CN105699381A - 一种基于机器视觉的铁轨扣件检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的铁轨扣件检测装置，涉及铁路技术领域。本发明技术要点：包括检测梁、线阵相机组件、光源组件、图像采集卡、控制器及存储器。相机组件与光源组件均安装与检测梁上；相机组件用于采集包含铁轨扣件的图像，光源组件用于为相机组件提供亮度补偿。图像采集卡用于采集相机组件输出的图像数据，将图像数据输出到控制器中；控制器用于将图像数据存储到存储器中。所述控制器与相机组具有信号连接，控制器用于向相机组件输出一定频率的快门触发信号控制相机组件进行图像拍摄。控制器还与光源组件具有信号连接，用于控制光源组件的亮度。

Description

一种基于机器视觉的铁轨扣件检测装置

技术领域

本发明涉及铁路技术领域，尤其是一种基于机器视觉的铁轨扣件检测装置。

背景技术

随着我国铁路发展的快速推进，截止目前，全国铁路运营里程已达12万公里左右。每天铁路运量已史无前例，如何保证列车安全、稳定、不间断运行已成为中国铁路人的重要使命。

铁路线路设备是铁路运输业的基础设备。合理养护铁路线路设备并及时有效的分析、预防和整治线路设备病害是保障铁路安全运输的关键。而在线路养护中，扣件的日常巡检是必检项目之一，扣件是将钢轨固定在轨枕上用以保持轨距和阻止钢轨相对轨枕发生纵横向移动的关键部件。

目前的大多数的扣件检查主要是人工检测，巡道工人对轨道线路进行实地检测，这种方式要求巡道工人负重10公斤左右的巡道包，步巡长达20公里左右，劳动强度大，且工作环境恶劣，安全性根本无法保证，检测的准确性受人为主观性影响较大，存在大量的漏检和错检现象，并且对于偏远地区无法进行有效检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于机器视觉的铁轨扣件检测装置。

本发明采用的技术方案如下：包括检测梁、线阵相机组件、光源组件、图像采集卡、控制器及存储器。

相机组件与光源组件均安装与检测梁上；相机组件用于采集包含铁轨扣件的图像，光源组件用于为相机组件提供亮度补偿。

所述图像采集卡与相机组件具有信号连接，图像采集卡用于采集相机组件输出的图像数据；图像采集卡与控制器具有信号连接，图像采集卡用于将图像数据输出到控制器中；控制器与存储器具有信号连接，控制器用于将图像数据存储到存储器中。

所述控制器与相机组具有信号连接，控制器用于向相机组件输出一定频率的快门触发信号控制相机组件进行图像拍摄。

控制器还与光源组件具有信号连接，用于控制光源组件的亮度。

进一步，还包括编码器；

所述编码器与列车车轮同轴连接，并输出一定频率的信号；

所述编码器与控制器具有信号连接，控制器接收编码器输出的信号，并对所述信号进行倍频及分频处理得到所述快门触发信号。

进一步，所述控制器还用于：

计算图像的灰度直方图，然后判断灰度直方图的最大值位置，若最大值对应的横坐标位于横坐标中点的右侧，则控制光源组件降低亮度，若最大值对应的横坐标位于横坐标中点的左侧，则控制光源组件增强亮度；

计算下一图像的灰度直方图，按照上述同样的方式控制光源组件的亮度直至图像的灰度直方图最大值的横坐标为横坐标中点。

进一步，所述控制器还用于在调节光源组件亮度的同时根据列车车速及相机组件的行频调整相机的曝光时间，直到图像的灰度直方图最大值的横坐标为横坐标中点，并记录此时时刻、列车速度、相机组件曝光时间及光源组件的光照强度。

进一步，所述存储器为硬盘；所述控制器还用于：根据相机组件拍摄图像的频率、列车运行距离及单帧图像大小计算出存储列车运行完所述距离拍摄到的全部图像的硬盘空间大小；向硬盘预先申请该大小的存储空间对采集到的图像进行存储。

进一步，所述控制器用于将图像数据先存储到内存中，当内存中的图像数据存储到一定数量时再将内存中的图像数据存储到预先申请的硬盘存储空间中。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明根据车速生成快门触发频率，保证了列车高速运行时线阵相机拍摄图像的完整及防止画面失真。

2.本发明根据图像灰度调整光源组件光照强度，根据车速、相机行频调整相机曝光时间，使得拍摄图像亮度分布均匀，有助于后续扣件识别模块从图像中准确提取扣件的位置数据。当调节好光源组件亮度后，记录下相关数据，可用于后续调节亮度时参考，提高工作效率。

3.本发明控制器根据列车行程、相机拍摄图像的频率计算出需要的存储空间，采用预先向硬盘申请存储空间的方式存储本次行程中相机组件采集到的图像，大大降低控制器请求硬盘空间的频率，极大减少了存储碎片的产生，提高存储空间利用率。

4.本发明另一个实施例中先将拍摄到的图像数据保存在内存中，待存储到一定量时再将图像数据从内存中移到预先申请的硬盘存储空间中，有效降低了硬盘读写操作频率，提高系统运行速率。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明中扣件检测装置的结构示意图。

图2为本发明中扣件检测装置的电路原理图。

图3为本发明快门触发信号生成原理框图。

图4为本发明图像数据存储原理框图。

图5为本发明图像亮度调节原理框图。

图中标记：1为检测梁；2为相机组件；3为光源组件；4为扣件；5为左轨；6为右轨。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，本发明中的扣件检测装置包括检测梁1、线阵相机组件2、光源组件3、图像采集卡、控制器及存储器。

本实施例中的相机组件为四个，每个相机组件配备一个光源组件用于亮度补偿。相机组件与光源组件均安装与检测梁上；相机组件用于采集位于其下方的扣件4的图像。

图像采集卡位于列车车体上，相机组件输出的图像数据通过布设在检测梁（实际使用时检测梁是安装在列车转向架构架上的）内的千兆网线传输至位于车体上的高速图像采集卡中，图像采集卡按照控制器控制的采样频率对相机组件输出的图像数据进行采样，图像采集卡再把图像数据传送至位于车体上的核心服务器中。

服务器中的控制器具有以下功能：控制图像采集卡采集图像数据，将图像数据存储到存储器中，产生快门触发信号以控制相机组件拍摄图像，控制光源亮度补偿。控制器的这些功能都是为了保障列车高速运行时，检测装置能够获得高质量的扣件图像，并满足图像数据的快速存储。

下面逐一介绍控制器的功能。

1.控制器根据相机拍摄频率设定图像采集卡的采集频率。

本实施例具有四个相机组件，控制器调用四个相机采集线程，通过注册回调函数的方式来取得相应相机的数据，并为每个相机组件建立一个队列，把采集到的各个相机组件的图像数据分别加入到对应相机的队列。

考虑到多线程会增加系统调度的资源消耗，进而影响整个系统的运行效率，因此另一个实施例采用单一核心线程处理，减少系统调度所引起的资源消耗，而核心线程主要把数据进行至少两个部分的分流，一部分用于存储，主用于原始数据的存储，另一部分主用于处理光照不均匀。

2.快门触发信号生成

因为本发明采用的是线阵相机，需要严格控制相机拍摄频率，以便拍摄到的扣件画面能够拼凑成一幅完整的图像。

如图3，本装置一个还包括编码器；编码器与列车车轮同轴连接，编码器在车轮的带动下进行转动，每转动一定角度便输出一个脉冲，随着列车行进，编码器产生一系列的脉冲，即输出一定频率的脉冲信号。

编码器输出的脉冲信号若直接用来控制快门不一定能很好的满足拍摄需要，因此需要对脉冲信号进行倍频（将频率成倍增加）、分频（将频率减少到原来的几分之几）处理，产生适当频率的快门触发信号，使得相机能够在列车每行驶1mm便完成一次拍摄。

为了便于系统调试，控制器还可单独生成具有一定频率的脉冲信号作为快门触发信号，该信号与编码器输出无关，以便于列车静止时仍能控制相机组件按照一定频率拍摄图像，完成对装置的调试。

3.光源亮度调节

如图1所示，在本发明一个具体实施例中，检测梁1上安装有4个相机组件，每个相机组件配备一个光源组件。图中过左轨5中心点的竖直直线为对称轴；2#相机组件与3#相机组件轴对称安装，且2#相机组件与3#相机组件中任意一个的光线入射方向与其对称轴之间呈40°~50°度角，图中过右轨6中心点的竖直直线为对称轴。

四个光源组件3也安装于检测梁上，一个相机组件对应一个光源组件。

由于相机组件位置不同，不可避免的导致拍摄同一个扣件的两个相机组件输出的图像亮度不均，影响后续的图像处理。四个相机组件排在列车的底部，0#相机组件和3#相机组件靠近列车外侧，因此受外界光线影响大，而1#相机组件和2#相机组件位于列车内侧，受外界光线影响较小。因此需要对各个相机组件的光源的光照强度进行控制，以保证图像成像光照的均匀性。

本实施例中，控制器对每个光源组件亮度的控制方法如下：

计算图像的灰度直方图，然后判断灰度直方图的最大值位置，若最大值对应的横坐标位于横坐标中点的右侧，则控制光源组件降低亮度，若最大值对应的横坐标位于横坐标中点的左侧，则控制光源组件增强亮度。

继续处理紧接着来的图像的灰度直方图，判断其直方图最大值的位置，按照上述同样的方式控制光源组件的亮度直至图像的灰度直方图最大值的横坐标为横坐标中点。

按照上述方式对每个相机组件的光源强度进行调整，便能够保证图像亮度的一致性。

考虑到图像的亮度还与相机的曝光时间有关，本发明另一个实施例中，控制器还用于在调节光源组件亮度的同时根据列车车速及相机组件的行频调整相机的曝光时间，直到图像的灰度直方图最大值的横坐标为横坐标中点，并记录此时时刻、列车速度、相机组件曝光时间及光源组件的光照强度。当相机组件、光源组件不止一个时还需要记录相机组件的ID号及光源组件的ID号。

我们将调整好图像亮度时的相关参数进行记录，可为曝光时间的设定提供参考。

具体来说，列车车速是受线阵相机的行频（即行频线阵相机的速度，指的是线阵相机每秒中最多采集多少行图像，比如：12KHz表示线阵相机在1秒钟内最多能采集12000行。）限制的，如以1mm的精度（1mm精度是指列车每行驶1mm，线阵相机便拍摄一帧图像）计算，车速90km/h那对应的相机行频为25000HZ，那对应曝光时间的最大值为40us。如果车速以36km/h行进，相机对应曝光时间最大为100us。也就是说我们选择25000HZ行频的相机，我们的车的最大速度只能跑到90km/h才能满足1mm的精度。更具体的：如发现图像过曝，首先调整光源强度，如果光源强度调节到一定值时还存在过曝问题则减小相机组件曝光时间，以解除过曝的问题。同理，如果发现图像过暗，首先增加光源强度，同时可增加相机组件曝光时间，但在增加相机组件曝光时间时一定要根据最大车速以进行调整，一切以满足图像精度为前提。

4.图像数据存储

当列车运行时，相机组件会不断的拍摄扣件图像，如何将图像数据完整及时的存储是本发明需要解决的一个技术问题。

本实施例中的存储器由硬盘实现；所述控制器根据相机组件拍摄图像的频率、列车运行距离及单帧图像大小可以计算出存储列车运行完所述距离拍摄到的全部图像的硬盘空间大小；于是控制器预先向硬盘申请该大小的存储空间对采集到的图像进行存储。

如果每采集到一帧图像，控制器便向硬盘申请一次存储空间，积累下来，将产生大量的磁盘碎片，十分浪费存储空间。

在另一个实施例中，控制器先将采集到的图像数据存储到内存中，当内存中的图像数据存储到一定数量时（如内存中的图像数据达到64MB时）再将内存中的图像数据通过内存映射机制一起存储到预先申请的硬盘存储空间中。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种基于机器视觉的铁轨扣件检测装置，其特征在于，包括检测梁、线阵相机组件、光源组件、图像采集卡、控制器及存储器；

所述线阵相机组件与光源组件均安装与检测梁上；

线阵相机组件用于采集包含铁轨扣件的图像，光源组件用于为相机组件提供亮度补偿；

所述图像采集卡与线阵相机组件具有信号连接，图像采集卡用于采集线阵相机组件输出的图像数据；图像采集卡与控制器具有信号连接，图像采集卡用于将图像数据输出到控制器中；控制器与存储器具有信号连接，控制器用于将图像数据存储到存储器中；

所述控制器与线阵相机组具有信号连接，控制器用于向线阵相机组件输出一定频率的快门触发信号控制相机组件进行图像拍摄；

控制器还与光源组件具有信号连接，用于控制光源组件的亮度。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的铁轨扣件检测装置，其特征在于，还包括编码器；

所述编码器与列车车轮同轴连接，并输出一定频率的信号；

所述编码器与控制器具有信号连接，控制器接收编码器输出的信号，并对所述信号进行倍频及分频处理得到所述快门触发信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的铁轨扣件检测装置，其特征在于，所述控制器还用于：

计算图像的灰度直方图，然后判断灰度直方图的最大值位置，若最大值对应的横坐标位于横坐标中点的右侧，则控制光源组件降低亮度，若最大值对应的横坐标位于横坐标中点的左侧，则控制光源组件增强亮度；

计算下一图像的灰度直方图，按照上述同样的方式控制光源组件的亮度直至图像的灰度直方图最大值的横坐标为横坐标中点。

4.根据权利要求3所述的一种基于机器视觉的铁轨扣件检测装置，其特征在于，所述控制器还用于在调节光源组件亮度的同时根据列车车速及线阵相机组件的行频调整相机的曝光时间，直到图像的灰度直方图最大值的横坐标为横坐标中点，并记录此时时刻、列车速度、相机组件曝光时间及光源组件的光照强度。

5.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的铁轨扣件检测装置，其特征在于，所述存储器为硬盘；所述控制器还用于：根据线阵相机组件拍摄图像的频率、列车运行距离及单帧图像大小计算出存储列车运行完所述距离拍摄到的全部图像的硬盘空间大小；向硬盘预先申请该大小的存储空间对采集到的图像进行存储。

6.根据权利要求5所述的一种基于机器视觉的铁轨扣件检测装置，其特征在于，所述控制器用于将图像数据先存储到内存中，当内存中的图像数据存储到一定数量时再将内存中的图像数据存储到预先申请的硬盘存储空间中。