一种基于梯度投影的线阵扫描图像轨枕定位及计数方法技术

本发明专利技术公开一种基于梯度投影的线阵扫描图像轨枕定位及计数方法，属于铁轨检测领域。包括以下步骤：利用线阵成像系统沿列车或检测平台前进方向对轨道路面进行线阵扫描成像，获取包含轨枕的线阵图像；对线阵图像进行垂直于轨枕方向梯度滤波，得到梯度滤波图像；在梯度滤波图像轨枕区域设定检测区域，在检测区域内，平行于轨枕方向进行梯度投影，得到梯度投影曲线；检测梯度投影曲线中波峰、波谷位置和数量，取配对的波峰、波谷用于轨枕定位，计算所有线阵图像中波峰或波谷数量之和作为该段轨道中轨枕数量。本发明专利技术方法对轨枕定位和计数后，可实现高精度里程计数，为轨道巡检系统提供精准的位置信息，方便轨道巡检结果准确定位，和在后期维护中快速查找。

【技术实现步骤摘要】
一种基于梯度投影的线阵扫描图像轨枕定位及计数方法
本专利技术涉及轨道巡检
，具体指一种基于梯度投影的线阵扫描图像轨枕定位及计数方法。
技术介绍
轨道交通包括普通铁路、高速铁路、地铁等，在国民经济发展、人民生活出行中发挥着重大作用。为保证轨道交通运行安全，轨道交通运营部门需定期对轨道安全进行巡检。具体巡检内容包括：铁轨几何参数检测，铁轨扣件松动、缺失、裂纹等异常检测，铁轨磨损检测，弓网线路检测，路面异物检测等。目前，铁轨几何参数检测，主要采用惯导系统、激光图像测量系统，用于自动检测轨道几何参数；扣件异常检测，主要采用人工巡检。近期，也有学者将图像检测技术引入扣件异常巡检中。在自动巡检系统中，通常需将所检测的异常结果与里程关联，作为事后维修时定位依据。目前，我国轨道巡检系统多常采用光电编码器、GPS定位系统用于里程计数。由于GPS在隧道、山区、地铁等环境下定位会受到严重影响，目前，多采用光电编码器用于里程计数，再采用间隔yKm处设置RFID电子标签对里程计数进行修正，y的取值为1～10。但是，在yKm以内，采用光电编码器进行里程计数时，还存在这样的问题：1)当光电编码器安装在列车或检测平台的驱动轮上时，在列车或检测平台启动或刹车时，驱动轮在铁轨上容易打滑，产生里程计数误差；2)当光电编码器安装于列车或检测平台的随动轮(随动轮自身不具备驱动能力，跟随列车或检测平台在铁轨上滚动)时，虽然在列车或检测平台启动或刹车时，随动轮不会有明显打滑现象发生，但是，在列车或检测平台运动过程中，随动轮与铁轨之间存在一定的相对运动，即存在轻微打滑现象，从而使里程计数存在累积误差。对于扣件、轨道损伤等异常检测而言，定位精度小于0.5m。当y＝1且光电编码器累积误差为1％时，里程定位偏差将达到10m，这显然不能满足实际应用需求。由于铁路轨枕安装位置固定，而且间隔已知，因此，可通过对铁轨轨枕或扣件计数实现高精度里程计数。为此，专利CN2016112135719提出一种利用机器视觉对铁轨扣件计数，进行里程计数的方法。该方法同光电编码器、光电测距传感器及GPS定位系统等扣件定位方法相比，具有定位精度高、无累积误差等优势。但是，专利CN2016112135719中采用面阵摄像机用于获取扣件图像，需要精准的扣件触发成像控制系统，才能保证所扣件拍摄图像中同一扣件只出现一次。在没有扣件触发成像控制系统时，当检测平台运行速度大于摄像机拍摄速度时，拍摄图像中会遗漏扣件，导致里程计数错误；当检测平台运行速度小于摄像机拍摄速度时，同一个扣件会出现在多幅图像中，需要在拍摄图像中剔除多余的扣件图像，从而增加计算复杂度。此外，该专利采用硬阈值检测方法直接对扣件区域进行处理还存在这样的问题：1)硬阈值方法容易受到图像亮度变化干扰，不能较好地适应场景中亮度变化；2)直接对扣件区域进行处理时，还容易受到扣件异常干扰，比如扣件缺少和扣件存在两种情况下，相同阈值的检测结果是不同的，从而影响检测结果的可靠性。为此，迫切需要一种可为自动巡检系统提供高精度里程计数的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种铁路轨枕定位和计数方法，以用于轨道交通自动巡检系统高精度里程计数，以解决现有里程计数方法精度低、可靠性差等问题。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案来如下：一种基于梯度投影的线阵扫描图像轨枕定位及计数方法，其特征在于：利用线阵成像系统沿列车或检测平台前进方向对轨道路面进行线阵扫描成像，获取包含轨枕的线阵图像；对线阵图像进行垂直于轨枕方向梯度滤波，得到梯度滤波图像；在梯度滤波图像轨枕区域设定检测区域，在检测区域内，平行于轨枕方向进行梯度投影，得到梯度投影曲线；检测梯度投影曲线中波峰、波谷位置和数量，取配对的波峰、波谷用于轨枕定位，计算所有线阵图像中波峰或波谷数量之和作为该段轨道中轨枕数量。所述线阵成像系统由线光源、线阵摄像机和成像控制器组成，线光源与线阵摄像机固定于列车或检测平台底部，位于铁路正上方、朝向轨道路面，线光源投射平面和线阵摄像机成像平面共面、并与铁轨垂直；所述线光源是波长为a的窄带光源，并在所述线阵摄像机前端设置波长为a的窄带滤光片，以消除环境光干扰，a的取值范围为300nm～1000nm；所述成像控制器由固定在车轮转轴上的光电码盘或光电编码器、信号调理装置组成，其中光电码盘或光电编码器对车轮转动角度进行编码，产生脉冲信号或编码信号给信号调理装置，信号调理装置接受到光电码盘或光电编码器产生的脉冲信号或编码信号以后，生成线阵摄像机触发控制信号，用于控制线阵摄像机成像；用于固定光电码盘或光电编码器的车轮为随动轮，随动轮自身不带动力、不具备驱动能力，跟随列车或检测平台贴合在铁轨上滑动；线阵摄像机沿着列车或检测平台前进方向对铁路路面进行线扫描成像，拍摄包含轨枕、铁轨、扣件的轨道二维图像；在拍摄的线阵扫描图像中，轨枕与图像横坐标平行。利用所述线阵成像系统获取Q幅包含轨枕的轨道二维图像，并对Q幅轨道二维图像依次进行以下处理：步骤1：取第q幅轨道二维图像I，对图像I进行垂直方向梯度滤波，得到梯度滤波图像I′；步骤2：在梯度滤波图像I′中选取K个检测区域{R1...RK}，K的取值范围为1～10，分别对K个检测区域{R1...RK}中梯度滤波图像进行水平投影，得到K条水平投影曲线{S1...SK}；所述K个检测区域的高度相等，且在检测区域中只包含轨枕，不包含扣件和铁轨；步骤3：对K条水平投影曲线{S1...SK}进行融合得到联合投影曲线S′；步骤4：提取联合投影曲线S′中波峰、波谷，获取波峰的数量和坐标以及波谷的数量和坐标步骤5：取联合投影曲线S′中配对的波峰、波谷坐标用于轨枕定位；步骤6：依次采用步骤1～5对Q幅图像进行处理，计算每幅图像中波峰数量波谷数量对Q幅图像中波峰数量求和：对Q幅图像中波谷数量求和：取或作为该段轨道中轨枕数量。所述步骤1中对图像I进行垂直方向梯度滤波前，对图像I先进行高斯滤波平滑；所述垂直方向梯度滤波采用大小为m*n的差分算子，其中m是滤波器的高度，n是滤波器的宽度，且n>＝m，m、n的取值范围为：3～100。所述步骤2中水平投影曲线Sk计算公式如下：其中，Sk(i)表示投影曲线Sk中第i个元素的值，Ik′(i,j)表示第k个检测区域中梯度滤波图像I′中(i,j)处像素点的灰度值，Mk是第k个检测区域的宽度，N是检测区域的高度。所述步骤4中提取联合投影曲线S′中波峰、波谷的方法是，首先采用固定阈值法把联合投影曲线S′划分为若干个正向方波和负向方波，接着，在正向方波区域内通过最大值法找到波峰，在负向方波区域内通过最小值法找到波谷。所述固定阈值法具体公式为：其中，G(i)表示固定阈值分割处理结果，th表示设定阈值，S′(i)表示联合投影曲线中第i个元素的值，连续的G(i)＝1元素构成正向方波，连续的G(i)＝-1元素构成负向方波。所述步骤5中，波峰、波谷配对方法是：当差分算子中前m/2行元素取值大于0时，从线阵扫描图像顶部至底部，按波谷、波峰顺序配对；当差分算子中前m/2行元素取值小于0时，从线阵扫描图像顶部至底部，按波峰、波谷顺序配对。所述步骤3中对K条水平投影曲线{S1...SK}进行融合得到联合投影曲线的方法是：对K条水平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于梯度投影的线阵扫描图像轨枕定位及计数方法，其特征在于：利用线阵成像系统沿列车或检测平台前进方向对轨道路面进行线阵扫描成像，获取包含轨枕的线阵图像；对线阵图像进行垂直于轨枕方向梯度滤波，得到梯度滤波图像；在梯度滤波图像轨枕区域设定检测区域，在检测区域内，平行于轨枕方向进行梯度投影，得到梯度投影曲线；检测梯度投影曲线中波峰、波谷位置和数量，取配对的波峰、波谷用于轨枕定位，计算所有线阵图像中波峰或波谷数量之和作为该段轨道中轨枕数量。

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度投影的线阵扫描图像轨枕定位及计数方法，其特征在于：利用线阵成像系统沿列车或检测平台前进方向对轨道路面进行线阵扫描成像，获取包含轨枕的线阵图像；对线阵图像进行垂直于轨枕方向梯度滤波，得到梯度滤波图像；在梯度滤波图像轨枕区域设定检测区域，在检测区域内，平行于轨枕方向进行梯度投影，得到梯度投影曲线；检测梯度投影曲线中波峰、波谷位置和数量，取配对的波峰、波谷用于轨枕定位，计算所有线阵图像中波峰或波谷数量之和作为该段轨道中轨枕数量。2.根据权利要求1所述的基于梯度投影的线阵扫描图像轨枕定位及计数方法，其特征在于：所述线阵成像系统由线光源、线阵摄像机和成像控制器组成，线光源与线阵摄像机固定于列车或检测平台底部，位于铁路正上方、朝向轨道路面，线光源投射平面和线阵摄像机成像平面共面、并与铁轨垂直；所述线光源是波长为a的窄带光源，并在所述线阵摄像机前端设置波长为a的窄带滤光片，以消除环境光干扰，a的取值范围为300nm～1000nm；所述成像控制器由固定在车轮转轴上的光电码盘或光电编码器、信号调理装置组成，其中光电码盘或光电编码器对车轮转动角度进行编码，产生脉冲信号或编码信号给信号调理装置，信号调理装置接受到光电码盘或光电编码器产生的脉冲信号或编码信号以后，生成线阵摄像机触发控制信号，用于控制线阵摄像机成像；用于固定光电码盘或光电编码器的车轮为随动轮，随动轮自身不带动力、不具备驱动能力，跟随列车或检测平台贴合在铁轨上滚动；线阵摄像机沿着列车或检测平台前进方向对铁路路面进行线扫描成像，拍摄包含轨枕、铁轨、扣件的轨道二维图像；在拍摄的线阵扫描图像中，轨枕与图像横坐标平行。3.根据权利要求1或2所述的基于梯度投影的线阵扫描图像轨枕定位及计数方法，其特征在于：利用所述线阵成像系统获取Q幅包含轨枕的轨道二维图像，并对Q幅轨道二维图像依次进行以下处理：步骤1：取第q幅轨道二维图像I，对图像I进行垂直方向梯度滤波，得到梯度滤波图像I′；步骤2：在梯度滤波图像I′中选取K个检测区域{R1...RK}，K的取值范围为1～10，分别对K个检测区域{R1...RK}中梯度滤波图像进行水平投影，得到K条水平投影曲线{S1...SK}；所述K个检测区域的高度相等，且在检测区域中只包含轨枕，不包含扣件和铁轨；步骤3：对K条水平投影曲线{S1...SK}进行融合得到联合投影曲线S′；步骤4：提取联合投影曲线S′中波峰、波谷，获取波峰的数量和坐标以及以及波谷的数量和坐标步骤5：取联合投影曲线S′中配对的波峰、波谷坐标用于轨枕定位；步骤6：依次采用步骤1～5对Q幅图像进行处理，计算每幅图像中波峰数量波谷数量对Q幅图像中波峰数量求和：对Q幅图像中波谷数量求和：取或作为该段轨道中轨枕数量。4.根据权利要求3所述的基于梯度投影的线阵扫描图像轨枕定位及计数方法，其特征在于：所述步骤1中对图像I进行垂直方向梯度滤波前，对图像I先进行高斯平滑滤波；所述垂直方向梯度滤波采用大小为m*n的差分算子，其中m是滤波器的高度，n...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：成都精工华耀科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51