态，连续采集带有激光光斑点的图像和不带有激光光斑点的图像；然后采用帧差的方法对带有激光光斑点的图像帧与不带有激光光斑点的图像帧进行差值运算，选取适当的阈值提取激光光斑并获取激光光斑底部在摄像机成像平面上的坐标；

e.通过步骤b中标定的摄像机在所述低尺度下的单应性变换矩阵、步骤c中的低尺度与实际尺度的比例因子，求解摄像机在实际尺度下的单应性变换矩阵；根据所获得的实际尺度下的单应性变换矩阵以及上述步骤d所获取的激光光斑底部在摄像机成像平面上的坐标，求得所述光斑在检测平面上的实际物理坐标；

f.根据步骤e所求得的光斑的实际物理坐标和参考点的物理坐标，计算出接触网的导高和拉出值。

在本发明公开的方法中，优选地，在步骤d中，采用帧差的方法对带有激光光斑点的图像帧与不带有激光光斑点的图像帧进行差值运算之后且选取适当的阈值提取激光光斑并获取激光光斑底部在摄像机成像平面上的坐标之前，还包括如下步骤：采用图像处理技术对所获得的图像帧去除噪声点。

在本发明公开的方法中，优选地，所述线激光器形成的激光平面垂直于机车行进方向，所述摄像机对于接触线的仰角为30°到50°；更优选地，所述摄像机对于接触线的仰角为45°。

在本发明的方法中，上述步骤b、c、d、e和f中的任一步骤是通过被设置成执行上述步骤的工控机来实现的。在优选的实施方案中，所述工控机的一端与所述支架系统上的摄像机连接，另一端与所述支架系统上的线激光器连接，在所述线激光器与工控机之间设置有继电器，所述继电器用于将线激光器控制在开启和关闭两种状态。

本发明还公开了一种利用比例因子和帧差测量接触网几何参数的装置，该装置包括：

a.置于机车顶部的支架系统，其中，支架系统上置有线激光器和摄像机，所述线激光器和摄像机被设置成线激光器和摄像机的水平连线与机车行进方向平行以及所述线激光器发射的线激光形成的平面与机车行进方向垂直；

b.工控机，所述工控机的一端与所述支架系统上的摄像机连接，另一端与所述支架系统上的线激光器连接，在所述线激光器与工控机之间设置有继电器，所述继电器用于将线激光器控制在开启和关闭两种状态；

其中，所述工控机被设置成执行下述操作中的任一项：

i.根据所选择的作为低尺度位置的摄像机和线激光器之间的任意位置，通过低尺度棋盘格标定摄像机在所述低尺度下的单应性变换矩阵；

ii.计算所述低尺度位置到摄像机的距离与所述线激光器到摄像机的距离之比，作为低尺度与实际尺度的比例因子；

iii.通过与线激光器连接的继电器，将线激光器控制在开启和关闭两种状态，连续采集带有激光光斑点的图像和不带有激光光斑点的图像；然后采用帧差的方法对带有激光光斑点的图像帧与不带有激光光斑点的图像帧进行差值运算，选取适当的阈值提取激光光斑并获取激光光斑底部在摄像机成像平面上的坐标；

iv.通过标定的摄像机在所述低尺度下的单应性变换矩阵、低尺度与实际尺度的比例因子，求解摄像机在实际尺度下的单应性变换矩阵；根据所获得的实际尺度下的单应性变换矩阵以及所获取的激光光斑底部在摄像机成像平面上的坐标，求得所述光斑在检测平面上的实际物理坐标；

v.根据所求得的光斑的实际物理坐标和参考点的物理坐标，计算出接触网的导高和拉出值。

在本发明公开的装置中，优选地，所述线激光器形成的激光平面垂直于机车行进方向，所述摄像机对于接触线的仰角为30°到50°；更优选地，所述摄像机对于接触线的仰角为45°。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案简单、快速、准确、实时且成本低。具体而言，本发明所述技术方案在图像处理方面具有如下优点：利用带有激光光斑的图像和不带激光光斑的图像进行差值运算，从而获得光斑斑点的准确位置。相比现有对单幅图像所有像素点进行处理的方法，步骤简单，速度快，精度高。例如现有的“迭代阈值法”和基于卡尔曼滤波的方法计算过程复杂，需要进行多次迭代得到结果，步骤复杂、速度较慢、实时性差。本发明所述技术方案在坐标变换方面具有如下优点：使用低尺度下的变换矩阵和获取的光斑底部坐标，结合实际测量的比例因子，即可计算出接触线的导高、拉出值。相比现有利用几何推导实现测量的方法，本发明获取参数的方法简单，引入参数少，极大地降低误差，精确度高。例如现有的双目测量系统都是基于复杂的几何推导，需要引入的参数多、获取难、误差大。

本发明公开的方法不同于中国专利申请公开文本cn103557788a所披露的方法至少在于：本发明公开的方法中引入了继电器将线激光器控制为开启和闭合的交替状态，采用帧差方法获取接触线与检测平面的交点(激光光斑)，即对有激光的图像帧与无激光的图像帧进行差值运算，并选取适当的阈值对激光光斑进行提取，显然更加直观，快速，简单，并且更加稳定可靠。然而，中国专利申请公开文本cn103557788a的方法中要求一直将线激光点亮，并采取复杂的卡尔曼滤波方法对激光与接触线的交点进行跟踪。同时，本发明公开的方法采用比例因子的方法进行标定，可以极大地方便设备在检测现场的测量过程和准确程度，而中国专利申请公开文本cn103557788a的方法中未阐明类似步骤。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出利用比例因子和帧差测量接触网几何参数的装置的示意图。

图2示出低尺度和实际尺度之间的单应性关系图。

图3示出支架系统的俯视图。

图4示出利用比例因子和帧差测量接触网几何参数的装置的工作流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开的利用比例因子和帧差测量接触网几何参数的装置，包括a.可置于铁路机车车顶上的支架系统，以及b.工控机，

其中

所述支架系统上置有线激光器和摄像机，其中线激光器发射线激光至接触网上形成激光光斑点，所述摄像机采集所形成的激光光斑点图像，且所述线激光器和摄像机被设置成线激光器和摄像机的水平连线与机车行进方向平行，以及所述线激光器发射的线激光形成的平面与机车行进方向垂直；

所述工控机的一端与所述支架系统上的摄像机连接，另一端与所述支架系统上的线激光器连接，在所述线激光器与工控机之间设置有继电器，所述继电器用于将线激光器控制在开启和关闭两种状态；

其中所述工控机被设置成根据所选择的作为低尺度位置的摄像机和线激光器之间的任意位置，通过低尺度棋盘格标定摄像机在所述低尺度下的单应性变换矩阵；

所述工控机被设置成计算所述低尺度位置到摄像机的距离与所述线激光器到摄像机的距离之比，作为低尺度与实际尺度的比例因子；

所述工控机被设置成通过与线激光器连接的继电器，将线激光器控制在开启和关闭两种状态，连续采集带有激光光斑点的图像和不带有激光光斑点的图像；然后采用帧差的方法，对带有激光光斑点的图像帧与不带有激光光斑点的图像帧进行差值运算，选取适当的阈值提取激光光斑，获取激光光斑底部在摄像机成像平面上的坐标；

所述工控机被设置成通过标定的摄像机在所述低尺度下的单应性变换矩阵、低尺度与实际尺度的比例因子，求解摄像机在实际尺度下的单应性变换矩阵；根据所获得的实际尺度下的单应性变换矩阵以及所获取的激光光斑底部在摄像机成像平面上的坐标，求得所述光斑在检测平面上的实际物理坐标；

所述工控机被设置成根据所求得的光斑的实际物理坐标和参考点的物理坐标，计算出接触网的导高和拉出值。

在本发明中，

摄像机为高清摄像机，继电器为可编程控制继电器。

工控机包括数据处理器、输入输出设备和显示设备。

工控机可以由嵌入式设备替换，工控机的传统输入输出设备可由触控式设备替换。

工控机在采用差值法对获取的两帧图像对图像作差之后且获取到激光光斑底部在图像上的坐标之前还采用图像处理技术去除噪声点。

继电器可由其他方式的开关进行替换或者由独立电源供电，并自动与相机同步控制激光器的亮灭。

机车(采集机车)可以在列车铁轨之上自由移动，高度约为4米，支架系统水平固定于采集机车顶部，线激光器和高清摄像机安装于支架系统的两端，二者相距约2米。

线激光器形成的激光平面垂直于机车行进方向，同时另一端的摄像机需要以一定仰角对接触线进行摄像，通常摄像机对于接触线的仰角为30°到50°，优选为45°。

继电器一端连接激光器、另一端连接工控机，工控机通过控制继电器的开合控制线激光器的开闭。摄像机同样连接工控机，通过工控机控制摄像机采集图像。开启时，通过工控机打开线激光器，同时控制摄像机采集接触线上含有亮斑的图像；接下来控制线激光器关闭，并控制摄像机采集接触线上不含有亮斑的图像。不断改变线激光器状态使其工作在脉冲状态下，同时使摄像机和激光器保持同步，分别采集两种状态下的图像。通过图像做差并结合简单的图像处理技术，即可快速准确定位亮斑在图像上的具体位置。

图2示出了低尺度和实际尺度之间的单应性关系图。本发明基于低尺度标定以及低尺度与实际尺度之间的比例因子，从而获取参数的方法简单，引入参数少，极大地降低误差，精确度高。低尺度可为摄像机与激光器(即，实际尺度)之间的任一点，改点位置小于实际尺度并且为易于操作的尺寸范围。低尺度标定(又称标定)就是在低尺度条件下确定检测平面与成像平面之间的对应关系并且进行标定。然后通过低尺度下的检测和实际检测平面的比例关系调整尺度因子，从而能够将激光光斑的坐标从图像坐标变换为检测平面中的物理坐标，并在实际检测平面中进行准确的测量。

对于空间中的任意一个平面，可以找到一个单应性矩阵h＇，建立起该平面上任意一点和摄像机的成像图像上对应点之间的联系，为计算接触线的导高和拉出值，选择垂直于机车行进方向的平面为检测平面；根据相似性原理，可以在摄像机和实际尺度平面之间找到另一个缩小比例辅助检测平面，使得该平面与实际检测平面具有平行关系。根据相似性原理，低尺度下的单应性矩阵h和实际尺度下的单应性矩阵h＇也存在相似关系，仅仅相差一个比例因子。

常见的求解单应性矩阵变换的方法可参见计算机视觉书籍中相关内容，例如《python计算机视觉编程》(【美】jan,erik,solem著，朱文涛，袁勇译，人民邮电出版社，2014，isnb：9787115352323)，《计算机视觉：算法与应用》(computervision:algorithmsandapplications，【美】塞利斯基，清华大学出版社，2012，isbn：9787302269151)，等。

实际测量中，首先在摄像机和线激光器之间通过低尺度棋盘格标定摄像机的单应性矩阵，然后通过测量低尺度图像到摄像机的距离和线激光器到摄像机的距离求出比例因子，再结合比例因子和低尺度变换矩阵求解实际尺度下的变换矩阵。变换矩阵不需要重复标定，一次标定后只要不改变系统的参数即可重复使用。

如图3所示，支架系统水平放置于采集机车顶部的采集平台上，由四个可调节高度的脚垫支撑承载架，用于调节采集装置水平。线激光器通过固定装置固定用于承载架的一端，摄像机通过角度调节器固定于承载架的另一端，可以在一定范围内调节角度。

如图4所示，利用利用比例因子和帧差测量接触网几何参数的装置的工作流程包括以下操作：

首先将线激光器和摄像机固定在图像采集装置的两端，调整好二者的距离为2m左右。工控机在低尺度下通过标定的方式求解摄像机成像平面到实际检测平面的单应性变换矩阵，并记录低尺度与实际尺度下的比例因子。将安装和标定完成的采集设备(置于支架系统上的激光器和摄像机)放在机车上，调整水平。

通过工控机控制继电器开合，以控制激光器处在开启和关闭两种状态，分别在两种状态下通过摄像机获取两帧图像，并传入工控机。对于获取到的两帧图像，工控机采用差值法对图像作差，并采用简单的图像处理技术去除噪声点，选取适当的阈值提取激光光斑。阈值根据差值图像的像素值的百分位数进行选取，例如，当预期光斑的面积是完整图像面积的1％时，则选取全部差值图像像素分布的第99个百分位数。该方法能够获得准确的阈值，从而精确定位光斑的位置，并由此获取到激光光斑底部在成像平面上的坐标。结合低尺度下求得的单应性变换矩阵和比例因子求得实际尺度下的单应性变换矩阵，将光斑底部在成像平面中坐标转换为其在检测平面中的物理坐标。利用光斑在检测平面中的实际物理坐标和参考点的物理坐标，计算导高和拉出值。

在本发明中，成像平面是摄像机的图像传感器所在的平面，通常该平面与摄像机的光轴垂直，但是也可以成一定角度关系。检测平面是线激光器发射的线激光形成的平面，该平面内的位置信息称为物理坐标。根据检测平面上的物理坐标可以直接计算出高铁接触网几何参数例如导高和拉出值。在利用摄像机进行摄像的时候，检测平面上的物理坐标与成像平面上的图像坐标是一一对应的，这种对应关系可通过单应性变换定量地描述。即，可通过单应性变换，将成像平面上的光斑底部坐标经过变换从成像平面映射到检测平面上。

中国专利申请公开文本cn103557788a中通过立体几何的方法来推导这个关系。而在本发明中单应性变换方法更加直观、简洁、不易出错。

本发明所采用的帧差方法，即对带有激光光斑点的图像帧与不带有激光光斑点的图像帧进行差值运算是一种背景去除方法，具体算法为逐点计算两帧图像对应像素的像素值差的绝对值，以该绝对值作为差值图像的像素值。

在本发明中，参考点是在标定过程中指定的某个点，其导高和拉出值是已知的；根据参考点，可以求出导高和拉出值相对于测量原点的绝对坐标值。

本发明直接获取的是光斑底部在成像平面上的坐标。然而，本领域的通常方法是获取光斑中心在成像平面上的坐标，其中光斑中心是接触线与线激光形成平面交点。但是由于线激光具有一定的宽度，在成像平面并且会形成一个与接触线轮廓(圆柱体)相配的月牙形的形状。如果用获取的是光斑中心的坐标，那么该坐标的决定因素就不仅仅是接触线到铁轨的垂直距离了，也包括了线激光的宽度，这会增加测量值的不确定度。

本发明连续采集两张带有激光光斑点的图像和不带有激光光斑点的图像，图像处理是在进行差值运算后，再识别激光光斑点坐标，计算效率高、处理速度快，抗干扰能力强。通过图像坐标与检测平面物理坐标的单应性变换实现测量，相比现有的建立坐标系对系统的几何参数进行推算的方法，获取参数的过程更加简单直接、运算简便、系统误差小、稳定性强、精度高、反应速度快。本发明还采用视频技术进行连续测量，适用于在线实时快速测量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。