（电力系统及其自动化专业论文）受电弓动态包络线视觉检测系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s 仃a c t w i t ht h eh i g hd e a 。e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cm i l w 姒t h ei m p o r t a n c eo f i n s p e c t i o nt e c h n o l o g yf o ro v e r h e a dc o n t r a c ts y s t e m ( o c s ) d e t e c t i o ni n c r e a s e d q u i c k l y d e t e c t i o no ft h ed y n a m i ce n v e l o p el i n eo ft h ep a n t o g r a p ho c c u p i e sa l l i m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h eo c sd e t e c t i o n a tp r e s e n t ，t h ed y n a m i ce n v e l o pl i n eo f t h ep a n t o g r a p hh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i o n ，o p e r a t i o n ， m a i n t e n a n c ea n ds oo ni nt h ee l e c t r i f i e dr a i l w a y m a c h i n ev i s i o ni san e w t e c h n o l o g ya d v a n c e da l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , w h i c h h a sm e r i t so fs e c u r i t ya n d s t r o n gg e n e r a l i t y , e t c t h ea d v a n t a g e so fm a c h i n ev i s i o na n dt h ed y n a m i ce n v e l o pl i n eo ft h e p a n t o g r a p hd e t e c t i o n a r ec o m b i n e di n t h i ss t u d yi no r d e rt oi n v e s t i g a t et h e m a c h i n ev i s i o no fp a n t o g r a p hd e t e c t i n ga n da t t a i nh i 【g hs p e e da n dp r e c i s i o n t h i s p a p e ri n t r o d u c e d t h ed e f i n i t i o no ft h ee n v e l o p el i n eo ft h ep a n t o g r a p h ， s u m m a r i z e di t sp r a c t i c a lm e a n i n ga n dm e t h o d sa n ds t e p so ft h ee n v e l o p el i n eo f t h ep a n t o g r a p hi nt h eo c sd e t e c t i o n t h e ni ti l l u s t r a t e st h ed e f i n i t i o n ，t a s k s ， d e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c so f m a c h i n ev i s i o n a c c o r d i n gt ot h er e q u e s t e do f t h eo c sd e t e c t i o na n dt h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo fm a c h i n ev i s i o n d e s i g n e d d e t e c t i o ns y s t e mo f t h ed y n a m i ce n v e l o p el i n eo f t h ep a n t o g r a p h 1 h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ：t h ec o n f i g u r a t i o no ft h eh a r d w a r ef o r d e t e c t i n gs y s t e m , i ti n t r o d u c e st y p ea n df u n c t i o no fc a m e r a , l e n s ，i m a g e a c q u i s i t i o n c o m p u t e ra n ds oo n c a m e r ac a l i b r a t i o nm o d u l ei no r d e ft oo b t a i n i n t r i n s i ca n de x t r i n s i cp a r a m e t e r so fc a m e r aa n dd e t e r m i n er e l a t i o n s h i pb e t w e e n 3 dg e o m e t r i cp o s i t i o no fs p a t i a lo b j e c t sp o i n t sa n dt h em a t c h e di m a g ep o i n t s ； i m a g e c o l l e c t i o na n di l l u m i n a t i o nc o n t r o lm o d u l ea i m e da t g e t t i n gv i v i d p a n t o g r a p hi m a g e ；t e m p l a t em a t c ha l g o r i t h mm o d u l ec a nr e c o g n i z et h ec o l l e c t o r h e a d sc o m e ra n db o wo f p a n t o g r a p h ；e n v e l o p el i n em o d u l eu s e dt oc a l c u l a t et h e d y n a m i ce n v e l o pl i n eo ft h ep a n t o g r a p h f i n a l i t y , e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e # v e n d e t e c t i o no ft h ee n v e l o p el i n eo ft h ep a n t o g r a p hs o f t w a r ei sd e v e l o p e dw i t h v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 ，t h es o f t w a r ei sl a y o u ta c c o r d i n gt om o d u l et h i n k i n g a f t e r r u n n i n go nt h es i t e ，t h es y s t e mi sp r o v e dt ob em t i o n a ia n df e a s i b l ei np r a c t i c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第h i 页 k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ；d e t e c t i o n ；p a n t o g r a p h ；t h ed y n a i l l i ge n v e l o p e l i n e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 引言 第1 章绪论 近几年来，越来越多的电力机车以其快捷、安全、舒适的全新形象运用在铁 路运输中。而在铁路运输行业中，保障列车运行安全是永恒的主题。受电弓是电 力机车的关键部件之一，其功能是将接触网的电能引入车内，输入电力机车 需要的电能。一旦受电弓发生故障，机车就将失去能量来源而停车，影响正 常的运输生产。受电弓故障有多种，一般弓头发生故障比较多，较为严重的 故障是受电弓发生“刮弓”和“钻弓”，造成机破【1 】。因此，发展检测技术对 受电弓进行实时检测、评价，并及时采取措施消除隐患，是列车安全运行保障的 手段。 机器视觉是伴随着计算机的发展而产生的一门新兴的学科，目前已广泛 应用于检测工业中，主要是由于机器视觉具有如下优点： l 、机器视觉检测是通过计算机或者视觉信号处理器中的程序对图像信息 进行处理而得到的检测结果，因此它具有一定的智能和柔性，适用现代企业 的柔性生产方式【2 1 。 2 、可以适应危险的工作环境，例如，有爆炸隐患的环境；可以达到人工视觉 无法涉及的场所，例如，狭窄的场所；可以获得人类视觉无法获取的信息，例如， 红外图像、紫外图像、x 射线等。 3 、机器视觉同时获取的信息量大，例如，可以同时获取位置、颜色、大小等 信息；同时获取的信息更为细致，例如，在颜色方面可以同时获取多级图像信息。 4 、机器视觉有合理的性价比、通用的工业接口，能够由普通工作者来操作， 有较高的容错能力和安全性，不会破坏工业产品，有较强的通用性和可移植性。 5 、与被观测对象无直接接触，对观测与被观测者不会产生任何损伤，因此都 十分安全可靠。 目前现场很多测量手段无法适应受电弓恶劣的工作环境，普遍采用人工测量 的方式，费时费力且不安全【3 】。本文将机器视觉技术的优点与受电弓检测的具 体实际结合起来，用于完成受电弓动态包络线检测。研究受电弓动态包络线 对电气化铁道安全运营具有很高的实用价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 受电弓动态包络线 1 2 1 受电弓动态包络线定义 对受电弓动态包络线的定义概念性表述如下：受电弓动态包络线是指电力机 车在最高设计运行速度之下，受电弓外形轮廓运动轨迹在垂直方向的上下最大振 动量和水平方向的左右最大摆动量所达到的极限尺寸，形成的包络线1 4 、5 】。关于受 电弓动态包络线的定义做如下几点说明： l 、由于接触网和受电弓的特性不同，各国对受电弓动态包络线的概念并未达 到共同的标准。 2 、定义中“受电弓外形轮廓”特指“弓头即受电头外形轮廓”，受电弓弓头 的工作范围是确保滑板和接触线之间的安全接触，它取决于弓头的设计。 3 、受电弓可以视为刚体，刚体可以看作由许许多多质点组成的，因此“受电 弓外形轮廓运动轨迹”特指“组成弓头的各个质点的运动轨迹”。 4 、本文在二维平面上研究受电弓动态包络线，受电弓动态包络线指弓头上任 意点在水平方向或垂直方向运动轨迹的连线。 1 2 2 研究受电弓动态包络线的意义 接触网工程的施工检测是评价工程质量的重要环节，是关系到接触网是否能 安全可靠运行的重要保证【6 】。我国自从铁路提速后，已经从国外引进了不少适应 较高速度的受电弓和研制了一些新型受电弓，这些受电弓已在电气化线路上使用。 在运营时，一种弓头外形的受电弓是安全的，另一种弓头外形的受电弓就很有可 能在通过线路时打弓、钻弓。目前在线路上使用的引进国外的受电弓和我国生产 的受电弓在弓头外形上并不完全一致。国外受电弓的弓头外形是按照国际铁路联 盟的规定制造的，它不同于我国铁路传统受电弓弓头的外形，这绘弓网安全留下 了很大的隐患。为了避免这种弓网隐患，不论是什么机车，只要是在同一条线路 上运营的，其受电弓弓头外形应保持一致，这就需要对受电弓进行动态包络线检 测【7 】。 1 2 3 受电弓动态包络线检查 受电弓动态包络线检查实质上就是对弓网关系进行机械安全性能方面的检 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 查，确保不发生打弓和钻弓i s 。中铁电化局集团公司在广深线接触网工程施 工中首次在国内进行了动态包络线检查。检查方法是在接触网作业车上用受 电弓包络线检查尺检查定位装置、锚段关节、岔区接触悬挂等关键部件。受 电弓包络线检查尺按照设计给定的运营电力机车受电弓的最大抬升量和左右摆 动量制作。直线区段和曲线区段均显在一个检查尺上，检查尺的一半是直线区段 的受电弓动态包络线轮廓，另一半是曲线区段的受电弓动态包络线轮廓，检查尺上 标有计量刻度和拉出值( 见图1 1 1 ( 9 叫1 1 。检查可在作业车上进行，当接触线位置与 检查尺拉出值标识位置相吻合时，检查腕臂及定位器各部件均不应在包络线范围 i 为t t 2 1 。 a ：拉出值；h ：上下最大抬升量；s ：左右最大摆动量 ( 单位：m m ) 图1 1 电力机车受电弓动态包络线检测示意图 受电弓动态包络线检查步骤如下： 1 、测量支柱定位点处接触线的静态高度和拉出值、支柱处外轨超高值。 2 、将定位点处的接触线抬高到受电弓设计最大动态抬升量( 例如广深线为 2 2 0 r a m ) 。 3 、使包络线检查尺上拉出值刻度与该定位点处接触线实际测量拉出值位置相 重合、包络线检查尺倾斜度与轨面连线的倾斜度一致。 4 、通过包络线检查尺观察检测并记录有关数据，分析判断定位管、定位器、 定位环线夹和其它接触网零部件是否侵入动态包络线范围内。 5 、发现有侵入包络线范围内的接触网零部件的检测缺陷时，找出对策并及时 进行处理，直到包络线检查尺检查合格为止 1 3 1 4 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 机器视觉技术 1 3 1 机器视觉的定义 机器视觉是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图 像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科【1 5 】。机器视觉是使用光学器件进行非接 触感知，自动获取和理解一个真实场景的图像，以获取信息和( 或) 控制机器或 过程【l ”。具体说就是建立计算机视觉系统，使计算机能辅助各种视觉传感器获取 场景的图像，从而感知和恢复三维环境中物体的几何性质、姿态结构、运动情况、 相互位置等，并对客观场景进行识别、描述、解释，进而作出决断t o “。视觉系统 是视觉感知过程，是一个由客观空间的物理存在到主观概念确定的不断概括抽象 的过程；是个从具体的多彩、繁复的空间景物到简练的语言式概念描述的过程。 1 3 2 机器视觉的任务 机器视觉的任务可分为以下几个方耐1 舯，见图1 2 。 图1 2 机器视觉的任务 l 、图像的获取。通过光学摄像机，红外摄像机或激光、超声、雷达等对周围 视觉世界进行传感，使计算机得到与视觉世界相对应的二维图像，该图像由数字 组成，称为数字图像，获取数字图像是机器视觉系统必要的基本功能。 2 、特征抽取。在二维图像的基础上，分析对应物体表面色彩、纹理或物体的 表面轮廓形状，它们统称为特性或特征。特性或特征是用来区分一个视觉物体与 另一个视觉物体的重要依据，特征分析的结果是各种参数、表格等符号描述的表 达方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 3 、识别与分类。根据预先在计算机中的物体的“模式”，对特征抽取的结果 进行分析、比较，判定图像中感兴趣的物体是否存在并确定它的位置，或区分、 标识图像中各种物体的类别。 4 、三维信息理解。根据已知物体的三维模型从二维图像中估计判断出物体的 三维立体信息，包括物体的三维空间位置、表面形状的朝向等。 5 、景物描述。分析二维图像中各种物体的结构及它们之间的相互关系，或推 断对应的三维空间中各物体组成及三维空间关系。前者称为图像描述，后者称为 三维景物描述。 6 、图像理解。除了景物描述以外还得指出视觉世界以外的含义。例如，从景 物的状态说明其中的含义、原因及下一步将要发生什么等。 1 3 3 机器视觉技术发展及现状 机器视觉起源于2 0 世纪5 0 年代的统计模式识别，当时的工作主要集中在二 维图像分析和识别上。6 0 年代，r o b e r t s 通过计算机程序从数字图像中提取诸如立 方体、楔形体、棱柱等多面体的三维结构，并对物体形状及物体的空间关系进行 描述。机器视觉真正的实用研究是在1 9 7 5 年以后，英国的d m a r t 教授应邀在美 国麻省理工学院的入工智能实验室创建并领导一个以博士生为主体的研究小组， 从事视觉理论方面的研究，逐步形成关于视觉的计算理论。m a r t 认为视觉过程分 为三个不同的阶段，如图1 3 所示【l9 2 0 。 图1 3 视觉阶段 第一阶段，早期阶段，图像特征。它反映了二维图像上明显的重要特征，如 灰度变化的分布与结构，其基元是二阶导数过零点、块、终点与不连续点、边缘 段等等。抽取观察者周围景物表面的物理特性，如距离、表面方向、材料特性( 反 射、颜色、纹理) 等，具体来说包括边缘检测、双目立体匹配、由阴影确定形状、 由纹理确定形状、光流计算等，把原始图像中的重要信息更清楚的表示出来。 第二阶段，中期阶段，由输入图像和要素图获得2 。5 维骨架，它是在以观察 者为中心的坐标系中描述表面的各种特性，根据这些描述，重建物体边界、按表面 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 和体积分割景物，但在以观察者为中心的坐标系中只能得到可见表面的描述，得 不到遮挡表面的描述，故称二维半简图。 第三阶段，后期阶段，由二维半简图获得物体的三维表示。用二维半简图的 表面信息建立适用于视觉识别的三维形状描述，这个描述应该与观察者的视角无 关，也就是在以物体为中心的坐标系中，以各种符号和几何结构描述物体的三维 结构和空间关系1 2 。 m a r t 计算视觉理论框架虽然在细节甚至主导思想上尚存在不完备的方面，许 多方面还有争议，但它至今仍是可接受的框架，机器视觉这门学科的形成，与这 一理论框架有着密切的关系。 1 3 4 机器视觉系统组成 一般工业机器视觉检测系统主要包括三个技术环节：如图l - 4 所示。 图1 - 4 典型的工业机器视觉系统组成图 l 、图像采集，目的是采集到满足分析要求的相应质量的图像，这是机器视觉 系统的基础。主要涉及光源、镜头、摄像机、图像采集卡、计算机等硬件的选择。 2 、图像分析，其目的是按计算机最终的功能要求，对采集到的图像进行分析 和处理，然后输出结果，这是机器视觉系统的核心。其主要技术为图像处理系统 和图像分析软件。 3 、系统控制，即输入与输出控制，包括机器视觉系统本身，以达到准确采集 图像的目的，也包括根据图像分析和处理的结果，输出信号，驱动相应机构，实 现机器视觉系统的功能【2 2 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 在整个过程中，被测对象的信息反映为图像信息，进而经过分析，从中得到 特征描述信息，最后根据获得的特征进行判断和动作。 1 4 本文系统概述 本系统采用机器视觉技术，利用安装在机车顶上的摄像机将受电弓图像的视 频信号传送给图像采集卡，图像采集卡将模拟信号转化为数字信号传送给计算机 处理器，处理器完成受电弓动态包络线检测的任务。依据机器视觉检测原理和受 电弓检测的具体实际，将受电弓动态包络线检测方案分为摄像机标定模块、图像 获取模块、照明控制模块、模板匹配模块和动态包络线算法模块五大部分。 受电弓动态包络线检测系统主要分为三步完成，见图卜5 。 摄像机标定任务 图像采集任务 动态包络线计算任务 摄像机标定模块 ：i 皇量： ，一一l【一一一 = 与 图像 照明i 获取 控制i 模块 模块l i 。_ r r _ 一 = 5 二 模板包络线 匹配 日 算法 模块模块 图1 5 受电弓动态包络线检测方案 1 、完成摄像机标定任务( 摄像机标定模块) 。机器视觉的目标是从二维图像( 序 列) 构造( 还原) 三维现实场景。简单地说，摄像过程是a m = m ，这里a 是摄像机 的几何模型，m 是三维空间中的任一点，m 为图像平面上对应的点。已知点m 要 求m 首先要做的是确定a 。所以，几何标定是傲机器视觉研究及应用首先要完成的 任务。 2 、完成图像采集任务( 图像获取模块和照明控制模块) 。图像采集是一个重 要的环节，它将对象的可视化图像和特征转化为能被计算机处理的一系列数据。 由于杌器视觉系统强调精度和速度，所以需要图像采集部分及时、准确地提供清 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 晰的图像，只有这样，图像处理部分才能在比较短的时间内得出正确的结果，由此 可知图像采集部分的性能会直接影响整个机器视觉系统的性能【2 3 】。 3 、完成动态包络线计算任务( 模板匹配模块和动态包络线算法模块) 。在完 成摄像机标定和图像采集任务后，由模板匹配模块完成受电弓弓头拐角和弓角特 征区域的匹配，识别出特征点，然后由包络线算法模块完成动态包络线的计算。 本系统为非接触式动态检测系统，其优点在于： 1 、受电弓为普通标准受电弓，不需要采用特定的受电弓就可以完成图像的采 集、处理、分析、测量、分析设备结构简化。 2 、由于在二维图像上寻找受电弓，因此运算量较小。 3 、安装精度要求低，只要求摄像机的视野范围包括全景受电弓即可。 4 、检测数据不受高压，强电流的干扰。 5 、检测结果可以搜索、回放、浏览、查询，简单明了。 1 5 本文的结构 本文介绍了机器视觉的相关技术，针对受电弓动态包络线的研究展开工作， 设计应用机器视觉技术提取受电弓动态包络线的方案。本文共五章，其结构如下： 第1 章，从受电弓动态包络线的概念出发，介绍了研究受电弓动态包络线的 实际意义和国内受电弓动态包络线检查方法和步骤。其次介绍了机器视觉技术的 定义、任务、发展现状和工业视觉检测系统的组成，最后概括了受电弓动态包络 线检测系统整体方案。 第2 章，对受电弓动态包络线检测系统整体结构硬件功能和选型进行了详细 阐述。 第3 章，摄像机标定。计算摄像机内部参数和外部参数，并且确定空间物体 表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系。 第4 章，设计了受电弓动态包络线检测系统整体结构。其中包括图像获取模 块、照明控制模块、模版匹配模块和包络线算法模块。 第5 章，给出了受电弓动态包络线检测的实验数据和实验曲线。证明了本检 测系统的合理性和可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章检测系统组成及其硬件介绍 2 1 视觉检测系统的组成及其功能介绍 受电弓动态包络线检测系统整体结构如图2 - i 所示。 图2 - i 受电弓动态包络线视觉检测系统 中心计算机通过总线与连接到局域网的辅助计算机通信，辅助计算机结构框 图见图2 2 。 冈 l j i 辅助 i 参 1 计算机l li ii 图2 - 2 辅助计算机结构框图 圈圈圈 h 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 检测系统硬件功能介绍见表2 1 。 表2 - 1 检测系统硬件功能介绍 硬件名称硬件功能 ( 1 ) 计算机使用w m d o w s2 0 0 0 视窗操作系统，用户界面采用中文提 示，界面友好 ( 2 ) 计算机与辅助计算机通过局域网联接，便于数据共享与通信 中心计算机 ( 3 ) 计算机用于对整套检测装置进行控制 ( 4 ) 在计算机的监视器上能显示整个检测装置的工作状况和检测结 果 ( 5 ) 计算机可对检测结果进行统计。检测结果以曲线方式输出，以 适应不同层次管理人员需求 ( 1 ) 辅助计算机通过网卡与中心计算机通信，接受中心计算机发送 来的检测数据与控制命令，并且与其他接触网检测装置连接 ( 2 ) 辅助计算机将合成了主要检测结果的弓网状态视频信号捕获并 压缩后以数据文件方式存入硬盘，并能制成v c d 光盘和回放 辅助计算机 ( 3 ) 辅助计算机的视频压缩过程受中心计算机控制，当中心计算机 暂时停止工作时辅助计算机也暂停工作，以节约硬盘空间 ( 4 ) 中心计算机与辅助计算机组成一个局域网，其它计算机也可与 此局域网相连，以便和其他接触网几何参数的检测设备通信 摄像机长时间录像获取连续的受电弓图像 图像采集卡 视频模拟信号经a d 转换成为数字信号，通过p c i 总线传输到中心计 算机 控制开关 ( 1 ) 探照灯开关可手动控制探照灯开闭 ( 2 ) 摄像机控制开关控制摄像机开闭 显示器( 1 ) 显示检测的受电弓动态包络线检测结果 电视机( 2 ) 作为辅助计算机的显示器 打印机( 1 ) 打印定位号码、公里标及对应检测结果，打印项目及打印方式 由操作者选择 ( 2 ) 打印机与辅助计算机相连，中心计算机共享 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 光源以合适的照明方式将光线投射到受电弓上，突出受电弓弓头特征对比 度 镜头将所要检测的受电弓图像清晰的传送到摄像机传感器靶面上 2 2 光源和照明方式 2 2 1 光源和照明方式结合的目的 本系统检测对象是受电弓，列车直接运行在户外，受环境影响较大，为成功 对受电弓进行检测，必须将光源和照明方式共同考虑以达到最优的检测目的，光 源和照明方式结合必须考虑以下因素： 1 、对比度。对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别。 应将待测受电弓与背景天空明显区分开来，突出受电弓的特征量，增强受电弓的 清晰和对比度，从而易于特征的区分。 2 、将受电弓“封锁”在图像上，并且受电弓位置的变化不影响成像的质量， 保证受电弓的鲁棒性，并且使光源对受电弓位置敏感度最小。当光源放置在摄像 头视野的不同区域或不同角度时，结果图像应该不会随之变化。 3 、检测系统在夜间工作时，使用方向性很强的光源，增大了对高亮区域的镜 面反射发生的可能性，这不利于后面的特征提取，因此应充分考虑站场灯光或其 他复杂的条件，并且尽量保证光源需要在实际工作中与其在实验室中的有相同的 效果。 4 、保证采集到的受电弓图像足够的亮度，消除阴影，抵消噪光。当选择光源 的时候，最佳的选择是选择最亮的那个。 2 2 2 光源的选择 光源的选择是关系检测系统成败的关键因素之一。选择光源时，应考虑以下 几个方面【2 4 、2 5 1 ： 1 、检测内容 选择光源时，必须首先明确检测内容，不同的检测内容选取不同的光源，比 如，外观检测，尺寸检测，定位检测等；并且进行什么类型的检测，比如，异物、 伤痕、损缺、敲痕、污染、标志、形状等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 、检测物体 机器视觉最关心的问题就是如何控制光源反射，物体表面的几何形状、光泽 及颜色决定了光在物体表面如何反射。当光源入射到物体表面的时候，光源可能 被吸收或被反射，光可能被完全吸收( 黑金属材料，表面难以照亮) 或者被部分 吸收( 造成了颜色的变化及亮度的不同) ，不被吸收的光就会被反射，入射光的角 度等于反射光的角度。因此，必须判断检测物体表面发生什么类型的反射，比如， 镜面、曲面、平面、糙面等。 物体表面的形状越复杂，其表面的光源变化也随之而复杂。不均匀的光会造 成不均匀的反射，对于视野，在摄像头视野范围部分应该是均匀的。不均匀的光 会使视野范围内部分区域的光比其他区域多，从而造成物体表面反射不均匀，从 而形成不稳定的图像。因此，除了考虑物体的形状外，还应该考虑物体的材质。 3 、光源的特性 光源的特性主要考虑光源的光谱能量特性、光源的亮度特性以及光源的颜色。 光源的光谱分布应与接受器件的光谱响应相匹配，匹配得恰当就可以用最小的能 量获得最佳的效果。光源的亮度必须根据实际检测的要求及接受器件的性能来选 择，通常光强大一些有利于提高信噪比。光的颜色要考虑光的三原色、可见光的 波长以及被测物体的颜色与光源颜色的匹配。 4 、限制条件 主要考虑四方面的因素：工作距离，即镜头到物体表面的工作距离，从而确 定照明方式；设置条件，即照明的大小、照明下端到物体表面的距离等；周围的 环境，包括检测温度，野外还是室内检测，是否有干扰光等；摄像机类型。 5 、从安全经济的考虑，应尽量使光源寿命长，安全稳定，成本低。 2 2 3 照明方式的选择 目前机器视觉中常采用如下四种照明方式 2 6 2 7 ，见表2 2 。 表2 - 2 机器视觉常用照明方i 照明方式特点优点缺点用途 前景光光源直接照光集中在被照射 可能产生照用于获取表面纹理或 图4 1 2 ( a )射物体区域中心 明不均特征信息，也用于获得 大小度量信息 背景光物体置于光获得比较清晰、观察不到表用于边缘检测，可以获 图4 - 2 ( b )源和摄像机精确的边缘面细节得物体的轮廓，产生高 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 之间对比度图像 将光源置于非常均匀，可获 体积大，效率用于检测反射光比较 同轴光被测物体与得高亮度的光，低，工作距离厉害的物体缺陷 图4 2 ( c )摄像机之间几乎无阴影，反短，强度低 光小 暗场光摄像机采集细节对比度高，光源对比度玻璃和塑料制品检测 图4 - 2 ( d )物体表面的表面划痕、破痕、低，仅适用于 散射光气泡特别清晰透明物体 照明方式示意图，见图2 - 3 。 a ) 前景光照明方式b ) 背景光照明方式 c ) 同轴光照明方式d ) 暗场光照明方式 图2 3 照明方式示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 4 小结 本系统照明光源采用探照灯，探照灯是一种发光效率很高的光源，具有光度 高、光线集中、寿命长、可反复应用、耗电少、透雾能力强、价格便宜、抗振动 性强等特点，广泛应用广场，车站，机场，公路等聚光照明。 由于本系统目的是对整个受电弓进行跟踪检测，故采用前景光照明方式来捕 获受电弓图像。 2 3c c d 摄像机的选择 2 3 1 摄像机的主要参数 摄像机主要参数如下啷】： l 、分辨率 摄像机每次采集图像的像素点数。对于数字摄像机一般是直接与光电传感器 的像元数对应的；对于模拟摄像机则是取决于视频制式。 2 、像素深度 即每像素数据的位数。一般常用的是8 b i t ，对于数字摄像机一般还会有1 0 b i t 、 1 2 b i t 等。 3 、最大帧率行频 摄像机采集传输图像的速率。对于面阵摄像机一般为每秒采集的帧数 ( f r a m e s s e c ) ，对于线阵摄像机为每秒采集的行数( h z ) 。 4 、曝光方式和快门速度 对于线阵摄像机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采 集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵摄像机 有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式。数字摄像机一般都提供外触发 采图的功能，快门速度一般可到l o 微秒，高速摄像机还可以更快。 5 、像元尺寸 像元大小和像元数( 分辨率) 共同决定了摄像机靶面的大小。一般像元尺寸 越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。 6 、光谱响应特性 是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是3 5 0 r i m 一 1 0 0 0 r i m ，一些摄像机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 外感光时可去掉该滤镜。 2 3 2c c d 线阵摄像机的工作原理 c c d 摄像机就是利用c c d 这种耦合器件由光电转换原理，通过半导体集成 电路制造工艺制成的固体摄像器件。c c d 摄像机的工作原理如图2 - 4 所示，c c d 摄像机的镜头( 透镜组) 将被测目标成像在加有外加驱动时钟脉冲电压驱动下的 c c d 光敏面上完成电荷注入、电荷移动和电荷输出，从而实现视觉信息的获取、 保留、传输的仪器。借助它可把外面世界五彩缤纷的真实的景色和画面传输并呈 现在人们面前的电视机或其他显示屏幕上【。 景物 图2 - 4c c d 摄像机检测原理 2 3 3 本系统所选用c c d 摄像机型号及其参数 电视机 连续瞬间景物 本系统采用的是日本索尼公司x c h r 7 0 c c d 摄像机，其各参数指标如表2 - 3 所示。 表2 - 3 索尼x c h r 7 0 摄像机技术指标 x c h r 7 0 成像装置1 3 顺序扫描c c d分辨率 8 0 0 t v l 有效图像像素 1 0 3 4 ( h ) x7 7 9 ( v )灵敏度 4 0 0 l x , f 5 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图像尺寸v g a 输出最小亮度 l l x 1 0 2 4 ( h ) 7 6 8 ( v ) c c d 垂直驱动频率 2 3 2 3 姓i z 1 信噪比 5 6 d b f e d 水平驱动频率2 9 5 z电子快门 1 1 0 0 s 一1 2 0 0 0 0 s 像素尺寸4 6 5 u m x 4 ，6 5 u m快门触发1 4 1 l 0 0 0 0 0 s 镜头接口标准c 接口供电电源 d c l 2 v ( 1 0 5 v 到+ 1 5 v ) 定位截距 1 7 5 2 6 m m 耗电量 2 0 w 同步系统 内同步外同步( 自动) 尺寸2 9 ( 町x 2 9 ( h ) 3 0 ( d ) m 外同步信号h d n d ( 2 到5 v p - p )重量5 0 9 外同步许容频率士1 ( 水平同步频率范围 工作温度一5 到4 0 内) 扰动小于2 0 m工作湿度 2 0 到8 0 r h 输出信号频率2 9 2 h z , 5 8 4 h z抗振动1 0 g ( 2 0 到2 0 0 h z ) 视频输出 1 0 v p - p ，同步负，7 5 u 非平 抗冲击 7 0 6 衡 增益控制自动手动 扫描系统非隔行扫描 平均故障间隔时间 8 0 0 4 4 h r s 辅助连接e i a j l 2 一p i n ( m t b f )插座 2 4 镜头 2 4 1 镜头的选择要求 机器视觉一般根据如下原则选择镜头【3 0 l ； 1 、镜头类型 根据所要检测的目标和工作距离来决定选择广角镜头、标准镜头、还是长焦 镜头。 2 、镜头焦距 根据工作距离、视场范围和放大倍数等来确定镜头的焦距。 3 、镜头的像面尺寸 镜头的像面尺寸应该大于摄像机光敏面尺寸。 4 、摄像头接口 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 镜头机械接i z l 主要有c 接口、c s 接e l 、f 接1 2 1 、p k 接口等，根据所选择的 摄像机来选择接口，一般应与摄像机光学机械接口一致。 5 、镜头质量 一般的应用下可选择c c t v 镜头，工业检测大多选择工业高分辨率镜头，对 微小物体的检测可以选择显微小镜头。 2 4 2 镜头的主要参数 镜头主要参数如下【3 6 】： 1 、分辨率 指镜头清晰分辨被摄景物纤维细节的能力，制约镜头分辨率的原因是光的衍 射现象，即衍射光斑。其单位是“线对，毫米“( 1 p m m ) 。 2 、明锐度 又称为对比度，是指图像中最亮和最暗的部分的对比度。 3 、景深 在景物空间中，位于调焦物平面前后一定距离内的景物，还能够结成相对清 晰的影像。上述位于调焦物平面前后的能结成相对清晰影像的景物间之纵深距离， 也就是能在实际像平面上获得相对清晰影像的景物空间深度范围，称为景深。 4 、最大相对孔径与光圈系数 相对孔径，是指该镜头的入射光孑l 直径与焦距之比。相对孔径的倒数称为光 圈系数。一般镜头的相对孔径是可以调节的，其最大相对孔径或光圈系数往往标 示在镜头上。如果拍摄现场的光线较暗或曝光时间很短，则需要尽量选择最大相 对孔径较大的镜头。 2 4 3 小结 本系统采用日本k o w a 公司的工业镜头，镜头型号为：l m 6 j c ，见图2 - 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 图2 5 k o w a l m 6 j c 镜头 镜头参数见表2 - 4 。 表2 4 日本k o w a - l m 6 j c 镜头参到3 2 】 焦距( r a m ) 6 1 3 视角( h x v ) 4 4 5x3 3 3 c c d ( m ) 6 6 x 8 8 ( 0 1 1 、空间分辨率1 0 0 1 p m m ，6 0 1 p n u n 光圈范围 f 1 4 f 1 6 变形率 1 0 7 对焦范围( ) 0 1 - 8后焦距1 1 3 0 光圈 m a n u a l 接口 c 。m o u n t 对焦 m a n u a l 滤镜尺寸( r a m ) 最近视野地0 d3 6 7 ( h ) x 2 5 l ( v )体积( m ) 0 3 0 x3 2 8 2 3 视角( 旷x v ) 8 1 9x6 1 2 重量( g 6 3 1 2 视角( h x v ) 5 9 4x4 4 5 使用温度 1 0 - + 4 5 2 5 图像采集卡 2 5 1 图像采集卡主要参数 图像采集卡主要参数如下： l 、图像传输格式 图像采集卡需要支持系统中摄像机所采用的输出信号格式。大多数摄像机采 用r s 4 2 2 或e i a 6 4 4 ( l v d s ) 作为输出信号格式。在数字摄像机中，正e e l 3 9 4 ， u s b 2 0 和c a m e r a l i n k 几种图像传输形式则得到了广泛应用。 2 、图像格式( 像素格式) 黑白图像：通常情况下，图像灰度等级可分为2 5 6 级，即以8 位表示。在对 图像灰度有更精确要求时，可用1 0 位，1 2 位等来表示。 彩色图像：彩色图像可由r g b ( ) 3 种色彩组合而成，根据其亮度级别 的不同有8 8 8 ，1 0 一1 0 一1 0 等格式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 、传输通道数 当摄像机以较高速率拍摄高分辨率图像时，会产生很高的输出速率，这一般 需要多路信号同时输出，图像采集卡应能支持多路输入。一般情况下，有1 路，2 路，4 路，8 路输入等。 4 、分辨率 采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。一般采集卡能支持7 6 8x 5 7 6 点阵，而性能优异的采集卡其支持的最大点阵可达6 4 k 6 4 k 。单行最大点数 和单帧最大行数也可反映采集卡的分辨率性能。 5 、采样频率 采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。在进行高速图像采集时，需 要注意采集卡的采样频率是否满足要求。目前高档的采集卡其采样频率可达 6 5 珏 【z 。 6 、传输速率 主流图像采集卡与主板间都采用p c i 接口，其理论传输速度为1 3 2 m b s 。 2 5 2 图像采集卡原理 图像采集卡是基于p c i 总线的逐行扫描的黑白图象信号采集卡。图像视频模 拟信号作为采集卡的输入经滤波，模数转换变为8 b i t s 的数字信号。再通过p c i 总线传送到计算机系统的内存3 7 1 。图像采集卡原理结构图如图2 - 6 所示。 p c i 总线 图2 - 6p c i 图像采集卡原理结构图 2 5 3 小结 本系统采用的f a s tf v c 0 2 图像采集卡，见图2 7 所示。各项参数见表2 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图2 - 7 图像采集卡 表2 - 5f v c 0 2 图像采集卡参数 外形尺寸1 7 4 衄x1 0 6 6 8 m ( 不包含接口等突起部) + 5 v约6 0 0 n l a 采集卡消耗电流 + 1 2 v 约2 0 0 m a ( m a x ) 1 2 v约2 a ( m a x ) ( t v 相机l 台最大约为1 a ) 实际供给电流由连接相机以及台数决定。 摄像机供给电流 + 1 2 v 图像输入通道数2 通道 输入信号1 o v p - p 7 5q 合成图像 水平，垂直扫描频率( 水平) 可编译( 约1 5 7 3 4 删z 3 1 4 6 8 1 删z ) 图像输入( 垂直) 可编译( 约5 h z 1 2 0 h z ) ( 交错不交错) 可编译 外部同期信号( 输出)2 通道( h d v d ) 帧采集正常( 1 1 0 0 1 8 0 0 0 秒) 随机触发( 1 4 1 1 0 0 0 0 0 秒) 控制输入随机触发要求输入2 点、”l ( 负逻辑) 2 6 计算机配置 本系统采用普通计算机充当数据处理器，对取得的图像进行分析处理，得到 检测结果。本系统所应用的计算机配置如表2 - 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 表2 - 6 计算机配置参数表 名称型号 d v d c d 1 m 驱动器 c q 3 1 3 9 v y m y 4 0 0 es c s ic d i d e a t a a t a p i 控制器 i n t e l ( r ) 8 2 8 0 1 b a u l t r a a t as t o r a g ec o n t r o l l e r2 4 4 一b 次要i d e 通道主要1 d e 通道 处理器i n t e l ( r ) c o r e 端口c o m 和u 叮 计算机 a c p i u n i p r o e e s s o rp c 监视器即插即用 显示卡r a d e o n9 2 0 0s ef a m i l y 内存5 1 2 m 硬盘1 6 0 g 主频 1 8 6 g 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 第3 章摄像机标定 机器视觉的基本任务之一是从摄像机获取的图像信息出发计算三维空间中物 体的几何信息，并由此重建和识别物体，而空间物体表面某点的三维几何位置与 其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的，这些几何 模型参数就是摄像机参数。在大多数条件下，这些参数必须通过实验与计算才能 得到，这个过程被称为摄像机定标【3