[发明专利]一种基于图像的铁路雪深测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于图像的铁路雪深测量装置及方法，该装置包括激光探头、支架、网络摄像机、红外线带通滤波器、终端计算机、地面参考板、固定架、数据处理平台，所述数据处理平台包括数据处理单元、3G路由器，其中3G路由器采用3G移动数据通信平台；所述激光探头安装在所述网络摄像机正上方，红外线带通滤波器安装在网络摄像机镜头前；所述网络摄像机拍摄激光光斑点，经数据处理平台采集和处理，并经通讯单元传递到终端计算机，通过数字图像处理，并结合最小二乘法圆拟合光斑边界，得到激光探头像素坐标，然后通过亚像素曲面拟合法给出激光探头亚像素坐标位置，最后根据几何关系求得积雪深度。本发明结构简单，成本低，测量精度高，对被测对象的影响小。

主权项

一种基于图像的铁路雪深测量方法，其特征在于，包括以下步骤：第1步，建立坐标系：网络摄像机(9)自带坐标系记为XO1Y，以网络摄像机(9)的镜头光轴为X轴，过摄像机中心且与X轴垂直的直线作为Y轴；过摄像机中心O1建立坐标系IO2J，以地面为I轴，过摄像机中心O1且与I轴垂直的直线作为J轴，I轴与J轴交点记为O2；第2步，将地面参考板(8)先设置在地面上的P2(x2,y2)处，网络摄像机(9)拍摄激光探头(1)在地面参考板(8)上的第一图像，再将地面参考板(8)设置到离地面垂直距离为hp1的P1(x1,y1)处，网络摄像机(9)拍摄激光探头(1)在地面参考板(8)上的第二图像；第3步，积雪后将地面参考板(8)设置到积雪上的P处，地面参考板(8)离地面垂直距离即积雪深度为D，网络摄像机(9)拍摄激光探头(1)在地面参考板(8)上的第三图像；第4步，数据处理平台(6)的数据处理单元采集第一图像、第二图像、第三图像，并进行数字图像处理，获得三幅图像激光光斑在网络摄像机(9)自带坐标系XO1Y中的亚像素坐标值，P1、P2及P处的激光光斑在网络摄像机(9)成像面的亚像素Y轴坐标值分别为u1、u2、u；所述进行数字图像处理，获得三幅图像激光光斑在网络摄像机(9)自带坐标系XO1Y中的亚像素坐标值，包括以下步骤：(4.1)中值滤波，去除椒盐噪声，得到图像I(x,y)；(4.2)二值化处理，把图像I(x,y)转化二值图像B(x,y)，突出激光光斑在图像中成像点，抑制不感兴趣的部分；(4.3)基于Canny算子的激光光斑边缘检测，得到激光光斑边缘轮廓J(x,y)；(4.4)采用最小二乘法圆拟合光斑边界，得到光斑中心点坐标(x0',y0')；(4.5)通过亚像素曲面拟合法确定激光光斑亚像素坐标(x0,y0)，以(x0',y0')为中心，相邻像素组成3×3模板实现曲面拟合；第5步，根据网络摄像机(9)成像面与坐标系XO1Y之间的几何关系，确定P在坐标系XO1Y中的坐标值P(x,y)，具体如下：(5.1)当激光探头投射到P2点，光线经过P1(x1,y1)、P2(x2,y2)和P(x,y)，其中点P在积雪所在平面，根据几何关系有：x1＝cosα(h‑hp1)+sinα·Lp1  (1)x2＝cosα·h+sinα·Lp2  (2)式中，h为摄像机中心O1距地面高度，Lp2为过摄像机中心O1的J轴到P2之间的垂直距离，Lp1为过摄像机中心O1的J轴到P1之间的垂直距离，α为X轴与直线JO2的夹角；同样地，有：y1x1=u1fy2x2=u2f---(3)]]>式中，f为摄像机焦距；(5.2)直线P1P2斜率m为：m=y2-y1x2-x1---(4)]]>则直线P1P2方程为y＝mx+n，将(x2,y2)代入方程求得：n＝y2‑mx2  (5)将式(3)代入式(4)、式(5)，得m=u2x2-u1x1f(x2-x1)---(6)]]>n=u2x2f-mx2---(7)]]>(5.3)根据三角形相似，可得直线O1P方程为y=ufx---(8)]]>联立直线P1P2与直线O1P方程得P点坐标为x=(u1-u2)x1x2u(x2-x1)-u2x2+u1x1]]>y=uf·(u1-u2)x1x2u(x2-x1)-u2x2+u1x1---(9)]]>第6步，积雪深度的求取，将坐标系XO1Y中的点P(x,y)换算到坐标系IO2J中的坐标P(x′,y′)，y′即为积雪深度D，满足下式x′y′=0h+sinα-cosαcosαsinαxy---(10)]]>y′即为积雪深度，故有积雪深度D＝h+xcosα+ysinα，即D=h+(u1-u2)x1x2u(x2-x1)-u2x2+u1x1cosα+uf·(u1-u2)x1x2u(x2-x1)-u2x2+u1x1sinα---(11).]]>