基于双目视觉的钢轨磨耗测量系统关键技术的研究与实现

论文摘要

近年来随着高速铁路和重载运输的大力发展,客货运量和行车密度大幅度增长,钢轨磨耗日益严重。而我国钢轨磨耗大部分采用接触式卡距或其它接触式测量方法,存在劳动强度较大、精度较低、效率较低等缺点。研制新的非接触式的钢轨磨耗自动测量系统具有重大的意义。目前国内已有基于单目视觉的非接触式钢轨磨耗测量系统的研究。本文针对单目视觉的局限性将双目视觉技术应用到钢轨磨耗测量研究中,对系统关键技术进行了深入的研究,实现了钢轨磨耗的测量。本文提出了一种基于双目视觉技术的非接触式钢轨磨耗测量方案。在对当前各种标定技术做出综合分析的基础上,提出了一种适合钢轨磨耗测量环境的倒凹字形标定模板,并针对该模板设计了随机Hough特征点提取算法和Tsai两步相机标定算法实现系统的精确标定。在此基础上,针对钢轨磨耗测量的具体要求,设计了图像处理模块,采用立体匹配算法实现了钢轨断面轮廓关键点的匹配,通过三维重建完成了钢轨断面磨耗的测量。本文首先研究了当前各种近景摄影测量标定技术,然后详细介绍了系统的总体设计方案,其中包括系统标定、图像预处理、轮廓还原、匹配测量等模块的详细设计,并对各模块涉及的关键技术做了深入的研究。最后实现了钢轨磨耗测量系统软件AbrasionMeasurement1.0,并使用该软件进行了实际钢轨磨耗测量实验。实验结果表明本系统能够完成预期的钢轨磨耗测量任务,测量精度达到0.50mm,基本满足实际测量要求。该系统具有非接触、快速、结构小巧、上下道方便、显示直观等优点。本论文的研究成果为我国高速铁路钢轨的磨耗测量提出了一种可行的解决方案。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钢轨磨耗测量与图像测量技术现状
• 1.2.1 国内外钢轨磨耗测量技术的现状
• 1.2.2 图像测量技术
• 1.3 计算机视觉技术
• 1.3.1 国内外双目立体视觉研究现状
• 1.3.2 计算机视觉系统的体系结构
• 1.3.3 基于计算机视觉的测量系统
• 1.4 本文的主要研究内容与创新点
• 1.4.1 本文的主要内容
• 1.4.2 本文的主要特色与创新点
• 1.5 论文组织
• 2 计算机视觉中数码相机标定方法的研究
• 2.1 数码相机及其成像模型
• 2.1.1 数码相机的特点及工作原理
• 2.1.2 数码相机的成像模型
• 2.2 几种典型的标定方法
• 2.2.1 直接线性变换方法（Direct Linear Transformation）
• 2.2.2 Tsai的RAC的标定算法
• 2.2.3 Weng摄像机标定方法
• 2.2.4 Zhang平面标定方法
• 2.3 标定方法分类与比较分析
• 2.3.1 摄像机标定方法分类
• 2.3.2 标定方法比较分析
• 2.4 本章小结
• 3 钢轨磨耗测量系统的硬件组成与测量原理
• 3.1 系统的硬件组成与结构设计
• 3.1.1 系统的硬件组成
• 3.1.2 系统各组成部分参数
• 3.1.3 系统结构设计
• 3.2 钢轨磨耗测量系统的测量原理
• 3.2.1 与以往钢轨磨耗测量系统的比较
• 3.2.2 系统标定
• 3.2.3 轮廓还原
• 3.2.4 钢轨磨耗计算
• 3.3 本章小结
• 4 钢轨磨耗测量系统的设计及关键技术的研究
• 4.1 钢轨磨耗测量系统总体设计框架
• 4.2 图像分割
• 4.3 系统标定模块设计
• 4.3.1 特征点提取技术
• 4.3.2 系统标定过程
• 4.4 图像预处理模块设计
• 4.4.1 基于极线约束的立体匹配
• 4.4.2 轮廓提取
• 4.4.3 基于图像扩展的轮廓细化
• 4.4.4 搜索匹配点
• 4.5 基于三维重建的轮廓还原模块设计
• 4.5.1 钢轨断面轮廓的三维重建
• 4.5.2 基于高次多项式拟合钢轨断面轮廓图
• 4.6 匹配测量模块设计
• 4.6.1 钢轨轮廓图像匹配
• 4.6.2 磨耗测量的计算方法
• 4.7 系统的软件实现
• 4.7.1 开发环境选择
• 4.7.2 软件处理流程
• 4.8 本章小结
• 5 钢轨磨耗测量结果分析
• 5.1 测量实验
• 5.1.1 实验准备
• 5.1.2 实验步骤
• 5.2 结果分析
• 5.2.1 系统硬件因素
• 5.2.2 系统软件因素
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 进一步的研究建议
• 参考文献
• 附录A
• 索引
• 作者简历
• 学位论文数据集