一种轨道可视化巡检双光谱二维与三维融合成像系统技术方案

为实现具有透明玻璃或塑料的轨道表面二维与三维融合成像，本发明专利技术公开一种轨道可视化巡检双光谱二维与三维融合成像系统。由2个线结构光发生器、1台线阵摄像机、1台双光谱3D成像模块组成。线结构光发生器产生片光P1、P2，波长范围分别为：200‑1000nm、200‑400nm。P1为线阵摄像机提供照明、P2为双光谱3D成像模块提供照明。双光谱3D成像模块由1个同轴分光器和2台3D摄像机组成，同轴分光器用于分光成像，1台3D摄像机拍摄P2反射光，用于非透明、非镜面反射对象三维测量；另1台3D摄像机拍摄P2辐射光，用于玻璃或塑料等透明对象三维测量，可解决现有三维扫描系统无法获取透明对象三维形貌数据的问题。

A 2-D and 3-D Fusion Imaging System for Track Visualization Patrol Inspection

In order to realize two-dimensional and three-dimensional fusion imaging of track surface with transparent glass or plastic, the invention discloses a two-spectral two-dimensional and three-dimensional fusion imaging system for track visualization inspection. It consists of two linear structured light generators, a linear array camera and a dual spectral 3D imaging module. Linear structured light generator produces sheet light P1 and P2 with wavelength ranges of 200 1000 nm and 200 400 nm, respectively. P1 provides illumination for linear camera and P2 provides illumination for bispectral 3D imaging module. Bispectral 3D imaging module consists of a coaxial splitter and two 3D cameras. The coaxial splitter is used for spectroscopic imaging. One 3D camera takes P2 reflection light for three-dimensional measurement of non-transparent and non-mirror objects. Another 3D camera takes P2 radiation light for three-dimensional measurement of transparent objects such as glass or plastic, which can solve the problem that the existing three-dimensional scanning system can not obtain three-dimensional transparent objects. The problem of topographic data.

【技术实现步骤摘要】
一种轨道可视化巡检双光谱二维与三维融合成像系统
本专利技术涉及一种铁路基础设施检测领域的设备，具体指一种轨道可视化巡检双光谱二维与三维融合成像系统。
技术介绍
铁路是国家运输大动脉，在国民经济、国民出行、国防运输等诸多领域发挥着重大价值。轨道是铁路运输的基础设施，轨道由道床系统、钢轨系统、扣件系统组成。轨道在长期运行过程中，钢轨系统会裂纹、龟裂等缺陷，扣件系统会产生螺栓松动、弹条断裂、弹条脱落等缺陷，道床系统会存在裂纹、断裂等缺陷。近年来，随着城市地铁的快速发展，为了保证城市地铁安全运行，每天晚上24:00-4:00之间，地铁必须对轨道进行安全巡视检测。巡视检测内容除常规轨道病害(扣件松动、钢轨破损、道床裂纹等)以外，还需重点查看是否存在道床异物(乘客遗漏的物品：手机、水瓶等)干扰。目前，国内地铁运行公司多采用人工巡道方式进行检查，每人每晚最多查看3km里程，对整个轨道进行巡视需要大量巡道工人，而增加地铁运行成本。更重要的是：受人为因素干扰，人难以准确、客观地查找出缺陷。为此，针对轨道日常安全巡检需求，必须开展快速、智能、高效的轨道巡检技术研究。近期，有学者尝试将线阵扫描成像技术应用于轨道巡检中，获取轨道灰度图像，采用图像处理方法对扣件、道床病害进行自动识别。但是，基于灰度图像很难判断螺栓松动等高度变化信息，近年来发展的基于线结构光的三维成像技术(比如：《吴庆阳.线结构光三维传感中关键技术研究[D].四川大学,2006.》)，正好可以弥补该缺陷。线结构光三维成像技术，用面阵摄像机拍摄线结构光光条图像，提取光条中心线坐标，根据线结构光平面与面阵摄像机之间位置关系，可以计算出线结构光平面内被测对象的横截面剖面数据，通过扫描即可实现三维成像。所获取的三维数据中，包含了被测对象的三维形貌数据。基于这些三维形貌数据，可以有效判别螺栓松动、弹条移位、道床是否存在异物等轨道缺陷。不过，由于三维数据不够形象和直观，在对可视化成像数据进行人工复核时，还需要轨道表面的灰度图像，为此，对于轨道可视化巡检任务而言，需要同时获取轨道表面二维纹理图像(灰度图像)和三维形貌数据。近期，我们采用线结构光三维成像技术获取轨道三维形貌数据时，发现以下问题：1)对于地铁等日常运行轨道，当道床上存在玻璃瓶、透明塑料等透明对象时，现有商业三维扫描成像系统不能对其进行三维成像；2)对非平面、光滑、透明对象(比如矿泉水瓶)进行三维成像时，产生错误的三维测量结果。其原因是：如图1.a所示，现有三维成像系统基于线结构光4的反射光5进行三维测量，对于玻璃、塑料等透明对象，投射的线结构光被透射后，反射光非常微弱，进而3D成像系统无法检测到线结构光，导致无法进行三维测量；对于非平面、光滑、透明对象而言，容易产生大面积的反射光，而使常用的线结构光中心线提取算法(比如阈值分割骨架法、质心法、高斯拟合法等)产生错误的结果。在我们的实际应用中，采用SICK公司的3D测量系统对矿泉水瓶进行三维扫描后，在三维测量数据中存在一片区域明显高于水瓶自身轮廓区域，并且该区域的高度值已经超过了钢轨顶部高度，从而产生误报警(在轨道巡检病害分级中，超出钢轨顶部区域的异物是一级病害，会影响行车安全，必须及时解除)。
技术实现思路
为解决轨道可视化巡检过程中、获取轨道表面二维图像与三维形貌数据时，所存在的无法对玻璃、塑料等透明对象进行三维测量、以及无法对塑料等镜面反射对象进行准确三维测量的问题，本专利技术提供一种轨道可视化巡检双光谱二维与三维融合成像系统。本专利技术的技术方案是：一种轨道可视化双光谱二维与三维融合成像系统，由2个线结构光发生器、1台线阵摄像机、1台双光谱3D成像模块组成。所述线结构光发生器用于产生锥形片光，其中，第1线结构光产生的片光P1厚度不小于2mm，片光P1平面与线阵摄像机成像平面共面，为线阵摄像机提供照明；第2线结构光产生的片光P2厚度不超过1mm，片光P2平面与片光P1平面平行，片光P2为双光谱3D成像模块提供照明。所述片光P1的波长为c1，c1的取值范围为：200-1000nm。所述片光P2的波长为c2，c2的取值范围为：200-400nm。所述片光P1、P2垂直于轨道平面照射，投射平面与轨道纵向垂直。所述线阵摄像机为单色线阵摄像机，在线阵摄像机前端加装波长为c1的窄带滤光片。所述线阵摄像机的成像平面垂直于轨道平面、且与轨道纵向垂直，线阵摄像机具有外部触发接口，接受里程编码脉冲信号，沿轨道纵向对轨道表面进行线阵扫描成像，获取轨道表面二维图像。所述双光谱3D成像模块由1个同轴分光器和2台3D摄像机组成。所述同轴分光器为分光棱镜，透射波长为c2的光线，反射波长范围为c3～c4的光线，用于将入射光线分离为不同颜色光线，c3、c4取值范围为400-1000nm。所述2台3D摄像机中，第1台3D摄像机位于分光棱镜的透射光路上，第2台3D摄像机位于分光棱镜的反射光路上，2台3D摄像机的成像光轴相互垂直；第1台3D摄像机前端加装波长为c2的窄带滤光片，对片光P2投射在轨道表面的光条成像；第2台3D摄像机前端加装波长为c3～c4的带通滤光片，对片光P2投射到轨道表面后的辐射光进行成像。所述第1台3D摄像机的成像光轴与片光P2在钢轨纵向平面内角度为a，a的取值范围为20-80度。所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式处理系统，自带线结构光3D测量算法，计算所成像片光光条中心亚像素坐标，并根据3D摄像机标定结果，计算并输出当前光条处轨道表面三维数据。所述3D摄像机具有外部触发接口，接受里程编码脉冲信号，沿轨道纵向对轨道表面进行三维扫描成像，获取轨道表面三维形貌数据。当片光P1和片光P2的波长相等时，即c1＝c2，片光P1的照射区域不能出现在双光谱3D成像模块的成像视场中。进一步，所述片光P1、片光P2和线阵摄像机沿轨道横向方向共线设置，片光P1、片光P2的照射平面与线阵摄像机的成像平面共面，片光P1、片光P2的波长不相等:c1≠c2。进一步，在双光谱3D成像模块的前端增加一块反射镜，对双光谱3D成像光路进行折叠，以缩短双光谱3D成像模块到片光P2的距离，进而缩短整个装置在轨道纵向上长度，具体结构是：在原3D成像光路上安置一块反射镜，在反射镜的反射光路上安置双光谱3D成像模块；所述反射镜反射光谱范围为：200-1000nm。进一步，片光P1、P2可以通过合色镜进行合束，得到双波长片光P12，双波长片光P12平面垂直于轨道表面和钢轨纵向；所述合色镜透射波长为c1光线，反射波长为c2的光线；在第1线结构光发生器的光路上设置合色镜，片光P1与合色镜镜面成45度角入射；第2线结构光发生器水平放置，片光P2与片光P1投射方向垂直、与合色镜镜面成45度角入射；合色镜透射片光P1、反射片光P2，在片光P1平面内产生双波长合色片光P12。进一步，再增加1个波长为c1的线结构光发生器，产生片光P3，波长为c1＝808nm，厚度不小于2mm，命名为第3线结构光发生器；再增加1个波长为c2的线结构光发生器，产生片光P4，波长为c2＝400nm，厚度不超过1mm，命名为第4线结构光发生器；使第1线结构光发生器、第3线结构光发生器位于线阵摄像机一侧，第2线结构光发生器、第4线结构光发生器位于线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轨道可视化巡检双光谱二维与三维融合成像系统，由2个线结构光发生器、1台线阵摄像机、1台双光谱3D成像模块组成；所述线结构光发生器用于产生锥形片光，其中，第1线结构光产生的片光P1厚度不小于2mm，片光P1平面与线阵摄像机成像平面共面，为线阵摄像机提供照明；第2线结构光产生的片光P2厚度不超过1mm，片光P2平面与片光P1平面平行，片光P2为双光谱3D成像模块提供照明；所述片光P1的波长为c1，c1的取值范围为：200‑1000nm；所述片光P2的波长为c2，c2的取值范围为：200‑400nm；所述片光P1、P2垂直于轨道平面照射，投射平面与轨道纵向垂直；所述线阵摄像机为单色线阵摄像机，在线阵摄像机前端加装波长为c1的窄带滤光片；所述线阵摄像机的成像平面垂直于轨道平面、且与轨道纵向垂直，线阵摄像机具有外部触发接口，接受里程编码脉冲信号，沿轨道纵向对轨道表面进行线阵扫描成像，获取轨道表面二维图像；所述双光谱3D成像模块由1个同轴分光器和2台3D摄像机组成；所述同轴分光器为分光棱镜，透射波长为c2的光线，反射波长范围为c3～c4的光线，用于将入射光线分离为不同颜色光线，c3、c4取值范围为400‑1000nm；所述2台3D摄像机中，第1台3D摄像机位于分光棱镜的透射光路上，第2台3D摄像机位于分光棱镜的反射光路上，2台3D摄像机的成像光轴相互垂直；第1台3D摄像机前端加装波长为c2的窄带滤光片，对片光P2投射在轨道表面的光条成像；第2台3D摄像机前端加装波长为c3～c4的带通滤光片，对片光P2投射到轨道表面后的辐射光进行成像；所述第1台3D摄像机的成像光轴与片光P2在钢轨纵向平面内角度为a，a的取值范围为20‑80度；所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式处理系统，自带线结构光3D测量算法，计算所成像片光光条中心亚像素坐标，并根据3D摄像机标定结果，计算并输出当前光条处轨道表面三维数据；所述3D摄像机具有外部触发接口，接受里程编码脉冲信号，沿轨道纵向对轨道表面进行三维扫描成像，获取轨道表面三维形貌数据。...

【技术特征摘要】
1.一种轨道可视化巡检双光谱二维与三维融合成像系统，由2个线结构光发生器、1台线阵摄像机、1台双光谱3D成像模块组成；所述线结构光发生器用于产生锥形片光，其中，第1线结构光产生的片光P1厚度不小于2mm，片光P1平面与线阵摄像机成像平面共面，为线阵摄像机提供照明；第2线结构光产生的片光P2厚度不超过1mm，片光P2平面与片光P1平面平行，片光P2为双光谱3D成像模块提供照明；所述片光P1的波长为c1，c1的取值范围为：200-1000nm；所述片光P2的波长为c2，c2的取值范围为：200-400nm；所述片光P1、P2垂直于轨道平面照射，投射平面与轨道纵向垂直；所述线阵摄像机为单色线阵摄像机，在线阵摄像机前端加装波长为c1的窄带滤光片；所述线阵摄像机的成像平面垂直于轨道平面、且与轨道纵向垂直，线阵摄像机具有外部触发接口，接受里程编码脉冲信号，沿轨道纵向对轨道表面进行线阵扫描成像，获取轨道表面二维图像；所述双光谱3D成像模块由1个同轴分光器和2台3D摄像机组成；所述同轴分光器为分光棱镜，透射波长为c2的光线，反射波长范围为c3～c4的光线，用于将入射光线分离为不同颜色光线，c3、c4取值范围为400-1000nm；所述2台3D摄像机中，第1台3D摄像机位于分光棱镜的透射光路上，第2台3D摄像机位于分光棱镜的反射光路上，2台3D摄像机的成像光轴相互垂直；第1台3D摄像机前端加装波长为c2的窄带滤光片，对片光P2投射在轨道表面的光条成像；第2台3D摄像机前端加装波长为c3～c4的带通滤光片，对片光P2投射到轨道表面后的辐射光进行成像；所述第1台3D摄像机的成像光轴与片光P2在钢轨纵向平面内角度为a，a的取值范围为20-80度；所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式处理系统，自带线结构光3D测量算法，计算所成像片光光条中心亚像素坐标，并根据3D摄像机标定结果，计算并输出当前光条处轨道表面三维数据；所述3D摄像机具有外部触发接口，接受里程编码脉冲信号，沿轨道纵向对轨道表面进行三维扫描成像，获取轨道表面三维形貌数据。2.根据权利要求1所述的一种轨道可视化巡检双光谱二维与三维融合成像系统，其特征在于，当片光P1和片光P2的波长相等时，即c1＝c2，片光P1的照射区域不能出现在双光谱3D成像模块的成像视场中。3.根据权利要求1所述的一种轨道可视化巡检双光谱二维与三维融合成像系统，其特征在于，所述片光P1、片光P2和线阵摄像机沿轨道横向方向共线设置，片光P1、片光P2的照射平面与线阵摄像机的成像平面共面，片光P1、片光P2的波长不相等:c1≠c2。4.根据权利要求1所述的一种轨道可视化巡检双光谱二维与三维融合成像系统，其特征在于，在双光谱3D成像模块的前端增加一块反射镜，对双光谱3D成像光路进行折叠，以缩短双光谱3D成像模块到片光P2的距离，进而缩短整个装置在轨道纵向上长度，具体结构是：在原3D成像光路上安置一块反射镜，在反射镜的反射光路上安置双光谱3D成像模块；所述反射镜反射光谱范围为：200-1000nm。5.根据权利要求4所述的一种轨道可视化巡检双光谱二维与三维融合成像系统，其特征在于，片光P1、P2可以通...

【专利技术属性】
技术研发人员：左丽玛，其他发明人请求不公开姓名，
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