一种轨道可视化巡检RGBD成像系统技术方案

为获取轨道表面彩色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RGBD成像系统。它由RGBD成像模块、成像控制模块、数据采集与融合模块、支撑装置和遮光罩组成。其中，RGBD成像模块含有RGB线阵摄像机、白光照明光源、3D摄像机和线结构光发生器，对轨道进行彩色和三维成像；遮光罩用于遮挡外部环境光；成像控制模块用于成像控制；数据采集与融合模块用于数据采集和融合，得到整个轨道断面彩色图像和三维形貌数据。本发明专利技术可为轨道可视化巡检提供彩色图像和三维形貌数据，为轨道可视化巡检提供有效数据。

【技术实现步骤摘要】
一种轨道可视化巡检RGBD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RGBD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，灰度图像只有纹理信息，没有颜色信息，对于道床异物的检测和判别精度较低，也不利于后期人工复核。为此，从提升巡检质量的角度来看，还需要获取轨道表面彩色图像。此外，对于扣件松动、道床异物等缺陷的检测，深度成像方法获取的三维形貌数据相比灰度图像具有更好的判别性，更能提升检测的准确度。比如：扣件螺栓松动，在深度图像中，可直接度量螺栓的高度值，但是在灰度图像中却很难区分螺栓的高度值。因此，将深度成像技术引入轨道巡检中，获取轨道三维形貌数据，可为轨道可视化巡检提供更加有效和可靠的数据。为此，本专利技术公开一种RGBD成像系统，用于同时获取轨道表面彩色图像(RGB)和深度图像(D)。
技术实现思路
为同时获取轨道表面彩色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RGBD成像系统。本专利技术的技术方案是：成像系统由RGBD成像模块、成像控制模块、数据采集与融合模块、支撑装置和遮光罩组成。所述RGBD成像模块由n1台彩色成像装置、n2台深度成像装置组成，其中n1台彩色成像装置通过视场拼接，对整个轨道表面进行RGB彩色成像，n2台深度成像装置通过视场拼接，对整个轨道表面进行深度成像，获取钢轨系统、道床系统和扣件系统的三维形貌数据。所述n1台彩色成像装置、n2台三维成像装置之间位置固定且刚性连接，n1、n2的取值范围为1～9。所述彩色成像装置为彩色线阵扫描成像装置，由线阵摄像机和照明光源组成；所述线阵摄像机为RGB彩色线阵摄像机；线阵摄像机的成像平面垂直于轨道纵向和轨道平面；所述照明光源发出白光，由位于线阵摄像机两侧的2个条形光源组成，条形光源由k个LED灯珠共线、串行排列而成，每1个LED灯珠前端设置1个聚光镜，k1个LED灯珠发出光线以拼接方式实现长条形区域照明；2个条形光源拼接后，垂直向下照射轨道表面，照射区域完全覆盖线阵摄像机成像区域，k1的取值范围为5-100。所述深度成像装置为线结构光三维扫描装置，由1个线结构光发生器和1台3D摄像机组成；所述线结构光由单波长激光器和柱面镜组成，其中激光器产生点状光源，柱面镜对点光源进行光路调制，产生锥形线结构光；所述线结构光平面与轨道纵向和轨道表面垂直，3D摄像机光轴与线结构光平面夹角为b，b的取值范围为30-60度，线结构光照射区域厚度不超过5mm、长度超出3D摄像机成像视场区域；所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式图像处理系统，自带线结构光3D测量算法，3D摄像机拍摄线结构光投射在轨道表面的光条，直接计算光条中心亚像素坐标，并根据系统标定参数，计算和输出当前光条上轨道表面三维数据。所述成像控制模块由角度编码器和控制信号发生器组成；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；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；控制信号发生器为嵌入式硬件电路，根据数据采集模块发出的控制指令使能里程脉冲信号输入，产生n1+n2路同步的脉冲信号，分别输入n1台二维成像装置和n2台三维成像装置，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、n1台二维成像装置和n2台三维成像装置连接，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、彩色图像和深度图像，并根据n1台彩色成像装置、n3台深度成像装置之间的几何位置关系，对采集的彩色图像和深度图像进行对齐操作，并在轨道横截面上进行视场拼接，得到整个轨道断面RGBD成像数据。所述支撑装置用于固定RGBD成像模块、计算机和遮光罩。所述遮光罩是由5块平板拼接而成的、底部开口方形盒，平板为不透光、非刚性材料；遮光罩套装在支撑装置上，用于遮挡顶部和四周区域的环境光；遮挡区域大于RGBD成像区域。进一步，所述照明光源为由k2个白光LED灯珠共线、串行排列而成的条形光源；所述照明光源斜向下照射轨道表面，照射区域完全覆盖线阵摄像机成像区域；所述光源照射方向与线阵摄像机成像方向的角度为a，a的取值为10-80度，k2的取值范围为5-100。进一步，所述深度成像装置中，采用折叠光路方式缩短三维成像装置长度，具体结构是：在3D摄像机成像光路上设置一块反射镜，在反射镜的反射光路上安装3D摄像机，3D摄像机通过反射镜对线结构光照射区域进行成像。进一步，所述深度成像装置中线结构光的波长范围为700-1000nm，并在3D摄像机前端加装对应波长的窄带滤光片。进一步，所述RGBD成像系统包括3台彩色成像装置、3台深度成像装置；所述3台彩色成像装置中，2台位于两根钢轨上方，1台位于轨道中心上方；所述3台彩色成像装置的成像平面平行、成像区域在轨道纵向上投影可完全覆盖整个轨道横向区域；所述3台深度成像装置中，2台位于两根钢轨上方，1台位于轨道中心上方，3台深度成像装置的线结构光平面平行、深度测量区域在轨道纵向上投影可完全覆盖整个轨道横向区域；所述3台彩色成像装置的线阵成像平面与3台三维成像装置中线结构光平面平行。进一步，所述深度成像装置由1台3D摄像机和n3个线结构光发生器组成，n3的取值范围为2-10，n3个线结构光共面、且均匀分布于3D摄像机两侧，以避免钢轨或道床异物遮挡导致无法3D测量。进一步，所述3台彩色成像装置垂直于钢轨方向共线设置，位于钢轨上方2台深度成像装置的线结构光平面共面，位于轨道中心上方的深度成像装置与到钢轨上方2台深度成像装置的距离不小于d，任1台深度成像装置的线结构光照射区域，不出现在其余2台深度成像装置成像视场中，d的取值范围为50-1000mm。进一步，所述3台彩色成像装置共线设置、3台深度成像装置共线设置，沿轨道横向方向、3台深度成像装置中线结构光波长分别为：c1、c2、c3，c1≠c2，c2≠c3，c1、c2、c3的取值范围为700-900nm，并在3台深度成像装置的3D摄像机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轨道可视化巡检RGBD成像系统，其特征在于，由RGBD成像模块、成像控制模块、数据采集与融合模块、支撑装置和遮光罩组成；所述RGBD成像模块由n1台彩色成像装置、n2台深度成像装置组成，其中n1台彩色成像装置通过视场拼接，对整个轨道表面进行RGB彩色成像，n2台深度成像装置通过视场拼接，对整个轨道表面进行深度成像，获取钢轨系统、道床系统和扣件系统的三维形貌数据；所述n1台彩色成像装置、n2台三维成像装置之间位置固定且刚性连接，n1、n2的取值范围为1～9；所述彩色成像装置为彩色线阵扫描成像装置，由线阵摄像机和照明光源组成；所述线阵摄像机为RGB彩色线阵摄像机；线阵摄像机的成像平面垂直于轨道纵向和轨道平面；所述照明光源发出白光，由位于线阵摄像机两侧的2个条形光源组成，条形光源由k个LED灯珠共线、串行排列而成，每1个LED灯珠前端设置1个聚光镜，k1个LED灯珠发出光线以拼接方式实现长条形区域照明；2个条形光源拼接后，垂直向下照射轨道表面，照射区域完全覆盖线阵摄像机成像区域，k1的取值范围为5‑100；所述深度成像装置为线结构光三维扫描装置，由1个线结构光发生器和1台3D摄像机组成；所述线结构光由单波长激光器和柱面镜组成，其中激光器产生点状光源，柱面镜对点光源进行光路调制，产生锥形线结构光；所述线结构光平面与轨道纵向和轨道表面垂直，3D摄像机光轴与线结构光平面夹角为b，b的取值范围为30‑60度，线结构光照射区域厚度不超过5mm、长度超出3D摄像机成像视场区域；所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式图像处理系统，自带线结构光3D测量算法，3D摄像机拍摄线结构光投射在轨道表面的光条，直接计算光条中心亚像素坐标，并根据系统标定参数，计算和输出当前光条上轨道表面三维数据；所述成像控制模块由角度编码器和控制信号发生器组成；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；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；控制信号发生器为嵌入式硬件电路，根据数据采集模块发出的控制指令使能里程脉冲信号输入，产生n1+n2路同步的脉冲信号，分别输入n1台二维成像装置和n2台三维成像装置，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、n1台二维成像装置和n2台三维成像装置连接，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、彩色图像和深度图像，并根据n1台彩色成像装置、n3台深度成像装置之间的几何位置关系，对采集的彩色图像和深度图像进行对齐操作，并在轨道横截面上进行视场拼接，得到整个轨道断面RGBD成像数据；所述支撑装置用于固定RGBD成像模块、计算机和遮光罩；所述遮光罩是由5块平板拼接而成的、底部开口方形盒，平板为不透光、非刚性材料；遮光罩套装在支撑装置上，用于遮挡顶部和四周区域的环境光；遮挡区域大于RGBD成像区域。...

【技术特征摘要】
1.一种轨道可视化巡检RGBD成像系统，其特征在于，由RGBD成像模块、成像控制模块、数据采集与融合模块、支撑装置和遮光罩组成；所述RGBD成像模块由n1台彩色成像装置、n2台深度成像装置组成，其中n1台彩色成像装置通过视场拼接，对整个轨道表面进行RGB彩色成像，n2台深度成像装置通过视场拼接，对整个轨道表面进行深度成像，获取钢轨系统、道床系统和扣件系统的三维形貌数据；所述n1台彩色成像装置、n2台三维成像装置之间位置固定且刚性连接，n1、n2的取值范围为1～9；所述彩色成像装置为彩色线阵扫描成像装置，由线阵摄像机和照明光源组成；所述线阵摄像机为RGB彩色线阵摄像机；线阵摄像机的成像平面垂直于轨道纵向和轨道平面；所述照明光源发出白光，由位于线阵摄像机两侧的2个条形光源组成，条形光源由k个LED灯珠共线、串行排列而成，每1个LED灯珠前端设置1个聚光镜，k1个LED灯珠发出光线以拼接方式实现长条形区域照明；2个条形光源拼接后，垂直向下照射轨道表面，照射区域完全覆盖线阵摄像机成像区域，k1的取值范围为5-100；所述深度成像装置为线结构光三维扫描装置，由1个线结构光发生器和1台3D摄像机组成；所述线结构光由单波长激光器和柱面镜组成，其中激光器产生点状光源，柱面镜对点光源进行光路调制，产生锥形线结构光；所述线结构光平面与轨道纵向和轨道表面垂直，3D摄像机光轴与线结构光平面夹角为b，b的取值范围为30-60度，线结构光照射区域厚度不超过5mm、长度超出3D摄像机成像视场区域；所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式图像处理系统，自带线结构光3D测量算法，3D摄像机拍摄线结构光投射在轨道表面的光条，直接计算光条中心亚像素坐标，并根据系统标定参数，计算和输出当前光条上轨道表面三维数据；所述成像控制模块由角度编码器和控制信号发生器组成；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；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；控制信号发生器为嵌入式硬件电路，根据数据采集模块发出的控制指令使能里程脉冲信号输入，产生n1+n2路同步的脉冲信号，分别输入n1台二维成像装置和n2台三维成像装置，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、n1台二维成像装置和n2台三维成像装置连接，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、彩色图像和深度图像，并根据n1台彩色成像装置、n3台深度成像装置之间的几何位置关系，对采集的彩色图像和深度图像进行对齐操作，并在轨道横截面上进行视场拼接，得到整个轨道断面RGBD成像数据；所述支撑装置用于固定RGBD成像模块、计算机和遮光罩；所述遮光罩是由5块平板拼接而成的、底部开口方形盒，平板为不透光、非刚性材料；遮光罩套装在支撑装置上，用于遮挡顶部和四周区域的环境光；遮挡区域大于RGBD成像区域。2.根据权利要求1所述的一种轨道可视化巡检RGBD成像系统，其特征在于，所述照明光源为由k2个白光LED灯珠共线、串行排列而成的...

【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