非接触式钢轨位移与倾角的在线视觉测量方法和装置

1.本发明涉及三维点云视觉测量技术领域，尤其涉及一非接触式钢轨位移与倾角的在线视觉测量方法和装置。


背景技术：

2.伴随着轨道交通的快速发展以及越来越多轨道线路的投入运营，轨道检测与维护的工作也急剧增长，对保障轨道健康服役形成了极大的压力。列车运行过程中，车轮对钢轨的压力会导致钢轨变形并向侧方发生微小侧倾，对钢轨的形变情况进行在线监测有利于把握并保障轨道的健康服役状况，保证轨道交通的安全运营。将线激光投射到被测目标表面，利用相机对投射区域进行拍摄，通过三角测量原理对被测投射目标进行三维重建，得到激光面与目标相交的断面廓形点云，从而计算出相关物理参数的方法是一种非接触的测量方法，在三维成像、工业产品质量检测、钢轨探伤检测等多个领域有广泛应用。现有列车运行时钢轨微小形变的检测技术多为接触式测量，安装器件较多、测量过程复杂且具有一定的安全隐患。因此，提供一种简单、准确、安全的基于计算机视觉的非接触式在线测量装置与方法具有重要的实际意义。


技术实现要素：

3.本发明的实施例提供了一种多媒体通信系统中的资源管理方法，用于解决现有技术中存在的问题。
4.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
5.一种非接触式钢轨位移与倾角的在线视觉测量方法，包括：
6.s1在钢轨外侧通过线激光器和相机采集激光面照射区域钢轨图像，并通过三角测量方法构建静止态钢轨断面廓形点云和列车通过过程中的不同时刻的动态钢轨断面廓形点云；
7.s2将该静止态钢轨断面廓形点云与标准钢轨模型进行配准处理，获得测量基准；
8.s3基于静止态钢轨断面廓形点云和动态钢轨断面廓形点云获得多个特征点，将静止态断面廓形点云分别和不同时刻的动态钢轨断面廓形点云进行特征点匹配；
9.s4基于测量基准，结合匹配的多个特征点计算钢轨所在的列车通过时刻的垂向位移、横向位移和倾角，根据多个连续时刻的钢轨的垂向位移、横向位移和倾角可计算列车通过时钢轨的连续位移和倾角变化情况。
10.优选地，步骤s1包括：
11.s11基于线激光器的线宽和线长，相机的分辨率、像素、视场景深和视场面积，结合钢轨区域的环境因素，获得相机和线激光器的安装距离和固定方式；
12.s12调整线激光器的照射角度，使得线激光器的激光面与待测钢轨的目标区域相交，且待测钢轨的轨向与线激光器的激光面垂直；
13.s13调整相机拍摄角度；
14.s14对相机的拍摄角度和线激光器的激光面进行标定，通过线激光器和相机采集激光面照射区域钢轨图像，并通过三角测量方法构建静止态钢轨断面廓形点云和列车通过过程中的不同时刻的动态钢轨断面廓形点云。
15.优选地，步骤s2包括：
16.s21通过建模软件建立工作界面生成钢轨cad模型，对该钢轨cad模型进行采样获得点云数据，在工作界面中，选取x轴方向平行于钢轨轨面且垂直于钢轨轨向，y轴方向垂直于钢轨轨面，z轴方向平行于钢轨延伸方向，原点位于钢轨轨底中心位置；
17.s22沿垂直钢轨方向切割钢轨点云，得到标准的钢轨断面廓形配准对应的点云s1；
18.s23基于静止态钢轨断面廓形点云s2，计算静止态钢轨断面廓形点云与标准的钢轨断面廓形配准对应的点云的倒角距离d
cd
(s1,s2)，重复该过程进行迭代调整，使得静止态钢轨断面廓形点云与标准的钢轨断面廓形配准对应的点云的倒角距离小于预设阈值δ，获得平移旋转参数。
19.优选地，倒角距离d
cd
(s1,s2)的计算公式为：
[0020][0021]
优选地，步骤s3包括：
[0022]
s31基于动态钢轨断面廓形点云，通过平移旋转参数，将各个时刻的动态钢轨断面廓形点云变换到步骤s21的建模软件建立工作界面的坐标系中；
[0023]
s32计算执行了子步骤s31后的动态钢轨断面廓形点云的各个点的曲率，选取曲率最大的前n个执行了子步骤s31后的动态钢轨断面廓形点云的点，获得特征点；
[0024]
s33基于不同时刻的动态钢轨断面廓形点云，以各个点的曲率从大到小的顺序，分别与静止态钢轨断面廓形点云进行特征点匹配操作。
[0025]
优选地，步骤s3包括：
[0026]
s41设静止态钢轨廓形线点云的特征点为p1、p2、
…
、pn，设t时刻列车通过时的对应的动态钢轨断面廓形点云的特征点为p1'、p2'、
…
、pn'，计算t时刻每对匹配的特征点的差值p
i-pi'，n为特征点数量；基于t时刻每对匹配的特征点的差值p
i-pi'，获得n个特征点在t时刻的横向位移x
t
和垂向位移y
t
；
[0027]
s42基于原点o和静止态钢轨廓形线点云的特征点p1、p2、
…
、pn，获得静止态的特征向量op1、op2、
…
、opn，基于t时刻列车通过时的对应的动态钢轨断面廓形点云的特征点p1'、p2'、
…
、pn'，计算获得与该t时刻的静止态的特征向量op1、op2、
…
、opn相匹配的n个动态的特征向量op1'、op2'、
……
、opn'；
[0028]
s43计算该动态的特征向量op1'、op2'、
……
、opn'的夹角并求均值，获得t时刻钢轨倾角α
t
。
[0029]
第二方面，本发明提供一种非接触式钢轨位移与倾角的在线视觉测量装置，包括线激光器、相机和处理模块；
[0030]
线激光器用于向待测钢轨区域照射激光面；相机用于采集激光面照射区域钢轨图像，并传输到处理模块；
[0031]
处理模块用于：基于激光面照射区域钢轨图像，并通过三角测量方法构建静止态钢轨断面廓形点云和列车通过过程中的不同时刻的动态钢轨断面廓形点云；
[0032]
将该静止态钢轨断面廓形点云与标准钢轨模型进行配准处理，获得测量基准；
[0033]
基于动态钢轨断面廓形点云获得多个特征点，对相应时刻的动态钢轨断面廓形点云的点云数据进行特征点匹配；
[0034]
基于测量基准，结合匹配的多个特征点计算钢轨所在的列车通过时刻的垂向位移、横向位移和倾角，多个连续时刻的配准数据可计算列车通过时钢轨的连续位移和倾角变化情况。
[0035]
优选地，装置包括1台线激光器和1台相机，相机为高分辨率工业相机。
[0036]
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供了一种非接触式钢轨位移与倾角的在线视觉测量方法与装置，其中的方法包括如下步骤：s1：在钢轨外侧布置线激光器和高分辨率工业相机，获取钢轨外侧线激光照射断面区域图像，利用三角测量原理重建钢轨断面廓形点云；s2：将重建的静止态(列车未通过时)钢轨断面廓形点云与标准钢轨模型进行配准；s3：在列车通过时重建的断面廓形点云中提取、筛选多个特征点，对不同时刻重建的点云数据进行特征点匹配；s4：根据匹配的多个特征点计算钢轨在不同时刻的垂向位移、横向位移和倾角。本发明提供的方法与装置能够简单、准确、安全地对钢轨在列车运行过程中出现的横向位移、垂向位移和倾角进行测量。该技术为钢轨倾角与位移的非接触式测量提供了快速、准确、可靠的理论技术支持。
[0037]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]
图1为本发明提供的非接触式钢轨位移与倾角的视觉测量方法流程示意图；
[0040]
图2为本发明提供的非接触式钢轨位移与倾角的视觉测量装置工作状态示意图；
[0041]
图3为本发明提供的非接触式钢轨位移与倾角的视觉测量方法的测量参数示意图(x
t
、y
t
、a
t
为别为t时刻某特征点的横向位移、垂向位移和倾角)。
具体实施方式
[0042]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0043]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0044]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0045]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0046]
参见图1，本发明公开了一种非接触式钢轨位移与倾角的视觉测量方法，包括如下步骤：
[0047]
步骤s1：在钢轨外侧通过线激光器和相机采集激光面照射区域钢轨图像，并通过三角测量方法构建静止态钢轨断面廓形点云和列车通过过程中的不同时刻的动态钢轨断面廓形点云；
[0048]
步骤s2：将该静止态钢轨断面廓形点云与标准钢轨模型进行配准处理，获得测量基准；
[0049]
步骤s3：基于静止态钢轨断面廓形点云和动态钢轨断面廓形点云获得多个特征点，将静止态断面廓形点云分别和不同时刻的动态钢轨断面廓形点云进行特征点匹配；
[0050]
步骤s4：以步骤s2获得的静止态钢轨断面廓形点云为测量基准，结合匹配的多个特征点计算钢轨所在的列车通过时刻的垂向位移、横向位移和倾角，根据多个连续时刻的配准数据可计算列车通过时钢轨的连续位移和倾角变化情况。其中的配准数据包括钢轨的垂向位移、横向位移和倾角等。
[0051]
在本发明提供的优选实施例中，步骤s1包括：
[0052]
步骤s11：根据线激光器的线宽、线长和相机分辨率、像素大小、视场景深和大小等参数信息，结合现场环境确定相机和线激光器的安装距离和固定方式；
[0053]
步骤s12：调整线激光器的照射角度，使得线激光器的激光面与待测钢轨的目标区域相交，且待测钢轨的轨向与线激光器的激光面垂直；
[0054]
步骤s13：调整相机拍摄角度使得相机可拍摄到清晰的激光线条图像；
[0055]
步骤s14：对相机的拍摄角度和线激光器的激光面进行标定，通过线激光器和相机采集激光面照射区域钢轨图像，并通过三角测量方法构建所述静止态钢轨断面廓形点云和列车通过过程中的不同时刻的动态钢轨断面廓形点云。
[0056]
步骤s2包括：
[0057]
步骤s21：通过建模软件建立工作界面生成钢轨cad模型，对该钢轨cad模型进行采样获得点云数据，在工作界面中，选取x轴方向平行于轨面且垂直于轨向，y轴方向垂直轨面，z轴平行于钢轨延伸方向，原点为轨底中心位置；
[0058]
步骤s22：沿垂直钢轨方向切割钢轨点云，得到标准的钢轨断面廓形配准对应的点云；
[0059]
步骤s23：基于所述静止态钢轨断面廓形点云，计算所述静止态钢轨断面廓形点云与所述标准的钢轨断面廓形配准对应的点云的倒角距离，重复该过程进行迭代调整，使得所述静止态钢轨断面廓形点云与所述标准的钢轨断面廓形配准对应的点云的倒角距离小于预设阈值δ，获得平移旋转参数。
[0060]
其中，倒角距离的计算公式为：
[0061][0062]
步骤s3包括：
[0063]
步骤s31：基于重建得到的动态钢轨断面廓形点云，通过所述平移旋转参数，将各个时刻的动态钢轨断面廓形点云变换到步骤s21的建模软件建立工作界面的坐标系中；
[0064]
步骤s32：计算执行了子步骤s31后的动态钢轨断面廓形点云的各个点的曲率，选取曲率最大的前n个点作为特征点；
[0065]
s33基于不同时刻的动态钢轨断面廓形点云，以各个点的曲率从大到小的顺序，分别与静止态钢轨断面廓形点云进行特征点的匹配操作。
[0066]
步骤s4包括：
[0067]
步骤s41：如图3所示，设所述静止态钢轨廓形线点云的特征点为p1、p2、
…
、pn(即测量基准)，设t时刻列车通过时的对应的所述动态钢轨断面廓形点云的特征点为p1'、p2'、
…
、pn'，计算t时刻每对匹配的所述特征点的差值，n为特征点数量；基于t时刻每对匹配的所述特征点的差值，获得n个特征点在t时刻的横向位移和垂向位移。n对特征点可以得到n个差，它们分别在x轴方向和y轴方向的分量即为n个特征点在t时刻的横向位移和垂向位移。
[0068]
步骤s42：如图3所示，基于原点和所述静止态钢轨廓形线点云的特征点p1、p2、
…
、pn，获得静止态的特征向量op1、op2、
…
、opn，基于所述t时刻列车通过时的对应的所述动态钢轨断面廓形点云的特征点p1'、p2'、
…
、pn'，计算获得与该t时刻的静止态的特征向量相匹配的n个动态的特征向量op1'、op2'、
……
、opn'；
[0069]
步骤s43计算该动态的特征向量的夹角并求均值，获得t时刻钢轨倾角α
t
。
[0070]
第二方面，本发明提供一种执行上述方法的装置，包括线激光器、相机和处理模块；线激光器用于向待测钢轨区域照射激光面；相机用于采集激光面照射区域钢轨图像，并传输到处理模块；处理模块用于：基于激光面照射区域钢轨图像，并通过三角测量方法构建静止态钢轨断面廓形点云和列车通过过程中的不同时刻的动态钢轨断面廓形点云；将该静止态钢轨断面廓形点云与标准钢轨模型进行配准处理，获得测量基准；基于动态钢轨断面廓形点云获得多个特征点，对相应时刻的动态钢轨断面廓形点云的点云数据进行特征点匹配；基于匹配的多个特征点计算钢轨所在的列车通过时刻的垂向位移、横向位移和倾角，多个连续时刻的配准数据可计算列车通过时钢轨的连续位移和倾角变化情况。
[0071]
进一步的，在一些优选实施例中，装置包括1台线激光器和1台相机，相机为高分辨率工业相机。
[0072]
综上所述，本发明提供了一种非接触式钢轨位移与倾角的在线视觉测量方法与装置，其中的方法包括如下步骤：s1：在钢轨外侧布置线激光器和高分辨率工业相机，获取钢轨外侧线激光照射断面区域图像，利用三角测量原理重建钢轨断面廓形点云；s2：将重建的静止态(列车未通过时)钢轨断面廓形点云与标准钢轨模型进行配准；s3：在列车通过时重建的断面廓形点云中提取、筛选多个特征点，对不同时刻重建的点云数据进行特征点匹配；s4：根据匹配的多个特征点计算钢轨在不同时刻的垂向位移、横向位移和倾角。本发明提供的方法与装置能够简单、准确、安全地对钢轨在列车运行过程中出现的横向位移、垂向位移和倾角进行测量。该技术为钢轨倾角与位移的非接触式测量提供了快速、准确、可靠的理论
技术支持。
[0073]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0074]
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0075]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0076]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。