基于相机和可控频闪光源的限界检测测距方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于相机和可控频闪光源的限界检测测距方法及系统，在列车行驶状态下，调节CMOS相机帧频和频闪光源的闪光频率，使可控频闪光源在CMOS相机曝光周期同一帧内进行多次频闪，使小于CMOS相机视场三分之一的被测物在CMOS相机同一帧图像中周期成像；对周期成像图像进行傅里叶变换，在幅度谱曲线中的特定频率处幅值达到最大，该最大值所对应的频率为频闪周期内被测物重复成像之间的像素数量，将频闪周期内被测物重复成像之间的像素数量与相机每个像素长度相乘，得重复图像之间的间距；根据相机成像原理计算得到被测物距离，该测距方法测量精度和准确性高、适合于铁路高速在线检测。

【技术实现步骤摘要】
基于相机和可控频闪光源的限界检测测距方法及系统
本专利技术涉及铁路限界检测
，具体涉及一种基于CMOS面阵相机和可控频闪光源的限界检测测距方法及系统。
技术介绍
铁路限界检测一直备受铁路相关部门高度重视，对铁路运输安全与运输效率的提高起着至关重要的作用。目前限界检测的测试手段主要包括接触式限界检测与非接触式限界检测。限界检测的早期，国内外限界检测测距系统普遍采用接触式，主要有机械触手式的和检测架样式的。这两种方法都是通过在检测车上面安装一个框架，运行中，通过记录框架与周围物体接触实现限界检测，检测速度很低，严重影响铁路正常运营。非接触式限界检测最简单的测试方法是利用电磁测距来测量距离，用经纬仪来测量角度。而这种检测方法需要现场采集较高密度测点，耗费人力时间。激光测距是基于光学的非接触式检测技术中应用最为广泛的测量方法之一，可分为脉冲测距、连续波相位差测距和干涉法激光测距。雷达和超声测距技术与激光脉冲式测距在原理上比较相似，是利用超声波或电磁波在空气中的传播速度为已知，测量该波在发射后遇到目标物反射回来的时间，计算得到相对距离。这些方法的核心是对返回光强度的识别，限界检测过程中，相机数据相对跳变大、灵敏度太低，不能达到测距的准确性和精度的要求。常用的机器视觉测距主要是由多幅图像(一般两幅)获取物体三维几何信息的方法，在计算机视觉系统中，用双摄像机，从不同角度同时获取周围景物的两幅数字图像，由计算机重建周围景物的三维形状与位置。基于同名点匹配的通用立体视觉检测技术算法复杂、匹配困难、帧率有限和数据计算量巨大，在低速、检测对象固定的情况下可以得到较好结果，但难以满足高速和环境多变的要求。三角测距限界检测方法具有较高检测精度和较密的周向采样点及较高的纵向采样频率的优点，但是限界检测速度较快，纵向和横向测点较多，数据量较大，液晶板各单元的开关速度无法满足要求，导致难以实现高速在线检测。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种适合于铁路高速在线检测、测量精度高和准确性好的基于相机和可控频闪光源的限界检测测距方法及系统。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种基于相机和可控频闪光源的限界检测测距方法，包括以下步骤：S1：在列车行驶状态下，调节CMOS面阵相机帧频和可控频闪光源的闪光频率，使可控频闪光源在CMOS面阵相机曝光周期同一帧内进行多次频闪，并将该帧时长对应的列车运动视为匀速，进而使小于CMOS面阵相机视场三分之一的被测物在CMOS面阵相机同一帧图像中周期成像；S2：基于被测物在光源照射下亮度较大且周期成像，对周期成像图像进行傅里叶变换，在幅度谱曲线中的特定频率处幅值达到最大，该最大值点所对应的频率即为频闪周期内被测物重复成像之间的像素数量，将频闪周期内被测物重复成像之间的像素数量与CMOS面阵相机像素长度相乘，即得一帧图像中同一物体重复图像之间的间距d；S3：根据相机成像原理计算得到被测物距离，计算公式如下：式中，h为物距，单位为mm；f为CMOS面阵相机的焦距，单位为mm；V为列车运行速度，单位为m/s；F为可控光源频闪频率，单位为fps；d为一帧图像中同一物体重复图像之间的间距，单位为mm。传统的测距方法(如基于三角测距原理的立体扫描测距方法和基于TOF(飞行时间)原理的机器视觉测距方法)无法满足铁路高速在线限界检测的要求。由于限界检测速度较快，采用基于三角测距原理的立体扫描测距方法纵向和横向测点较多，数据量较大，液晶板各单元的开关速度无法满足要求，导致难以实现高速在线监测。而在基于TOF原理的机器视觉测距方法中，CCD(电荷耦合元件)线阵相机的数据稳定性和灵敏度难以满足测试精度的要求。本专利技术采用CMOS(金属氧化物半导体元件)作为图像传感器，CMOS与CCD相比具有成像过程快、集成度高、功耗小、读出速度快等优点，很好地满足了铁路高速在线限界检测测距对于图像传感器读出速度和集成度等的要求。本专利技术通过调节CMOS面阵相机的帧频和可控频闪光源的闪光频率，使可控频闪光源在CMOS面阵相机曝光周期同一帧内进行多次频闪，进而使小于CMOS面阵相机视场三分之一的被测物在CMOS面阵相机同一帧图像中周期成像，再对周期成像图像进行傅里叶变换，得到频闪周期内被测物重复成像之间的像素数量，进而得出一帧图像中同一物体重复图像之间的间距d，然后根据相机成像原理计算物距，该方法测量速度快、测量精度高、准确性好，适合于铁路高速在线检测，能够满足200km/h的实车在线限界检测。并且克服了传统激光测距只能检测隧道与地铁限界的缺点，能够在明线上进行限界检测；采用可控频闪光源照射，能够全天候检测，克服了传统限界检测受环境光影响大、抗干扰能力差的缺点。进一步的，步骤S3中，列车运行速度V由如下方法测量得到：S301：通过沿列车长度方向并列设置的两台线阵CCD相机采集列车线路时序图像，两台线阵CCD相机的视角存在交错重叠，并先后两次通过该两台线阵CCD相机同时采集图像，且同一相机先后两次所采集的图像存在重叠；S302：根据先后两次所采集的部分重叠的图像，对单台线阵CCD相机在先后两次间隔Δt内采集的时序图像进行循环相关运算，获得Δt内列车移动的像素个数；S303：对两台线阵CCD相机在同一时刻所采集的图像基于重叠的视角进行循环相关运算，得到的结果除两台线阵CCD相机的轴间距，即得线阵CCD相机每个像素代表的实际距离；S304：列车在时间段Δt内移动的像素个数与每个像素代表的实际距离相乘即得到Δt内线阵CCD相机移动的距离；S305：Δt内线阵CCD相机移动的距离除以时间Δt，即得列车的运行速度V。现有的测速方法主要有激光测速、GPS测速、雷达测速和机车测速等。激光测速存在设备价格昂贵、测试过程中激光设备需处于静止状态的缺点；GPS测速存在卫星信号在山区、隧道等路段接收困难，测速精度低等问题；雷达测速存在雷达角度安装调试要求较高、测试过程误差较大等问题；而机车测速的数据接口较为特殊，考虑到铁路运输的安全性，难以将数据同步到限界检测中。本专利技术通过两台线阵CCD相机采集列车线路的时序图像，采用循环相关算法得到列车在某时段内移动的像素个数，再用循环相关算法得到每个像素代表的实际距离，最终计算得到列车的运行速度。该方法排除了列车运动、地形地貌等的影响，测速精度高，满足铁路高速在线限界检测的要求。进一步的，步骤S302和步骤S303中，对线阵CCD相机采集的时序图像进行循环相关运算之前，先对图像进行高通滤波处理，过滤掉图像中的低频部分。当两个图像序列相同部分的灰度较为平缓，而不同的部分灰度变换较为剧烈时，计算结果将产生误差。因此，在对线阵图像进行循环相关运算之前先对图像进行高通滤波，将图像中低频部分过滤，以进一步提高计算结果的准确度。进一步的，步骤S301中，所述线阵CCD相机采集列车线路时序图像时所用的主动照明光源为红外光源，所述红外光源为宽度不小于5mm的线光源，红外光源的长度覆盖两台线阵CCD相机视场范围的总和。为了不影响铁路线路的运行安全，选用红外光源作为测速系统的主动照明光源。进一步的，步骤S1中，所述可控频闪光源的闪光频率大于所述CMOS面阵相机帧率的三倍，可控频闪光源在C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相机和可控频闪光源的限界检测测距方法，包括以下步骤：S1：在列车行驶状态下，调节CMOS面阵相机帧频和可控频闪光源的闪光频率，使可控频闪光源在CMOS面阵相机曝光周期同一帧内进行多次频闪，并将该帧时长对应的列车运动视为匀速，进而使小于CMOS面阵相机视场三分之一的被测物在CMOS面阵相机同一帧图像中周期成像；S2：基于被测物在光源照射下亮度较大且周期成像，对周期成像图像进行傅里叶变换，在幅度谱曲线中的特定频率处幅值达到最大，该最大值点所对应的频率即为频闪周期内被测物重复成像之间的像素数量，将频闪周期内被测物重复成像之间的像素数量与CMOS面阵相机像素长度相乘，即得一帧图像中同一物体重复成像之间的间距d；S3：根据相机成像原理计算得到被测物距离，计算公式如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于相机和可控频闪光源的限界检测测距方法，包括以下步骤：S1：在列车行驶状态下，调节CMOS面阵相机帧频和可控频闪光源的闪光频率，使可控频闪光源在CMOS面阵相机曝光周期同一帧内进行多次频闪，并将该帧时长对应的列车运动视为匀速，进而使小于CMOS面阵相机视场三分之一的被测物在CMOS面阵相机同一帧图像中周期成像；S2：基于被测物在光源照射下亮度较大且周期成像，对周期成像图像进行傅里叶变换，在幅度谱曲线中的特定频率处幅值达到最大，该最大值点所对应的频率即为频闪周期内被测物重复成像之间的像素数量，将频闪周期内被测物重复成像之间的像素数量与CMOS面阵相机像素长度相乘，即得一帧图像中同一物体重复成像之间的间距d；S3：根据相机成像原理计算得到被测物距离，计算公式如下：式中，h为物距，单位为mm；f为CMOS面阵相机的焦距，单位为mm；V为列车运行速度，单位为m/s；F为可控光源频闪频率，单位为fps；d为一帧图像中同一物体重复图像之间的间距，单位为mm。2.根据权利要求1所述的基于相机和可控频闪光源的限界检测测距方法，其特征在于：步骤S3中，列车运行速度V由如下方法测量得到：S301：通过沿列车长度方向并列设置的两台线阵CCD相机采集列车线路时序图像，两台线阵CCD相机的视角存在交错重叠，并先后两次通过该两台线阵CCD相机同时采集图像，且同一相机先后两次所采集的图像存在重叠；S302：根据先后两次所采集的图像中重叠的图像，对单台线阵CCD相机在先后两次间隔的时间段Δt内采集的时序图像进行循环相关运算，获得该时间段Δt内列车移动的像素个数；S303：对两台线阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁寨军，梁习锋，李鹏，刘应龙，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43