一种基于机器视觉的高铁扣件检测与计数方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于机器视觉的高铁扣件检测与计数方法及系统，包括图像采集设备、DSP嵌入式处理系统和两个LED照明装置；并设计了基于扣件面积与宽度特征的快速扣件检测方法。同采用光电编码器、光电测距传感器及GPS定位系统等扣件定位方法相比，采用基于机器视觉的扣件定位方法具有定位精度高、无累积误差、结构简单易于搭建、性价比高等优势；利用该系统获得的扣件计数结果上传至上位机，并对轨道几何参数测量传感器获得的轨道几何参数故障位置进行标注，为铁路维修人员快速准确提供维修位置，对实现对铁路的安全预警具有非常重要的意义。

Method and system for detecting and counting high speed rail fastener based on machine vision

The invention relates to a machine vision high-speed rail fastener detection and counting method and system based on DSP, including the image acquisition equipment, embedded processing system and two LED lighting device; and the design of the fast fastener fastener area and width feature detection method based on. Compared with photoelectric encoder, photoelectric measuring sensor and GPS positioning system positioning method using fastener, fastener positioning method based on machine vision has the advantages of high precision, no accumulation error, simple structure, easy to build higher price advantage; the fastener count results obtained using the system uploaded to the host computer, and the fault location on the track geometry parameters track geometric parameter measuring sensors to obtain the mark for railway maintenance personnel to quickly and accurately provide the service position, is very important for the realization of the railway safety warning significance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于机器视觉的高铁扣件检测与计数方法及系统
本专利技术属于数字图像处理以及高铁机动化技术，具体涉及一种基于机器视觉的高铁扣件检测与计数方法及系统，实现了对轨道扣件的实时准确检测与计数，为高速铁路故障提供定位标注信息。
技术介绍
截止2015年末，我国投入运营的高速铁路超过1.9万公里，居世界第一位，最高行驶速度可达350公里/每小时，极大地推进了我国交通运输的发展。但是维护不断扩张的高铁线路，实现对铁路的安全预警也成为亟待解决的问题。为了高速铁路线路长期处于符合铁路技术标准规定的良好状态，需要对铁路轨道、扣件组、路基进行经常性检测、维修作业。其中，轨道检测是铁路工务部门的基础任务，目前已研发出的轨检车是用于轨道参数连续动态检测的专用车辆，其目的是定期对轨道进行检测，掌握轨道质量状态，指导铁路工务部门进行轨道维护，确保铁路运输安全。轨道几何参数测量一旦发现问题，如何准确定位故障发生的位置，对提高维修人员的工作效率具有重要意义。由于扣件组之间的距离(除去进出站、轨道交汇、拐弯等区域)是基本一致的，为了完成以上目的，可通过里程测量来完成扣件的计数(编号)。目前，我国高铁轨道巡检车常采用光电编码器、光电测距传感器或GPS定位系统对轨道扣件进行定位。然而，光电编码器由于车轮打滑，定位误差会随里程数的增加而累积增大。基于光电测距传感器的定位系统由于安装误差准确程度不够；GPS在隧道、山区等环境下定位会受到严重影响。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于机器视觉的高铁扣件检测与计数方法及系统，将其搭载于轨道检测小车之上，完成扣件的实时、准确检测与计数。计数结果可用于轨道故障定位，共同辅助对轨道几何参数的快速修正。技术方案一种基于机器视觉的高铁扣件检测与计数方法，其特征在于步骤如下：步骤1：对采集到的当前帧图像数据，抽取Y通道分量，得到灰度图像；步骤2：对灰度图像数据进行中值滤波去噪；步骤3：以阈值分割方法对图像进行二值化处理，得到二值化图像数据；步骤4：对二值图像中的黑色像素个数进行统计，将统计结果作为目标面积m；对二值化图像按行累加获得投影曲线，并计算行投影曲线凸起部分的长度值做为目标在图像中的宽度n；步骤5：将目标面积m和目标在图像中的宽度n与实际扣件在图像中的面积M和宽度N进行比较；如果检测到的目标面积与宽度都与实际扣件的面积与宽度一致，则判定图像中存在扣件；步骤6：如果当前帧图像中存在扣件，且上一帧图像经过步骤1～步骤5判定为不存在扣件，则给予计数；否则不予计数；重复步骤1～步骤6完成扣件的检测与计数。一种实现所述方法的系统，其特征在于：包括图像采集设备、DSP嵌入式处理系统和两个LED照明装置；图像采集设备的镜头位于机箱下部的中心，两个LED照明装置等距离置于镜头两侧，DSP嵌入式处理系统置于机箱内；DSP嵌入式处理系统与包括图像采集设备的相机之间通过BNC接口的数据线连接；使用时，机箱搭载于轨道检测小车上，镜头对准轨道扣件位置，两个LED照明装置与运行方向平行，图像采集装置将连续捕获的图像数据通过BNC接口的数据线送至DSP嵌入式处理系统。所述图像采集系统的视场纵向长度为单个扣件的宽度+50mm的空间余量；视场横向长度为扣件长度+80mm的余量；所述视场纵向长度为列车运行方向；所述视场横向长度为列车运行方向垂直。所述图像采集系统的工作距离为400mm，测量视场大小为：440mm×330mm。所述相机采用SONY公司的VS-250DH2小型彩色工业模拟相机。所述镜头采用维视图像公司的AFT-0420MP镜头。所述DSP嵌入式处理系统采用TI公司C6000系列DSP中的定点DSP。采用透光率高达到92％亚克力有机玻璃板作为相机、镜头、LED装置的防护罩。有益效果本专利技术提出的一种基于机器视觉的高铁扣件检测与计数方法及系统，首先设计了扣件计数方法，在此基础上设计了图像采集系统及照明装置，并设计了基于扣件面积与宽度特征的快速扣件检测方法。本专利技术优越性：1、同采用光电编码器、光电测距传感器及GPS定位系统等扣件定位方法相比，采用基于机器视觉的扣件定位方法具有定位精度高、无累积误差、结构简单易于搭建、性价比高等优势；2、该系统可全天时正常工作。LED光源具有寿命长(一般超过3万小时)、响应迅速(能在10ms或更短的时间内达到最大亮度)等优点，选择装配LED照明装置不仅可以令系统在晚间正常工作，也可以在白天抑制因太阳光照射产生的阴影的影响，可提高扣件检测对环境影响的鲁棒性；3、采用的TMS320DM642是TI公司C6000系列DSP中的定点DSP，其核心是C6414型高性能数字信号处理器，具有极强的处理性能，高度的灵活性和可编程性，同时外围集成了非常完整的视频接口，特别适用于机器视觉应用领域；4、采用具有高透光性(透光率高达到92％)的亚克力有机玻璃板作为防护罩，在不影响成像效果的情况下，可防止工作环境中风沙、碎石对相机、镜头、LED装置造成污染或破坏。5、利用该系统获得的扣件计数结果上传至上位机，并对轨道几何参数测量传感器获得的轨道几何参数故障位置进行标注，为铁路维修人员快速准确提供维修位置，对实现对铁路的安全预警具有非常重要的意义。附图说明图1为系统结构示意图。图2为系统工作流程图。图3为扣件计数方法流程图。图4为扣件尺寸与轨枕距离示意图图5为相机和镜头参数设计示意图。图6为是否满足扣件计数要求的临界情况示意图。图7为光源安装位置示意图。(a)观察方向与行驶方向一致(b)观察方向垂直于行驶方向图8为基于面积与宽度特征的扣件快速检测流程图。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：如图1示，将该系统通过支架搭载于轨道检测小车之上，接通电源后，系统处于待机状态，位于机箱下部镜头两侧的LED照明装置开始工作。当由上位机通过RS232串口发送启动信号给位于机箱上部DSP嵌入式系统时，系统开始工作，位于机箱中央图像采集装置(相机1和镜头2)开始连续捕获图像数据，通过BNC接口的数据线，将图像数据送至DSP嵌入式处理系统，利用扣件检测算法完成扣件检测，然后采用提出的扣件计数方法完成扣件的计数，最后将计数结果由DSP嵌入式系统通过RS232串口送至上位机保存。本专利技术的工作原理以及进一步的详细说明如下：基于机器视觉扣件检测与计数系统的运行原理框图如图2所示。在此对扣件计数方法、扣件检测算法以及图像采集设备具体设计给予介绍。1.扣件计数方法由于高速铁路场景与普通铁路相比较为单调、轨道检测车运行速度不确定等因素，若前后两帧图像中均捕获多个扣件，将很难从两帧图像中找到相互对应的相同扣件。即使能将相同的扣件匹配对应上，也要付出计算时间较多的代价且难以保证其匹配结果的正确率，这样便很可能出现重复计数的错误结果；另外在扣件检测与计数过程中，不希望出现漏计的现象。为了避免上述情况，本专利技术提出了系统设计过程中需要满足的三个条件，如下所示：(1)轨道检测车以最大速度行驶时，相机连续捕获的两帧图像至少有一个扣件成像尺寸大小的重合区域；(2)轨道检测车以最大速度行驶时，拍摄到第n个完整扣件和第n+1个完整扣件图像之间至少有一帧不包含完整扣件的图像；(3)若图像中捕获到的扣件不是完整的，则不能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于机器视觉的高铁扣件检测与计数方法，其特征在于步骤如下：步骤1：对采集到的当前帧图像数据，抽取Y通道分量，得到灰度图像；步骤2：对灰度图像数据进行中值滤波去噪；步骤3：以阈值分割方法对图像进行二值化处理，得到二值化图像数据；步骤4：对二值图像中的黑色像素个数进行统计，将统计结果作为目标面积m；对二值化图像按行累加获得投影曲线，并计算行投影曲线凸起部分的长度值做为目标在图像中的宽度n；步骤5：将目标面积m和目标在图像中的宽度n与实际扣件在图像中的面积M和宽度N进行比较；如果检测到的目标面积与宽度都与实际扣件的面积与宽度一致，则判定图像中存在扣件；步骤6：如果当前帧图像中存在扣件，且上一帧图像经过步骤1～步骤5判定为不存在扣件，则给予计数；否则不予计数；重复步骤1～步骤6完成扣件的检测与计数。

【技术特征摘要】
1.一种基于机器视觉的高铁扣件检测与计数方法，其特征在于步骤如下：步骤1：对采集到的当前帧图像数据，抽取Y通道分量，得到灰度图像；步骤2：对灰度图像数据进行中值滤波去噪；步骤3：以阈值分割方法对图像进行二值化处理，得到二值化图像数据；步骤4：对二值图像中的黑色像素个数进行统计，将统计结果作为目标面积m；对二值化图像按行累加获得投影曲线，并计算行投影曲线凸起部分的长度值做为目标在图像中的宽度n；步骤5：将目标面积m和目标在图像中的宽度n与实际扣件在图像中的面积M和宽度N进行比较；如果检测到的目标面积与宽度都与实际扣件的面积与宽度一致，则判定图像中存在扣件；步骤6：如果当前帧图像中存在扣件，且上一帧图像经过步骤1～步骤5判定为不存在扣件，则给予计数；否则不予计数；重复步骤1～步骤6完成扣件的检测与计数。2.一种实现权利要求1所述方法的系统，其特征在于：包括图像采集设备、DSP嵌入式处理系统和两个LED照明装置；图像采集设备的镜头位于机箱下部的中心，两个LED照明装置等距离置于镜头两侧，DSP嵌入式处理系统置于机箱内；DSP嵌入式处理系统与包括图像采集设备的相机之...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨飞，程咏梅，姚顺，刘楠，赵会升，孙艳茹，禹亮，苟斌，王会宾，田朝旭，陈嘉良，崔蓝月，王华夏，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61