Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur Ermittlung einer Veränderung eines Referenzobjekts
Die Erfindung betrifft die Ermittlung einer Veränderung eines Referenzobj ekts .
Eine solche Ermittlung ist aus [1] bekannt.
Dieses Verfahren einer Bildverarbeitung, ein Verfahren zur Codierung und Decodierung eines digitalen Bildes gemäß einem Bildcodierungsstandard MPEG4 [9], basiert auf einem Prinzip der objektbasierten Bildcodierung.
Bei der objektbasierten Bildcodierung erfolgt jeweils eine Segmentierung zweier zeitlich aufeinanderfolgender Bilder in Bildblöcke oder Bildbereiche entsprechend in einer Szene vorkommender Objekte und eine separate Codierung dieser Objekte.
Bei dieser objektbasierten Bildcodierung wird im Rahmen einer sogenannten Inter-Bildcodierung mit Bewegungsschätzung in einem zeitlich vorangegangenen Bild ein Abbild eines Objekts ermittelt. Anschließend wird auch in dem zeitlich nachfolgen- den Bild ein weiteres Abbild des Objekts ermittelt. Unter Verwendung einer dem Abbild des Objekts in dem zeitlich vorangegangenen Bild zugeordneten Bildinformation und der dem weiteren Abbild des Objekts in dem zeitlich nachfolgenden Bild zugeordneten Bildinformation wird eine Differenzbildin- formation bestimmt. Diese Differenzbildinformation wird nachfolgend codiert und übertragen.
Die Differenzbildinformation ist nur sehr klein, falls eine Veränderung des Objekts in den zeitlich aufeinanderfolgenden digitalen Bildern, beispielsweise durch eine Bewegung oder eine Formänderung des Objekts, gering ist. Ist die Veränderung groß, so entsteht sehr viel Differenzinformation. Aus
diesem Grund wird, wie es aus [1] bekannt ist, eine „Bild-zuBild* -Bewegung (Bewegungssc ätzung) gemessen und vor der Ermittlung der Differenzinformation kompensiert (Bewegungskompensation) .
Aus [2] ist ein Verfahren einer Bildverarbeitung zur Überwachung eines Fahrwegs einer Bahn bekannt.
Bei diesem Verfahren werden Videobilder eines Fahrdrahts, welcher zur Stromversorgung einer Bahn dient und welcher unter Verwendung eines sogenannten Längskettenwerks und einer sogenannten Quertrageeinrichtung entlang des Fahrwegs geführt wird, aufgenommen.
In Figur 2 und Figur 5 ist schematisch ein Aufbau einer Oberleitung zur Stromversorgung umfassend den Fahrdraht 201, das Längskettenwerk 202 und die Quertrageeinrichtung 203 dargestellt.
Ferner sind in Fig.2 und Fig.5 zwei Isolatoren, ein Hänger 206, eine Tragseildrehklemme 503, ein Spitzenanker 504, ein Auslegerohr 505, ein Diagonalrohr 506 dargestellt.
Bei dem aus [2] bekannten Verfahren werden die Videobilder von einem Fachpersonal hinsichtlich eines Schadens an dem
Fahrdraht oder eines Fremdkörpers in der Oberleitung visuell kontrolliert und ausgewertet.
Weitere automatische Verfahren zur Überwachung eines Fahrwegs einer Bahn sind jeweils aus [3], [4], [5] und [6] bekannt o- der werden in [8] vorgeschlagen.
So werden zur Ermittlung einer Höhen- und Seitenlage des Fahrdrahts ein Triangulationsverfahren [3] und licht- laufzeitbasierte Phasenmessverfahren [4] eingesetzt.
Zur Bestimmung eines Verschleißes des Fahrdrahts wird entweder eine Breite einer Schleifflache mit Hilfe eines Laserscanners [5] oder von Diodenzeilen [2] gemessen oder es wird im waagrecht orientierten Durchlicht eine Resthohe des Fahr- drahts ermittelt [6].
Eine dazu verwendete und aus [6] bekannte Messeinrichtung befindet sich oberhalb eines Schleifers, was aus mechanischen Gr nden die Fahrzeuggeschwindigkeit begrenzt, im Uberlap- pungsbereich mehrerer Fahrdrähte zu einer Abschattung fuhrt und somit gegebenenfalls eine größere Resthohe als tatsächlich vorhanden vortäuscht. Um dem vorzubeugen wird ein solcher Bereich bei einer Messung ausgeschlossen.
Ein beruhrungsloses, aufnahmebasiertes Uberwachungsverfahren mit nahezu senkrechter Blickrichtung einer A fnähmeeinheit besitzt dar ber hinaus den Nachteil, dass nur die Breite einer Spiegelfläche erfasst werden kann. Die Spiegelfläche erlaubt aber bei einem Fahrdraht mit nahezu rechteckigem Profil prinzipiell nicht, die Resthohe zu ermitteln.
Sonstigen Bestandteile der Stromversorgung, insbesondere des Langskettenwerks und der Quertrageeinrichtung, können bei den oben benannten Uberwachungsverfahren auch nicht automatisch inspiziert werden. Üblich ist deshalb eine Aufnahme der
Stromversorgung mit einer Videokamera, wobei deren relativ geringe Auflösung und Bildfrequenz nur sehr grobe Defekte erkennen lasst. Nach einer Inspektionsfahrt sind alle Videobilder von einem Fachpersonal bzw. Prufpersonal visuell zu kon- trollieren und auszuwerten.
Alternativ wird ein Fahrweg von dem Prufpersonal begangen, was sehr langsam und somit kostentrachtig und zudem mit einer gewissen Unfallgefahr verbunden ist.
Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit welchen automatisch und auf
einfache Weise eine Veränderung eines Objekts in einem Fahrweg festgestellt und damit der Fahrweg auf einfachere und kostengünstigere Weise sowie mit größerer Zuverlässigkeit als bei den oben benannten Verfahren überwacht werden kann.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Probleme werden durch eine Anordnung sowie ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentan- spruch gelöst.
Bei dem Verfahren zur Ermittlung einer Veränderung eines Referenzobjekts, welches einem Fahrweg zugehörig ist und welches an einem vorgegebenen Ort in dem Fahrweg vorhanden ist, werden folgende Schritte durchgeführt:
- an dem vorgegebenen Ort des Fahrwegs wird zu einem ersten Zeitpunkt mindestens ein Referenzbild aufgenommen,
- in dem mindestens einen Referenzbild wird ein Abbild des Referenzobjekts ermittelt, - an dem vorgegebenen Ort des Fahrwegs wird zu einem zweiten Zeitpunkt mindestens ein Prüfbild aufgenommen,
- in dem mindestens einen Prüfbild wird ein weiteres Abbild des Referenzobjekts ermittelt,
- durch einen Vergleich des Abbildes des Referenzobjekts in dem mindestens einen Referenzbild mit dem weiteren Abbild des Referenzobjekts in dem mindestens einen Prüfbild wird die Veränderung des Referenzob ekts ermittelt.
Die Anordnung zur Ermittlung einer Veränderung eines Refe- renzobjekts, welches einem Fahrweg zugehörig ist und welches an einem vorgegebenen Ort in dem Fahrweg vorhanden ist, weist folgende Komponenten auf:
- eine erste Aufnahmeeinheit, die derart eingerichtet ist, dass an dem vorgegebenen Ort des Fahrwegs zu einem ersten Zeitpunkt mindestens ein Referenzbild aufnehmbar ist,
- eine erste Auswerteeinheit, die derart eingerichtet ist, dass in dem mindestens einen Referenzbild ein Abbild des Referenzobjekts ermittelbar ist,
- eine zweite Aufnahmeeinheit, die derart eingerichtet ist, dass an dem vorgegebenen Ort des Fahrwegs zu einem zweiten Zeitpunkt mindestens ein Prüfbild aufnehmbar ist,
- eine zweite Auswerteeinheit, die derart eingerichtet ist, dass in dem mindestens einen Prüfbild ein weiteres Abbild des Referenzobjekts ermittelbar ist, - eine dritte Auswerteeinheit, die derart eingerichtet ist, dass durch einen Vergleich des Abbildes des Referenzob- jekts in dem mindestens einen Referenzbild mit dem weiteren Abbild des Referenzobjekts in dem mindestens einen Prüfbild die Veränderung des Referenzobjekts ermittelbar ist.
Die Anordnung ist insbesondere geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer deren nachfolgend erläuterten Weiterbildungen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die im weiteren beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf das Verfahren als auch auf die Anordnung.
Die Erfindung und die im weiteren beschriebenen Weiterbildungen können sowohl in Software als auch in Hardware, beispielsweise unter Verwendung einer speziellen elektrischen Schaltung, realisiert werden.
Ferner ist eine Realisierung der Erfindung oder einer im weiteren beschriebenen Weiterbildung möglich durch ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm ge- speichert ist, welches die Erfindung oder Weiterbildung ausführt .
Auch kann die Erfindung oder jede im weiteren beschriebene Weiterbildung durch ein Computerprogrammerzeugnis realisiert sein, welches ein Speichermedium aufweist, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, welches die Erfindung oder Weiterbildung ausführt.
Eine Zuverlässigkeit bei der Ermittlung der Veränderung des Referenzobjekts kann dadurch erhöht werden, dass mehrere Referenzbilder und/oder mehrere Prüfbilder an dem vorgegebenen Ort aufgenommen werden. Dabei ist es zweckmäßig, die Referenzbilder jeweils unter unterschiedlichen Aufnahmeparametern, beispielsweise einem Aufnahmewinkel, aufzunehmen. Entsprechendes gilt für die Prüfbilder.
Die Zuverlässigkeit kann weiter erhöht werden, wenn das Referenzbild und das zugehörige Prüfbild unter denselben Aufnahmeparametern aufgenommen werden.
Zu einer Reduzierung eines Speicherplatzes und eines Rechen- aufwandes ist es zweckmäßig, ein erstes Teilbild in dem Referenzbild und/oder ein zweites Teilbild in dem Prüfbild zu ermitteln, welche das Abbild bzw. das weitere Abbild aufweisen. In diesem Fall werden bei dem Vergleich das erste Teilbild und das zweite Teilbild miteinander verglichen.
Auch kann es sinnvoll sein, das erste Teilbild so in dem Referenzbild und/oder das zweite Teilbild so in dem Prüfbild zu platzieren, dass das erste Teilbild und/oder das zweite Teilbild eine dem Referenzobjekt zugehörige Umgebung zeigt.
In einer Ausgestaltung ist ein Teilbild eine Suchmaske. Unter Verwendung dieser Suchmaske kann ein festgelegter Bildbereich nach dem Abbild, dem weiteren Abbild oder der Veränderung untersucht werden.
Der Vergleich des ersten mit dem zweiten Teilbild kann besonders einfach dadurch realisiert werden, dass jeweils ein ers-
ter Bildpunktwert eines ersten Bildpunktes des ersten Teilbildes von einem zweiten Bildpunktwert eines zweiten Bildpunktes des zweiten Teilbildes subtrahiert wird. Ein solcher erster Bildpunktwert und ein solcher zweiter Bildpunktwert können beispielsweise Helligkeits- oder Farbwerte (Luminanz- oder Crominanzwerte) sein.
Durch diese Subtraktion von Bildpunktwerten wird ein Differenzbild erzeugt, in welchem eine Abbildveränderung zwischen dem Abbild und dem weiteren Abbild besonders einfach ermittelt werden kann. Unter Verwendung der Abbildveränderung kann die Veränderung des Referenzobjekts ermittelt werden.
Das Differenzbild kann auch weiterbearbeitet werden, bei- spielsweise durch eine Filterung und/oder Segmentierung eines Bildbereiches des Differenzbildes. Dadurch lässt sich die Zuverlässigkeit bei der Ermittlung der Veränderung erhöhen.
In einer Weiterbildung wird das Abbild des Referenzobjekts in dem Referenzbild oder das weitere Abbild des Referenzobjekts unter Verwendung eines Kantendetektionsverfahren oder Objekterkennungsverfahrens ermittelt. Solche Verfahren sind aus [10] und [11] bekannt.
Besonderes einfach kann das weitere Abbild des Referenzob- jekts in dem Prüfbild unter Verwendung eines Korrelationsverfahrens, wie es aus [9], [12] und [13] bekannt ist, ermittelt werden. Dabei wird die Korrelation zwischen Bildpunktwerten, welche dem Abbild zugehörig sind, und Bildpunktwerten, welche dem weiteren Abbild zugehörig sind, ermittelt.
Die Zuverlässigkeit bei der Ermittlung der Veränderung des Referenzobjekts kann auch dadurch erhöht werden, dass unter Verwendung des Abbildes des Referenzobjekts in dem Referenz- bild eine erste Größe einer geometrischen Referenzeigenschaft des Referenzobjekts ermittelt wird und unter Verwendung des weiteren Abbildes des Referenzobjekts in dem Prüfbild eine
zweite Größe derselben geometrischen Referenzeigenschaft des Referenzobjekts ermittelt wird.
Als die geometrische Referenzeigenschaft können beispielsweise ein Winkel, welchen das Referenzobjekt aufweist, oder eine Länge, welche das Referenzobjekt aufweist, oder eine Krümmung, welche das Referenzobjekt aufweist, oder ein Abstand, welchen das Referenzobjekt aufweist, oder eine Form, welche das Referenzobjekt aufweist, ermittelt werden.
Bei dem Vergleich wird in diesem Fall die erste Größe mit der zweiten Größe verglichen. Bei diesem Vergleich kann eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten Größe gebildet und die Veränderung dann festgestellt werden, wenn die Differenz einen Schwellenwert überschreitet.
In einer Ausgestaltung werden das Referenzbild und das Prüfbild unter Verwendung eines Ortscodes und/oder eines Zeitcodes einander zugeordnet. Ein solcher Ortscode kann beispiels- weise eine Nummer sein, welche dem Referenzbild und/oder dem Prüfbild zugeordnet wird. Ein solcher Zeitcode kann beispielsweise eine Zeitangabe sein, welche dem Referenzbild und/oder dem Prüfbild zugeordnet wird.
In einer Ausgestaltung werden mehrere Orte vorgegeben. An jedem der vorgegebenen Orte wird das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt .
In diesem Fall kann eine entsprechende Weiterbildung einge- setzt werden zur Überwachung des Fahrwegs. An allen vorgegebenen Orten können Veränderungen von Referenzobjekten ermittelt und jeweils eine Maßnahme zur Behebung der entsprechenden Veränderung durchgeführt werden.
In einer Weiterbildung wird das Referenzobjekt in mehrere Referenzteilobjekte zerlegt.
In einer Ausgestaltung ist das Referenzobjekt ein funktionel- les Zubehör des Fahrwegs, beispielsweise ein verkehrstechnisches Objekt. Der Fahrweg kann in diesem Fall eine Verkehrsverbindung, beispielsweise eine Eisenbahnstrecke, sein.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Referenzobjekt ein Element einer Fahrleitung. Eine solche Fahrleitung kann eine Oberleitung sein. In diesem Fall ist das Referenzobjekt ein Element eines Längskettenwerks der Oberleitung oder einer Quertrageeinrichtung der Oberleitung.
Auch kann ein Referenzobjekt oder eines seiner Referenzteilobjekte ein Grundelement der Fahrleitung, insbesondere eine Stange oder ein Rohr oder ein Seil oder ein Draht, oder ein Verbindungselement der Fahrleitung, insbesondere eine Halte- rung oder eine Klemme oder ein Trageelement oder ein Isolator, sein.
In einer weiteren Weiterbildung ist das Referenzobjekt ein Element eines Schienenstrangs.
Eine besonders einfache Anordnung der Erfindung lässt sich dadurch realisieren, dass die erste Aufnahmeeinheit und/oder die zweite Aufnahmeeinheit jeweils eine digitale Kamera ist. Eine Auswerteeinheit lässt sich besonderes einfach durch einen PC, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, mit welchem entsprechende Verfahrensschritte durchführbar sind, realisieren.
Bei einer Weiterbildung, welche zur Überwachung des Fahrwegs eingesetzt wird, ist die Anordnung angebracht an einem Fahrzeug, welches auf dem Fahrweg fährt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figuren darge- stellt und wird im weiteren erläutert.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen
Figur 1 ein Prinzip einer Bildauswertung durch Erkennen einer Veränderung eines Oberleitungsobjekts;
Figur 2 eine Skizze einer Oberleitung einer Eisenbahn;
Figur 3 ein Inspektionsfahrzeug gemäß dem Ausführungsbeispiel;
Figur 4 eine Skizze eines Aufnahmesystems zur Aufnahme eines Längskettenwerks;
Figur 5 ein Gesichtsfeld für eine Inspektion einer Quertrageeinrichtung;
Figur 6 eine Skizze, welche eine Festlegung eines Auswerte- fensters zeigt;
Figuren 7a und 7b Skizzen, welche Verfahren zur Inspektion einer Oberleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel verdeutlichen;
Figur 8 eine Skizze, welche ein Verfahren zur Inspektion einer Oberleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel verdeutlicht;
Figur 9 eine Skizze mit Bildern, welche eine Festlegung einer Suchmaske verdeutlichen.
Ausführungsbeispiel: Automatisierte optische Inspektion einer Oberleitung einer Eisenbahnverbindung
Systemkonzept der automatisierten optischen Inspektion
Fig. 3 zeigt ein Inspektions ahrzeug 300, einen modifizierten Triebwagen, zur Überwachung einer Eisenbahnstrecke.
Ziel der Inspektion ist die Detektion einer Veränderung in einer Oberleitung der Eisenbahnstrecke.
Eine solche Veränderung kann beispielsweise entstehen durch einen Schaden, welcher an einem Element der Oberleitung auf- tritt, oder durch einen Fremdkörper, welcher sich in der 0- berleitung verfängt.
Wird eine Veränderung detektiert und diese als für einen störungsfreien Betrieb der Eisenbahnstrecke maßgeblich klassifi- ziert, wird eine Maßnahme zur Behebung der Veränderung eingeleitet. Eine solche Maßnahme kann beispielsweise eine Reparatur des Schadens oder ein Entfernen des Fremdkörpers sein.
Es wird darauf hingewiesen, dass nachfolgend beschriebenes Inspektionssystem nicht nur für die Inspektion einer Oberleitung einer Eisenbahnverbindung, sondern bei entsprechender Modifikation für die Inspektion eines beliebigen Elements einer Eisenbahnverbindung, beispielsweise eines Schienenkörpers oder einer Schienenschwelle, verwendet werden kann.
Auf einem Dach 301 des Inspektionsfahrzeugs 300 befinden sich mehrere optische Aufnahmesysteme 302, 303, 304, 305, die während einer Inspektionsfahrt des Inspektionsfahrzeugs 300 an vorgegebenen Aufnahmeorten 300 berührungslos aus verschiede- nen Richtungen jeweils für einen Ort zueinandergehörige Bilder der Oberleitung aufnehmen.
Die optischen Aufnahmesysteme 302, 303, 304, 305 sind derart ausgerichtet, dass auf den durch sie aufgenommenen, jeweils für einen Ort zueinandergehörigen Bildern alle Elemente der Oberleitung sowie deren Oberflächen an diesem Ort erkennbar sind.
Die optischen Aufnahmesysteme 302 und 303 dienen zur Überwachung und Inspektion der Quertrageeinrichtungen 306, das optische Aufnahmesystem 304 dient zur Überwachung und Inspekti- on des Längskettenwerks 307 und das optische Aufnah esystem 305 dient zur Überwachung und Inspektion des Fahrdrahts 308.
Fig.2 zeigt exemplarisch einen Aufnahmeort mit einer Oberleitung und Elementen der Oberleitung, beispielsweise ein Längs- kettenwerk 310 (vgl. Fig.2) und eine Quertrageinrichtung 311 (vgl. Fig.2) .
Alle aufgenommenen Bilder werden orts- und zeitcodiert abspeichert, so dass jedem Bild eindeutig ein zugehöriger Auf- nahmeort und eine zugehörige Aufnahmezeit zugeordnet werden kann.
Nach Ende einer Inspektionsfahrt werden die gespeicherten Bilder mit Hilfe eines automatischen, nachfolgend beschriebe- nen Bildverarbeitungsverfahrens ausgewertet.
Im Rahmen dieser Auswertung werden die Bilder der Inspektionsfahrt mit zu einem früheren Zeitpunkt, an den selben vorgegebenen Orten unter gleichen Aufnahmeparametern aufgenomme- nen Referenzbildern verglichen. Die Zuordnung eines Referenzbildes zu einem zugehörigen Inspektionsbild erfolgt unter Verwendung der den Bildern zugeordneten Ort- und Zeitcodes .
Bei diesem Vergleich wird eine Veränderung der Oberleitung oder eines Elements der Oberleitung festgestellt, diese in einem Protokoll protokolliert und automatisch in eine von drei Klassen eingeordnet: eindeutige Defekte, unklare Situationen und unerhebliche Differenzen.
Nur unklare Situationen werden nachträglich von einem Prüfpersonal bewertet.
Abschließend wird für eine festgestellte Veränderung gegebenenfalls ein Wartungshinweis oder eine Reparaturmaßnahme ver- anlasst .
Da das Prüfpersonal nur die unklaren Situationen visuell zu inspizieren braucht, wird es von der zeitraubenden und ermüdenden visuellen Inspektion der weitaus größeren einwandfreien Bereiche befreit.
Um kleinere Elemente der Oberleitung wie einen Schraubenkopf und aus defekten Seilen herausragende einzelne Drähte erkennen zu können, muss die Auflösung der Aufnahmesysteme 302, 303, 304, 305 etwa 1 bis 2 mm betragen. Damit eine größere Bewegungsunschärfe in einem Bild, hervorgerufen durch eine Fahrzeuggeschwindigkeit von 80 km/h vermieden wird, darf eine Belichtungsdauer eines Aufnahmesystems 302, 303, 304, 305 nicht länger als ca. 45 microsec sein. Daraus ergibt sich eine abzuspeichernde Datenmenge von 100 MByte/s oder 5 GByte/km.
Eine genauere Spezifizierung eines Aufnahmesystems erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt.
Bei einer Verschleißmessung des Fahrdrahts 308 ist ein Ver- gleich von Inspektionsbildern mit früheren Referenzbildern nicht erforderlich. In diesem Fall genügt der Vergleich eines Profils des bei der Inspektionsfahrt aufgenommenen Fahrdrahts 308 mit einem vorgegebenen Sollprofil. Eine Messunsicherheit des entsprechenden Aufnahmesystems 305 muss ca. 0,1 mm betra- gen und eine Erkennung von einer Profileinschnürung mit 2 bis 3 cm Länge ermöglichen.
Da eine Dauer einer Einzelmessung für das Längskettenwerk 307 45 oder für die Drahtprofilmessung 200 microsec nicht über- schreitet, hat eine Schwingung des Inspektionsfahrzeugs 300 oder des Fahrdrahts 308 mit einer Frequenz unterhalb von 5000 Hz keinen Einfluss auf eine Qualität eines Messergebnisses .
Für eine größere Frequenz ist eine Amplitude kleiner als eine geforderte Auflösung und wirkt daher nicht störend.
Automatisiertes optisches Inspektionssystem
Zur Aufnahme des Längskettenwerks 307 bzw. 400 dient die in Fig. 4 dargestellte Anordnung. Auf einer linken Seite 401 und einer rechten Seite 402 eines Fahrzeugdaches 403 befinden sich je eine Diodenzeilenkamera 404, 405 mit einer zugehöri- gen Beleuchtung 406, 407.
Jede Diodenzeilenkamera 404, 405 nimmt innerhalb von 45 microsec einen senkrechten Bildstreifen einer Seite des Längskettenwerkes 400 auf. In Verbindung mit einer horizontalen Fahrzeugbewegung des Inspektionsfahrzeugs 300 entsteht ein
"unendlich" ausgedehntes Bild. Bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 80 km/h werden 22 000 Zeilen/s aufgenommen, wobei jeder Streifen 1 mm breit ist. Die Kamerazeile enthält 2048 Elemente, was an einem aufzunehmenden Objekt je nach Abstand einer Auflösung von 0,7 bis 2 mm in Richtung der Kamerazeile entspricht .
Um einen Einsatz bei Nacht zu ermöglichen und am Tage definierte Lichtverhältnisse zu schaffen, wird das Längsketten- werk 400 beleuchtet. Als Beleuchtung 406, 407 wurden zunächst Metalldampf-Scheinwerfer 406, 407 mit etwa 10 kW Anschluss- leistung in Betracht gezogen. Da aber wegen einer Vielzahl von Kameras Platzprobleme auftraten und eine Blendung von einem Unbeteiligten vermieden werden sollte, wurde ein Infra- rot-Dioden-Laser eingesetzt. Weil dieser im Gegensatz zu einem Metalldampf-Scheinwerfer genau ein Gesichtsfeld der jeweiligen Kamera und keine zusätzlichen, nicht interessierenden Bereiche ausleuchtet, ist eine Leistung von 15 W ausreichend.
Um eine Gefährdung eines menschlichen Auges auszuschließen, sind in einer Austrittsöffnung eines Lasergehäuses des Infra-
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Eine eventuell auftretende Bildstörung, beispielsweise durch ein Wanken des Inspektionsfahrzeugs, kann mit Hilfe von fortlaufend protokollierten Daten von Wanksensoren kompensiert werden.
Nahe beider Stirnseiten 320, 321 des Inspektionsfahrzeugs 300 befinden sich auf dem Dach 301 je ein Laserradarsystem 322, 323 [6], dessen senkrecht nach oben gerichtete Strahlen einen Fahrdrahtseitenhalter einer Quertrageinrichtung 306 erkennen.
Sobald das in Fahrtrichtung vordere Laserradarsystem 322 eine Quertrageinrichtung 306 erkennt, löst es eine Bildaufnahme durch eine in Fahrtrichtung orientierte Scanner-Kamera 324 aus. Nach Passieren der Quertrageinrichtung 306 wird eine nach hinten blickende Scanner-Kamera 325 ausgelöst. Somit entstehen Aufnahmen eines Objektes von beiden Seiten.
In Fig. 3 sind Strahlenfächer 331, 332, 333 der Aufnahmesys- te e 302, 303, 304 angedeutet. Von Strahlenfächern für das
Längskettenwerk 307 ist einer Übersichtlichkeit wegen nur ein Strahlenfächer 333 gezeichnet. Dieser steht in etwa senkrecht auf einer Ebene des Längskettenwerks 307, während die Strahlenfächer 331, 332 für die Quertrageinrichtungen 306 nahezu waagerecht angeordnet sind. Umwelteinflüsse, welche die Messungen beeinträchtigen, werden durch folgende Maßnahmen minimiert :
Um außer während der Nacht, auch tagsüber messen zu können, lassen schmalbandige Filter vor den Kameras nur Licht mit der Wellenlänge der beschriebenen Infrarot-Laser passieren. Somit kann auch Sonnenlicht, soweit es nicht direkt in die Kameras scheint, unterdrückt werden.
Da die Temperaturen auf dem Dach stärker schwanken können, als die Laser, Kameras und optischen Systeme vertragen, wird
das Innere aller Gehäuse mit Hilfe geschlossener Wasserkreisläufe auf etwa 20 C temperiert.
Die Fenster vor den Optiken werden während der Messung gegen leichten Regen sicher geschützt. Bei sehr starkem Regen, Nebel oder Schneefall kann die Sicht auf die mehr als 10 m entfernten Quertrageinrichtungen behindert werden, so dass u. U. gute Messergebnisse nicht mehr erreichbar sind.
Eine Reinigung der Fenster von Verschmutzungen, wie z. B.
Staub und Ruß, ist mit einer warmen Waschflüssigkeit, die mit Druck aufgespritzt wird, automatisch durchführbar. Das Fahrzeugdach braucht hierbei nicht betreten zu werden. Falls nicht gemessen wird, verschließen Schutzhauben die Fenster.
Bildauswertung
Ein Prinzip einer Bildauswertung 100 bei der automatisierten optischen Inspektion einer Oberleitung einer Eisenbahnverbin- düng ist in Fig.l dargestellt und wird im folgenden erläutert .
Die während einer Inspektionsfahrt aufgenommenen Bilder (Inspektionsbilder) 101 werden zu Rechnern (Industrie-PCs) über- tragen, die sich im Fahrzeuginneren des Inspektionsfahrzeugs befinden. Zunächst werden die Inspektionsbilder 102 mittels digitaler Signalprozessoren auf ca. 3% ihres ursprünglichen Datenvolumens komprimiert 103 und nach Zwischenspeicherung auf einer Festplatte auf ein Magnetband übertragen.
Ein solches Magnetband kann sämtliche Daten von etwa 300 km eingleisiger Strecke speichern. Wegen der als Puffer wirkenden Festplatte ist es nicht nötig, bei einem Bandwechsel die Messung zu unterbrechen.
Die automatische Auswertung 110 kann nach Beendigung der Inspektionsfahrt, bei längeren Wartepausen oder Fahrten ohne
Messung durchgeführt werden. Der Beginn der Auswertung 110 auf dem Fahrzeug kann durch eine Installation zusätzlicher Rechentechnik vorverlegt werden.
Voraussetzung für die Bildauswertung 110 ist, dass zu einem früheren Zeitpunkt eine sogenannte Referenzfahrt durchgeführt wurde, bei welcher der Ist-Zustand (Referenzzustand) mittels Referenzbildern 102 aufgenommen, beurteilt und Referenzdaten erzeugt wurden.
Die Referenzbilder 102 und die Inspektionsbilder 101 entsprechen sich jeweils in ihrem Aufnahmeort und in ihren Aufnahmeparametern.
Fig.l zeigt weiter einen Vergleich 120 jeweils eines Referenzbilds 102 aus der Referenzfahrt mit dem entsprechenden Inspektionsbild 101 aus einer aktuellen Inspektionsfahrt .
Im Rahmen der Bildauswertung 110 bzw. 130 werden drei Verfah- ren zur Erkennung von Veränderungen an der Oberleitung durchgeführt, welche nachfolgend für eine Erkennung von Veränderungen an Quertrageeinrichtungen und an einem Längskettenwerk beschrieben werden:
a) Verfahren basierend auf einem Geometrievergleich 131, b) Verfahren basierend auf einem Differenzbild 132, c) Verfahren zur Erkennung eines Fremdkörpers 133.
Grundprinzip der Verfahren a) bis c]
Jedes dieser drei Verfahren 131, 132, 133 basiert auf einem Vergleich 130 eines Referenzbildes 102 mit dem entsprechenden Prüfbild 101. Bei diesem Vergleich 130 bzw. 135 wird zuerst in dem Referenzbild ein Abbild 136 eines ausgewählten Objekts ermittelt. Anschließend wird in dem entsprechenden Prüfbild ebenfalls ein Abbild 137 dieses ausgewählten Objekts ermittelt.
Durch einen Vergleich 135 der beiden Abbilder 136, 137 des ausgewählten Objekts oder durch einen Vergleich von Messwerten, welche unter Verwendung der Abbilder ermittelt werden, wird eine Veränderung des ausgewählten Objekts ermittelt 140
Zu den Verfahren a) und b) :
Fig.6 zeigt die Art und Struktur von Referenzdaten für Längskettenwerke 601, 602. Sie werden aus einer Vielzahl sehr großer Gesamtbilder abgeleitet, die jeweils das Längskettenwerk 601, 602 zwischen zwei Quertrageinrichtungen 603, 604 umfassen. Die Referenzdaten enthalten kleine Teilbilder 611, 612, 613, 614, die Bauteile wie z. B. Klemmen 621, 622 im Sollzustand abbilden, deren geometrische Abmessungen und Relationen und streckenbezogene Positionsangaben. Seile 631 und Fahrdrähte 632 sind durch ihren Durchmesser und die in den Teilbildern gelegenen Befestigungspunkte 633, 634 definiert.
Mit Hilfe der automatischen Erkennung der Quertrageinrichtungen 603, 604 und des fortlaufenden Protokollierens der Impulse eines Wegstreckenzählers ist eine nachträgliche Zuordnung des Aufnahmeortes genauer als 0,5 m gewährleistet. Beim auto- matischen Vergleich können wegen der vorhandenen Kenntnis der Aufnahmeorte die zueinander gehörenden Bilder von Referenz- und Inspektionsfahrt leicht vom Rechner gefunden werden.
Fig.7a zeigt schematisch ein Referenzbild 701 eines Teilbe- reiches einer Quertrageinrichtung 702 (ohne Fahrdraht und Tragseil) . Teilbilder bzw. Auswertefenster 703, 704, 705, 706, 707 sind durch helle Rahmen gekennzeichnet.
Fig.7b zeigt das entsprechende Prüfbild 710. Allerdings wurde vor dieser Aufnahme eine Klemme 720 (im Referenzbild) bzw.
721 (im Prüfbild) verschoben und ein abstehendes Seilende 722 als Defekt eingefügt. Die Bildverarbeitung findet die ent-
standenen Veränderungen und gibt sie als Meldung auf das Defektprotokoll aus.
Durch das Verschieben der Klemme 720 bzw. 721 haben sich Änderungen im Abstand 724 und Winkel 725 ergeben. Das abstehende Seilende 722 ist deutlich erkennbar. In ähnlicher Weise werden auch andere Veränderungen sonstiger Bauteile gefunden.
Zu Verfahren c) :
Fig. 8 zeigt in einem Prüfbild 800 einen Teilbereich einer Quertrageeinrichtung 801.
In dem Prüfbild sind zwei Suchmasken 802, 803 dargestellt, welche zuvor in dem entsprechenden Referenzbild definiert wurden .
Diese Suchmasken werden im allgemeinen derart in einem Referenzbild definiert, dass sie Bildbereiche, sogenannte Suchbe- reiche, zwischen dargestellten Objekten abdecken. Somit kann bei einem Vergleich eines Suchbereichs in dem Referenzbild mit dem entsprechenden Suchbereich in dem Prüfbild ein Fremdkörper erkannt werden.
Anschaulich gesehen wird bei diesem Vorgehen ein Suchbereich aus dem Referenzbild (ggf. nach einer Anpassung an eine veränderte Lage der Objekte im Prüfbild) in dem Prüfbild angewendet, indem innerhalb des angepassten Suchbereichs im Prüfbild nach Fremdkörpern gesucht wird, die sich durch ihre Hel- ligkeit vom i.allg. dunklen Hintergrund abheben.
Fig.8 zeigt ein loses Seilende 810, welches bei dem Vergleich des Suchbereichs 802 des Prüfbildes 800 mit dem entsprechenden Suchbereich in dem zugehörigen Referenzbild, in dem das lose Seilende nicht vorhanden ist, erkannt wird.
Auf diese Weise kann ein zusätzliches Objekt, beispielsweise ein Fremdkörper, welches im Prüfbild abgebildet, nicht aber im Referenzbild abgebildet ist, auf einfache Weise erkannt werden.
Die Festlegung einer Suchmaske erfolgt nach folgender Vorgehensweise (Fig.9):
Zuerst wird ein ausgewähltes Referenzbild 900, welches ver- schiedene Objekte 901, 902, 903 aufweist und dessen Bildpunkte unterschiedliche Grauwerte 904, 805 aufweisen, binärisiert 810.
In dem binärisierten Referenzbild 911 erscheinen die Objekte 901, 902, 903 weiß. Die übrigen Bereiche erscheinen schwarz.
In einem weiteren Schritt 920 werden die weiß dargestellten Bereiche verbreitert (Bild 921) .
Die Suchbereiche 932, 933, 934 werden festgelegt derart, dass jeder zusammengehörige schwarze Bereich durch eine Suchmaske umrandet wird. Die verschiedenen Teile der Suchmaske werden in einem einzigen binären Suchmaskenbild zusammengefasst und gespeichert .
Im folgenden wird eine Alternative zu dem Ausführungsbeispiel angegeben:
Diese Alternative beschreibt ein Verfahren zur Ortscodierung zur Zuordnung Referenzbild - Prüfbild:
Damit zu einem Prüfbild das entsprechende, ortsgleiche Referenzbild zugeordnet werden kann, werden zu den Bildern, zu den Referenzbildern wie auch zu den Prüfbildern, bei der je- weiligen Aufnahmefahrt fortlaufend Ortsangaben aus einem Weg- mess-System mit aufgezeichnet. Außerdem wird mit einem besonderen System zur Erkennung eines Hauptobjekts (z.B. der Quer-
trageinrichtung elektrischer Bahnen) das Vorhandensein einer Quertrageinrichtung und damit eines Tragmastens mit der zugehörigen Ortsangabe mit aufgezeichnet.
Dadurch können die Quertrageinrichtungen und damit ihre Tragmasten entlang der Fahrstrecke gezählt und nummeriert werden. Diese Nummern dienen bei der Inspektion zur Zuordnung der richtigen Referenzbilder zu den entsprechenden Prüfbildern.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] ISO/IEC JTC1/SC29/WG11, MPEG-4 Video Verification Model Version 5.0 Doc. N1469, Nov. 1996, S. 55-59;
[2] J. M. Van Gigch, C. Smorenburg, A. W. Benshop, "System zur Messung der Fahrdrahtdicke (ATON) -der Niederländischen Bahnen", Schienen der Welt, April 1991, S. 20-31
[3] B. Sarnes, "Qualitätssicherung an Stromabnehmer und 0- berleitung", ETR, 48 (1999) 3, S. 117-123
[4] H. Höfler, N. Dimopoulos, B. Metzger, "Fahrdrahtlagemessung auf Hochgeschwindigkeitsstrecken", eb, 96 (1998) 3 S. 61-64
[5] S. Ishizu, "Series 700 derivative will replace Doctor
Yellow", Railway Gazette Intern., April 1999, S. 218-220
[6] P. Pohl „Der Hagener Video-Messtriebwagen* ,
DerEisenbahningenieur, Juni und Juli 1996, Hefte 6 und 7 1996, Seiten 24 bzw. 32
[7] R. Müller, H. Höfler, "Fahrwegüberwachung mit optischer Meßtechnik", Eisenbahn-Ingenieur Kalender '97, Darmstadt: Tetzlaff, 1996, S. 315-332
[8] DE 199 36 448 AI
[9] erhältlich am 01. September 2000 unter http: //www.it.kth. se/docs/iso-13818-2.read.html
[10] erhältlich am 01. September 2000 unter: http: //vyll .mit . fh-heilbronn.de/German/Theorie/Kantendet ektion.htm
[11] erhältlich am 01. September 2000 unter: http: //www.ifi .unizh. ch/groups/mml/people/mbichsel/vorle sung .html
[12] B. Jahne, Digitale Bildverarbeitung, Springer Verl. 1997
[13] F. M. Wahl, Digitale Bildsignalverarbeitung, Kapitel 6.5, Detektionsfilter, Springer Verl. 1984.