（光学工程专业论文）铁轨几何参数摄像测量系统研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 铁轨几何参数检测是铁路铺设和养护的重要内容和前提条件。我国铁路向高速重载方 向发展，对铁轨几何参数检测的精度和效率提出了新要求。常规检测方法精度差效率低， 已经不能满足铁路发展的需要。摄像测量方法能够弥补常规检测方法的不足。在此背景下， 本文开展了铁轨几何参数摄像测量系统的研究。 论文首先介绍了两种现有的铁轨几何参数测量方法，指出其存在的问题。然后分析了 将摄像测量方法应用于铁轨几何参数检测的可行性和本课题的重大意义。 根据摄像测量原理设计了铁轨几何参数摄像测量系统结构，介绍了各部分的功能和测 量流程。根据系统的设计要求对系统各硬件参数进行了估算，在此基础上对红外人工合作 标志、摄像机和滤光片、电动镜头、工控机、电源等硬件进行了深入的调研和论证工作， 选取了合适的器件，搭建了铁轨几何参数摄像测量系统。 对铁轨几何参数摄像测量系统的两大关键技术电动镜头的自动控制和人工合作标 志的亚像素定位技术进行了深入的研究。提出了电动镜头的两种控制方案，指出其中基于 图像处理的控制方案的可行性。比较了常用图像清晰度评价函数的性能，选取了适合本系 统的图像清晰度评价函数。详细介绍了亚像素定位技术的原理，选取了适合本系统的亚像 素定位方法。编程实现了电动镜头的自动控制和人工合作标志的亚像素定位，取得了很好 的效果。 在测量系统搭建完成以后，根据现有的实验条件，设计了动态目标电动镜头自动跟踪 实验和室内系统测量精度实验，对结果进行了误差分析，指出影响测量结果的主要因素。 实验结果表明，该铁轨几何参数摄像测量系统满足了铁轨几何参数检测的需要。 关键词：铁轨几何参数，摄像测量，像质评价函数，亚像素相关 国防科学技术人学研究生院学位论文 a b s t r a c t g e o m e t r yp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a s k sa n dp r e c o n d i t i o n si n r a i l w a yc o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c e a st h er a i l w a yi no u rc o u n t r yd e v e l o p st o w a r d sh i g h s p e e da n dh e a v yb u r d e n ，t h ep r e c i s i o na n de f f i c i e n c y o fr a i l w a yg e o m e t r yp a r a m e t e r s m e a s u r e m e n tn e e d st ob eo nah i g hl e v e l e x i s t i n gm e t h o d sh a v el o wp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y ， a n dc a n n tk e e p u pw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h er a i l w a y v i d e om e t r yt e c h n i q u ec a ns o l v et h e s e p r o b l e m s i no r d e rt of i l l t h i sd e m a n d ，av i d e om e t r ys y s t e mi sd e s i g n e df o rr a i l w a yg e o m e t r y p a r a m e t e r sm e a s u r e m e n ti nt h i sd i s s e r t a t i o n e x i s t i n gt e c h n i q u e sa n dt h e i rp r o b l e m sf o rr a i l w a yg e o m e t r yp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n ta r e i n t r o d u c e d t h ef e a s i b i l i t ya n ds i g n i f i c a n c eo fu s i n gv i d e om e r r yf o rr a i l w a yg e o m e t r y p a r a m e t e r sm e a s u r e m e n ta r ea n a l y z e d t h es t r u c t u r eo ft h ev i d e om e t r ys y s t e mf o rr a i l w a yg e o m e t r yp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n ti s d e s i g n e d i t sf u n c t i o n so fe a c hp a r ta r ei l l u m i n a t e d s o m eh a r d w a r ep a r a m e t e r so ft h ev i d e o m e t r ys y s t e ma r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g ni n d e x p r o p e rc h o i c e s ea r em a d ef o rt h e h a r d w a r e s 丽t hd e e p l yi n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n gi n f r a r e da r t i f i c i a lm a r k ，v i d e oc a m e r a ，n a r r o w b a n d w i d t hl i g h tf i l t e r ，m o t o r i z e dl e n s ，i n d u s t r yc o m p u t e r ，p o w e rs u p p l ya n ds oo n t h e nt h e m e a s u r es y s t e mi sb u i l t t w o k e yt e c h n i q u e so ft h i sm e a s u r es y s t e ma r ei n v e s t i g a t e d ：m o t o r i z e dl e n sa u t o c o n t r o la n d s u b p i x e ll o c a t i o no ft h ea r t i f i c i a lm a r k t w oc o n t r o ls c h e m e sa r eb r o u g h tu p ，a n dt h e o n e d e p e n d i n go ni m a g ep r o c e s s i n gi sa p p l i e d t h ec a p a b i l i t yo ft h es i xi m a g ed e f i n i t i o nf u n c t i o n si s c o m p a r e d ，a n dt h eo n eb a s e do ns o b e ld i f f e r e n t i a li su s e di no u rl e n sc o n t r o ls y s t e m t h e s u b p i x e ll o c a t i o np r i n c i p l ei si n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dd i g i ti m a g ec o r r e l a t i o ns u b - p i x e ll o c a t i o n m e t h o di sc h o s e nf o rt h i sm e a s u r es y s t e m t h em o t o r i z e dl e n sa u t o c o n t r o la n da r t i f i c i a lm a r k s u b - p i x e ll o c a t i o na r er e a l i z e d w h e nt h em e a s u r es y s t e mi sr e a d y ，t w oe x p e r i m e n t sf o rm o v i n go b j e c ta u t ot r a c k i n gb a s e d o nm o t o r i z e da u t o c o n t r o la n ds y s t e mp r e c i s i o na r ed e s i g n e d t h e ne r r o ra n a l y s i si sc a r d e d s o m e o ft h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h em e a s u r er e s u l ta r ei l l u m i n a t e d t h ee x p e r i m e n t s r e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ev i d e om e t r ys y s t e ms a t i s f i e st h en e e d so ft h er a i l w a yg e o m e t r yp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t i i 国防科学技术大学研究生院学位论文 k e yw o r d s ：r a i l w a yg e o m e t r yp a r a m e t e r s ，v i d e om e t r y ，i m a g ed e f i n i t i o nf u n c t i o n ， s u b p i x e lc o r r e l a t i o n i i i 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 1 1 铁轨几何参数示意图2 1 2s r m 0 8 3 2 型捣固车线路方向偏差测量装置原理图一3 1 3s r m 0 8 3 2 型捣固车激光校直装置测量原理图。3 2 1 铁轨几何参数摄像测量系统结构图6 2 2 铁轨几何参数合成原理图8 2 3 铁轨几何参数摄像测量系统结构框图9 2 4 测量系统测量流程图1 0 3 1 十字型红外l e d 人工合作标志1 3 3 2 摄像机c c d 光谱响应曲线1 4 3 3g r a s 5 0 s 5 m c 摄像机。l5 3 48 5 0 纳米带通滤光片的光谱透过率曲线1 6 3 5 , l q ：l 成像模型1 6 3 - 6c 型接口和c s 型接口的区别1 7 3 7 电动镜头尺寸与c c d 靶面尺寸关系图1 8 3 8s t l 6 1 6 0 m 三可变电动镜头1 8 3 - 8n i c e 31 0 0 p 2 型工控机1 9 4 1 理想透镜成像原理图2 3 4 2 电动镜头自动控制系统原理图2 4 4 3 电动镜头一次调节流程图2 5 4 4 理想像质评价函数图2 7 4 5 聚焦变化的序列图像3 0 4 - 6 各归一化像质评价函数曲线图3 l 4 7 亚像素定位示意图3 2 4 8 单个人工合作标志图像3 7 4 9 理想十字丝模板图3 7 4 1 0 相关系数矩阵图3 7 5 1 电动镜头自动调焦跟踪实验图片3 9 5 2 二维精密移动平台4 0 5 3 镜头畸变示意图4 l 5 - 4 透视变形示意图。4 1 5 5 单个红外l e d 标志成的像4 3 5 - 6 室内实验人工合作标志中心水平方向上的波动( 毫米) 4 4 5 7 室内实验人工合作标志中心竖直方向上的波动( 毫米) 4 4 5 8 野外实验人工合作标志水平方向的波动及拟合结果一4 5 5 - 9 野外实验人工合作标志竖直方向的波动及拟合结果一4 5图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 国防科学技术人学研究生院学位论文 表目录 表3 1n i c e 31 0 0 p 2 型下控机主要性能参数表2 0 表5 1 系统测量精度实验结果。4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 筮熟且氲叁熬摄像型量丞统盈窒 学位论文作者签名：至瑾k日期：夕叼年，z 月歹日 | 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：筮塾且鱼叁数摄像趔量丞缠盟窒 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：夕咿7 年，月岁日 f 日期。叩年仪旷日 f 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 铁轨几何参数测量的重要性和现有技术 1 1 1铁轨几何参数检测的重要性 铁路铺设过程中，需要对铺设的线路进行几何参数测量，从而确定铁路是否符合设计 标准。在列车长时间运行和自然条件的作用下，铁路线路会不可避免地发生变形和损坏。 为了确保列车安全、稳定、快速的运行，延长线路各组成部分的使用寿命，必须加强铁路 的养护工作，铁轨几何参数的精确测量是铁路养护的前提。 铁轨几何参数测量对改进铁轨部件设计、探索铁轨整体特性、确定铁轨合理结构、改 善铁轨及机车车辆相互作用、延长铁轨部件和机车车辆使用寿命等方面都有重要的指导意 义。 1 1 2现有测量技术分析 铁轨的几何参数是指铁轨的铁轨方向、左右两股钢轨的水平高低、铁轨的前后高低 等。铁轨几何参数测量主要包括以下4 项 2 1 ： 轨距：铁轨同一横断面内两钢轨内侧之间的距离。控制轨距对减小机车车轮与钢轨之 间的摩擦有十分重要的意义。 水平：铁轨同一横断面内两钢轨顶面之高差。控制水平误差的目的是使两股钢轨受力 均匀，并保证车辆平稳行驶。 高低：钢轨顶面纵向起伏变化量。控制高低误差对降低轮轨间的动力作用，减小机车 对铁轨的破坏是十分重要的。 轨向：钢轨内侧面轨距点沿铁轨纵向水平位置的变化量。控制轨向的误差对行车的安 全和平稳具有特别重要的意义。在无缝线路地段，若铁轨方向不良，到了高温季节，还可 能会引起胀轨跑道，严重威胁行车安全。轨向通常是用正矢衡量的，正矢的定义请参考相 关的文献。 铁轨线路测量除了上面列举的四项以外，还包括曲率测量、扭曲( 三角坑) 测量、复 合不平顺测量、车体水平和垂直方向振动加速度的测量等。轨距、水平、高低、轨向是铁 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 轨测量的重点，而且可以由这四项推导出曲率、扭曲、复合不平顺等测量量。 ， 图1 1 铁轨几何参数示意图 如图1 1 所示，a 1 和b l 为左钢轨的2 个轨头点，对应右钢轨的轨头点分别为a 2 和b 2 。 b l 和b 2 与地平面的交点分别为t l 和t 2 。贝i j l a l a 2 1 1 i 为轨距，j b i t d ：g l i b 2 t 2 1 分别为左右钢轨 的高低，i b l t l - b 2 t 2 i 为水平超高。a 3 、b 3 、c 3 分别为铁轨中心线上的轨距点，由铁轨中心 点的变化可以计算出正矢。 我国铁路测量设备九十年代还大量依靠进口，现阶段虽然已经完成了国产化改造，但 其测量手段仍然沿用以前设备基于弦线和基于激光准直的测量原理。现阶段铁轨几何参数 检测方法很多，常见的有基于各种分离传感器的【3 一，基于多传感器集成的【5 】，基于图像处 理和机器视觉的嘲等。下面分别介绍基于弦线和激光准直的测量原理。 1 、基于弦线的铁轨几何参数测量原理 基于弦线的铁轨几何参数测量分为线路方向偏差测量装置、线路水平偏差测量装置和 线路高低偏差测量装置等。它们的测量原理大体相同，下面只简要介绍线路方向偏差测量 装置。 s r m 0 8 。3 2 型捣固车线路方向偏差测量装置原理如图1 2 所示。a 为后张紧小车，b 、 c 为测量小车，d 为前张紧小车。h l 、h 2 、h 3 为矢距传感器，a 、d 小车之间的弦线通过 a 小车后的气缸拉紧，该弦线即为轨道方向偏差的基准。由于b 、c 两台小车的车轮紧贴 轨道，因此b 、c 小车的运动轨迹能够完全反应出轨道方向的变化。当捣固车运动时，b 、 c 两台小车跟着运动，b 、c 两台小车的中点相对于a 、d 两台小车中间的弦线的位置变化 由矢距传感器h l 、h 2 和h 3 测量出来。根据这些变化量和相应的计算方法计算出轨道的方 向偏差。 第2 页 圈防科学技术大学研究生院学位论文 气 缸 abcd l + 2 l 。l 米 圈 i - 2s r m 0 8 3 2 型捣固车线路方向偏差测量装置原理图 由以上介绍可知，基于弦线的测量方法不但测量结构复杂，而且每种装置只能完成一 种测量目的。为了得到轨道几何参数的完整数据，需要多种测量装鬣协作，既增加了测量 的强度，又增加了测量的难度。丽且这种基于弦线的测量方法往往由于弦线拉不紧，或者 机械结构的变形，给测量结果带来了很大的误差。 2 、基于激光准直的铁轨几何参数测量原理 s r m 0 8 3 2 型捣固车的激光校直装置的测量原理如图1 3 所示。激光发射器位于距捣固 车3 0 0 米的轨道上。激光接收器由四块光电池组成并固定在捣固车d 的前端。测量开始后， 捣固车向激光发射器运动，激光发射器发射的激光经光学准直和柱面镜扩展之后成为一个 宽度约为2 0 毫米的垂直扇面光束，激光接收器利用四块光电池的电桥平衡原理通过传动 装置囱动跟踪激光束的中心位置，并给出传动量，该传动量即为轨道的水平偏移量。 激 捣 图1 3s r m 0 8 3 2 型捣国车激光校直装置测量原理图 器 蠢以上介绍可知，激光准直测量方法虽然摆脱了弦线测量装置机械结构麴复杂缝，但 是也带了相应的问题。在测量过程中，激光束经常会脱离捣固车上的激光接收器靶面，导 致测量无法进行。焉置调整激光束技术难度大，不易掌握。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 铁轨几何参数的摄像测量 摄像测量学是利用摄像机摄取图像，通过图像研究和确定被摄物体的形状、大小、位 置和相互关系的- - i 1 学科r 7 1 。它包含的内容有：获取被摄物体的图像，研究单张和多张图 像的处理方法，根据图像中的物体信息计算相应的待测量并将结果输出【8 1 。 摄像测量技术以现代光学为基础，综合了计算机图形学、数字图像处理、计算机视觉 等学科先进的研究成果，已经广泛应用于工业检测和自动控制、军事侦察、红外遥感等多 个领域。具有自动化程度高、测量精度高、测量过程无接触无损伤等优点。 将摄像测量的原理应用于铁轨几何参数检测，在国内尚属首次。其主要原理是用摄像 机记录沿铁轨运动的人工合作标志位置的变化，通过图像处理的方法检测人工合作标志位 置变化，从而计算铁轨几何参数。利用摄像测量的方法实现铁轨几何参数的自动测量，既 克服了现有方法存在的问题，又提高了铁轨几何参数测量的精度，同时一次可以测量多个 几何参数，避免了每个传感器只测量一个参数，得到的测量结果不统一等问题，是铁轨几 何参数测量的新方向。 1 3 本课题的意义 我国地域广阔，地形结构复杂，铁路养护维修工作十分繁重。目前我国的铁路测量设 备绝大多数制造年代较早，仪器仪表比较陈旧。在提速试验中，由于各测量车功能单一， 做一次大型试验常常需要5 6 辆测量车，无法形成完整统一的试验数据。随着铁路向高 速、重载方向发展，线路铺设和养护的作业量不断增加，可供验收和养护作业的时间却越 来越短，运输与线路养护的矛盾日益突出。对铁轨几何参数高精度、高速度测量的要求越 来越迫切。 随着以计算机和数字图像处理技术为核心的信息技术的飞速发展，以及数字摄像机制 造工艺水平的提高，利用摄像测量的方法测量铁轨的几何参数已经成为可能。 本课题将摄像测量原理应用于铁轨几何参数检测，应用现代数字信息获取中的亚像素 定位技术，实现标志物的高精度定位，利用数字图像处理的方法计算铁轨几何参数，从而 给出高精度的测量结果。由于整个测量过程是通过摄像机和图像处理软件完成的，操作简 便，便于系统维护和升级，而且易于和校正系统集成，大大提高系统兼容性。 纵观整个测量系统，仅仅需要一台摄像机和一台计算机及相关设备就能够完成铁轨几 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 何参数的全方位测量，大大提高了测量系统的集成度，简化了铁轨几何参数的测量过程， 而且便于系统的改造，以适应不同生产条件的需要。 1 4 本文的工作 本文开发了一套铁轨几何参数摄像测量系统，编写了相应的控制和测量软件，实现了 铁轨几何参数的摄像测量。本文的主要工作如下： l 、在国内首次将摄像测量原理应用于铁轨几何参数检测，设计了铁轨几何参数摄像测 量系统。 2 、根据铁轨几何参数摄像测量系统的设计要求对系统各硬件参数进行了估算，在此基 础上进行了深入的调研，选购了合适的硬件设备。 3 、根据选用的电动镜头，提出了两套控制方案，并根据应用实际选用了基于图像处理 的控制方案，编写了电动镜头控制程序，实现了对电动镜头的自动控制。 4 、编制了铁轨几何参数摄像测量软件，实现了铁轨几何参数高精度自动测量。 5 、系统建成后，根据现有的实验条件，设计了电动镜头自动调焦和系统测量精度实验， 对系统的自动调焦功能和测量精度进行了验证。 6 、对测量结果进行了误差分析，指出了影响测量结果的主要因素，并通过实验给出了 测量误差动态范围。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章铁轨几何参数摄像测量系统的测量原理 铁轨几何参数摄像测量系统是把摄像测量中的近景测量原理运用到铁轨几何参数测量 当中，同时根据测量任务要求，将摄像测量原理进行了具体化。本章主要介绍铁轨几何参 数摄像测量系统的测量原理。 2 1铁轨几何参数摄像测量系统的整体结构 按照摄像测量的原理设计了铁轨几何参数摄像测量系统，该测量系统各部分的结构和 整体布局如图2 1 所示。 测量主车 图2 1 铁轨几何参数摄像测量系统结构图 在需要测量的铁轨上放置一台靶车，在靶车上安装若干个人工合作标志和一套无线收 发系统。在距靶车约3 0 0 米的铁轨上放置一台测量主车。在测量主车上放置一台摄像机、 一台高性能工控机、一个电动镜头解码器、一个无线收发装置和电源。当靶车沿着铁轨运 动时，由于靶车的车轮紧贴铁轨，所以固定于靶车上的人工合作标志的运动完全能反映出 铁轨几何参数的变化。测量开始后，摄像机实时采集人工合作标志运动的序列图像；电动 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 镜头控制程序实时处理采集到的图像，提取与电动镜头调节参数对应的图像特征量，驱动 电动镜头进行正确调节，使人工合作标志成像始终清晰；系统测量软件实时处理采集到的 图像，实时计算人工合作标志中心坐标：铁轨几何参数合成软件实时获取人工合作标志的 坐标信息并对图像进行标定，根据相应的定义计算铁轨几何参数。 为了能将测量结果与测量点对应起来，在测量开始时，靶车和主车上的无线收发装置 同时启动，靶车上的无线收发装置将靶车的运动里程实时编码之后发送出去，主车上的无 线收发装置实时接收靶车运动里程的编码并传递给工控机，工控机将靶车的里程解码后与 摄像机的测量数据对应起来。 2 2 铁轨几何参数的合成 对人工合作标志运动的序列图像进行定位，得到每帧图像中人工合作标志中心坐标， 将这个序列坐标与人工合作标志在第一帧图像中的坐标相比较，得出人工合作标志在运动 过程中相对于初始位置的偏差，该偏差即为该位置相对于初始位置的铁轨几何参数。以上 偏差均为像素值，为了给出最终的测量结果，还需要对摄像机采集的图像进行标定，给出 与图像像素值对应的实际长度，从而给出铁轨的几何参数。 简化的铁轨参数双标志的合成方案如图2 2 所示，两个人工合作标志a 、b 分别位于 两股钢轨上，他们的初始位置如图所示，经过一段时间，它们的位置分别变为c 、d ，则 该位置相对于初始位置的铁轨几何参数可以表示为： 当前位置的轨距：i c d i ； 当前位置的水平：l c d s i n c o ； 当前位置的左轨高低：c ，一4 ，；其中c ，4 ，分别为c 、a 两点竖直方向的高度； 当前位置的右轨高低：d ，一b ，；其中d ，b ，分别为d 、b 两点竖直方向的高度： 轨向：从两帧图像来计算轨向的意义不大，需要根据轨距中心点的连续变化曲线来评 判，并根据正矢的定义计算相应的正矢。 第7 页 图防科学技术大学研究生院学位论文 、 o 图2 2 铁轨几何参数合成原理图 实际的方案中人工合作标志不止两个，其铁轨几何参数的合成方案也比上面的复杂， 这里给出的只是一个原理性的说赡。 2 3 铁轨几何参数摄像测量系统模块设计及测量流程 2 。3 1测量系统模块设计 根据测量中处理任务的不同，将铁轨几何参数摄像测量系统分为如下几个分系统： 1 、工程任务管理分系统：负责测量结果的保存和回放。 2 、图像采集分系统：负责像枫的初始化，单帧图像的采集，序列图像的采集与显示。 3 、电动镜头控制分系统：负责手动调焦功能和自动调焦功能的实现。 | 辱、人工合作标志定位分系统：主要通过整像素定位和亚像素定位两个过程给出入工合 作标志中心的亚像素坐标。 5 、铁轨几何参数合成分系统：主要负责图像的标定和铁轨几筲参数的合成。 6 、测量结果输出显示分系统：负责测量结果在屏幕的输出和轨距中心点的曲线绘制。 整个测量系统的结构框图絮鎏2 3 新示。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 3 2测量系统测量流程 图2 3 铁轨几何参数摄像测量系统结构框图 系统测量流程如图2 4 所示。首先运行铁轨几何参数摄像测量系统软件，对摄像机进 行初始化，分配内存等工作，并将摄像机设置为连续测量模式。手动调整电动镜头的三个 参量使人工合作标志成像于图像的中心，成像清晰、大小符合测量要求。对人工合作标志 进行标定，获取人工合作标志的初始位置、图像清晰度等信息。靶车开始运动后，系统测 量软件实时处理相机采集的人工合作标志运动图像，提取人工合作标志的位置信息和调焦 参量，将该调焦参量值和参考值相比较，确定是否调焦以及调节量的大小和方向。同时， 根据人工合作标志的中心位置变化，给出铁轨几何参数，并将结果实时显示在显示屏上， 并绘制轨距中心点的位置变化曲线。这样连续给出铁轨几何参数直至测量过程结束。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 开始 j 相机初始化l f 开始连续采图j 匕。一_ 手动调整镜头 使目标成像于图像的中 心、成像清晰适于测量 l 标定目标的初始状态| i i 莹一 、一， n 0 1 1r 给出测量结果 i 图2 4 测量系统测量流程图 2 4 本章小结 本章简要地介绍了铁轨几何参数摄像测量系统的测量原理，给出了测量系统的整体结 构、铁轨几何参数的合成方案，并给出了该摄像测量系统的结构框图和测量流程图。在测 量系统的整体结构章节，根据摄像测量原理，给出了铁轨几何参数摄像测量系统的结构和 空间布局，并简要地介绍了铁轨几何参数摄像测量系统的运行过程。在铁轨几何参数合成 章节，简要地给出了双人工合作标志的合成方案，给出了一些铁轨几何参数的数学表达形 第1 0 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 式。在系统的模块设计章节中，根据各部分的任务，对系统的各个功能进行了划分，给出 了系统结构框图，并给出了测量过程的流程图。 第1 1 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 第三章铁轨几何参数摄像测量系统的硬件构成 3 1铁轨几何参数摄像测量系统设计指标 铁轨几何参数摄像测量系统是套数字化的测量系统。在系统设计初期，对整个测量 系统提出了以下设计指标： l 、轨距测量误差：0 5 r a m ； 2 、水平测量误差：o 5 r a m ； 3 、高低测量误差：1 o m m ； 4 、连续测量距离：3 0 0 m ； 5 、系统工作温度：1 0 0 _ _ + 5 0 0 ； 6 、电池续航能力：8 小时； 7 、系统自重： 5 5 k g 在该测量系统搭建的初期，根据以上系统的设计要求，并结合摄像测量系统自身的要 求，做了深入的调研和论证工作，并对一些技术指标做了大量的实验验证工作。这些前期 的论证工作为课题的顺利开展提供了重要的依据。下面分别介绍该测量系统各部分硬件组 成和相应的功能。 3 2 人工合作标志的制作 摄像测量系统对人工合作标志的基本要求是简单、易识别、定位精度高。 在基于图像的测量中，十字型标志是一种特征明显，易于获得高精度定位的人工合作 标志，十字型标志广泛应用于经纬仪图像，视频跟踪，相机标定网格图像的节点等领域， 具有很多成熟的高精度定位方法【9 ，- o l 。特别是经过特殊加工的十字型目标，其定位精度优 于o 1 个像素单位。为了满足测量系统设计精度要求，该测量系统选用十字型人工合作标 志。 野外工作环境十分恶劣，有各种杂散光存在，如果使用普通的人工合作标志，这些干 扰势必影响后续的图像处理和人工合作标志的定位工作，为了减轻图像处理中人工合作标 志的定位复杂性，减少环境噪声的影响，需要选用能够消除这些干扰的合作标志。同时为 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 了使测量系统能够在夜间工作，该合作标志还要能发光。 l e d 的全称为发光二极管，它是1 9 世纪6 0 年代出现的一种新型的光源。它具有固态 封装体积小、寿命长、响应速度快、高节能等优点，是一种被广泛使用的光源。而且根据 其内部结构的不同，l e d 既可以发射各种可见光，也可以发射红外等各种非可见光。 综上所述，为了减少环境中各种杂散光对测量系统中图像处理和标志定位的影响，同 时满足夜间工作的需要，该系统采用红外l e d 密排焊接的十字型人工合作标志。 经过市场调查，常用的红外l e d 的发光光谱的峰值中心波长有8 5 0 纳米，8 8 0 纳米和 9 4 0 纳米三种，在视频监控等领域常用的是峰值中心波长为8 5 0 纳米的红外l e d 。考虑到 通用性和成本，该测量系统选用了通用的封装直径为5 8 毫米、光束发散角为1 5 度、中心 波长为8 5 0 纳米、发射功率为8 0 1 2 0 毫瓦的红外l e d ，并将红外l e d 密排成十字型焊接 于特制的线路板上。每个十字丝臂由1 9 个红外l e d 灯密排焊接而成，每个十字丝臂的长 度约为1 3 0 毫米。在电路板的四角打上螺孔便于安装固定。制成的十字型红外l e d 标志的 如图3 1 所示。同时为了满足野外工作的要求，还对红外l e d 十字型人工合作标志进行了 特殊的处理，使其能够达到野外工作防水等要求。 图3 - 1 十字型红外l e d 人工合作标志 由于一般的红外l e d 的发光功率都较小，为了验证该发光标志能否满足系统测量距离 的要求，在系统搭建的初期，自制了十字型红外l e d 人工合作标志，对其可视距离进行了 实验。实验结果显示这种红外l e d 发光光源完全满足了该测量系统的测量要求。 第1 3 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 3 3 1摄像机的选型 3 3 摄像机和滤光片的选型 摄像机是整个测量系统的关键部件，负责采集人工合作标志的运动序列图像。摄像机 的选择主要考c c d 光谱响应范围、c c d 靶面分辨率和帧率等参数。由于采用了红外l e d 人工合作标志，对摄像机也提出了相应的要求。 1 、摄像机光谱响应范围 普通黑白摄像机采用的c c d 传感器有很宽的感光光谱范围，如图3 2 示，其感光范围 不但包括可见光区域，还延长到红外区域。红外目标可以在普通的c c d 传感器上成像。 而普通彩色摄像机其c c d 的感光范围只在可见光区，因此不能用于红外目标摄像。而特 制的红外摄像机由于采用了对红外光敏感的成像器件，其价格十分昂贵。在该项目中使用 的红外人工合作标志发光功率已经完全满足了系统测量距离的设计要求，为了减少系统成 本，该铁轨几何参数摄像测量系统采用普通的黑白摄像机。 一，、 ，、 、 w a v e t a n g t h 【n m j 图3 - 2 摄像机c c d 光谱响应曲线 2 、摄像机c c d 靶面分辨率的估算 摄像机c c d 靶面的分辨率是摄像机最重要的性能参数之一。由于整个测量系统设计的 测量精度很高( o 5 毫米) ，而图像处理软件最理想的定位精度只有0 0 1 个像素单位，考 虑到噪声等因素，通常取图像处理程序的定位精度为o 1 个像素单位，即要求像面上每个 像素点代表的实际长度为5 毫米。当摄像机c c d 的靶面分辨率为1 0 2 4 x7 6 8 时，摄像机的 水平视场只有5 米，而该测量系统考虑到弯道测量的需求，设计的水平视场宽度为8 米， 为了满足摄像机水平视场的要求，需选择水平分辨率在2 0 0 0 以上的摄像机。 第1 4 页 嚣妄五el“毫i!苜一罡 图3 3g r a s 5 0 s 5 m c 摄像机 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 48 5 0 纳米带通滤光片的光谱透过率曲线 3 4 电动镜头的选型 镜头是整个摄像系统的关键部件，它将人工合作标志发出的红外光汇聚到摄像机的 c c d 靶面上，它的性能决定了成像质量。由于该铁轨几何参数摄像测量系统在设计时要求 能够连续测量大约3 0 0 米的线路长度，当靶车相对于摄像机所在的主车位置发生改变时， 为了使人工合作标志成像始终清晰，同时控制摄像机的拍摄视场，该测量系统选择使用具 有很强变焦能力的电动镜头。 电动镜头的选择主要考虑的是变焦能力、易控制性以及与摄像机的配合( 主要指电动 镜头的成像孔径和其与相机接口方式) 。 3 4 1电动镜头焦距的估算 可以用小孔成像模型简单计算一下该铁轨几何参数摄像测量系统对焦距的要求。d q ：l 成像模型如图3 5 所示。 光轴 图3 - 5 小孔成像模型 h 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在小孔成像模型中有如下简单的比例关系： = h u ( 3 一1 ) 在摄像机选定之后，摄像机c c d 靶面像素的物理尺寸也相应地确定了。根据在摄像机 选型一节中的估算，一个像素单位代表的实际长度约为5 毫米，若实际物体长度为1 米， 则其在摄像机靶面上的像高应为2 0 0 个像素点。由于摄像机c c d 靶面像素点的物理尺寸 为3 4 5 x 3 4 5 p m ，则1 米高的物体成像后的实际大小约为0 6 9 毫米，则这样估算得出物距 在3 0 0 米时焦距大约为2 0 7 毫米左右，物距在1 0 米时焦距大约为6 9 毫米，即焦距的变化 范围为3 0 倍左右。这个粗略的估算表明，电动镜头的最大焦距应该在2 0 0 毫米左右，而 变焦能力应该在3 0 倍左右。 电动镜头可调节参量有三个：放大倍数、聚焦和光圈。放大倍数对应于镜头的焦距， 聚焦对应于透镜成像中的像距，光圈对应于图像的亮度。经过调研发现市场上有三类产品： 第一类只能调整焦距的，第二类焦距和光圈均可调的，第三类焦距、聚焦和光圈可调节的。 由于在测量过程中物距变化很大，像距的变化范围也很大，而且随着人工合作标志的靠近 图像的亮度也发生了显著的变化，为了使人工合作标志成像符合测量要求，应该选择三可 变的电动镜头。 3 4 2电动镜头与摄像机的接口 电动镜头与摄像机的接口是镜头的另外一个重要的参量，常用的有两种接口标准，c 型接口和c s 型接口，它们的主要区别是接口螺纹到摄像机c c d 靶面的距离。如图3 - 6 所 示。c 型结构可以同过一个c c s 转接器接入一个c s 型接口的摄像机中使用。这个参量可 以和摄像机的选择一起来考虑。 n o o 靶 面 图3 - 6c 型接口和c s 型接口的区别 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 4 3电动镜头的成像尺寸 电动镜头还有一个重要的参量成像孔径尺寸。镜头一般可分为2 5 4 m m ( 1 ”) 、 1 6 9 m m ( 2 3 ”) 、1 2 7 m m ( 1 2 ”) 、8 4 7 m m ( 1 3 ”) 和6 3 5 m m ( 1 4 ”) 等几种规格，它们 分别对应着不同的成像尺寸。选用镜头时，应使镜头的成像尺寸与摄像机的靶面尺寸大小 相吻合。当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸大时，不会影响成像，但实际成像的视场 角要比该镜头的标称视场角小( 参见图3 7 ( a ) ) ，而当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺 寸小时，就会影响成像，表现为成像的画面四周被镜筒遮挡，在画面的4 个角上出现黑角 ( 参见图3 7 ( b ) ) 。 一、 ， 镜头成像面、 c c d e 面一、 篷 1 2 7 一1 2 7 _ + l ( a ) 镜头尺寸大于c c d 靶面尺寸 ( b ) 镜头尺寸小于c c d 靶面尺寸 图3 7 电动镜头尺寸与c c d 靶面尺寸关系图 电动镜头还有一些其他的参量，如相对孔径和视场角等。这些参量一起决定镜头的性 能。在实际的选型过程中，上面的列举的几个参量是比较重要的参量。 经过大量的市场调查，根据该测量系统对电动镜头的变焦能力、焦距等要求，我们选 择日本精工的s t 1 6 1 6 0 m 三可变电动镜头，如图3 8 所示。该电动镜头的焦距变化范围为 1 6 , - - 1 6 0 毫米，1 0 倍光学变焦，c 型接口，基本能满足测量的需要。 图3 - 8s t l 6 1 6 0 m 三可变电动镜头 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 5 工控机的选型 工控机是图像处理的平台，其功能是接收摄像机采集的图像，并为系统测量软件提供 计算支持，同时为测量结果提供显示设备。对工控机的要求是强大的计算处理性能、丰富 的外部接口和对工作环境的适应性。 由于该测量系统选用的摄像机c c d 靶面的分辨率为2 4 4 8x2 0 4 8 ，每帧黑白图像的大小 为5 m ，按照1 5 帧秒的帧率，工控机每秒需要传输和处理的图像为7 5 m 。摄像机为了能 够方便传输图像数据，采用的是1 3 9 4 ( b ) 的接口标准，其传输速率为8 0 0 m b i f f s ，这就要求 工控机具有这种响应和处理能力。 野外的工作环境要求工控机满足工作温度的要求。现在有工业级的和军工级的两种， 工业级的工作温度范围一般为1 0 0 - 斗5 0 0 ，而军工级的工作温度为4 0 0 0 8 0 0 。考虑到实际 的测量环境和价格因素，工业级的工控机已经能够满足测量环境温度的要求。 野外工作对工控机的供电也是必须考虑的因素。一般来说高性能的工控机功率消耗也 大，野外供电方式常用的是电池，考虑到野外供电的困难，所以一定要选择低功耗的工控 机，而且要考虑其供电电压与电池输出电压的匹配问题。 野外作业还要求工控机有一定的抗震性能，特别是对存储介质的抗震性能有很高的要 求。常用的抗震存储介质有两种：一种是电子盘，一种是抗震的硬盘。前者的抗震性能好， 但是在相同的存储容量下，其价格也是后者几倍，考虑到实际需求和价格因素，普通的宽 温抗震硬盘已经能满足测量系统的需求。 由于是野外作业，考虑到搬运