一种基于EPNP的钢轨廓形检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于EPNP的钢轨廓形检测方法及系统，该系统包括：线激光发射器，用于向待检测的钢轨发射激光线形成激光光条，所述激光光条对应钢轨的横剖面外沿；图像采集装置，用于通过摄像头采集表面附有激光光条的钢轨图像；设备主控制器，用于将图像采集装置采集的钢轨图像数据发送至服务器端；服务器端，用于接收设备主控制器发送的图像数据，提取图像中的光条中心线，获取钢轨廓形，计算钢轨磨损程度。本发明专利技术解决了现有钢轨廓形检测办法耗时较长而且精度不高的问题，具有时间复杂度低，精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于EPNP的钢轨廓形检测方法及系统
本专利技术涉及图像处理技术，尤其涉及一种基于EPNP的钢轨廓形检测方法及系统。
技术介绍
近些年来，我国国民经济高速发展，交通作为国民经济的流动载体随之发展起来，特别是高速铁路的发展。随着钢轨使用频率的增加，钢轨的磨损程度也越来越大，使用寿命越来越短。钢轨的过渡磨损会对列车的安全构成很大的威胁，于是定期的钢轨轮廓检测以及维护工作是很有必要的。目前，公知的钢轨廓形检测方法有机械式接触测量和非接触式测量两大类方法。机械式接触测量方法只能定性地测量出钢轨剖面的几何参数，而不能对钢轨进行全方位的测量，需要人为操作控制并且测量效率低下。非接触式方法一般使用激光发射器、摄像头和微控制器。将激光束照射在被测钢轨上，钢轨表面上会产生一亮的光条。通过一定的角度观察光条，获取激光线的扭曲图像，根据变形程度与高度之间的关系，得到被测钢轨的高度起伏信息。该方法对摄像头、激光器和被测钢轨三者的相对位置有严格的要求，而且耗时较长而且精度不高。考虑到现有各种方案的不足，我们设计了一种基于EPNP算法的钢轨廓形检测系统。本设计采用了鲁棒性较强的EPNP算法，摄像头位置可以随意摆放，不会对测量结果产生影响，且能够精确测量钢轨廓形。本设计采用手持式对钢轨进行检测，通过WiFi可在手机APP上实现远程控制。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于EPNP的钢轨廓形检测方法及系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于EPNP的钢轨廓形检测系统，包括：线激光发射器，用于向待检测的钢轨发射激光线形成激光光条，所述激光光条对应钢轨的横剖面外沿；图像采集装置，用于通过摄像头采集表面附有激光光条的钢轨图像；设备主控制器，用于将图像采集装置采集的钢轨图像数据发送至服务器端；服务器端，用于接收设备主控制器发送的图像数据，提取图像中的光条中心线，获取钢轨廓形，计算钢轨磨损程度。按上述方案，所述服务器端包括：图像预处理模块，用于将钢轨图像二值化，根据阈值将采集图像分割为目标和背景两部分，大于阈值的部分判定为目标，灰度值设为(255,255,255)；小于阈值的部分判定为背景，灰度值设为(0,0,0)；光条中心线提取模块，用于从二值化图像中提取光条中心线，，具体如下：对二值化图像进行高斯滤波，得到图像的Hessian矩阵；矩阵最大特征值对应的特征向量对应于中心线的法向向量，由基准点和法向向量推出图像的亚像素坐标；若图像中一阶导数为0的点位于当前亚像素坐标内，且法向向量的二阶导数大于指定的阈值，则基准点为激光的中心线点；记录中心线点，即可提取出中心线，获得激光中心线图片；摄像头标定模块，采用张正友标定法标定摄像头的内参和畸变参数；钢轨廓形还原模块，用于根据激光中心线图片输出钢轨廓形图片；廓形检测模块，用于根据还原的钢轨廓形图片，将还原的钢轨廓形与钢轨的出厂尺寸进行对比，计算得到钢轨的磨损程度。按上述方案，所述钢轨廓形还原模块根据激光中心线图片输出钢轨廓形图片，是利用EPNP算法还原钢轨廓形，具体如下：1)世界坐标系下4个非共面虚拟控制点的齐次坐标分别为ciw(i＝1,2,3,4)，虚拟控制点对应的相机坐标系齐次坐标为cic(i＝1,2,3,4)，可得世界坐标系坐标点和相机坐标系与之相对应坐标系齐次坐标关系如下：取主轴单位长度坐标点，通常取(0,0,0,1)T,(1,0,0,1)T,(0,1,0,1)T,(0,0,1,1)T,已知4组世界坐标系点可求出系数aij2)根据相机成像模型，由式(1)和相机内参矩阵可以得到：si为世界坐标系下坐标点深度，4组世界坐标系点坐标与相机坐标系点坐标联立方程3)将式(3)写成矩阵形式：M2n*12*X12*1＝0，其中解出X，即控制点在相机坐标系下坐标点有式(1)中质心坐标系数aij可求出4)计算旋转矩阵R和平移矩阵T第一步：相机坐标系和世界坐标系中心点为和第二步：去中心点坐标和第三步:H矩阵为最后SVD分解H，求出旋转矩阵R和平移矩阵T：5)根据步骤4)中得到的旋转矩阵R和平移矩阵T对相机坐标系下钢轨的坐标进行变换，还原出钢轨的世界坐标系中的位置。一种基于EPNP的钢轨廓形检测方法，包括以下步骤：1)向待检测的钢轨发射激光线形成激光光条，所述激光光条对应钢轨的横剖面外沿；2)通过摄像头采集表面附有激光光条的钢轨图像；3)将图像采集装置采集的钢轨图像数据发送至服务器端；4)在服务器端对钢轨图像二值化，即根据阈值将采集图像分割为目标和背景两部分，大于阈值的部分判定为目标，灰度值设为(255,255,255)；小于阈值的部分判定为背景，灰度值设为(0,0,0)；5)采用Steger算法从二值化图像中提取光条中心线，即对采集图像进行高斯滤波，得到图像的Hessian矩阵；矩阵最大特征值对应的特征向量对应于中心线的法向向量，由基准点和法向向量推出图像的亚像素坐标；若图像中一阶导数为0的点位于当前亚像素坐标内，且法向向量的二阶导数大于指定的阈值，则基准点为激光的中心线点；记录中心线点，即可提取出中心线，获得激光中心线图片；6)采用张正友标定法求取摄像头的内参和畸变参数；7)利用EPNP算法还原钢轨廓形；世界坐标系下4个非共面虚拟控制点的齐次坐标分别为ciw(i＝1,2,3,4)，虚拟控制点对应的相机坐标系齐次坐标为cic(i＝1,2,3,4)，可得世界坐标系坐标点和相机坐标系与之相对应坐标系齐次坐标关系如下：取主轴单位长度坐标点，通常取(0,0,0,1)T,(1,0,0,1)T,(0,1,0,1)T,(0,0,1,1)T,已知4组世界坐标系点可求出系数aij8)根据相机成像模型，由式(1)和相机内参矩阵可以得到：si为世界坐标系下坐标点深度，4组世界坐标系点坐标与相机坐标系点坐标联立方程9)将式(3)写成矩阵形式：M2n*12*X12*1＝0，其中解出X，即控制点在相机坐标系下坐标点有式(1)中质心坐标系数aij可求出10)计算旋转矩阵R和平移矩阵T第一步：相机坐标系和世界坐标系中心点为和第二步：去中心点坐标和第三步:H矩阵为最后SVD分解H，求出旋转矩阵R和平移矩阵T：11)对步骤10)中得到的旋转矩阵R和平移矩阵T，还原出钢轨的世界坐标系中的位置；12)将还原的钢轨廓形与钢轨的出厂尺寸进行对比，计算得到钢轨的磨损程度。本专利技术产生的有益效果是：1.本专利技术解决了现有钢轨廓形检测办法耗时较长而且精度不高的问题，时间复杂度低，精度高，经实验检测测量误差小于0.07mm；2.本专利技术采用了鲁棒性强的EPNP算法，摄像头的摆放位置对测量结果没有影响，降低了设备操作的复杂度，同时保证了钢轨廓形测量的精度。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的结构示意图；图2是本专利技术实施例的方法流程图；图3是本专利技术实施例的激光光条图像采集示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，一种基于EPNP的钢轨廓形检测系统，包括：线激光发射器，用于向待检测的钢轨发射激光线形成激光光条，所述激光光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于EPNP的钢轨廓形检测系统，其特征在于，包括：线激光发射器，用于向待检测的钢轨发射激光线形成激光光条，所述激光光条对应钢轨的横剖面外沿；图像采集装置，用于通过摄像头采集表面附有激光光条的钢轨图像；设备主控制器，用于将图像采集装置采集的钢轨图像数据发送至服务器端；服务器端，用于接收设备主控制器发送的图像数据，提取图像中的光条中心线，获取钢轨廓形，计算钢轨磨损程度。

【技术特征摘要】
1.一种基于EPNP的钢轨廓形检测系统，其特征在于，包括：线激光发射器，用于向待检测的钢轨发射激光线形成激光光条，所述激光光条对应钢轨的横剖面外沿；图像采集装置，用于通过摄像头采集表面附有激光光条的钢轨图像；设备主控制器，用于将图像采集装置采集的钢轨图像数据发送至服务器端；服务器端，用于接收设备主控制器发送的图像数据，提取图像中的光条中心线，获取钢轨廓形，计算钢轨磨损程度。2.根据权利要求1所述的基于EPNP的钢轨廓形检测系统，其特征在于，所述服务器端包括：图像预处理模块，用于将钢轨图像二值化，根据阈值将采集图像分割为目标和背景两部分，大于阈值的部分判定为目标，灰度值设为(255,255,255)；小于阈值的部分判定为背景，灰度值设为(0,0,0)；光条中心线提取模块，用于从二值化图像中提取光条中心线，具体如下：对二值化图像进行高斯滤波，得到图像的Hessian矩阵；矩阵最大特征值对应的特征向量对应于中心线的法向向量，由基准点和法向向量推出图像的亚像素坐标；若图像中一阶导数为0的点位于当前亚像素坐标内，且法向向量的二阶导数大于指定的阈值，则基准点为激光的中心线点；记录中心线点，即可提取出中心线，获得激光中心线图片；摄像头标定模块，采用张正友标定法标定摄像头的内参和畸变参数；钢轨廓形还原模块，用于根据激光中心线图片输出钢轨廓形图片；廓形检测模块，用于根据还原的钢轨廓形图片，将还原的钢轨廓形与钢轨的出厂尺寸进行对比，计算得到钢轨的磨损程度。3.根据权利要求2所述的基于EPNP的钢轨廓形检测系统，其特征在于，所述钢轨廓形还原模块根据激光中心线图片输出钢轨廓形图片，是利用EPNP算法还原钢轨廓形，具体如下：1)世界坐标系下4个非共面虚拟控制点的齐次坐标分别为ciw(i＝1,2,3,4)，虚拟控制点对应的相机坐标系齐次坐标为cic(i＝1,2,3,4)，可得世界坐标系坐标点和相机坐标系与之相对应坐标系齐次坐标关系如下：其中，取主轴单位长度坐标点；aij为质心坐标系数；2)根据相机成像模型，由式(1)和相机内参矩阵可以得到：si为世界坐标系下坐标点深度，4组世界坐标系点坐标与相机坐标系点坐标联立方程：3)将式(3)写成矩阵形式：M2n*12*X12*1＝0，其中解出X，即控制点在相机坐标系下坐标点根据式(1)中质心坐标系数aij求...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹勇，王阳，刘宇峰，齐雨航，夏雨，李文虎，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42