钢轨磨耗动态测量结构光条纹中心提取算法

第40卷第1期 2010年1月 激光与红外 LASER&INFRARED V01．40，No．1 January，2010 文章编号：1001-50"78(2010)0141087-04 ·光电技术与系统· 钢轨磨耗动态测量结构光条纹中心提取算法 王伟华，孙军华，刘 震，张广军 (北京航空航天大学精密光机电一体化技术教育部重点实验室，北京100191) 摘要：针对钢轨磨耗结构光动态测量中结构光条纹中心提取的实时性问题，提出一种新的序 列图像中结构光条纹中心的快速提取算法。以上一帧图像中提取的钢轨条纹中心作为条纹中 心的初始位置，首先对初始位置进行校正，以补偿传感器振动所带来的图像中条纹纵向变化， 然后在法向方向上使用灰度质心法计算得到条纹中心的近似值，通过在近似值点计算单点 Hessian矩阵获得条纹中心的亚像素精确位置。实验表明，该方法速度快、精度高，有效解决了 基于结构光视觉的钢轨磨耗动态测量中条纹中心的实时精确提取问题。 关键词：钢轨磨耗；机器视觉；结构光；光条中心；Hessian矩阵 中图分类号：TN391；TN247文献标识码：A Stripecenterextricationalgorithmforstructured—lightinrailwear dynamicmeasurement WANGWei-hua，SUNJun—hua，LIUZhen，ZHANGGuang-jun (KeyLaboratoryforPrecisionOpto—mechanicalTechnologyoftheMinistryofEducation， BeihangUniversity，Beijing100191，China) Abstract：Anewextricationalgorithmforwaistrailstripecenterbasedonsequencesimagesisproposedtoaccomplish structured—lightstripecenterextricationinrailweardynamicmeasurement．Theinitialvalueofthestripecenter，which issettObetheoneinpreviousframemustbecalibratedtooffsetdeviationony-axiscausedbyrailimagevibration． Then，theapproximatevalueofthestripecenteriscalculatedbycenterofgravitymethodinnormaldirection．Struc— turedlightstripecenteratsub-pixelprecisionisexactedthoughcalculatesignal-peintHessianmatrix．Theexperimen- talresultsshowthattheproposedalgorithmisfast，highprecise，andcaneffectivelyresolvetheproblemofstructured- lightstripecenterextricationinrailweardynamicmeasurement． Keywords：railwear；machinevision；structured-light；stripecenter；Hessianmatrix 1 引 言 钢轨磨耗检测是铁路安全运营的重要保证，对 于制定合理的铁路运输计划和降低维护成本是非常 重要的。长期以来，对钢轨磨耗的测量都是由人工 采用专用卡尺抽样检测，效率低下，无法实现在线动 态测量。目前，随着机器视觉测量技术发展与日臻 成熟，以结构光为代表的三维视觉测量技术因非接 触、速度快、实时性强及主动受控等特点已成为物体 表面磨耗测量最有效的方法。 基于结构光视觉的钢轨磨耗测量的研究已受到 广泛的重视，文献[1]一[3]对此做了研究，即由激 光器投射光平面于钢轨内侧形成测量光条，相机采 集光条纹图像，结构光条纹受到被测物体(钢轨)表 面的调制而发生变化，要想准确地获得钢轨表面的 尺寸数据信息，必须首先从图像中获取光条纹中 基金项目：国家自然科学基金项目(No．60804060)；铁道部科技 研究开发计划项目(No．2008G020一C)资助。 作者简介：王伟华(1984一)，男，硕士研究生，主要研究方向为 机器视觉测量，光电测试技术。E—mail：Email：whwan90601@grnail． coin 收稿日期：2009-08-04 万方数据 激光与红外 第40卷 心的准确位置信息。结构光条纹中心的快速、精确 提取是实现钢轨磨耗动态测量的关键。 传统的光条纹中心线提取方法有极值法、阈值 法、质心法等，这些方法实现简单，但精度不高，且易 受噪声影响。贺俊吉Mo等提出在光条截面上进行 曲线拟合得到条纹中心的亚像素位置，由于需做滤 波和去伪操作，执行速度有限。胡斌”1等提出了基 于方向 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 的结构光条纹中心检测方法，抗噪声能 力较好，但数据存储量大。Steger【61法精度高，鲁棒 性好，但运算量大，难以满足实时性要求高的应用场 合。胡坤川等将大模板高斯卷积的递归实现引入 到Steger方法中，但由于Hessian矩阵方法计算量 大，仍不能满足在线实时测量的要求。 针对上述问题，提出一种序列图像中钢轨结构 光条纹中心的快速、亚像素级提取算法。该方法充 分利用序列图像中的先验知识，以上一帧的提取结 果为初始值，经校正后在光条法向法向上使用灰度 质心法得到近似条纹中心，然后在近似值点通过计 算单点Hessian矩阵获得条纹中心的精确位置。 2系统测量原理 结构光视觉钢轨磨耗动态测量系统结构如图1 所示。 图1 系统测量原理不意图 结构光视觉传感器安装于列车底部，激光器投 射光平面于钢轨表面形成测量光条，由位于一侧的 摄像机拍摄获得测量光条图像。经图像处理提取结 构光条中心点，采用视觉测量模型计算获得钢轨横 截面轮廓的尺寸数据，通过与标准设计轮廓对比求 得磨耗值。 在动态测量中，视觉传感器随列车运行，实现对 钢轨磨耗的实时动态测量。如何快速、精确的提取 结构光条纹中心是实现钢轨磨耗动态测量的关键。 3序列图像条纹中心提取算法原理 在列车运行中，摄像机所拍摄的图像中光条位 置变化不大，因此序列图像中激光条纹中心提取算 法可充分利用前一帧图像的先验知识，实现对后续 帧的图像条纹中心的快速提取。该算法的基本原理 包括如下步骤： 1)通过对第O帧图像中的条纹中心使用Steger 算法精确提取，以保证较高的精度，并将此结果作为 第l帧图像条纹中心的初始位置。如图2所示。 (a)第。帧图像 (b)第i帧图像(c)第(i+1)帧图像 图2激光条纹中心提取示意图 2)在后续帧的图像中，对上一帧图像得到的条 纹中心初始点进行校正，消除振动带来的条纹中心 位置变化。 3)在条纹中心初始位置点，沿法向方向的一段区 域内使用灰度质心法，得到条纹中心的近似值。在近 似中心点求取单点Hessian矩阵做精确化提取。 4)步骤3)的提取结果又作为下一帧图像条纹 中心的初始位置，重复以上步骤，实现激光序列图像 条纹中心的提取。 4结构光条纹中心提取算法 4．1 条纹中心初始位置的校正 由于钢轨磨耗发生在轨头外侧和上边缘，轨头 下边缘和轨腰部分并未磨损，所以随着列车的运行， 摄像机获得钢轨序列图像轨腰上的光条形状及位置 基本保持不变。但由于振动，传感器在钢轨横截面 内振动不可避免，从而造成光条位置在所拍摄图像 中纵向的变化。 如图2所示，轨腰上边的某一特征点％，⋯，K 反应了序列图像中轨腰条纹整体在图像纵坐标方向 的位置。 假设，第i帧图像中提取的轨腰条纹中心为： Xf=[髫i K=[Y； o’蟹 ㈩ Yz ⋯y。j 其中，n表示提取轨腰条纹中心点个数。则第(i+1) 帧图像的轨腰条纹中心初始点坐标(爱+。，Z+，)为： 万方数据 激光与红外No．12010 王伟华等钢轨磨耗动态测量结构光条纹中心提取算法 89 置+I=Xi E+l=y：f+AE+l =[一+AE+l扎i+△K+l⋯Z+△K+1]T 、 (2) 其中，△K+I-K+。一K；Xi，K是第i帧图像中条纹 中心精确提取结果。 4．2条纹中心精确提取方法 线结构光是由激光器产生的点光源经圆柱透镜 调制后形成的单色线激光。理想状况下，激光条纹 光强符合高斯分布，其数学表达式为： G㈤=去exp卜等】 (3) 式中，A为幅值，表示曲线高度；盯为标准差，代表曲 线跨度；n为均值，即为条纹中心。 设光条图像梯度方向灰度分布函数为以菇，Y)， 以上一帧图像获得的光条纹中心精确值作为当前帧 的初始值，经垂直校正以消除振动带来的影响。 假设光条上某点初始点为(髫。，Yo)，由上一帧 Hessian矩阵求出的该点处条纹法向为乃(心，n，)， 以初始点为中心，在该法线方向上的一定区间内使 用灰度质心法求取光条纹中心的近似值，有： ∑．以戈。，Ym)·％ 石c2——矿——————一 ∑以省。，Y。) 。m=l (4)M 、 ’ ∑．Ax。，Y。)·Y。 儿2—1F————一 ∑．厂(髫。，Y。) 其中，g(菇，，，)为二维高斯函数；‘，ry，rxx，～，ryy由图 像火石，，，)分别与相应微分形式的高斯核卷积得到。 根据Hessian矩阵求得点(菇。，儿)处图像梯度方 向为(n，，n，)，其中0nx，～)0=l。从而得到光条 中心点精确位置为： (Xi，l，：f)=(菇。+魄，儿+trt，) (6) 其中，t=j—{量±每，且满足一0．5<饥，< nzl“’IlsllyI斜tnyrrf 0．5，一0．5 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ]-仪器仪表学报 2006(10) 2.C Steger An unbiased detector of curvilinear structures[外文期刊] 1998(02) 3.胡斌;李德华;金刚 基于方向模板的结构光条纹中心检测方法[期刊论文]-计算机工程与应用 2002(11) 4.贺俊吉;张广军 结构光三维视觉检测中光条图像处理方法研究[期刊论文]-北京航空航天大学学报 2003(07) 5.蒋本和;靳文瑞;纪淑波 车载式钢轨磨耗近红外动态测量装置原理[期刊论文]-激光与红外 2004(02) 6.杨留君 基于计算机视觉的钢轨磨耗测量系统的研究与实现 2007 7.丁大尉;纪淑波;王立志 光电式钢轨磨损实时检测系统[期刊论文]-中国铁道科学 2006(01) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jgyhw201001021.aspx