基于線陣CCD相機的軌道圖像采集系統設計

吳祿慎,朱 磊,陳華偉

(南昌大學機電工程學院,南昌 330031)

基于線陣CCD相機的軌道圖像采集系統設計

吳祿慎,朱 磊,陳華偉

(南昌大學機電工程學院,南昌 330031)

軌道圖像信息的采集是對軌道狀態實時監控的重要手段。設計了一種基于線陣CCD相機的新型圖像采集系統,該系統利用線陣CCD相機連續快速的記錄軌道信息,整個系統運行速度能達到10 km/h,鋼軌表面圖像的橫縱分辨率為0.5 mm×0.5 mm,并且圖像不失真,不漏采;同時解決了信號觸發和里程記錄等關鍵問題,實現軌道信息的完整采集。實驗結果表明:系統不受小車速度變化的影響,并能準確記錄里程信息,從而為后續缺陷的檢測與定位奠定基礎。

軌道巡檢;圖像采集;線陣CCD相機;脈沖觸發

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由于鐵路運行速度的提高,為了保障鐵路運輸安全與暢通,必須對關鍵設備(軌道)進行實時監控。而機器視覺技術能為軌道檢查提供更有效、更經濟的途徑,大大節省了人力物力資源,并且提高了檢測速度和精度。國內軌道檢測小車主要是對軌距、超高、水平等幾何狀態的檢測,針對軌道部件缺陷的檢測研究相對較少[1-4]。軌道檢測要求滿足速度和精度的要求,合理的結構設計將提高圖像采集的效果,降低后續圖像處理的負擔。

圖像失真、漏采和漏存是制約整個系統的重要因素,圖片的位置信息則制約著系統的后續發展。二者主要由相機的觸發和里程記錄所決定。本文聚焦于軌道圖像采集硬件系統的設計,采用基于高速線陣CCD相機的采集方案,重點解決上述問題。

1 系統結構

系統主要由圖像采集模塊和里程記錄模塊構成,主要設備包括:軌道檢測小車、固定架、線陣CCD相機、LED線陣光源、工控機、光電編碼器等。其結構如圖1所示。

圖1 系統結構

從圖1得知,圖像采集模塊主要工作原理是編碼器觸發相機拍攝圖片,可通過工控機設置相機參數且存儲圖片。里程記錄模塊則主要是將脈沖信號轉化為里程信息,并在工控機里顯示出來。

2 圖像采集模塊

圖像采集模塊的工作原理是:將光電編碼器與小車的輪子二者保持同軸轉動,由緊定螺釘固定,光電編碼器需要轉動才產生脈沖信號。其安裝如圖2所示。其中光電編碼器每旋轉一周發送固定脈沖數n,將脈沖傳輸至STC增強型單片機[5]。利用STC增強型單片機的可編程計數器陣列(PCA)模塊的捕獲輸入有效沿的功能,在輸入信號的上升沿和下降沿均產生中斷,從而完成對增量式編碼器輸出脈沖的計數工作。脈沖信號通過Cameralink線傳輸給相機,然后觸發相機掃描軌道并實時拍攝圖片,圖片信息通過千兆網口存儲于工控機,從而完成圖像采集。

圖2 光電編碼器安裝

2.1 硬件選型

(1)線陣CCD相機

線陣CCD相機是該圖像采集系統的核心元件,每次只掃描一條線,由于拍攝物體和CCD之間存在相對運動,因此通過連續掃描則可形成二維圖像。當掃描速率足夠高時,就可以消除運動模糊。由于圖像信息的質量(完整性、分辨率等)完全取決于線陣CCD相機。所以線陣CCD相機的選擇是整個系統成敗的關鍵。

CCD(Charged Coupled Device)從開始的數萬像素,經過50多年的發展,現在可達到數千萬像素。CCD相機實際上是一個光電轉換裝置,它將光學圖像轉換為計算機所能處理的電信號。其具有解析度高、靈敏度高、環境適應強、質量輕、體積小等優點[6]。此外,由于線陣CCD相機像元尺寸靈活、幀率較高。同時其圖像采集視場較大,并能實時傳輸光電轉換信號,因此可在動態下保證采集圖像幀率。所以,在運動狀態下通常選用線陣CCD相機以滿足幀率及拍攝視場較大的要求,在選擇線陣CCD相機時,需要考慮如下幾點[7-9]。

①圖像分辨率。圖像分辨率由相機本身的圖像傳感器決定,主要體現在行和列的像素。根據待拍攝的軌面和兩旁的扣件,其寬度為400 mm。圖像要求其橫向分辨率為0.25 mm,總像元數則為N=400/ 0.25=1 600。

②顏色的選擇。CCD相機分為黑白和彩色。相比彩色相機,黑白相機具有更高的分辨率、靈敏度、圖像對比度,更快的采集處理速度等優點。因此,黑白相機廣泛應用于工業在線檢測。

③輸出接口形式。一般的輸出接口形式有RS422、RS644、Cameralink、USB等。

此外,在選擇線陣CCD相機時,除了保證以上所提到的幾點要求外,還需考慮客戶需求、鐵路的現場環境以及線陣CCD相機本身的綜合性能,因此本套系統選擇線陣CCD相機。

(2)鏡頭

與線陣CCD相機配套的另外一個重要器件是鏡頭,合理選擇并安裝光學鏡頭是保證清晰成像的基礎。相機鏡頭主要是將物體反射光線聚集到CCD線陣相機上,形成清晰的圖像投影。鏡頭是一組光學器皿的組合體,大多由凹、凸透鏡按照一定規律組合而成。選擇光學鏡頭應注意:第一要保證鏡頭和線陣CCD相機相匹配;第二應根據實際工作距離或預留空間計算確定焦距,一般可以通過相應的公式確定。

式中,Hi和H0表示像高和物高;Di和D0表示相距和物距;Mi表示放大倍數;L表示視野,F是鏡頭焦距。

鏡頭的其他物理參數包括光圈、景深、視角等,對于本套系統而言,景深是需要重點考察的一個因素。因為軌道表面到扣件,二者的成像面不在一個平面。為了使二者同時清晰滿足精度要求并顯示在一張圖片上,所以景深必須大于鋼軌軌面到扣件的距離。光圈、焦距的大小直接影響到景深。光圈、焦距越小,景深越長。

(3)光源

系統需要在天窗時間作業,我國鐵路運營線路的天窗分為施工天窗和維修天窗。目前,高速鐵路采用狀態修和定期修相結合,以狀態修為主的維修方式。因高速鐵路的技術裝備和運輸組織要求不同,其天窗設置也不盡相同[10]。為了保證行車安全,高速鐵路運行圖一般在夜間設置5～6 h綜合維修天窗,所以需要照明光源。光源的好壞對系統最終測量的精度有很大的影響。線光源在特定的檢測線上能使待檢缺陷以可能高的分辨率得以復現。要獲取更好的圖像質量,光源的均勻性和照度必須達到很高的標準。

為實現這一目的,選擇了線性LED光源,該光源能迅速達到穩定照明狀態,并且可高亮度輸出,具有高均勻性,壽命長(100 000 h)等特點。因此,線陣光源可在軌道表面及周邊區域形成一道狹細的均勻照明亮帶。

2.2 總體設計

本系統需和國內已有的軌道檢測小車相結合,并且運行速度需達到10 km/h,結合現實鐵路上的實時條件,考慮到天窗時間、安全因素,解決了以下問題。

(1)硬件選型之后,將相機和軌道檢測小車結合在一起。由于小車的側壁、車的輪子和軌道并不是在同一平面。所以相機與小車的連接部分,將其設置為偏置機構(圖3),以保證其整個裝置的對稱性,并使相機對準軌道表面。

(2)由于系統需要在天窗時間作業,其時間相對并不寬裕?？紤]到上下道的人身安全,還需對整個裝置減重。通過對整個裝置進行受力分析和運動仿真,最后確定用鋁作為我們的材料。既能減輕整個裝置的質量,也能夠滿足軌道的現場條件要求。

(3)在小車的運行過程中,由于軌道上的復雜環境,會有較大的振動,對于工控機是個大的考驗,在實驗中發現振動可導致工控機會大量丟失圖片信息。為解決該問題,本套系統將工控機里的物理硬盤更換為接口相對應的固態硬盤,從而避免圖片丟失。

圖3 實驗臺結構

最后通過對相機和鏡頭的理論參數計算,包括拍攝視野和景深,考慮相機和鏡頭的兼容性,比如其接口,設計了一款基于軌道檢測小車硬件結構的支撐架,如圖3所示。

2.3 相機觸發方案

(1)線陣CCD相機觸發方式

線陣CCD相機按照觸發方式分為內觸發和外觸發。內觸發方式就是相機自己控制掃描的時間;外觸發方式是由外部條件來控制圖像的采集。而按照其掃描方式又可以分為自掃描方式和設置頻率掃描方式[11]。

對于自掃描方式,就是我們事先設定好相機的掃描頻率來進行掃描圖像。這種掃描方式需準確控制拍攝物體和相機的相對運動的速度,否則會造成圖像的失真或者掃描重復。線陣CCD相機在自掃描時采用行掃描的方式采集圖像信息。假設軌道檢測小車運行速度為10 km/h,CCD線陣相機的圖像采集頻率f一定。所以,相機在采集圖像過程中,其相鄰兩行之間的采集時間相隔為1/f,則相機采集圖像信息兩行的距離ΔS

由公式可知,當采用自掃描方式時,其f是一定的,而速度V并不是恒定的。所以,當軌道檢測小車運行速度提高時,其圖像采集相鄰兩行的距離會變大,采集的圖像被拉長而失真;相反,如果軌道檢測小車運行速度變慢,其圖像采集相鄰兩行的距離會變小。采集圖像會出現疊加。即線陣相機在采集圖像信息時,會對同一圖像區域曝光2次,圖像信息會出現疊影。其示意如圖4所示。

所以,需要對CCD線陣相機采用外部觸發模式,并確保在不同的速度條件下,其觸發相機的脈沖也不同,也就是說使相機能夠按照分辨率要求,每隔固定的距離進行行掃描,從而消除因軌道檢測小車運行速度的不同帶來的圖像采集失真或模糊。

(2)觸發信號的處理

脈沖信號通過Cameralink線傳送給線陣相機,其觸發信號的處理流程如圖5所示。

圖4 不同速度圖像信息采集示意

圖5 觸發信號的處理流程

由圖5可知,觸發信號的極性有2種,為行觸發信號和幀觸發信號。一般選擇行觸發信號的上升沿觸發。觸發信號同時有TTL和光耦2種輸入方式,選擇其中一種作為觸發信號的輸入源,選擇TTL觸發。整個觸發信號的處理過程都在FPGA里面完成,此外FPGA對信號的毛刺非常敏感,因此,需要進行去抖處理。去抖處理完成之后,信號輸送給相機內部的驅動模塊。隨后,相機內部驅動模塊驅動相機掃描目標區域,完成拍攝。

3 里程記錄模塊

為了準確定位圖片的位置信息,里程的記錄變為系統必不可少的一部分。通過在小車車輪安裝光電編碼器獲得里程脈沖,然后通過對脈沖信息的處理獲得里程信息。

3.1 工作原理

本系統主要是利用光電編碼器的方波信號和單片機的計數器完成里程信息的獲取。其工作原理是:假設軌道檢測小車車輪的直徑為D,經過時間T后,其車輪運動圈數為M,則可以計算出軌道檢測小車運行的距離為

其中,N為軌道檢測小車運行過程中所獲得的脈沖數總數,n為光電編碼器每轉動一周產生的脈沖數。將式(6)代入式(7)可得小車的運行距離為

因此,可以通過對脈沖信號的獲得,計算出軌道檢測小車運行的里程信息。

3.2 程序流程

里程模塊的主要程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程

首先小車運行,光電編碼器會開始旋轉觸發脈沖。初始化程序,然后單片機PCA0/P3.7引腳沿上升沿觸發,然后將里程計數的結果顯示到數碼管上。實現里程計數,主要就是對脈沖計數,為了實現脈沖信號計數,單片機必須對上升沿和下降沿都產生中斷,以保證對信號的正負邊沿的拾取,同時,還需要判斷編碼器的正反轉[12-14]。

4 實驗應用

當軌道小車和鋼軌相對運動時,光電編碼器會產生脈沖,并將其傳輸至線陣CCD相機,相機能夠自動檢測外來脈沖,線陣相機采用行掃描方式進行拍照,一個脈沖掃描一行。在相機控制軟件中,設置好行頻,曝光量,存儲格式等,通過網線可將圖片信息傳送并存儲至工控機,同時在液晶屏幕上顯示拍攝的動態圖片,并將圖片存儲至指定文件夾。

為了驗證基于線陣CCD的軌道部件采集系統的可靠性和實時性,對某鐵路進行圖像信息采集實驗。采集范圍為包括軌道表面,扣件以及部分軌枕,總長度共約500 mm。通過實驗,本系統能夠隨著小車運動速度的變化,實時觸發,且軌面和扣件拍攝圖像效果較好,如圖7所示。

圖7 現場圖片

圖7 中(a),(b),(c)三圖分別為軌道檢測小車以3、5、8 km/h 3種不同速度時,相機對同一線路段的鐵路拍攝的圖像信息。以上3張圖片信息均完整清晰(圖片信息未丟失,圖片未失真)。由此可知,軌道檢測小車的運行速度的改變,不會造成圖片的失真或者模糊,且里程信息準確。

5 結論

本套系統利用國內現有的軌道檢測小車的結構和線陣CCD相機連續快速的記錄軌道圖像信息,實驗結果表明,在不同速度條件下,該系統能保證圖像不失真、不漏采、不漏存,并準確記錄相應的里程信息,從而確保通過線陣圖像即可獲取軌道表面裂紋,扣件的缺損與丟失等缺陷。此外,系統的軟硬件采用模塊化設計,為未來高速狀態下圖像采集系統的搭建奠定了基礎。

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Design of Track Image Acquisition System Based on Linear-array CCD Camera

WU Lu-shen,ZHU Lei,CHEN Hua-wei
(School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Information collection of track image is an important means for monitoring track conditions in real time.In order to obtain the complete picture of railway track,a new-type image information acquisition system based on linear array CCD camera was developed in this design.The system can record the track information in quick succession by the use of linear array CCD camera,the running speed of the whole system can reach 10 km/h,and the horizontal and transverse resolution ratio of the rail surface is 0.5 mm×0.5 mm without any image distortion and missing.In addition,the key issues such as signal triggering,mileage recording and so on were solved in this design,so the complete collection of track information can be achieved.The experimental results indicate:the system can be independent of speed change of track inspection car and be capable of recording the mileage information accurately,laying the foundation for the next work of defect detection and localization.

inspection tour of railway track;image acquisition;linear-array CCD camera;pulse triggering

TP23

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.013改進。

1004-2954(2014)08-0055-05

2013-11-07;

2013-11-22

國家自然科學基金項目(NO.51065021)

吳祿慎(1953—),男,教授,博士生導師,E-mail:wulushen@ 163.com。

嵌入式組合高錳鋼轍叉結構緊湊,質量穩定可靠,磨耗均勻,具有高強度、高韌性、無明顯剝落掉塊和不易壓潰的特點,相對既有固定型轍叉,使用壽命明顯提高,養護維修工作量較小,綜合性價比較高,必將在重載鐵路市場得到廣泛應用。