CN112683196A - 钢轨轮廓测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨轮廓测量方法及装置，其中该方法包括：获取多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像；所述平面靶标上设置有多个均匀分布的标记点；根据多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像，确定钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数；根据钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数，建立垂直于钢轨纵向的虚拟平面；将钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到所述虚拟平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据。本发明可以提高钢轨轮廓测量的精度和效率。

Description

钢轨轮廓测量方法及装置

技术领域

本发明涉及钢轨检测技术领域，尤其涉及钢轨轮廓测量方法及装置。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

在线结构光钢轨测量系统中，左右侧激光平面的共面程度是影响钢轨轮廓测量精度的重要因素。为了使左右侧激光平面共面，保证钢轨轮廓测量结果的准确度，两侧激光平面应当共面安装，这对组件加工和安装过程提出了较高的要求，钢轨轮廓测量效率也低。另外，由于组件加工精度和安装环境等方面的限制，很难保证两侧激光平面精确共面。当两侧激光不共面时，测量轮廓会产生一定的畸变，引起钢轨轮廓测量误差。

发明内容

本发明实施例提供一种钢轨轮廓测量方法，用以提高钢轨轮廓测量的精度和效率，该方法包括：

获取多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像；所述平面靶标上设置有多个均匀分布的标记点；

根据多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像，确定钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数；

根据钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数，建立垂直于钢轨纵向的虚拟平面；

将钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到所述虚拟平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据。

本发明实施例还提供一种钢轨轮廓测量装置，用以提高钢轨轮廓测量的精度和效率，该装置包括：

图像获取单元，用于获取多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像；所述平面靶标上设置有多个均匀分布的标记点；

钢轨纵向参数确定单元，用于根据多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像，确定钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数；

虚拟平面建立单元，用于根据钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数，建立垂直于钢轨纵向的虚拟平面；

测量单元，用于将钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到所述虚拟平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据。

本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述钢轨轮廓测量方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述钢轨轮廓测量方法的计算机程序。

本发明实施例中，钢轨轮廓测量方案，与现有技术中精度和效率都低的钢轨轮廓测量的技术方案相比，通过：获取多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像；所述平面靶标上设置有多个均匀分布的标记点；根据多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像，确定钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数；根据钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数，建立垂直于钢轨纵向的虚拟平面；将钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到所述虚拟平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据，本发明可以利用垂直于钢轨纵向的虚拟平面修正左右侧激光平面，因此，不需要钢轨左右两侧激光平面绝对共面，只需大致对齐即可，大大降低了安装要求。同时，由于虚拟平面就是测量平面，保证了测量平面与钢轨纵向垂直，即使激光摄像组件安装后激光平面与钢轨纵向不垂直，也能保证测量结果是钢轨的横断面轮廓数据而非斜断面轮廓数据。此外，将左右侧钢轨半断面轮廓数据变换到同一参考坐标系下，省去了左右侧轮廓拼接步骤。综上，本发明可以提高钢轨轮廓测量的精度和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中线结构光钢轨轮廓测量原理图；

图2a为本发明实施例中两侧激光平面共面安装示意图；

图2b为图2a的两侧激光平面共面安装的轮廓测量结果示意图；

图3a为本发明实施例中两侧激光不共面的一种情况示意图；

图3b为图3a的两侧激光不共面的一种情况的轮廓测量结果示意图；

图4为本发明实施例中钢轨轮廓测量系统激光平面对齐修正流程图；

图5是本发明实施例中所采用的平面靶标示意图；

图6a-图6b为本发明实施例中平面靶标在钢轨表面的运动路线示意图，其中：图6a为沿钢轨纵向平移和绕钢轨纵向旋转示意图，图6b为绕靶标坐标系Z轴旋转示意图；

图7是本发明实施例中9种典型的平面靶标位姿示意图；

图8是本发明实施例中参考坐标系示意图；

图9是本发明实施例中由钢轨纵向建立参考坐标系示意图；

图10是本发明实施例中激光平面修正示意图；

图11是本发明实施例中钢轨轮廓测量方法的流程示意图；

图12是本发明实施例中钢轨轮廓测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

线结构光轮廓测量技术基于三角测量原理，可以实时获取被测物的轮廓信息，具有高速、高精度和非接触的特点，是钢轨廓形动态检测的主流方式。图1是线结构光钢轨轮廓测量原理图，在钢轨左右两侧各有一套由相机、镜头和线激光器组成的激光摄像组件，两套组件的激光平面共面安装，分别用于获取钢轨左右半断面轮廓数据，由标定参数将半断面轮廓进行拼接，从而得到钢轨全断面轮廓。配合扫描运动，即可实现对整个钢轨的轮廓测量。

针对线结构光钢轨轮廓测量，发明人发现了一个技术问题：

在线结构光钢轨轮廓测量系统中，左右侧激光平面的共面程度是影响钢轨轮廓测量精度的重要因素。为了使左右侧激光平面共面，保证钢轨轮廓测量结果的准确度，两侧激光平面应当共面安装，如图2a和图2b所示，这对组件加工和安装过程提出了较高的要求，然而，由于组件加工精度和安装环境等方面的限制，很难保证两侧激光平面精确共面。当两侧激光不共面时，其测量结果并非是与钢轨纵向垂直的横断面，而是产生了一定的畸变，引起测量误差。图3a和图3b给出了两侧激光不共面的一种情况，其中，左侧激光平面与钢轨纵向垂直，但右侧激光平面与钢轨纵向不垂直，且与左侧激光不共面，此时左侧相机得到的是与钢轨纵向垂直的横断面轮廓数据，而右侧相机得到的是与钢轨纵向不垂直的轮廓数据，这里我们称之为斜断面轮廓数据。很明显，钢轨的斜断面轮廓与横断面轮廓相比，在某一个方向上进行了拉伸，拉伸的方向与激光平面和钢轨纵向的夹角有关，这种拉伸导致钢轨测量廓形产生了畸变，畸变的廓形会引起钢轨轮廓特征点的定位出现偏差，最终导致钢轨磨耗测量误差增大。更一般的情况，当两侧激光平面既不共面，也不与钢轨纵向垂直时，钢轨两侧的测量廓形均不是钢轨的横断面轮廓，测量结果均发生了畸变，会引起更大的误差。

由于发明人发现了上述问题，因此提出了一种钢轨轮廓测量方案，该方案为一种基于虚拟平面的钢轨轮廓测量方案，该方案进行了激光平面对齐修正：首先利用传统线结构光钢轨轮廓测量系统标定方法得到左右侧相机的内外参数和左右侧激光平面参数，然后基于平面靶标标定钢轨纵向，建立垂直于钢轨纵向的虚拟平面，将钢轨左右侧轮廓数据投影到该虚拟平面上，即可得到钢轨横断面轮廓数据，从而实现双激光平面对齐修正。该方法利用垂直于钢轨纵向的虚拟平面修正左右侧激光平面，因此，不需要钢轨左右两侧激光平面绝对共面，只需大致对齐即可，大大地降低了安装要求。同时，由于虚拟平面就是测量平面，保证了测量平面与钢轨纵向垂直，即使激光摄像组件安装后激光平面与钢轨纵向不垂直，也能保证测量结果是钢轨的横断面轮廓数据而非斜断面轮廓数据。此外，该方法将左右侧钢轨半断面轮廓数据变换到同一参考坐标系下，省去了左右侧轮廓拼接步骤。下面对该钢轨轮廓测量方案进行详细介绍。

图11是本发明实施例中钢轨轮廓测量方法的流程示意图，如图11所示，该方法包括如下步骤：

步骤101：获取多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像；所述平面靶标上设置有多个均匀分布的标记点；

步骤102：根据多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像，确定钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数；

步骤103：根据钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数，建立垂直于钢轨纵向的虚拟平面；

步骤104：将钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到所述虚拟平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据。

本发明实施例提出了钢轨轮廓测量方法，将左右侧半断面轮廓测量结果修正到与钢轨纵向(延伸方向)垂直的平面上，降低由于激光不共面导致的测量误差。这种方法不需要钢轨左右两侧激光平面精确共面，只需大致对齐即可，大大降低了组件加工精度要求和现场安装环境要求。

在一个实施例中，根据多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像，确定钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数，可以包括：

确定每一幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像对应靶标坐标系与相机坐标系的齐次变换矩阵；

根据每一靶标坐标系与相机坐标系的齐次变换矩阵，确定每一靶标坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵；

根据每一靶标坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵，将每一靶标坐标系的原点和Z轴单位向量的坐标变换到世界坐标系下；

根据变换到世界坐标系下的每一靶标坐标系的原点和Z轴单位向量的坐标，确定每一靶标坐标系的原点和Z轴单位向量的坐标对应的单位向量；

根据多个靶标坐标系的原点和Z轴单位向量的坐标对应的单位向量，拟合平面，并计算拟合平面的法线，得到钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数。

具体实施时，上述确定钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数的实施方式提高了钢轨轮廓测量精度。

在一个实施例中，平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像的幅数可以大于或等于10幅。

具体实施时，平面靶标贴紧钢轨表面不同姿态下的图像的幅数大于或等于10幅进一步提高了钢轨轮廓测量精度。

在一个实施例中，获取多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像，可以包括：

在保证平面靶标与钢轨表面贴紧的情况下，获取平面靶标沿钢轨纵向平移、绕钢轨纵向旋转或绕自身靶标坐标系的Z轴旋转不同姿态下的图像。

具体实施时，上述获取多幅平面靶标贴紧钢轨表面不同姿态下的图像的实施方式进一步提高了钢轨轮廓测量精度。

在一个实施例中，根据钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数，建立垂直于钢轨纵向的虚拟平面，可以包括：

以世界坐标系的原点为原点，以钢轨纵向为Y轴建立参考坐标系；

根据所述参考坐标系，得到所述虚拟平面。

具体实施时，上述建立垂直于钢轨纵向的虚拟平面的实施方式进一步提高了钢轨轮廓测量的精度。

在一个实施例中，将钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到所述虚拟平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据，包括：

确定参考坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵；

根据参考坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵，将世界坐标系下的钢轨左右侧半断面轮廓数据变换到参考坐标系下；

将参考坐标系下的钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到参考坐标系XOZ平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据；所述参考坐标系XOZ平面为所述虚拟平面。

具体实施时，上述得到钢轨横断面轮廓测量数据的实施方式进一步提高了钢轨轮廓测量的精度和效率。

在一个实施例中，上述钢轨轮廓测量方法还可以包括：

获取如下标定结果：钢轨左右侧相机的内参矩阵，钢轨左右侧相机坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵，以及钢轨左右侧激光平面在世界坐标系下的平面参数；

若钢轨左右侧轮廓数据是在相机坐标系下或者激光平面坐标系下表示的，利用所述标定结果，将坐标变换将相机坐标系下或者激光平面坐标系下的钢轨左右侧轮廓数据变换到世界坐标系下。

具体实施时，上述根据标定结果，将坐标变换将相机坐标系下或者激光平面坐标系下的钢轨左右侧轮廓数据变换到世界坐标系下的实施方式进一步提高了钢轨轮廓测量的精度和效率。

下面再举一例子进行说明，以便于理解本发明如何实施。

图4是钢轨轮廓测量系统激光平面对齐修正(钢轨轮廓测量方法)流程图，主要分为以下5步。

第1步，标定左右侧相机的内外参数和激光平面参数，即标定左右侧相机的内参矩阵，左右侧相机坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵以及左右侧激光平面在世界坐标系下的平面参数。这一步可以参考传统的钢轨轮廓测量系统标定方法，如平面靶标标定方法。

第2步，基于平面靶标标定钢轨纵向。图5是本发明实施例所采用的平面靶标示意图，以靶标平面为XOY平面，靶标中心点为坐标原点，建立如图5所示的靶标坐标系。当平面靶标与钢轨表面贴紧时，靶标坐标系的Z轴与钢轨纵向满足垂直的条件。当平面靶标按照图6a-图6b所示的运动路线在钢轨表面运动，且保持平面靶标贴紧钢轨表面时，靶标坐标系的Z轴始终与钢轨纵向垂直。利用该特点，将平面靶标贴紧钢轨表面，并按照图6a-图6b所示的运动路线调整靶标姿态，通过任意一侧相机采集n(n≥10)幅不同姿态下的平面靶标图像(如图7所示)，则不同姿态的靶标坐标系的Z轴始终与钢轨纵向垂直。通过平移变换将这些靶标坐标系的原点平移到与世界坐标系原点重合的位置，则平移后的这组靶标坐标系的Z轴的单位向量也满足与钢轨垂直的条件，且位于同一平面内。因此，将平移后的这组靶标坐标系的Z轴的单位向量的坐标(0,0,1)^T变换到世界坐标系下得到一组点的坐标iⁱV＝(ⁱx,ⁱy,ⁱz)^T，i＝1,2,3...n，通过这组点拟合平面，则拟合平面的法线就是钢轨纵向在世界坐标系下的方向向量，记为V_rail＝(x_wcs,y_wcs,z_wcs)^T，如图8所示。

第3步，以世界坐标系的原点为原点，以钢轨纵向为Y轴建立参考坐标系，并计算参考坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵

需要指出的是，参考坐标系绕其Y轴的旋转可以是任意的，这并不影响钢轨廓形，为了简化，这里将其旋转角度设置为0。如图9所示，首先将世界坐标系绕X_wcs轴旋转角度α，得到临时坐标系mcs,然后将临时坐标系绕Z_mcs轴旋转-γ，从而得到参考坐标系rcs，α和γ分别由式(1)和式(2)确定。

其中，y_wcs,z_wcs是钢轨纵向的方向向量在世界坐标系下的坐标，x_mcs和y_mcs由式(3)确定。

由此得到参考坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵

第4步，将两侧相机测量数据(钢轨两侧半断面轮廓数据)变换到参考坐标系下。通常，钢轨两侧的半断面轮廓数据是在世界坐标系下表示的(如果是在相机坐标系下或者激光平面坐标系下表示的，可以利用第1步中的标定结果，通过坐标变换将其变换到世界坐标系下)，记P_wcs为钢轨轮廓上任意一点在世界坐标系下的坐标，P_rcs为P_wcs在参考坐标系下的坐标，可以通过下式(5)将世界坐标系下的钢轨两侧的半断面轮廓数据变换到参考坐标系下：

第5步，将参考坐标系下的钢轨左右侧轮廓数据投影到参考坐标系XOZ平面(虚拟平面)上，实现激光平面对齐修正。将参考坐标系下钢轨两侧的半断面轮廓数据的y_rcs坐标值置零，便可将参考坐标系下的钢轨两侧轮廓数据投影到参考坐标系XOZ平面上，由于参考坐标系的Y轴与钢轨纵向平行，则XOZ平面内的(x_rcs,z_rcs)坐标值就是待测钢轨的横断面轮廓数据。

为了便于理解，再对平面靶标进行详细介绍：如图5所示，靶标平面内有7×7个等间距排列的黑色圆点，以最中间的黑色圆点的圆心为坐标原点，靶标平面为XOY平面，Z轴指向靶标的背面，建立靶标三维坐标系tcs(target coordinate system的简称)。记相机坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵为

其中ccs是相机坐标系camera coordinatesystem的简称，wcs是世界坐标系word coordinate system的简称，记世界坐标系内的点任意一点P的坐标为P_wcs，其在相机坐标系内的坐标为P_ccs，则P_wcs和P_ccs满足下式：

另外，本发明实施例中平面靶标可以选择圆形点阵，也可以选择棋盘格，如图10所示。

为了便于理解，再对确定钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数的步骤进行详细介绍：该步骤主要分为以下5步。

第1步，基于平面靶标标定原理计算第i个靶标坐标系与相机坐标系的齐次变换矩阵

其中n是不同姿态下靶标图像的个数，任意指定其中一个靶标坐标系作为世界坐标系，这一步可参考张正友基于平面靶标的相机标定方法。

第2步，通过公式

计算靶标坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵

第3步，通过公式

i＝1，2，3...n，将第i个靶标坐标系的原点iP_tcs＝(0,0,0)^T和Z轴单位向量的坐标ⁱQ_tcs＝(0,0,1)^T变换到世界坐标系下。其中，ⁱP_wcs和ⁱQ_wcs分别表示靶标坐标系下的点ⁱP_tcs＝(0,0,0)^T和点ⁱQ_tcs＝(0,0,1)^T在世界坐标系下的坐标。

第4步，通过公式

i＝1，2，3...n，计算向量ⁱP_wcs ⁱQ_wcs的单位向量ⁱV，i＝1，2，3...n。

第5步，对单位向量ⁱV，i＝1，2，3...n拟合平面，并计算拟合平面的法线n，则向量n就是钢轨纵向在世界坐标系下的方向向量。记ⁱV＝(x_i,y_i,z_i)，i＝1，2，3...n，构造矩阵：

其中，

令S＝M^T·M，显然S有三个特征值，则最小特征值对应的特征向量即为拟合平面的法线n，从而得到钢轨纵向在世界坐标系下的方向向量V_rail＝n。

本发明实施例提供的钢轨轮廓测量方案的优点是：通过标定钢轨纵向得到钢轨纵向在世界坐标系下的方向向量，以该向量建立与钢轨纵向垂直的虚拟平面，将左右侧钢轨半断面轮廓测量数据投影到该虚拟平面上，实现钢轨轮廓测量系统激光平面对齐修正。

为了便于理解以上优点，下面再以推理方式验证本发明的优点。

图3a和图3b中左侧激光平面与钢轨纵向垂直，而右侧激光平面与钢轨纵向不垂直，且与左侧激光不共面，因此右侧相机得到的是钢轨的斜断面轮廓数据。结合图2a至图3b可以发现，如果将图3a和图3b中右侧钢轨的斜断面轮廓数据沿着钢轨纵向投影到与钢轨垂直的平面内，则可以将斜断面轮廓数据修正为横断面轮廓，如图10所示。更一般的情况，当左右侧激光不共面，且均与钢轨纵向不垂直的时候，左右侧相机得到的均是钢轨的斜断面轮廓数据，通过创建与钢轨纵向垂直的虚拟平面，将两侧斜断面轮廓数据投影到该平面上，即可修正由于左右侧激光不共面导致的钢轨轮廓测量误差。

该方法利用垂直于钢轨纵向的虚拟平面修正左右侧激光平面，因此，不需要钢轨左右两侧激光平面绝对共面，只需大致对齐即可，大大降低了安装要求。同时，由于虚拟平面就是测量平面，保证了测量平面与钢轨纵向垂直，即使激光摄像组件安装后激光平面与钢轨纵向不垂直，也能保证测量结果是钢轨的横断面轮廓数据而非斜断面轮廓数据。此外，该方法将左右侧钢轨半断面轮廓数据变换到同一参考坐标系下，省去了左右侧轮廓拼接步骤。

另外，虚拟平面就是参考坐标系的XOZ平面。

本发明实施例中还提供了一种钢轨轮廓测量装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与钢轨轮廓测量方法相似，因此该装置的实施可以参见钢轨轮廓测量方法的实施，重复之处不再赘述。

图12是本发明实施例中钢轨轮廓测量装置的结构示意图，如图12所示，该装置包括：

图像获取单元01，用于获取多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像；所述平面靶标上设置有多个均匀分布的标记点；

钢轨纵向参数确定单元02，用于根据多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像，确定钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数；

虚拟平面建立单元03，用于根据钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数，建立垂直于钢轨纵向的虚拟平面；

测量单元04，用于将钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到所述虚拟平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据。

在一个实施例中，钢轨纵向参数确定单元具体用于：

确定每一幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像对应靶标坐标系与相机坐标系的齐次变换矩阵；

根据每一靶标坐标系与相机坐标系的齐次变换矩阵，确定每一靶标坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵；

根据每一靶标坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵，将每一靶标坐标系的原点和Z轴单位向量的坐标变换到世界坐标系下；

根据变换到世界坐标系下的每一靶标坐标系的原点和Z轴单位向量的坐标，确定每一靶标坐标系的原点和Z轴单位向量的坐标对应的单位向量；

根据多个靶标坐标系的原点和Z轴单位向量的坐标对应的单位向量，拟合平面，并计算拟合平面的法线，得到钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数。

在一个实施例中，平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像的幅数大于或等于10幅。

在一个实施例中，获取单元用于：在保证平面靶标与钢轨表面贴紧的情况下，获取平面靶标沿钢轨纵向平移、绕钢轨纵向旋转或绕自身靶标坐标系的Z轴旋转不同姿态下的图像。

在一个实施例中，虚拟平面建立单元具体用于：

以世界坐标系的原点为原点，以钢轨纵向为Y轴建立参考坐标系；

根据所述参考坐标系，得到所述虚拟平面。

在一个实施例中，测量单元具体用于：

确定参考坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵；

根据参考坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵，将世界坐标系下的钢轨左右侧半断面轮廓数据变换到参考坐标系下；

将参考坐标系下的钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到参考坐标系XOZ平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据；所述参考坐标系XOZ平面为所述虚拟平面。

在一个实施例中，上述钢轨轮廓测量装置还包括：

标定结果获取单元，用于获取如下标定结果：钢轨左右侧相机的内参矩阵，钢轨左右侧相机坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵，以及钢轨左右侧激光平面在世界坐标系下的平面参数；

变换单元，用于若钢轨左右侧轮廓数据是在相机坐标系下或者激光平面坐标系下表示的，利用所述标定结果，将坐标变换将相机坐标系下或者激光平面坐标系下的钢轨左右侧轮廓数据变换到世界坐标系下。

本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述钢轨轮廓测量方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述钢轨轮廓测量方法的计算机程序。

本发明实施例中，钢轨轮廓测量方案，与现有技术中精度和效率都低的钢轨轮廓测量的技术方案相比，通过：获取多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像；所述平面靶标上设置有多个均匀分布的标记点；根据多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像，确定钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数；根据钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数，建立垂直于钢轨纵向的虚拟平面；将钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到所述虚拟平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据，本发明可以利用垂直于钢轨纵向的虚拟平面修正左右侧激光平面，因此，不需要钢轨左右两侧激光平面绝对共面，只需大致对齐即可，大大降低了安装要求。同时，由于虚拟平面就是测量平面，保证了测量平面与钢轨纵向垂直，即使激光摄像组件安装后激光平面与钢轨纵向不垂直，也能保证测量结果是钢轨的横断面轮廓数据而非斜断面轮廓数据。此外，将左右侧钢轨半断面轮廓数据变换到同一参考坐标系下，省去了左右侧轮廓拼接步骤。综上，本发明可以提高钢轨轮廓测量的精度和效率。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢轨轮廓测量方法，其特征在于，包括：

获取多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像；所述平面靶标上设置有多个均匀分布的标记点；

根据多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像，确定钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数；

根据钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数，建立垂直于钢轨纵向的虚拟平面；

将钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到所述虚拟平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据。

2.如权利要求1所述的钢轨轮廓测量方法，其特征在于，根据多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像，确定钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数，包括：

确定每一幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像对应靶标坐标系与相机坐标系的齐次变换矩阵；

根据每一靶标坐标系与相机坐标系的齐次变换矩阵，确定每一靶标坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵；

根据每一靶标坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵，将每一靶标坐标系的原点和Z轴单位向量的坐标变换到世界坐标系下；

根据变换到世界坐标系下的每一靶标坐标系的原点和Z轴单位向量的坐标，确定每一靶标坐标系的原点和Z轴单位向量的坐标对应的单位向量；

根据多个靶标坐标系的原点和Z轴单位向量的坐标对应的单位向量，拟合平面，并计算拟合平面的法线，得到钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数。

3.如权利要求1所述的钢轨轮廓测量方法，其特征在于，平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像的幅数大于或等于10幅。

4.如权利要求1所述的钢轨轮廓测量方法，其特征在于，获取多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像，包括：

在保证平面靶标与钢轨表面贴紧的情况下，获取平面靶标沿钢轨纵向平移、绕钢轨纵向旋转或绕自身靶标坐标系的Z轴旋转不同姿态下的图像。

5.如权利要求1所述的钢轨轮廓测量方法，其特征在于，根据钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数，建立垂直于钢轨纵向的虚拟平面，包括：

以世界坐标系的原点为原点，以钢轨纵向为Y轴建立参考坐标系；

根据所述参考坐标系，得到所述虚拟平面。

6.如权利要求1所述的钢轨轮廓测量方法，其特征在于，将钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到所述虚拟平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据，包括：

确定参考坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵；

根据参考坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵，将世界坐标系下的钢轨左右侧半断面轮廓数据变换到参考坐标系下；

将参考坐标系下的钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到参考坐标系XOZ平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据；所述参考坐标系XOZ平面为所述虚拟平面。

7.如权利要求6所述的钢轨轮廓测量方法，其特征在于，还包括：

获取如下标定结果：钢轨左右侧相机的内参矩阵，钢轨左右侧相机坐标系与世界坐标系的齐次变换矩阵，以及钢轨左右侧激光平面在世界坐标系下的平面参数；

若钢轨左右侧轮廓数据是在相机坐标系下或者激光平面坐标系下表示的，利用所述标定结果，将坐标变换将相机坐标系下或者激光平面坐标系下的钢轨左右侧轮廓数据变换到世界坐标系下。

8.一种钢轨轮廓测量装置，其特征在于，包括：

图像获取单元，用于获取多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像；所述平面靶标上设置有多个均匀分布的标记点；

钢轨纵向参数确定单元，用于根据多幅平面靶标贴紧钢轨表面时不同姿态下的图像，确定钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数；

虚拟平面建立单元，用于根据钢轨纵向在世界坐标系下的方向参数，建立垂直于钢轨纵向的虚拟平面；

测量单元，用于将钢轨左右侧半断面轮廓数据投影到所述虚拟平面上，得到钢轨横断面轮廓测量数据。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一所述方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至7任一所述方法的计算机程序。

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