基于單相機(jī)標(biāo)定及編碼點(diǎn)的高精度鐵軌爬行測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于單相機(jī)及編碼點(diǎn)的攝影測量的圖像處理方法，屬于光學(xué)測量 領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于單相機(jī)標(biāo)定及編碼點(diǎn)的高精度鐵軌爬行測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著我國鐵路行業(yè)建設(shè)的不斷加快，鐵路線路中出現(xiàn)的問題也越來越多。 其中，鐵路線路爬行是鐵路線路的病害之一，對鐵路軌道的整體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性都有著很大 的影響，嚴(yán)重時(shí)，將會(huì)為列車的正常運(yùn)行埋下安全隱患，影響軌道各個(gè)環(huán)節(jié)的正常運(yùn)行。傳 統(tǒng)的鐵路爬行方法存在測量精度不高，測量器械需要時(shí)常標(biāo)定，不方便攜帶的缺點(diǎn)，使得鐵 路爬行測量時(shí)極不方便。
[0003] 在圖像測量過程W及機(jī)器視覺應(yīng)用中，為確定空間物體表面某點(diǎn)的Ξ維幾何位置 與其在圖像中對應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，必須建立相機(jī)成像的幾何模型，運(yùn)些幾何模型參數(shù) 就是相機(jī)參數(shù)。在大多數(shù)條件下運(yùn)些參數(shù)必須通過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算才能得到，運(yùn)個(gè)求解參數(shù)的 過程就稱之為相機(jī)標(biāo)定(或攝像機(jī)標(biāo)定）。傳統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定法需要使用尺寸已知的標(biāo)定物，通 過建立標(biāo)定物上坐標(biāo)已知的點(diǎn)與其圖像點(diǎn)之間的對應(yīng)，利用一定的算法獲得相機(jī)模型的內(nèi) 外參數(shù)。根據(jù)標(biāo)定物的不同可分為Ξ維標(biāo)定物和平面型標(biāo)定物。Ξ維標(biāo)定物可由單幅圖像 進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定精度較高，但高精密Ξ維標(biāo)定物的加工和維護(hù)較困難。平面型標(biāo)定物比Ξ維 標(biāo)定物制作簡單，精度易保證，但標(biāo)定時(shí)必須采用兩幅或兩幅W上的圖像。傳統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定法 在標(biāo)定過程中始終需要標(biāo)定物，且標(biāo)定物的制作精度會(huì)影響標(biāo)定結(jié)果。
[0004] 基于離線相機(jī)標(biāo)定技術(shù)需要準(zhǔn)確的相機(jī)內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)作為重構(gòu)算法的輸入和 先決條件，目前最為流行的離線相機(jī)標(biāo)定算法是Tsai在1987年提出的[Tsail987]，Tsai方 法使用一個(gè)帶有非共面專用標(biāo)定標(biāo)識(shí)的Ξ維標(biāo)定物來提供圖像點(diǎn)和其對應(yīng)的Ξ維空間點(diǎn) 的對應(yīng)并計(jì)算標(biāo)定參數(shù)。Zhang在1998年提出了另一個(gè)實(shí)用方法[Bouguet2007]，該方法需 要對一個(gè)平面標(biāo)定圖案的至少兩幅不同視圖來進(jìn)行標(biāo)定。加州理工學(xué)院的相機(jī)標(biāo)定工具對 W上兩個(gè)方法均作了有效實(shí)現(xiàn)，并且已經(jīng)被集成到Intel的視覺算法庫OpenCV中 [化enCV2004]。通過標(biāo)定算法，可W計(jì)算相機(jī)的投影矩陣，并提供場景的Ξ維測度信息。在 不給定真實(shí)場景的絕對平移、旋轉(zhuǎn)和放縮參數(shù)的情況下，可W達(dá)到相似變換級別的測度重 構(gòu)。
[000引目前，還沒有發(fā)現(xiàn)公開發(fā)表的將離線相機(jī)標(biāo)定方法運(yùn)用到鐵軌線路爬行測量方面 的文獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的是提供一種基于單相機(jī)標(biāo)定及編碼點(diǎn) 的高精度鐵軌爬行測量方法，將離線相機(jī)標(biāo)定方法運(yùn)用到鐵軌線路爬行測量上來，W解決 線路爬行測量存在的問題。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:基于單相機(jī)標(biāo)定及編碼點(diǎn)的高精度鐵軌爬行測量方 法，具有w下步驟：
[0008] A.使用鐵刷和干凈抹布清灰，將帶有強(qiáng)力背膠的編碼點(diǎn)粘貼于被測物體表面，其 中至少有Ξ個(gè)所述編碼點(diǎn)貼在路基上且不在一條直線上;至少有兩個(gè)所述編碼點(diǎn)貼在鐵軌 上，W確定需計(jì)算的位移方向；
[0009] B.使用相機(jī)從各個(gè)角度拍攝被測物體，每組照片的數(shù)量大于等于則長，每組照片中 編碼點(diǎn)個(gè)數(shù)大于等于10個(gè)，且能夠清晰成像;同一組照片在拍攝過程中，需保持像距一致；
[0010] C.將所述照片導(dǎo)入標(biāo)定軟件進(jìn)行計(jì)算，重建編碼點(diǎn)的Ξ維坐標(biāo)，作為一組數(shù)據(jù)保 存下來，并存入數(shù)據(jù)庫；
[0011] D.拍攝對比組照片，導(dǎo)入標(biāo)定軟件進(jìn)行Ξ維重建后，與之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù) 相同的路基上的編碼點(diǎn)，選擇路基點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行Ξ維坐標(biāo)匹配，使用最小二乘法及SVD 分解即可求得兩個(gè)坐標(biāo)系的匹配矩陣化，Τρ。
[001引設(shè)某條鐵軌上兩個(gè)編碼點(diǎn)的在一組數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)分別為Α1 = (Χ_Α1，Υ_Α1，Ζ_A1)，Α2 = (Χ_Α2，Υ_Α2，Ζ_Α2)，在另一組數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)為Β1 = (Χ_Β1，Υ_Β1，Ζ_Β1)，Β2 = (Χ_ Β2，Υ_Β2，Ζ_Β2)。
[0013]把A坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到Β坐標(biāo)系中，在根據(jù)兩點(diǎn)之間的方向投影公式計(jì)算鐵軌爬行距 離：
[0014]
可獲得 鐵軌的最終偏移量d為：
[0015]
[0016]有益效果:本方法無需另外標(biāo)定，利用編碼點(diǎn)自標(biāo)定即可，本方法在計(jì)算鐵軌爬行 量時(shí)，在算法中加入了不同組數(shù)據(jù)Ξ維坐標(biāo)系的匹配過程，匹配鐵軌的位置數(shù)據(jù)并比較，針 對鐵軌爬行測量拍攝環(huán)境的大視場計(jì)算特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，簡化了流程，使之適用于各種視 場范圍而無需使用適應(yīng)視場大小的標(biāo)定板。
【附圖說明】
[0017] 下面參照附圖結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0018] 圖1為本發(fā)明的實(shí)施示意圖，
[0019]圖2為編碼點(diǎn)照片Ξ維重建示意圖，
[0020] 圖3為編碼點(diǎn)圖樣，
[0021] 圖4為相機(jī)坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[002引在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、"前"、"后'、 "左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底"、"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所 示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必 須具有特定的方位、W特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0024]本發(fā)明主要從W下Ξ個(gè)方面敘述：
[002引1、實(shí)施方法：
[0026] A.如圖1所示，使用鐵刷和干凈抹布清灰，使用強(qiáng)力背膠編碼點(diǎn)粘連于被測物體表 面，一組照片中編碼點(diǎn)個(gè)數(shù)需大于10個(gè)，且能夠清晰成像。其中需至少Ξ個(gè)點(diǎn)貼在路基上 (不會(huì)移動(dòng))且不在一條直線上。至少兩個(gè)點(diǎn)貼在鐵軌上W確定需計(jì)算的位移方向。
[0027] B.使用相機(jī)從各個(gè)角度拍攝一組圖像(不少于8張），同一組照片在拍攝過程中，需 保持像距一致。
[0028] C.如圖2所示，將此照片導(dǎo)入軟件進(jìn)行計(jì)算，可重建編碼點(diǎn)的Ξ維坐標(biāo)，作為一組 數(shù)據(jù)保存下來，并存入數(shù)據(jù)庫。
[0029] D.拍攝對比組照片，導(dǎo)入軟件Ξ維重建后與另外一組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。根據(jù)相同的 路基編碼點(diǎn)，匹配兩組數(shù)據(jù)至相同的坐標(biāo)系，而后可獲得鐵軌的爬行量。
[0030] 2、編碼點(diǎn)識(shí)別：如圖3所示，使用開源庫opencv的命令，cvFindContours找到圖像 中所有單連通邊界。再使用cvFi巧llipse對所有邊界進(jìn)行擬合。根據(jù)擬合楠圓質(zhì)量，確定編 碼點(diǎn)的圓屯、坐標(biāo)，可達(dá)到亞像素精度。再根據(jù)所識(shí)別的外圍的輪廓角度，可判斷編碼點(diǎn)序 號(hào)。
[0031 ] 3、相機(jī)自標(biāo)定：
[0032] 使用常用的相機(jī)模型，假設(shè)一空間點(diǎn)1^村巧，￥巧，2巧），其在圖像平面上投影坐標(biāo)為口 (u，v)，則他們的關(guān)系如下：
[0033]
[0034] 其中
為相機(jī)外參數(shù)矩陣，R是3*3的正交單位旋轉(zhuǎn)矩陣，T=(tx，ty，tz)T為Ξ維平移向量，K為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣。
[0035]對于一組數(shù)據(jù)中的不同位置所拍攝的