TW202100953A - 利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係為一種利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,其至少包含一動力軌道載具,一反射影像截取器與一光學立體影像截取器,本發明將反射轉換成像技術結合光學立體影像技術,以實現軌道3D重建及表面紋理細節還原,如此即可用較低的成本與較少的時間使軌道檢測具有更準確的3D精準度及精細度,並可呈現軌道物件表面的紋理細節,讓檢測人員可準確的掌握軌道的瑕疵狀態,以適時的針對有瑕疵的軌道物件進行維修及更換,確保軌道交通安全。
Description
本發明係為一種利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,尤指一種將反射轉換成像技術與光學立體影像技術互相融合以進行軌道3D重建及表面紋理細節還原之自動檢測系統。
按,目前常見的軌道運輸系統(例如火車、電車或捷運)皆具有大量運輸及安全可靠等優點,在軌道設備中,軌道是最重要的組成部件,其係直接承受列車載荷並引導車輪運行,因此,加強對軌道磨耗的監測及維修,對於提高軌道運輸系統的安全性與舒適性具有十分重要的意義。
如本案發明人先前研發之台灣發明專利第I656260號「軌道自動檢測裝置」,係於一具有避震結構之軌道載具上設置環繞式檢測裝置、定位裝置及控制處理裝置,以提升軌道及其周遭環境瑕疵檢測之穩定度及準確度;前述軌道載具係設置一支架,該支架係向外延伸至軌道載具之前方外部或後方外部,並於支架之前端設置環繞式檢測裝置,前述環繞式檢測裝置係垂直設置於軌道載具之行進方向,並設置攝相機、特徵圖案投射裝置與雷射檢測器,以進行軌道及其周遭環境之3D重建。
然而,經本案發明人進行實測後發現,雖然利用相機、特徵圖案投射裝置與雷射檢測器所還原之軌道3D模型的準確度及精細度皆非常高,但當其應用於鋼軌瑕疵檢查、扣件瑕疵檢查、軌枕瑕疵檢查等細部零件瑕疵檢查時,由於其無法完全偵測到物體表面之紋理細節,因此既使以系統自動辨識或是人工檢測方式皆無法找出潛在可能損壞之零件。例如目前架設軌道之軌枕主要是採用RC結構,並透過金屬扣件將軌道固定在軌枕上,當軌道經過長時間的使用後,該金屬扣件即會產生擠壓變形的現象,如此將使得軌道變的不穩定,有列車經過時震動變大,長時間下來將會對整個周遭軌道設備造成愈來愈嚴重的影響,且可能會影響到列車行駛的安全性(尤其是在軌道彎曲位置)。
因此,為了安全起見,該習知軌道自動檢測裝置目前還是無法完全取代人工現場檢測的部。
為此,本案發明人,針對前述習知軌道檢查所存在的問題及缺點,積多年測量相關領域技術之研發創作經驗,而發明本案。
本發明之目的,係提供一種供軌道自動檢測使用之反射轉換成像與光學立體影像設備,透過將該反射轉換成像技術結合光學立體影像技術,以進行軌道3D重建及表面紋理細節還原,如此即可用較低的成本與較少的時間使軌道檢測具有更準確的3D精準度及精細度,並可呈現軌道物件表面的紋理細節,讓檢測人員可準確的掌握軌道的瑕疵狀態,以適時的針對有瑕疵的軌道物件進行維修及更換,確保軌道交通安全。
所謂反射轉換成像技術(即Reflection Transformation Imaging, RTI)係為一種將定量反射率轉換成像之技術,通過快速、精確和非接觸式的方法,以獲得物體表面紋理幾何形貌的詳細資訊,由於RTI可以分析圖像和資料定量,因此可將影像記錄擴展到量測變化的分析。而光學立體影像技術則是將光學掃描之資訊進行立體影像處理,對二維數位影像序列組合,經由影像匹配技術導出結構立體深度之技術。
為達前述目的,本發明之利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,至少包含一動力軌道載具,一反射影像截取器與一光學立體影像截取器;前述軌道載具係為一動力移動設備,並架設於軌道上方,前述軌道載具係設置檢測器支架,該檢測器支架係以懸空方式平行延伸於單邊軌道的上方;前述反射影像截取器係設置在前述軌道載具之檢測器支架之懸空位置下方,前述反射影像截取器係由一燈罩、複數組多角度照射燈與一相機所組成,前述燈罩下方係設置一開口,並於燈罩上方中間位置設置一相機孔,前述複數組多角度照射燈係環繞設置在前述燈罩內側,並以一傾斜角度向下照射,以具備全方位角度之照射,前述相機係設置在前述燈罩之相機孔,以配合前述多角度照射燈進行各種光照角度之影像截取;前述光學立體影像截取器,係設置在前述軌道載具之檢測器支架之懸空位置下方,以利用該光學立體影像截取器來獲得軌道的3D立體結構資訊。
本發明之利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,其中前述燈罩得由遮光板組裝而成,使其使用更便利且攜帶方便,或前述燈罩得為一燈架與遮光布之結構,其可方便操作人員進行複數組多角度照射燈與相機之維修調整。
本發明之利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,其中前述多角度照射燈得設置角度調整器,方便操作人員進行照射角度之微調整;或得將前述燈罩設置為半圓形燈罩,以方便前述多角度照射燈進行多全方位照設角度設置。
為了更進一步了解本發明,該最佳之利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置之實施方式如圖式1~7所示,至少包含:
軌道載具1,係為一動力移動設備,並架設於軌道上方,前述軌道載具1得為單軌載具或雙軌載具,均無不可。前述軌道載具1係設置檢測器支架11,該檢測器支架11係以懸空方式平行延伸於單邊軌道的上方,並於檢測器支架11設置反射影像截取器2與光學立體影像截取器3。
反射影像截取器2,係設置在前述軌道載具1之檢測器支架11之懸空位置下方,前述反射影像截取器2係由一燈罩20、複數組多角度照射燈21與一相機22所組成。前述燈罩20得為方形燈罩或半圓形燈罩,當前述燈罩20為半圓形燈罩時,可方便前述多角度照射燈進行多角度設置;前述燈罩20下方係設置一開口200,並於燈罩20上方中間位置設置一相機孔201,前述燈罩20得由遮光板組裝而成,或得為一燈架與遮光布之結構,前述由遮光板所組成之燈罩20使用便利且攜帶方便,而前述燈架與遮光布之結構可方便操作人員進行複數組多角度照射燈21與相機22之維修調整。前述複數組多角度照射燈21係環繞設置在前述燈罩20內側,並以一傾斜角度向下照射(光照角度不可與地面垂直,垂直的光照不具有光反射角度),以具備全方位角度之照射,前述多角度照射燈21得設置一角度調整器210,方便操作人員進行照射角度之微調整。前述相機22係設置在前述燈罩20之相機孔201,以配合前述多角度照射燈21進行各種光照角度之影像截取。
反射轉換成像技術(即RTI) 是一種以圖像為基礎的記錄方法,在影像的每個像素的基礎上擷取有關表面反射率的資訊,在數學上任何給定的位置,垂直於表面的方向由稱為法線方向, RTI 檔是從固定相機位置,從不同的方向投射光,拍攝軌道多張數位照片中,獲得每個圖像中的資訊建構的。光的反射係決定於物體表面的法線位置,且光的入射角與法線之夾角與光的反射角與法線之夾角係相等的,由於相機的位置是固定的,因此透過每個圖像中的光線即可計算求得法線位置,這個過程產生了一系列不同的亮點和陰影相同主題的圖像。RTI可以計算圖像中每個像素的表面法線,每個像素中法線的數值與紅-綠-藍(RGB)顏色資訊同時被保存,這種有效記錄色彩和真實3D形狀資訊的能力,使得使用者可在其中控制圖像表面的光照角度,並檢查其表面法線向量,且圖像中的光照資訊係透過數學計算處理生成曲面的數學模型,如此即可用於增強各種細部紋理特徵的顯示。
因此,當使用者在檢視器(RTI Viewer)中進行檢視時,即可透過選擇虛擬光源的方向,以觀測軌道在不同光源下所呈現的3維細部紋理變化。在實際運用中,RTI係屬於一種計算攝影學技術,約需從不同位置的固定光源收集40~100張影像供分析,只要所使用的影像辨識軟體能推斷光源的位置,最終影像就能產生物體表面的數學3D圖。檢視器所編寫的軟體會從這些影像計算表面的法向量(normal vector),進而顯示表面特徵,呈現精細的細節。前述檢視器得設置多種記錄模式及展示模式,其可以將數學變換應用於曲面法線,以及RGB顏色資訊,從而實現各種反射增強,這些增強工具(或渲染模式)使用表面形狀和顏色組合的資訊或表面形狀或顏色,通過使用RTI圖像中的形狀數據,檢視器中的增強功能可以比每個像素,僅使用RGB顏色數據的濾鏡,更多地披露關於對象的資訊。前述增強工具得為基本的渲染模式(Basic rendering modes)、鏡面增強模式(Specular enhancement mode)或法線視覺化模式(Normals Visualization mode),前述基本渲染模式係提供一種沒有數學增強的RTI圖像,這種模式沒有參數;而鏡面增強模式當與RGB顏色資訊隔離使用鏡面增強時,可以降低明亮部分之數值,經由傳播受該區域影響的區域鏡面反射,以照亮整個表面;前述法線視覺化模式係建構顯示文物的表面逐一像素之法線方向渲染,在該渲染中,每個像素處的正常值的X,Y和Z分量,分別被表示為紅色,綠色和藍色,另一種呈現方式是將每個像素的法線方向由特定顏色表示。
光學立體影像截取器3,係設置在前述軌道載具1之檢測器支架11之懸空位置下方,以利用該光學立體影像截取器3來獲得軌道的3D立體結構資訊(即三維點雲數據),前述光學立體影像截取器3係設置立體攝相機30與特徵圖案投射裝置31。如圖7所示,前述檢測器支架11得設置延伸支架12,該延伸支架12係與軌道方向互相垂直,且前述立體攝相機30與特徵圖案投射裝置係設置於該延伸支架12上,使光學立體影像截取器3得進行軌道之多視角檢測。前述延伸支架12得為L形支架、ㄇ形支架、弧形支架,或得為一軌道式支架結構,以利用軌道車之定點移動以進行多視角檢測。前述光學立體影像截取器3得增設雷射檢測器以增加立體影像之精確度(圖中未示)。
控制系統4,係設置在前述軌道載具1上,前述控制系統4係與軌道載具1上之所有電子設備電性連接,以利用控制系統4進行各裝置及模組之運算、操控、警報、數據儲存及數據傳輸等作業,使軌道載具1上之所有電子設備皆可達到自動檢測之目的。前述控制系統4得設置無線傳輸設備,使該利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置得於遠端進行監控及操作,並可將量測之結果、瑕疵比對之結果及警報通知回傳到控制中心,方便使用者進行即時監控作業。前述控制系統4係設置一定位裝置,以進行軌道載具1之定位並記錄各量測點的位置資訊。前述定位裝置係由編碼器、GPS定位模組、影像測距定位模組之至少一定位模組所組成,使用者可依據環境條件來選擇適當的定位模組或複合式定位模組,當使用複合式定位模組時,即可依照各定位模組之定位數據來互相作為定位修正參考的依據,並修正實際座標位置,以克服各定位模組之缺點,並準確的定位出有瑕疵的位置,且無論軌道經過大城市、高架道路、隧道、室內、有遮避物的空間或山區等地區皆可輕鬆且準確的完成定位,方便維修人員快速的找到瑕疵位置並進行維修或障礙排除。
如此,本發明之利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置之運用,首先,係透過反射影像截取器2以獲得軌道立體影像資訊及反射轉換成像(RTI)資訊,並利用光學立體影像截取器3以獲得軌道三維點雲數據;之後即可將所獲得的數據進行「影像式的三維建模」、「3D點雲的縮減、雜訊濾除、重整與套疊處理」、「紋理匹配映射」、「反射轉換成像特徵萃取」與「RTI自動化控制系統」之運算分析,以獲得「影像三維建模及特徵圖案加強精度」、「3D點雲與影像特徵自動套疊」、「微弱資訊和定量探測識別」與「立體影像之自動化擷取系統」,並供檢測系統或檢測人員進行軌道瑕疵檢測,以更精準的找出軌道之鋼軌A、扣件B、軌枕C等設備之瑕疵。
藉由軌道載具1之創新結構以提升軌道瑕疵檢測之穩定度及準確度,再輔以軌道檢測裝置14、定位裝置16與控制處理裝置17,以進行鋼軌之3D重建,透過不同時期之數據比對以尋找瑕疵並發出警報,供檢測人員可作進一步之判讀或是直接派遣維修人員到有問題的鋼軌位置進行維修及障礙排除,確保軌道交通安全,並可降低軌道檢測所需花費的時間及成本,為本案之組成。
前述之實施例或圖式並非限定本發明之態樣或使用方式,任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾,皆應視為不脫離本發明之專利範疇。
1:軌道載具
11:檢測器支架
2:反射影像截取器
20:燈罩
200:開口
201:相機孔
21:組多角度照射燈
210:角度調整器
22:相機
3:光學立體影像截取器
30:立體攝相機
31:特徵圖案投射裝置
4:控制系統
A:鋼軌
B:扣件
C:軌枕
圖1是本發明實施例一之俯視圖。 圖2是本發明實施例一之側視圖。 圖3是本發明實施例一應用於軌道自動檢測之部分剖視側視圖。 圖4是圖3之A-A剖視圖。 圖5是圖4之部分放大圖。 圖6是本發明實施例二之部分剖視前視圖。 圖7是檢測器支架之軌道式延伸支架之示意圖。
1:軌道載具
11:檢測器支架
2:反射影像截取器
20:燈罩
22:相機
4:控制系統
A:鋼軌
B:扣件
Claims (9)
- 一種利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,至少包含: 軌道載具,係為一動力移動設備,並架設於軌道上方,前述軌道載具係設置檢測器支架,該檢測器支架係以懸空方式平行延伸於單邊軌道的上方,並於檢測器支架設置反射影像截取器與光學立體影像截取器; 反射影像截取器,係設置在前述軌道載具之檢測器支架之懸空位置下方,前述反射影像截取器係由一燈罩、複數組多角度照射燈與一相機所組成,前述燈罩下方係設置一開口,並於燈罩上方中間位置設置一相機孔,前述複數組多角度照射燈係環繞設置在前述燈罩內側,並以一傾斜角度向下照射,以具備全方位角度之照射,前述相機係設置在前述燈罩之相機孔,以配合前述多角度照射燈進行各種光照角度之影像截取; 光學立體影像截取器,係設置在前述軌道載具之檢測器支架之懸空位置下方,以利用該光學立體影像截取器來獲得軌道的3D立體結構資訊。
- 根據申請專利範圍第1項所述之利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,其中前述燈罩係由遮光板組裝而成,使其使用更便利且攜帶方便。
- 根據申請專利範圍第1項所述之利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,其中前述燈罩係為一燈架與遮光布之結構,其可方便操作人員進行複數組多角度照射燈與相機之維修調整。
- 根據申請專利範圍第1項所述之利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,其中前述多角度照射燈係設置角度調整器,方便操作人員進行照射角度之微調整。
- 根據申請專利範圍第1項所述之利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,其中前述燈罩係為半圓形燈罩,以方便前述多角度照射燈進行多全方位照設角度設置。
- 根據申請專利範圍第1至5項任一項所述之利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,其中前述光學立體影像截取器係設置立體攝相機與特徵圖案投射裝置。
- 根據申請專利範圍第1至5項任一項所述之利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,其中前述光學立體影像截取器係設置立體攝相機、特徵圖案投射裝置與雷射檢測器。
- 根據申請專利範圍第1至5項任一項所述之利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,其中前述檢測器支架係設置延伸支架,該延伸支架係與軌道方向互相垂直,且前述光學立體影像截取器係設置於該延伸支架上,使光學立體影像截取器得進行軌道之多視角檢測。
- 根據申請專利範圍第8項所述之利用反射轉換成像與光學立體影像進行軌道自動檢測之裝置,其中前述延伸支架係為一軌道式支架結構,且前述光學立體影像截取器係設置在一軌道車上,以利用軌道車之定點移動以進行多視角檢測。
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