一种基于工业视觉的轨道变形监测方法及系统与流程

本发明涉及图像尺寸测量，尤其涉及一种基于工业视觉的轨道变形监测方法及系统。

背景技术：

1、目前，在运营铁路隧道内，轨道变形监测主要依赖于沿线路布设的cpiii控制网棱镜作为基准点，通过全站仪多测回人工瞄准棱镜中心获取水平角与垂直角，进而解算三维坐标并分析偏移量。这种人工方式虽然测量精度较高，但逐点瞄准导致作业效率低、劳动强度大，且难以适应高频次自动化监测需求。为了提升自动化水平，已有尝试采用固定安装的工业相机阵列代替全站仪进行视觉监测，利用图像处理方法自动提取棱镜十字丝中心坐标。然而，现有视觉方案通常依赖单一白光照明和常规的梯度边缘检测算子，在隧道环境光线昏暗、棱镜表面状况退化时，成像质量急剧下降，低对比度目标的识别与定位成为制约自动化监测效果的核心瓶颈。

2、例如，随着运营时间的增加，隧道内人工照明覆盖不足，棱镜表面因粉尘附着、油污凝结及湿气侵蚀变得模糊不清，其反射膜的镀层出现老化、斑驳甚至局部脱落，使得棱镜十字丝目标成像后与背景的灰度差异极小，目标几乎淹没在背景杂波之中。在这种条件下，常规基于梯度的边缘提取算法因信噪比过低而无法有效捕捉十字丝的完整结构边缘，造成特征点缺失或错检；同时，单一的白光照明无法针对反射膜的光谱特性进行选择性增强，也无法通过改变光束入射角来抑制表面污损引起的杂散反射，导致图像中目标没有足够的视觉显著性，中心定位的重复性误差显著增加，多周期测量结果出现明显跳变，无法满足运营期对毫米级沉降变形的监测要求。

3、因此，亟需一种在隧道照明不足、棱镜表面污损或反射膜斑驳导致目标成像对比度极低的情况下，依然能够通过设计面向棱镜光学特性的多角度补光策略和特征增强机制，从高噪声、弱边缘的场景中可靠提取十字丝完整结构并实现亚像素级中心定位的轨道变形监测方法，从而解决全线多点自动化监测中低质量目标无法准确识别和测量偏移尺寸的技术难题，提高运营隧道轨道变形视觉监测的自动化水平和在恶劣成像条件下的测量可靠性。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提出一种基于工业视觉的轨道变形监测方法，旨在解决现有技术中采用全站仪人工多测回瞄准的方式，尤其是在隧道照明不足且棱镜反射膜老化导致成像对比度极低的条件下，无法实现低对比度目标自动精准定位与变形监测的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：本发明提供一种基于工业视觉的轨道变形监测方法。

3、所述一种基于工业视觉的轨道变形监测方法包括：

4、步骤s10：获取待监测cpiii棱镜对应的观测区域，基于所述观测区域采用分时双波长主动照明图像采集机制执行图像采集任务，输出双波长轨道监测图像数据；

5、步骤s20：基于所述双波长轨道监测图像数据采用多方向多尺度log-gabor滤波和相位一致性特征增强机制执行结构边缘增强任务，输出相位一致性特征数据；

6、步骤s30：基于所述相位一致性特征数据采用异或逻辑融合和梯度方向一致性约束椭圆拟合机制执行棱镜十字丝影像中心定位任务，输出棱镜中心像点数据；

7、步骤s40：基于所述棱镜中心像点数据采用huber损失约束的加权马氏距离光束法平差前方交会机制执行三维坐标解算任务，输出预设轨道坐标系下的棱镜中心三维坐标；

8、步骤s50：根据所述棱镜中心三维坐标，采用预设基准坐标比较与分级判定机制执行轨道变形分析任务，输出轨道变形监测状态信号。

9、优选地，步骤s10中，获取待监测cpiii棱镜对应的观测区域，基于所述观测区域采用分时双波长主动照明图像采集机制执行图像采集任务，输出双波长轨道监测图像数据的步骤，具体包括：

10、步骤s101：获取各待监测cpiii棱镜对应的观测区域，在各所述观测区域对应设置工业相机组件，每个所述工业相机组件包括第一图像采集单元和第二图像采集单元；将所述第一图像采集单元与所述第二图像采集单元之间的基线长度设置为0.5m，将所述第一图像采集单元和所述第二图像采集单元各自的光轴与对应cpiii棱镜反射面法线之间的夹角设置为不大于30°，并对所述第一图像采集单元和所述第二图像采集单元进行双目标定以及轨道坐标系外参数标定，获得双目相机参数，所述双目相机参数包括相机内参、畸变参数、相对位姿参数以及相机坐标系与预设轨道坐标系之间的坐标转换参数；

11、步骤s102：围绕所述第一图像采集单元的镜头光轴设置蓝光环形led阵列，将所述蓝光环形led阵列的中心波长设置为465nm，将所述蓝光环形led阵列的光谱半峰宽设置为不大于20nm，并将蓝光照明光束主方向与对应cpiii棱镜反射面法线之间的夹角设置为不大于5°；对应所述第二图像采集单元设置红光环形led阵列，将所述红光环形led阵列的中心波长设置为625nm，将所述红光环形led阵列的光谱半峰宽设置为不大于20nm，并将红光照明光束主方向与对应cpiii棱镜反射面法线之间的夹角设置为40°至50°；

12、步骤s103：在第一采集时刻开启所述蓝光环形led阵列并同步触发所述第一图像采集单元曝光，获得第一图像；关闭所述蓝光环形led阵列，在间隔20ms后开启所述红光环形led阵列并同步触发所述第二图像采集单元曝光，获得第二图像；将所述第一图像、所述第二图像和所述双目相机参数封装为所述双波长轨道监测图像数据。

13、优选地，步骤s20中，基于所述双波长轨道监测图像数据采用多方向多尺度log-gabor滤波和相位一致性特征增强机制执行结构边缘增强任务，输出相位一致性特征数据的步骤，具体包括：

14、步骤s201：从所述双波长轨道监测图像数据中提取第一图像、第二图像和双目相机参数，分别采用二维log-gabor滤波器组对所述第一图像和所述第二图像进行频域滤波，获得局部滤波响应数据，所述二维log-gabor滤波器组包括0°、45°、90°和135°四个滤波方向，并在每个所述滤波方向设置空间波长分别为4像素、6像素和8像素的三个滤波尺度，所述局部滤波响应数据包括各滤波方向和各滤波尺度对应的局部幅值响应及局部相位响应；

15、步骤s202：根据所述局部滤波响应数据，分别计算所述第一图像和所述第二图像中各像素点的相位一致性测度，获得第一相位一致性测度图和第二相位一致性测度图；

16、步骤s203：将所述第一相位一致性测度图确定为第一相位一致性特征图，将所述第二相位一致性测度图确定为第二相位一致性特征图，并将所述第一相位一致性特征图、所述第二相位一致性特征图和所述双目相机参数封装为所述相位一致性特征数据。

17、优选地，步骤s202中，根据所述局部滤波响应数据，分别计算所述第一图像和所述第二图像中各像素点的相位一致性测度，获得第一相位一致性测度图和第二相位一致性测度图的步骤，具体包括：

18、针对所述第一图像和所述第二图像中的每一像素点，分别按照各所述滤波方向对不同滤波尺度对应的局部相位响应进行圆周均值计算，获得各所述滤波方向对应的方向平均相位；

19、计算各所述滤波尺度对应的局部相位响应相对于对应方向平均相位的相位偏差，并根据所述相位偏差和对应的局部幅值响应确定各所述滤波尺度对应的同相贡献量；

20、根据同一滤波方向下不同滤波尺度对应的局部幅值响应之间的分布集中程度确定频率扩展权重，并将所述频率扩展权重与对应滤波方向下各同相贡献量的累加结果相乘，获得方向加权贡献量；

21、从各所述方向加权贡献量中分别扣除对应滤波方向的预设方向噪声能量阈值，将扣除后小于零的数值修正为零，并对各滤波方向对应的修正结果进行累加；

22、利用各滤波方向和各滤波尺度对应的局部幅值响应总量与预设正数之和，对累加结果进行归一化，获得对应像素点的相位一致性测度，并按照各像素点的位置排列对应的相位一致性测度，形成所述第一相位一致性测度图和所述第二相位一致性测度图。

23、优选地，步骤s30中，基于所述相位一致性特征数据采用异或逻辑融合和梯度方向一致性约束椭圆拟合机制执行棱镜十字丝影像中心定位任务，输出棱镜中心像点数据的步骤，具体包括：

24、步骤s301：从所述相位一致性特征数据中提取所述第一相位一致性特征图、所述第二相位一致性特征图和所述双目相机参数；采用所述双目相机参数对所述第一相位一致性特征图和所述第二相位一致性特征图进行极线校正，获得第一校正特征图和第二校正特征图；分别对所述第一校正特征图和所述第二校正特征图进行局部自适应二值分割，获得第一二值特征图和第二二值特征图，并对所述第一二值特征图和所述第二二值特征图中相同像素位置的二值结果执行异或逻辑运算，获得候选棱镜掩膜；

25、步骤s302：将所述候选棱镜掩膜分别施加于所述第一校正特征图和所述第二校正特征图，获得第一候选棱镜区域和第二候选棱镜区域；分别提取所述第一候选棱镜区域和所述第二候选棱镜区域中的边缘点，并将对应候选棱镜区域内各边缘点坐标的平均位置确定为临时候选中心；按照下式计算任一候选棱镜区域内第个边缘点的方向一致性值：

26、

27、保留所述方向一致性值大于预设方向一致性阈值的边缘点，并将各保留边缘点的方向一致性值确定为对应边缘点的椭圆拟合权重；

28、步骤s303：分别针对所述第一候选棱镜区域和所述第二候选棱镜区域中保留的边缘点，按照下式进行加权椭圆拟合：

29、

30、其中，所述加权椭圆拟合满足：

31、

32、根据所述第一候选棱镜区域对应的椭圆拟合结果确定第一棱镜中心像点坐标，根据所述第二候选棱镜区域对应的椭圆拟合结果确定第二棱镜中心像点坐标，并将所述第一棱镜中心像点坐标、所述第二棱镜中心像点坐标和所述双目相机参数封装为所述棱镜中心像点数据；

33、其中，为任一候选棱镜区域内的边缘点索引；为第个边缘点的方向一致性值；为第个边缘点的图像梯度方向角；为由对应临时候选中心指向第个边缘点的径向方向角；为任一候选棱镜区域内保留的边缘点数量；为第个边缘点的横向像素坐标；为第个边缘点的纵向像素坐标；、、、、和为待求椭圆一般方程系数；、、、、和为使加权椭圆拟合目标函数取得最小值的椭圆一般方程系数。

34、优选地，步骤s40中，基于所述棱镜中心像点数据采用huber损失约束的加权马氏距离光束法平差前方交会机制执行三维坐标解算任务，输出预设轨道坐标系下的棱镜中心三维坐标的步骤，具体包括：

35、步骤s401：从所述棱镜中心像点数据中提取所述第一棱镜中心像点坐标、所述第二棱镜中心像点坐标和所述双目相机参数，根据所述双目相机参数中的畸变参数分别对所述第一棱镜中心像点坐标和所述第二棱镜中心像点坐标进行畸变校正，获得第一校正像点坐标和第二校正像点坐标；

36、步骤s402：根据所述第一校正像点坐标、所述第二校正像点坐标以及所述双目相机参数建立候选棱镜中心空间点，将所述候选棱镜中心空间点分别重投影至所述第一图像采集单元和所述第二图像采集单元对应的像平面，获得第一重投影像点坐标和第二重投影像点坐标；分别计算所述第一重投影像点坐标与所述第一校正像点坐标之间的第一重投影残差向量，以及所述第二重投影像点坐标与所述第二校正像点坐标之间的第二重投影残差向量；

37、步骤s403：按照下式构建三维坐标解算目标函数：

38、

39、

40、其中，huber损失函数为：

41、

42、采用levenberg-marquardt迭代算法对所述三维坐标解算目标函数进行最小化求解，获得最优棱镜中心空间点；根据所述双目相机参数中的坐标转换参数，将所述最优棱镜中心空间点转换至所述预设轨道坐标系，获得所述棱镜中心三维坐标；

43、其中，为图像采集单元索引，表示所述第一图像采集单元，表示所述第二图像采集单元；为所述候选棱镜中心空间点的三维坐标向量；为使所述三维坐标解算目标函数取得最小值的最优三维坐标向量；为所述候选棱镜中心空间点在第个图像采集单元对应像平面上的重投影像点坐标向量；为第个图像采集单元对应的校正像点坐标向量；为第个图像采集单元对应的重投影残差向量；为第个重投影残差向量对应的预设正定残差协方差矩阵；为所述预设正定残差协方差矩阵的逆矩阵；为矩阵转置符号；为所述huber损失函数的输入变量；为预设huber转换阈值；为所述huber损失函数在输入变量为时的损失值。

44、优选地，步骤s50中，根据所述棱镜中心三维坐标，采用预设基准坐标比较与分级判定机制执行轨道变形分析任务，输出轨道变形监测状态信号的步骤，具体包括：

45、步骤s501：读取预设基准三维坐标，所述预设基准三维坐标为在所述预设轨道坐标系下预先标定的cpiii棱镜中心三维坐标；将当前测量周期获得的所述棱镜中心三维坐标与所述预设基准三维坐标进行坐标分量比较，将竖向坐标分量之差确定为竖向位移量，将横向坐标分量之差确定为横向位移量，将纵向坐标分量之差确定为纵向位移量，并将所述竖向位移量、所述横向位移量和所述纵向位移量的平方和的平方根确定为总体位移量；

46、步骤s502：将所述竖向位移量的绝对值与0.5mm的预设竖向位移阈值进行比较，并将所述总体位移量分别与1.0mm的预设第一总体位移阈值和1.5mm的预设第二总体位移阈值进行比较，获得轨道变形等级判定结果；

47、步骤s503：根据所述轨道变形等级判定结果，当所述总体位移量大于所述预设第二总体位移阈值时，输出红色轨道变形预警信号；当所述总体位移量不大于所述预设第二总体位移阈值且大于所述预设第一总体位移阈值时，输出橙色轨道变形预警信号；当所述总体位移量不大于所述预设第一总体位移阈值且所述竖向位移量的绝对值大于所述预设竖向位移阈值时，输出黄色轨道变形预警信号；当所述总体位移量不大于所述预设第一总体位移阈值且所述竖向位移量的绝对值不大于所述预设竖向位移阈值时，输出轨道变形正常状态信号；将所述红色轨道变形预警信号、所述橙色轨道变形预警信号、所述黄色轨道变形预警信号和所述轨道变形正常状态信号中的当前输出信号确定为所述轨道变形监测状态信号。

48、本发明还提供一种基于工业视觉的轨道变形监测系统包括：

49、双波长图像采集模块，用于获取待监测cpiii棱镜对应的观测区域，基于所述观测区域采用分时双波长主动照明图像采集机制执行图像采集任务，输出双波长轨道监测图像数据；

50、相位一致性特征增强模块，用于基于所述双波长轨道监测图像数据采用多方向多尺度log-gabor滤波和相位一致性特征增强机制执行结构边缘增强任务，输出相位一致性特征数据；

51、棱镜中心像点定位模块，用于基于所述相位一致性特征数据采用异或逻辑融合和梯度方向一致性约束椭圆拟合机制执行棱镜十字丝影像中心定位任务，输出棱镜中心像点数据；

52、三维坐标解算模块，用于基于所述棱镜中心像点数据采用huber损失约束的加权马氏距离光束法平差前方交会机制执行三维坐标解算任务，输出预设轨道坐标系下的棱镜中心三维坐标；

53、轨道变形分析模块，用于根据所述棱镜中心三维坐标，采用预设基准坐标比较与分级判定机制执行轨道变形分析任务，输出轨道变形监测状态信号。

54、本发明还提供一种基于工业视觉的轨道变形监测设备，所述基于工业视觉的轨道变形监测设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于工业视觉的轨道变形监测程序，所述基于工业视觉的轨道变形监测程序被所述处理器执行时实现上述方法。

55、本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括基于工业视觉的轨道变形监测程序，所述基于工业视觉的轨道变形监测程序被处理器执行时实现上述方法。

56、本发明的有益效果在于：

57、1.本发明通过采用分时双波长主动照明方式，在相邻采集时刻分别利用近法向蓝光照明和斜向红光照明获取同一cpiii棱镜的图像，使十字丝刻线、反射膜及表面污损区域在不同波长和入射角下形成差异化反射响应；再将两幅图像与双目相机参数共同封装，使后续处理能够同时利用光学互补信息和确定的空间标定关系。由此，即使隧道照明不足、棱镜表面附着粉尘或反射膜局部老化，仍能够保留可供识别的十字丝结构，减少单一白光照明下目标与背景对比度不足造成的特征缺失。

58、2.本发明通过对双波长图像实施多方向、多尺度log-gabor滤波，并根据跨尺度相位一致程度、频率扩展权重和方向噪声能量阈值形成相位一致性特征数据，使低对比度十字丝边缘从依赖灰度幅值的图像特征转化为对亮度变化不敏感的相位结构特征；进一步利用极线校正、异或逻辑融合和梯度方向一致性加权椭圆拟合，能够抑制两幅图像中共同存在的背景纹理、污渍边界及划痕干扰，并由符合中心辐射关系的边缘点主导中心定位。由此可降低边缘断裂、局部污染和伪边缘对棱镜中心像点的牵引，提高低质量成像条件下中心定位的重复性和稳定性。

59、3.本发明通过构建基于加权马氏距离和huber损失的光束法平差前方交会目标，使不同方向的像点残差按照各自不确定程度参与三维坐标解算，并在残差超过转换阈值时限制异常观测对解算结果的影响；将所得棱镜中心三维坐标转换至统一轨道坐标系后，再结合竖向位移量和总体位移量进行分级判定。由此既能够减少局部过曝、反射突变或中心像点偶然偏移造成的虚假三维位移，又能够区分早期竖向沉降与多方向综合变形，将连续坐标变化转换为正常、黄色、橙色或红色轨道变形监测状态信号，为轨道巡检和维护提供一致、可追溯的判断依据。