[发明专利]一种基于EPNP的钢轨廓形检测方法及系统

权利要求书

1.一种基于EPNP的钢轨廓形检测系统，其特征在于，包括：

线激光发射器，用于向待检测的钢轨发射激光线形成激光光条，所述激光光条对应钢轨的横剖面外沿；

图像采集装置，用于通过摄像头采集表面附有激光光条的钢轨图像；

设备主控制器，用于将图像采集装置采集的钢轨图像数据发送至服务器端；

服务器端，用于接收设备主控制器发送的图像数据，提取图像中的光条中心线，获取钢轨廓形，计算钢轨磨损程度。

2.根据权利要求1所述的基于EPNP的钢轨廓形检测系统，其特征在于，所述服务器端包括：

图像预处理模块，用于将钢轨图像二值化，根据阈值将采集图像分割为目标和背景两部分，大于阈值的部分判定为目标，灰度值设为(255,255,255)；小于阈值的部分判定为背景，灰度值设为(0,0,0)；

光条中心线提取模块，用于从二值化图像中提取光条中心线，具体如下：对二值化图像进行高斯滤波，得到图像的Hessian矩阵；矩阵最大特征值对应的特征向量对应于中心线的法向向量，由基准点和法向向量推出图像的亚像素坐标；若图像中一阶导数为0的点位于当前亚像素坐标内，且法向向量的二阶导数大于指定的阈值，则基准点为激光的中心线点；记录中心线点，即可提取出中心线，获得激光中心线图片；

摄像头标定模块，采用张正友标定法标定摄像头的内参和畸变参数；

钢轨廓形还原模块，用于根据激光中心线图片输出钢轨廓形图片；

廓形检测模块，用于根据还原的钢轨廓形图片，将还原的钢轨廓形与钢轨的出厂尺寸进行对比，计算得到钢轨的磨损程度。

3.根据权利要求2所述的基于EPNP的钢轨廓形检测系统，其特征在于，所述钢轨廓形还原模块根据激光中心线图片输出钢轨廓形图片，是利用EPNP算法还原钢轨廓形，具体如下：

1)世界坐标系下4个非共面虚拟控制点的齐次坐标分别为c_i^w(i＝1,2,3,4)，虚拟控制点对应的相机坐标系齐次坐标为c_i^c(i＝1,2,3,4)，可得世界坐标系坐标点和相机坐标系与之相对应坐标系齐次坐标关系如下：

其中，取主轴单位长度坐标点；a_ij为质心坐标系数；

2)根据相机成像模型，由式(1)和相机内参矩阵可以得到：

s_i为世界坐标系下坐标点深度，4组世界坐标系点坐标与相机坐标系点坐标联立方程：

3)将式(3)写成矩阵形式：M_2n*12*X_12*1＝0，其中

解出X，即控制点在相机坐标系下坐标点

根据式(1)中质心坐标系数a_ij求出

4)计算旋转矩阵R和平移矩阵T；

第一步：相机坐标系和世界坐标系中心点为和

第二步：去中心点坐标和

第三步:H矩阵为

最后SVD分解H，求出旋转矩阵R和平移矩阵T：

5)根据步骤4)中得到的旋转矩阵R和平移矩阵T对相机坐标系下钢轨的坐标进行变换，还原出钢轨的世界坐标系中的位置。

4.一种基于EPNP的钢轨廓形检测方法，包括以下步骤：

1)向待检测的钢轨发射激光线形成激光光条，所述激光光条对应钢轨的横剖面外沿；

2)通过摄像头采集表面附有激光光条的钢轨图像；

3)将图像采集装置采集的钢轨图像数据发送至服务器端；

4)在服务器端对钢轨图像二值化，即根据阈值将采集图像分割为目标和背景两部分，大于阈值的部分判定为目标，灰度值设为(255,255,255)；小于阈值的部分判定为背景，灰度值设为(0,0,0)；

5)从二值化图像中提取光条中心线，即对采集图像进行高斯滤波，得到图像的Hessian矩阵；矩阵最大特征值对应的特征向量对应于中心线的法向向量，由基准点和法向向量推出图像的亚像素坐标；若图像中一阶导数为0的点位于当前亚像素坐标内，且法向向量的二阶导数大于指定的阈值，则基准点为激光的中心线点；记录中心线点，即可提取出中心线，获得激光中心线图片；

6)采用张正友标定法求取摄像头的内参和畸变参数；

7)利用EPNP算法还原钢轨廓形；世界坐标系下4个非共面虚拟控制点的齐次坐标分别为c_i^w(i＝1,2,3,4)，虚拟控制点对应的相机坐标系齐次坐标为c_i^c(i＝1,2,3,4)，可得世界坐标系坐标点和相机坐标系与之相对应坐标系齐次坐标关系如下：

其中，取主轴单位长度坐标点；a_ij为质心坐标系数；

8)根据相机成像模型，由式(1)和相机内参矩阵可以得到：

s_i为世界坐标系下坐标点深度，4组世界坐标系点坐标与相机坐标系点坐标联立方程

9)将式(3)写成矩阵形式：M_2n*12*X_12*1＝0，其中

解出X，即控制点在相机坐标系下坐标点

根据式(1)中质心坐标系数a_ij可求出

10)计算旋转矩阵R和平移矩阵T

第一步：相机坐标系和世界坐标系中心点为和

第二步：去中心点坐标和

第三步:H矩阵为

最后SVD分解H，求出旋转矩阵R和平移矩阵T：

11)对步骤10)中得到的旋转矩阵R和平移矩阵T，还原出钢轨的世界坐标系中的位置；

12)将还原的钢轨廓形与钢轨的出厂尺寸进行对比，计算得到钢轨的磨损程度。