一种轨道可视化巡检二维与三维一体化成像系统技术方案

为同时获取轨道表面二维图像与三维形貌数据，本发明专利技术公开一种轨道可视化巡检二维与三维一体化成像系统，它由3台二维与三维一体化成像模块、1套成像控制模块、1套数据采集与融合模块组成。二维与三维一体化成像模块，由1台线阵摄像机、1台3D摄像机、2个线结构光发生器组成，其中，线阵摄像机成像平面与3D摄像机线结构光平面共面；成像控制模块由角度编码器和控制信号发生器组成，用于产生成像控制信号；数据采集与融合模块用于采集和融合二维图像与三维数据；3台二维与三维一体化成像模块沿轨道横向布置，沿轨道纵向扫描，获取轨道表面二维图像和三维形貌数据，为轨道可视化智能巡检提供有效数据。

A 2-D and 3-D Integrated Imaging System for Visual Patrol Inspection of Orbits

In order to obtain two-dimensional image and three-dimensional topographic data of track surface simultaneously, the invention discloses a two-dimensional and three-dimensional integrated imaging system for track visualization inspection inspection, which consists of three two-dimensional and three-dimensional integrated imaging modules, one imaging control module and one data acquisition and fusion module. The two-dimensional and three-dimensional integrated imaging module consists of a linear array camera, a three-dimensional camera and two linear structured light generators, in which the imaging plane of the linear array camera is coplanar with the linear structured light plane of the three-dimensional camera; the imaging control module consists of an angle encoder and a control signal generator for generating imaging control signals; and the data acquisition and fusion module is used for acquisition and fusion of two-dimensional images. Image and three-dimensional data; three two-dimensional and three-dimensional integrated imaging modules are arranged horizontally along the track and scanned longitudinally along the track to obtain two-dimensional image and three-dimensional topographic data of the track surface, which provide effective data for intelligent inspection of track visualization.

【技术实现步骤摘要】
一种轨道可视化巡检二维与三维一体化成像系统
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二维与三维一体化成像系统。
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。但是由于三维数据不够形象和直观，因此，可以将现有灰度图像与三维成像数据进行融合，得到既包含灰度图像、又包含深度图像的数据，便于进行人工复核。为此，对于轨道巡检而言，迫切需要同时获取轨道表面灰度图像和三维形貌数据。
技术实现思路
为同时获取轨道表面灰度图像和三维形貌数据，本专利技术提供一种轨道可视化巡检二维与三维一体化成像系统。本专利技术的技术方案是：一种轨道可视化巡检二维与三维一体化成像系统，其特征在于，由3台二维与三维一体化成像模块、1套成像控制模块、1套数据采集与融合模块组成。所述3台二维与三维一体化成像模块中，有2台位于两根钢轨正上方，1台位于轨道中心正上方，分别对钢轨及两侧区域、道床区域进行二维与三维融合成像。所述3台二维与三维一体化成像模块的成像区域在轨道纵向上的投影存在交叉重叠、且可完全覆盖轨道横向宽度。任1台二维与三维一体化成像模块中的线结构光照射区域不出现在其余2台二维与三维一体化成像模块的成像视场中，以避免视场中出现2条及以上线结构光，干扰3D摄像机进行3D测量。所述二维与三维一体化成像模块，由1台线阵摄像机、1台3D摄像机、第1线结构光发生器、第2线结构光发生器和固定支座组成。所述线阵摄像机为单色线阵摄像机，线阵摄像机的光轴垂直于轨道路面，线阵摄像机的成像平面垂直于轨道纵向和路面，线阵摄像机用于获取二维纹理图像。所所述第1线结构光发生器、第2线结构光发生器，都由单波长激光器和柱面镜组成，激光器产生点光源，柱面镜对点光源进行光路调制产生锥形线结构光。所述第1线结构光发生器产生线结构光波长为c1，第2线结构光发生器产生线结构光波长c2，c1≠c2；c1、c2的取值范围为200-1000nm。所述第1线结构光发生器、第2线结构光发生器位于线阵摄像机两侧，所产生的2个线结构光平面与线阵摄像机成像平面共面。所述第1线结构光发生器为线阵摄像机提供照明，在线阵摄像机前端设置波长为c1的窄带滤光片。所述第2线结构光发生器为3D摄像机提供照明，在3D摄像机前端设置波长为c2的窄带滤光片。所述3D摄像机到第2线结构光发生器的距离为d，3D摄像机成像光轴与第2线结构光发生器产生的线结构光平面成角度a，a的取值范围为30-60度。所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式图像处理平台，自带线结构光3D测量算法，3D摄像机拍摄第2线结构光发生器产生的线结构光在轨道表面的光条，在线计算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。所述二维与三维一体化成像模块中，线阵摄像机、3D摄像机、第1线结构光发生器和第2线结构光发生器相对位置固定，紧固在固定支座上。所述成像控制模块由角度编码器和控制信号发生器组成。所述角度编码器安装在里程计数轮上，对里程计数轮转动角度进行编码产生里程脉冲信号。所述里程计数轮为圆柱轮，通过轴承固定在运载平台上，里程计数轮是随动轮，里程计数轮搭在钢轨顶部，并通过预压弹簧紧顶钢轨顶部，角度编码器的转动轴与里程计数轮固定。所述控制信号发生器为嵌入式硬件电路，根据数据采集与融合模块发出的控制指令使能里程脉冲信号输入，产生6路同步的脉冲信号，分别输入3台二维与三维一体化成像模块中，用于驱动线阵摄像机和3D摄像机，并且对输出的脉冲信号进行计数，将脉冲数量传输给数据采集与融合模块。所述数据采集与融合模块为计算机，与控制信号发生器、3台二维与三维一体化成像模块连接，通过计算机上运行的软件程序，产生控制指令，采集和存储脉冲数量、二维图像和三维数据，并根据线阵摄像机、3D摄像机之间几何位置关系，对采集的二维图像和三维数据进行对齐操作，并在轨道横截面上进行视场拼接，得到整个轨道断面二维与三维融合成像数据。进一步，所述二维与三维一体化成像模块，采用光路折叠方法，缩短3D摄像机到第2线结构光发生器的距离，具体方法是：在3D成像光路上设置一块反射镜，在反射镜的反射光路上设置3D摄像机。进一步，所述二维与三维一体化成像模块，采用合色镜将波长为c1的线结构光和波长为c2的线结构光合成为同一平面内双波长线结构光。进一步，所述位于钢轨上方的二维与三维一体化成像模块中，增加第3线结构光发生器、第4线结构光发生器，波长分别为c1、c2；将第1、2线结构光发生器安置于线阵摄像机一侧，第3、4线结构光发生器安置于线阵摄像机对侧，4个线结构光发生器与线阵摄像机共线安置，产生的4个线结构光平面与线阵摄像机成像平面共面，使第1、2线结构光发生器位于钢轨顶部一侧照明、第3、4线结构光发生器位于钢轨顶部对侧照明。并采用2个合色镜，分别将波长为c1的线结构光、波长为c2的线结构光进行合色。由此解决采用单个线结构光照明时所存在的钢轨顶部遮挡问题。进一步，将3台二维与三维一体化成像装置共线设置，使3台线阵摄像机成像平面、双波长线结构光平面共面，并使为线阵摄像机提供照明的线结构光波长为c1；沿轨道横向方向，第1台二维与三维一体化成像装置中为3D摄像机提供照明的线结构光波长为c2，第2台二维与三维一体化成像装置中为3D摄像机提供照明的线结构光波长为c3，第3台二维与三维一体化成像装置中为3D摄像机提供照明的线结构光波长为c4，c1≠c2≠c3≠c4，c1、c2、c3、c4的波长范围为200-1000nm；在所有线阵摄像机前端设置波长为c1的窄带滤光片，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轨道可视化巡检二维与三维一体化成像系统，其特征在于，由3台二维与三维一体化成像模块、1套成像控制模块、1套数据采集与融合模块组成；所述3台二维与三维一体化成像模块，其中，2台位于两根钢轨正上方，1台位于轨道中心正上方，分别对钢轨及两侧区域、道床区域进行二维与三维融合成像；所述3台二维与三维一体化成像模块的成像区域在轨道纵向上的投影存在交叉重叠、且可完全覆盖轨道横向宽度；任一台二维与三维一体化成像模块中的线结构光照射区域不出现在其余2台二维与三维一体化成像模块的成像视场中，以避免视场中出现2条及以上线结构光，干扰3D摄像机进行3D测量；所述二维与三维一体化成像模块，由1台线阵摄像机、1台3D摄像机、第1线结构光发生器、第2线结构光发生器和固定支座组成；所述线阵摄像机为单色线阵摄像机，线阵摄像机的光轴垂直于轨道路面，线阵摄像机的成像平面垂直于轨道纵向和路面，线阵摄像机用于获取二维纹理图像；所所述第1线结构光发生器、第2线结构光发生器，都由单波长激光器和柱面镜组成，激光器产生点光源，柱面镜对点光源进行光路调制产生锥形线结构光；所述第1线结构光发生器产生线结构光波长为c1，第2线结构光发生器产生线结构光波长c2，c1≠c2；c1、c2的取值范围为200‑1000nm；所述第1线结构光发生器、第2线结构光发生器位于线阵摄像机两侧，所产生的2个线结构光平面与线阵摄像机成像平面共面；所述第1线结构光发生器为线阵摄像机提供照明，在线阵摄像机前端设置波长为c1的窄带滤光片；所述第2线结构光发生器为3D摄像机提供照明，在3D摄像机前端设置波长为c2的窄带滤光片；所述3D摄像机到第2线结构光发生器的距离为d，3D摄像机成像光轴与第2线结构光发生器产生的线结构光平面成角度a，a的取值范围为30‑60度；所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式图像处理平台，自带线结构光3D测量算法，3D摄像机拍摄第2线结构光发生器产生的线结构光在轨道表面的光条，在线计算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；所述二维与三维一体化成像模块中，线阵摄像机、3D摄像机、第1线结构光发生器和第2线结构光发生器相对位置固定，紧固在固定支座上；所述成像控制模块由角度编码器和控制信号发生器组成；所述角度编码器安装在里程计数轮上，对里程计数轮转动角度进行编码产生里程脉冲信号；所述里程计数轮为圆柱轮，通过轴承固定在运载平台上，里程计数轮是随动轮，里程计数轮搭在钢轨顶部，并通过预压弹簧紧顶钢轨顶部，角度编码器的转动轴与里程计数轮固定；所述控制信号发生器为嵌入式硬件电路，根据数据采集与融合模块发出的控制指令使能里程脉冲信号输入，产生6路同步的脉冲信号，分别输入3台二维与三维一体化成像模块中，用于驱动线阵摄像机和3D摄像机，并且对输出的脉冲信号进行计数，将脉冲数量传输给数据采集与融合模块；所述数据采集与融合模块为计算机，与控制信号发生器、3台二维与三维一体化成像模块连接，通过计算机上运行的软件程序，产生控制指令，采集和存储脉冲数量、二维图像和三维数据，并根据线阵摄像机、3D摄像机之间几何位置关系，对采集的二维图像和三维数据进行对齐操作，并在轨道横截面上进行视场拼接，得到整个轨道断面二维与三维融合成像数据。...

【技术特征摘要】
1.一种轨道可视化巡检二维与三维一体化成像系统，其特征在于，由3台二维与三维一体化成像模块、1套成像控制模块、1套数据采集与融合模块组成；所述3台二维与三维一体化成像模块，其中，2台位于两根钢轨正上方，1台位于轨道中心正上方，分别对钢轨及两侧区域、道床区域进行二维与三维融合成像；所述3台二维与三维一体化成像模块的成像区域在轨道纵向上的投影存在交叉重叠、且可完全覆盖轨道横向宽度；任一台二维与三维一体化成像模块中的线结构光照射区域不出现在其余2台二维与三维一体化成像模块的成像视场中，以避免视场中出现2条及以上线结构光，干扰3D摄像机进行3D测量；所述二维与三维一体化成像模块，由1台线阵摄像机、1台3D摄像机、第1线结构光发生器、第2线结构光发生器和固定支座组成；所述线阵摄像机为单色线阵摄像机，线阵摄像机的光轴垂直于轨道路面，线阵摄像机的成像平面垂直于轨道纵向和路面，线阵摄像机用于获取二维纹理图像；所所述第1线结构光发生器、第2线结构光发生器，都由单波长激光器和柱面镜组成，激光器产生点光源，柱面镜对点光源进行光路调制产生锥形线结构光；所述第1线结构光发生器产生线结构光波长为c1，第2线结构光发生器产生线结构光波长c2，c1≠c2；c1、c2的取值范围为200-1000nm；所述第1线结构光发生器、第2线结构光发生器位于线阵摄像机两侧，所产生的2个线结构光平面与线阵摄像机成像平面共面；所述第1线结构光发生器为线阵摄像机提供照明，在线阵摄像机前端设置波长为c1的窄带滤光片；所述第2线结构光发生器为3D摄像机提供照明，在3D摄像机前端设置波长为c2的窄带滤光片；所述3D摄像机到第2线结构光发生器的距离为d，3D摄像机成像光轴与第2线结构光发生器产生的线结构光平面成角度a，a的取值范围为30-60度；所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式图像处理平台，自带线结构光3D测量算法，3D摄像机拍摄第2线结构光发生器产生的线结构光在轨道表面的光条，在线计算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；所述二维与三维一体化成像模块中，线阵摄像机、3D摄像机、第1线结构光发生器和第2线结构光发生器相对位置固定，紧固在固定支座上；所述成像控制模块由角度编码器和控制信号发生器组成；所述角度编码器安装在里程计数轮上，对里程计数轮转动角度进行编码产生里程脉冲信号；所述里程计数轮为圆柱轮，通过轴承固定在运载平台上，里程计数轮是随动轮，里程计数轮搭在钢轨顶部，并通过预压弹簧紧顶钢轨顶部，角度编码器的转动轴与里程计数轮固定；所述控制信号发生器为嵌入式硬件电路，根据数据采集与融合模块发出的控制指令使能里程脉冲信号输入，产生6路同步的脉冲信号，分别输入3台二维与三维一体化成像模块中，用于驱动线阵摄像机和3D摄像机，并且对输出的脉冲信号进行计数，将脉冲数量传输给数据采集与融合模块；所述数据采集与融合模块为计算机，与控制信号发生器、3台二维与三维一体化成像模块连接，通过计算机上运行的软件程序，产生控制指令，采集和存储脉冲数量、二维图像和三维数据，并根据线阵摄像机、3D摄像机之间几何位置关系，对采集的二维图像和三维数据进行对齐操作，并在轨道横截面上进行视场拼接...

【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