视觉测量关键技术研究及在铁路碎石道砟参数测量中的应用
1引言
1.1课题研究背景与意义
随着计算机视觉的快速发展，人们逐渐将计算机视觉应用到测量行业领域内，形成了以摄影测量为主体，结合光、电、计算机一体化的视觉测量技术。视觉测量技术是以计算机视觉为基础，融合了光电子学，图像处理技术等多学科的一种新兴测量技术，是现代检测技术的核心之一。随着近些年的科技发展，视觉测量技术己经成为一个热点，并广泛的应用到各个行业领域，如农业、工业等。
进入21世纪后，我国的铁路建设越来越向着高速、重载的方向发展。与此同时，视觉测量技术在铁路行业内也有了一定程度的应用。道昨作为有昨道床的重要组成部分，在有昨轨道中发挥了重要的作用，起着保护路基、维持轨道的正常几何形状的重要作用。同时道昨的散粒体特性能够很好的达到缓冲、减震、排水的效果。道昨的现实直接影响道床的服役性能，因此获取道昨颗粒的形状参数，如针状指数、片状指数、长细比、棱角度等有助于约束模拟道昨外形，成为研究道昨颗粒间的咬合力，全面把握散体道床的力学性能的基础。目前我国在铁路现场对于道昨级配的变化，大多釆取抽样蹄分的方法，如图1-1所示现场使用的道昨蹄。道昨的几何形状不规则，且颗粒尺寸差异大，研究上主要通过手工测量道昨参数如长细比等再进行统计分析，使用人工的方法存在误差较大和效率低下等问题。研究准确、高效的道昨形状参数自动化测量方法，对于实现道昨级配的快速蹄分，掌握道床的服役现实，保证运营安全具有重要意义，因此，有必要将视觉测量技术应用到道昨参数测量中。
1.2国内外研究发展现状
随着科学技术的发展，视觉测量技术在各个行业内的应用也日趋成熟稳重。农业上，视觉测量已被用来检测瓜果粮食的损伤和分级。工业上，具体的应用有：汽车工业上，视觉测量被用来检测零件尺寸和车身的三维检测；电子工业上，电路板的设计、印刷和检测等都离不开视觉测量。同时在近几年的中国国际装备制造业博览会上，也能够看到国内外很多公司利用视觉测量技术的产品和仪器，如光学测量仪等。
铁路运输上，基于计算机视觉的钢轨磨耗测量系统，能够解决人工接触式测量带来的测量速度慢，人为因素影响等问题；基于模式识别的铁轨扣件定位和检测，能够快速的识别扣件的缺失，轨道上的异物等；基于图像处理的尖轨位移测量，能够实时的测量铁路轨道尖轨的位移，及时发现铁路隐患，这些铁路上的应用对于维护铁路安全有着很大的帮助。针对道昨这类不规则几何体，采用非接触式的视觉测量技术是一种行之有效的解决方案。近年来，国内外对于图像的物体几何形状测量和三维重建技术进行了大量的研究。一类采用主动光源或特殊成像方法，如杜欣釆用CT扫描的方法，利用射线获取颗粒的切片信息，通过对切片进行二值化处理和边缘点探取，引入最小基本球半径、有效空间系数和分类半径三个控制参数，利用重叠算法还原颗粒，同时，针对重叠算法密度紊乱的问题，对球体经行差别分配密度，实现颗粒惯性模量的优化，如图1-2所示：
2视觉测量关键技术与道碎参数测量的相关研究
本章主要介绍视觉测量关键技术与道碎参数测量的相关研究。将视觉测量技术应用于道碎参数的测量，首先要了解视觉测量关键技术的应用，本章主要介绍摄像机的成像模型，极线几何和基础矩阵，以及相关的摄像机的标定方法、道碎形状参数的定义和计算。上述理论为本文算法的提供基础，摄像机的成像模型可证明的多视角形状参数测量的正确性；极线几何、基础矩阵以及标定方法的研究与本文标定算法息息相关；道碎形状参数的定义和计算为完成本文的形状参数最终的实验方法提供了可靠的依据，并是进一步完成道昨形状参数计算的基础。
2.1摄像机标定
道炸形状参数测量离不开摄像机的标定，摄像机标定的目的就是确定摄像机的图像坐标系与物体在空间中三维参考坐标系之间的对应关系，基于前文的摄像机的模型可以求解摄像机的内外参数。因此只有当摄像机被正确的标定以后，才能根据图像平面的二维坐标计算出物体在三维空间中的实际位置，从而完成测量的要求。根据标定时是否使用标定物可分为：經典的摄像机标定和摄像机自标定。
2.1.1經典的摄像机标定方法
所谓传统的經典摄像机标定方法是指以利用一个高精度的有定位点阵的标定物一一标定板，作为图像空间中的参考点，如图2-6所示。
标定过程中，通过定位点阵的空间点和拍摄的图像点之间的对应关系，建立摄像机内外参数的约束方程，然后通过优化算法来求得这些方程的解。传统的經典标定方法的优点在于标定结果精度高，但缺点在于不够灵活，特别是当实际工程应用上往往无法使用标定物时，就必须使用其他标定方法完成标定。
2.2道碎参数类型及定义
土木工程学中，对于无點性土石来说，颗粒尺寸大小、颗粒级配及颗粒形状是3个极其重要的属性参数。颗粒的几何特征主要包括颗粒的大小、外形等，其中颗粒的形状对其行为，如它在介质中的运动速度、界面化学性质、流动特性等都有重要的影响。近年来，随着技术的发展，运用计算机视觉相关技术，将碎石颗粒等转化为二维图像，计算测量颗粒的大小形状，为在线测量和自动识别分析提供新的方法。
根据以上的长细比和棱角性指数的定义和相关计算过程，可以计算出道诈的形状参数，为下一步的道碎级配的获取和进一步的离散元分析等提供基础。基于此定义本文后面采取多视角轮廓的方法，可计算出较为精确的结果，对下一步道昨的离散元研宄很有意义。
3多视角碎石道砟图像轮廓提取算法...........19
3.1碎石道砟图像区域分割........19
4基于双平面镜系统的摄像机标定方法.........27
4.1双面镜系的环境构建.........27
5道砟几何形状参数测量方法..........41
5.1基于多视角轮廓投影的道砟形状参数测量原理.........41
5道炸几何形状参数测量方法
本章提出基于多视角轮廓投影和道碎三维几何重建的道碎形状参数测量方法。通过构造了双平面镜系获取道昨多视角的轮廓投影，以透视投影和平面镜反射原理为基础，研宄了道昨轮廓及其平面镜成像之间的几何关系，提出了基于轮廓椭圆包络计算和多边形拟合的道碎长细比和棱角系数的参数测量计算方法，推导出了多视角测量的可能，并通过实验及统计测量验证了推导的正确性，同时根据道昨颗粒三维重建，提出了基于三维数据的道昨形状参数测量，并且完成了实验室现有道昨上的测量。
5.1基于多视角轮廓投影的道碎形状参数测量原理
本章给出了基于多视角轮廓投影的道砟形状参数测量原理和实验结果。主要的工作有：
根据道砟形状参数的定义，提出了一种基于多视角轮廓投影的测量方法，通过双平面镜系的构建，在平面镜反射和投影透视的原理上，研究了道砟轮廓与平面镜成像之间的关系，证明了基于道砟轮廓的形状参数测量的可行性，使得道砟形状参数的测量更加快速、高效，更为进一步的自动化碎石道砟测量实验和道砟级配的筛分方法提供理论支持。
基于多视角轮廓投影的测量方法，主要基于摄像机成像模型和平面镜的反射原理，推导出碎石道砟的投影轮廓与道砟在各个方向上成的像存在成比例关系，而道砟形状参数中长细比与棱角系数仅与轮廓投影的形状关于，与尺度大小无关，基于这个原理，对大量不同种类的碎石道砟进行了测量实验，并与手工测量结果对比。
6结论与展望
本章主要回顾了论文的主要工作，研究课题的问题，针对的解决方法，研究成果等方面进行了分析和总结，并对该课题下一步的发展进行了展望。道砟碎石是有砟轨道的重要组成部分，研宄准确、高效的道砟形状参数自动化测量方法，对于实现道砟级配的快速筛分，掌握道床的服役现实，保证运营安全具有重要意义。
6.1结论
本文在道砟形状参数的研究宄中，针对课题组前期工作中存在的一些问题及相关方法的研究宄提出了一种基于双平面镜的摄像机自标定方法，根据自标定方法的误差点，提出了对应的改进内参标定方法。在道砟形状参数测量上，提出了基于多视角轮廓投影的测量方法，并给出了推导证明，同时完成了基于多视角轮廓投影的道砟形状参数测量系统，并根据道砟的三维几何重建，提出基于三维数据的道砟参数测量方法。本文研究的主要内容和创新点总结如下：
（1）提出了基于双平面镜的碎石道砟轮廓提取算法。针对双平面镜成像的特殊性和釆集图像中的固有属性，道砟轮廓被镜面分割在5个区域。通过完成了道砟颗粒采集图像的分割，区域二值化，去噪平滑，并分析了实验误差。通过实验证明了轮廓提取算法的有效性，也为下文的摄像机标定和基于二维轮廓道砟参数测量提供了输入。
（2）提出了基于双平面镜的摄像机的标定方法及其改进内参标定的方法。方法应用灵活方便，场景简易，设备廉价。利用双面镜所成的多视角轮廓，能够快速的完成标定的过程，推导出标定算法的内参、外参的计算公式。同时根据自标定方法容易出现的偏差点和本文主要实验对象道砟的非凸特性，也提出了针对偏差点的内参标定改进的方法，通过实验证明了改进标定方法的有效性。
（3）提出了基于二维轮廓和三维数据的道砟参数测量方法。通过构造了双平面镜系统获取的道砟多视角的轮廓投影，以透视投影和平面镜反射原理为基础，研究了道砟轮廓及其平面镜成像之间的几何关系，提出了基于轮廓椭圆包络计算和多边形拟合的道砟长细比和棱角系数计算方法。同时根据道砟的三维几何重建，完成了道砟三维形状参数测量，通过实验证明了测量方法的有效性。
参考文献（略）