開測量用激光器，使激光器照射 在待檢測火車導(dǎo)軌表面形成一道細(xì)窄光條，在該光條處設(shè)置標(biāo)定板，使標(biāo)定板與光條的條 紋重合，并保持標(biāo)定板是垂直安放的；將標(biāo)定板卡在沒有磨耗的火車導(dǎo)軌上，位于線激光束 所在的平面，即導(dǎo)軌輪廓所在平面。確保圖像傳感器相對(duì)校正板的位姿與實(shí)際測量鋼軌磨 耗時(shí)相對(duì)待測鋼軌的位姿一致，同時(shí)也保證了校正板與待測鋼軌的激光平面一致。采用漫 射背光照明方法，由于標(biāo)定板是透光的，內(nèi)部的網(wǎng)格線能在攝像機(jī)中清晰成像，避免了使用 正面照明造成的反射；
[0034] S2、獲取定標(biāo)圖像：連好CCD攝像機(jī)，當(dāng)視窗內(nèi)出現(xiàn)位于激光平面內(nèi)的標(biāo)定板的圖 像時(shí)，獲取激光照射下火車導(dǎo)軌斷面輪廓圖像并對(duì)獲取的輪廓圖像進(jìn)行濾波、二值化、細(xì)化 和中心提取處理，得到一條單像素曲線；
[0035] S3、對(duì)獲取的單像素曲線進(jìn)行標(biāo)定還原，得到火車導(dǎo)軌實(shí)際輪廓線；由于焦平面相 對(duì)于激光平面之間有坐標(biāo)平移、旋轉(zhuǎn)、放大（縮?。┮约皥D像畸變效應(yīng)，因此通過幾何模型 來重構(gòu)激光平面和相機(jī)焦平面的對(duì)應(yīng)關(guān)系；具體包括以下子步驟：
[0036] S31 :通過CCD相機(jī)成像和圖像畸變的變化，相機(jī)焦平面上的圖像坐標(biāo)和激光平面 上的世界坐標(biāo)變換關(guān)系為：
[0037]
[0038] 其中，P(x，y)為激光平面上的點(diǎn)，Q(u，V)表示相機(jī)焦平面上的點(diǎn)，設(shè)圖1中輪廓 線所在的激光平面為圖2中（X-Y)平面，像機(jī)焦平面坐標(biāo)為（U-V)平面，參數(shù)（ki，k 2,……， k12)是待定系數(shù)，一旦這12個(gè)參數(shù)確定，相機(jī)焦平面上任意點(diǎn)到激光平面坐標(biāo)就按（1)式 進(jìn)行計(jì)算。原則上，已知激光平面上6個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和相應(yīng)像點(diǎn)的坐標(biāo)就可以求出這些系數(shù)。 但為了提高校正參數(shù)的精度，一般選取的點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)大于6個(gè)（本實(shí)施例中用了 20個(gè)），點(diǎn)數(shù)越 多，精度越高。利用這些已知點(diǎn)畸變的相機(jī)焦平面坐標(biāo)和未畸變的激光平面坐標(biāo)，通過最小 二乘法求解超定方程組，求出12個(gè)參數(shù)，通過（1)式，對(duì)圖像進(jìn)行變換，就完成了畸變圖像 復(fù)原。F(u，v)、G(u，v)是未知的函數(shù)，標(biāo)定的目的就是通過固定的激光平面坐標(biāo)系和相機(jī) 焦平面坐標(biāo)的關(guān)系來確定函數(shù)F (u，V)、G (u，V)的具體形式，在實(shí)際應(yīng)用中通過這兩個(gè)函數(shù) 將圖像坐標(biāo)變換為激光平面上的坐標(biāo)；近似到二次項(xiàng)，F(xiàn)(u，V)、G(u，V)形式為：
[0039] (2)
[0040] 其中（kp k2，……，k12)為常系數(shù)，標(biāo)定的任務(wù)為確定此系數(shù)組；
[0041] S32 :采用半自動(dòng)化定標(biāo)的方法，通過預(yù)先設(shè)定標(biāo)定板上的20個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)：(Xl，yi)、 (x2, y2)、……、（χΜ，y2(])，即激光平面上的坐標(biāo)點(diǎn)，通過圖像處理的方法來采集相機(jī)焦平面 上對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo)值：(U1, V1)、（U2，V2)、......、（u2。，v 2。)，帶入⑵式：
[0042]
Ο)
[0043] 為了消除個(gè)別點(diǎn)對(duì)結(jié)果的影響，通過最小二乘法求出系數(shù)組（kp k2，……，k12);
[0044] S33 :在測量系統(tǒng)中，對(duì)(XD相機(jī)所獲得的圖像坐標(biāo)通過（2)式進(jìn)行標(biāo)定還原，得到 火車導(dǎo)軌實(shí)際輪廓線。
[0045] 進(jìn)一步地，所述的激光器為線激光束。
[0046] 為了進(jìn)行圖像復(fù)原，本實(shí)施例采用如下的標(biāo)定板：板上密排網(wǎng)格線，網(wǎng)格上每個(gè)小 正方形尺寸為2. 0X2. 0_，根據(jù)測量鋼軌磨耗圖像的特點(diǎn)，感興趣區(qū)域?yàn)殇撥壍耐鈧?cè)曲線， 選擇沿鋼軌外側(cè)曲線排列的20個(gè)網(wǎng)格線交叉點(diǎn)，將其激光平面坐標(biāo)（x，y)的值預(yù)先存儲(chǔ)在 校正程序中，并將這20個(gè)點(diǎn)排序，在標(biāo)定板上標(biāo)出序號(hào)，通過圖像識(shí)別算法自動(dòng)依次獲得 到這些特征點(diǎn)的坐標(biāo)（u，V)。如圖3所示，CCD相機(jī)的光軸與標(biāo)定板平面不垂直，圖像畸變 很明顯，在物距較小的右半平面，小正方圖像較大；在物距較大的右半平面，小正方圖像較 小。
[0047] 為了檢驗(yàn)本發(fā)明對(duì)畸變圖像復(fù)原的效果，如圖4所示，選取標(biāo)定板上橫、豎、斜3條 線段為參照線，這三條線模擬了鋼軌垂直磨耗、側(cè)面磨耗的所用到的光條位置，這些線段的 長度在世界坐標(biāo)系中是已知的，從自動(dòng)標(biāo)定后的圖像，計(jì)算這些線段的長度，結(jié)果列于表1 中。從表可見，復(fù)原前線段長度與實(shí)際長度有非常大的誤差，復(fù)原后線段長度與實(shí)際長度誤 差小于0. 2mm。
[0048] 表1世界坐標(biāo)系中的三段參考線段的真實(shí)值與圖像復(fù)原前后計(jì)算值比較
[0049]
[0050] 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā) 明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各 種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于機(jī)器視覺火車導(dǎo)軌輪廓測量中的圖像復(fù)原方法，其特征在于，包括w下步驟： 51、 安放標(biāo)定板：將標(biāo)定板安放在火車導(dǎo)軌上，打開測量用激光器，使激光器照射在待 檢測火車導(dǎo)軌表面形成一道細(xì)窄光條，在該光條處設(shè)置標(biāo)定板，使標(biāo)定板與光條的條紋重 合，并保持標(biāo)定板是垂直安放的； 52、 獲取定標(biāo)圖像：連好CCD攝像機(jī)，當(dāng)視窗內(nèi)出現(xiàn)位于激光平面內(nèi)的標(biāo)定板的圖像 時(shí)，獲取激光照射下火車導(dǎo)軌斷面輪廓圖像并對(duì)獲取的輪廓圖像進(jìn)行濾波、二值化、細(xì)化和 中屯、提取處理，得到一條單像素曲線； 53、 對(duì)獲取的單像素曲線進(jìn)行標(biāo)定還原，得到火車導(dǎo)軌實(shí)際輪廓線。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像復(fù)原方法，其特征在于，所述的激光器為線激光束。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像復(fù)原方法，其特征在于，所述的步驟S3中的標(biāo)定還原是 指通過幾何模型來重構(gòu)激光平面和相機(jī)焦平面的對(duì)應(yīng)關(guān)系。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖像復(fù)原方法，其特征在于，所述的步驟S3具體包括W下子 步驟： 531 :通過CCD相機(jī)成像和圖像崎變的變化，相機(jī)焦平面上的圖像坐標(biāo)和激光平面上的 世界坐標(biāo)變換關(guān)系為：(1) 其中，P(x，y)為激光平面上的點(diǎn)，Q(u，V)表示相機(jī)焦平面上的點(diǎn)，F(xiàn)(u,V)、G(u,V)是 未知的函數(shù)，標(biāo)定的目的就是通過固定的激光平面坐標(biāo)系和相機(jī)焦平面坐標(biāo)的關(guān)系來確定 函數(shù)F(u，v)、G(u，v)的具體形式，在實(shí)際應(yīng)用中通過運(yùn)兩個(gè)函數(shù)將圖像坐標(biāo)變換為激光平 面上的坐標(biāo)；近似到二次項(xiàng)，F(xiàn)(u，V)、G(u，V)形式為：(2) 其中化i，k2,……，ki2)為常系數(shù)，標(biāo)定的任務(wù)為確定此系數(shù)組； 532 :采用半自動(dòng)化定標(biāo)的方法，通過預(yù)先設(shè)定標(biāo)定板上的20個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)：（Xi，yi)，（而， y2)，……，（X。，y。），即激光平面上的坐標(biāo)點(diǎn)，通過圖像處理的方法來采集相機(jī)焦平面上對(duì) 應(yīng)的圖像坐標(biāo)值：(Ui，Vi)，咕，V2)，......，（叫2,Vi2)，帶入似式： (3) 通過最小二乘法求出系數(shù)組化1，k2,……，ki2); S33 :在測量系統(tǒng)中，對(duì)CCD相機(jī)所獲得的圖像坐標(biāo)通過（2)式進(jìn)行標(biāo)定還原，得到火車 導(dǎo)軌實(shí)際輪廓線。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于機(jī)器視覺火車導(dǎo)軌輪廓測量中的圖像復(fù)原方法，包括以下步驟：S1、安放標(biāo)定板：將標(biāo)定板安放在火車導(dǎo)軌上，使激光器照射在待檢測火車導(dǎo)軌表面形成一道細(xì)窄光條，在該光條處設(shè)置標(biāo)定板，使標(biāo)定板與光條的條紋重合；S2、獲取定標(biāo)圖像：連好CCD攝像機(jī)，當(dāng)視窗內(nèi)出現(xiàn)位于激光平面內(nèi)的標(biāo)定板的圖像時(shí)，獲取激光照射下火車導(dǎo)軌斷面輪廓圖像；S3、對(duì)獲取的單像素曲線進(jìn)行標(biāo)定還原，得到火車導(dǎo)軌實(shí)際輪廓線。本發(fā)明對(duì)輪廓線進(jìn)行標(biāo)定還原處理，將CCD相機(jī)采集到的二維圖像模型通過計(jì)算來還原實(shí)際的三維空間上圖像的信息，能夠?qū)⒒兿€原真實(shí)輪廓線，使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。
【IPC分類】G01B11/24
【公開號(hào)】CN105004280
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510408510
【發(fā)明人】余學(xué)才, 張行至, 張利勛, 周建華
【申請(qǐng)人】成都多極子科技有限公司
【公開日】2015年10月28日
【申請(qǐng)日】2015年7月13日