基于圖像處理的弓網(wǎng)參數(shù)檢測方法

摘要：針對目前鐵路受電弓靜態(tài)拉出值與導(dǎo)高值檢測效率低、誤差較大等問題，提出一種基于實時圖像處理的動態(tài)拉出值、導(dǎo)高值的測量方法。首先對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定得到像素值和實際值的對應(yīng)關(guān)系，通過固定的相機(jī)獲取受電弓位置，利用形狀匹配算法得到受電弓具體位置參數(shù)，然后利用Hough直線檢測算法得到受電弓上邊緣直線，其次通過線條寬度的判別和最小二乘法擬合得到接觸線，最后計算出接觸線和受電弓上邊緣直線的交點坐標(biāo)，結(jié)合相機(jī)標(biāo)定參數(shù)進(jìn)而得到實際的拉出值和導(dǎo)高值。

關(guān)鍵詞：拉出值導(dǎo)高接觸點形狀匹配

中圖分類號：U225;TP391.41

PantographParameterDetectionMethodBasedonImageProcessing

CHENYueQIUQiyuanCAIZhengda

XihuaUniversity，ChengduCity，SichuanProvince，610039China

Abstract：Inrespondtotheproblemsofstaticpull-outvalue，lowheightdetectionefficiencyandlargeerrorofrailwaypantograph，adynamicpull-outvalueandheightconductionmeasurementmethodbasedonreal-timeimageprocessingwasproposed.Firstly，thecameraiscalibratedtoobtainthecorrespondencebetweenthepixelvalueandtheactualvalue，thepantographpositionisobtainedbythefixedcamera，thespecificpositionparametersofthepantograph areobtainedbyusingShapeMatchingalgorithm;Then，thestraightlineontheupperedgeofthepantographisobtainedbyusingHoughlinedetectionalgorithm;Next，thecontactlineisobtainedbydiscriminatingthelinewidthandfittingitwiththeleastsquaresmethod;Finally，theintersectionpointcoordinatesofthecontactlineandtheupperedgelineofthepantographarecalculated，andtheactualpull-outvalueandconductionheightvalueareobtainedbycombiningthecameracalibrationparameters.

KeyWords：Pull-outvalue;Hightconduction;Contactpoint;Shapematching

弓網(wǎng)系統(tǒng)是鐵路供電系統(tǒng)的重要組成部分。其中導(dǎo)高和拉出值是判斷列車是否正常運行的重要參數(shù)，列車運行過程中對其進(jìn)行實時檢測極為重要。常用的測量方式包括接觸式和非接觸式。接觸式主要是通過在受電弓上安裝各種傳感器進(jìn)行測量；非接觸式主要采用雙目視覺、結(jié)構(gòu)光輔助的視覺測量、激光掃描[1]等方法計算接觸線的高度、拉出值。非接觸式檢測由于檢測速率更快、檢測效果較好而漸漸成為首選檢測方式。現(xiàn)有非接觸式檢測主要有可見光相機(jī)配合紅外相機(jī)檢測方式，例如：武雷等人[2]首先通過邊緣檢測算法得到受電弓中心坐標(biāo)，再通過紅外相機(jī)采集溫度最高點得到弓網(wǎng)接觸點坐標(biāo)進(jìn)而得出動態(tài)拉出值，但該方法容易受到環(huán)境溫度的干擾。張曉會等人[3]采用雙目視覺相機(jī)測量，利用亞像素邊緣檢測和最小二乘法擬合出接觸線，該方法能有效提高測量精度，但對相機(jī)的安裝精度要求高，且檢測效率較低。

本文提出一種使用單目視覺相機(jī)進(jìn)行實時測量拉出值和導(dǎo)高的方法，首先定位到相機(jī)中受電弓區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)檢測受電弓上邊緣直線和接觸線直線，得兩直線的交點，經(jīng)過相機(jī)標(biāo)定后得到實際拉出值和導(dǎo)高值。

1檢測原理

接觸網(wǎng)動態(tài)幾何參數(shù)，即接觸網(wǎng)的動態(tài)導(dǎo)高值和拉出值，接觸網(wǎng)的動態(tài)拉出值指的是弓網(wǎng)接觸點距離受電弓中心的偏移量；動態(tài)導(dǎo)高指的是弓網(wǎng)接觸點距離列車軌道平面的高度[4]。通過檢測拉出值和導(dǎo)高是否處于合理范圍內(nèi)來判斷弓網(wǎng)接觸的安全狀態(tài)。

檢測原理包含三部分：首先是受電弓定位，該步驟利用模板匹配方法建立受電弓的準(zhǔn)確位置和姿態(tài)，確保準(zhǔn)確的位置信息用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理；其次是弓網(wǎng)接觸點識別，這一步驟采用了Hough直線檢測技術(shù)來識別受電弓的上邊緣，并且利用最小二乘法對接觸線進(jìn)行擬合，從而精確確定接觸線的位置和方向；再次通過計算受電弓與接觸線的交點，確定弓網(wǎng)接觸點的準(zhǔn)確位置；最后經(jīng)過相機(jī)標(biāo)定后推算出弓網(wǎng)接觸點距離列車軌道平面的高度，即動態(tài)導(dǎo)高值，以及弓網(wǎng)接觸點距離受電弓中心的偏移量，即動態(tài)拉出值。

2檢測算法實現(xiàn)

2.1受電弓定位

在檢測受電弓與接觸線交點之前，需要準(zhǔn)確定位出受電弓的位置以確保檢測的準(zhǔn)確性。本文采用形狀匹配方法來定位出受電弓位置。在定位受電弓之前，先創(chuàng)建一個受電弓模板，模板創(chuàng)建后，應(yīng)用模板在源圖中檢索匹配對象，基于形狀的模板匹配通過相似度來表征模板與待匹配區(qū)域的相似性[5]。假設(shè)模板在x，y方向的梯度為GiT（GxiT，GyiT），待識別區(qū)域在x，y方向的梯度為Gu，vS（Gxu，vS，Gyu，vS），其中u，v為圖片的行列數(shù)。模板和匹配圖片之間的相似程度如式。Su，v的范圍在0～1之間，得分?jǐn)?shù)據(jù)越高表示匹配程度越高。

經(jīng)過形狀匹配后得到的效果如圖1所示。

2.2受電弓的上邊緣檢測

Hough變換（HT）是一種應(yīng)用非常廣泛的形狀分析技術(shù)，其原理是利用圖像空間和Hough參數(shù)空間的線-點對偶性，把圖像空間中的檢測問題轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間中進(jìn)行[6]。將圖像空間中的直線對應(yīng)到參數(shù)空間中的點，在直角坐標(biāo)系中引入極坐標(biāo)系，直線的參數(shù)方程表示為

式（2）中：ρ表示直線距離原點的垂直距離；θ表示垂線與x軸的角度。圖像空間中每一條直線都對應(yīng)了一個點（ρ，θ），而圖像空間中的點在參數(shù)空間中則對應(yīng)一條曲線。圖像空間中共線的點在參數(shù)空間中則表示成曲線相交的點，曲線相交點次數(shù)越多，（ρ0，θ0）越確定。在ρ-θ參數(shù)空間坐標(biāo)系下得到（ρ0，θ0）后即可得到所有檢測出的直線方程，直線的斜率m，截距n用式子表示為：

經(jīng)過受電弓定位后得到匹配的中心坐標(biāo)（Coloumn，Row），此時在受電弓上邊緣區(qū)域劃取用于檢測受電弓上邊緣直線的ROI區(qū)域，并將該區(qū)域做二值化處理以便于提高Hough直線檢測的準(zhǔn)確性（如圖2所示）。

在受電弓上邊緣區(qū)域，觀察發(fā)現(xiàn)受電弓的角度范圍沒有太大的變化，通過篩選θ角度，使θ的取值范圍在85°～90°之間得到有效受電弓上邊緣直線（如圖3所示）。

經(jīng)過θ角度篩選后直線的方程表示如下：

2.3接觸線檢測

為減少其他雜線的干擾，劃定矩形框上面部位的ROI區(qū)域來檢測接觸線。在此區(qū)域內(nèi)分別有接觸線和吊弦兩根直線，要正確區(qū)分出接觸線才能得到正確的拉出值。經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，在同一視角下，接觸線的線寬比吊弦的線寬大，這一特性可以通過掃描算法來區(qū)分出接觸線[7]。掃描算法可以利用線寬的差異來區(qū)分并識別出接觸線，從而準(zhǔn)確地定位和提取所需的幾何參數(shù)。這種精細(xì)的區(qū)分方法有助于在復(fù)雜背景或多線條情況下，有效地提取出接觸線，進(jìn)而實現(xiàn)接觸網(wǎng)動態(tài)幾何參數(shù)的精確測量和分析。具體步驟如下。

首先將矩形框上部的ROI區(qū)域做二值化處理，通過劃定閾值使得畫面中有線段的部分像素值變?yōu)?其余背景等像素值變?yōu)?55，這樣就初步區(qū)分出接觸線和背景；接著逐行掃描二值化后的ROI區(qū)域，將每一行中連續(xù)的像素值為0的序列索引抽出，比較這些連續(xù)的序列，篩選出最長連續(xù)的序列，將此最大序列的中間索引值xi取出。掃描完成后得到一系列的（xi，yi）坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其中最大序列中間索引值xi即為x坐標(biāo)，y坐標(biāo)為行數(shù)yi。將坐標(biāo)數(shù)據(jù)集做篩選，將坐標(biāo)xi變化較大的坐標(biāo)過濾掉用于減小擬合直線時的誤差，剩下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)做最小二乘法擬合得到接觸線的斜率k、截距b，如式（6）（7）所示。

圖4為矩形框上部接觸線檢測ROI區(qū)域二值化后的效果，圖5為最小二乘法擬合出接觸線的效果。擬合出的接觸線方程用公式表示為：

結(jié)合接觸線方程（8）和受電弓上邊緣方程（5）計算出兩直線的交點即可得到接觸點的位置坐標(biāo)（xp，yp），公式為：

3相機(jī)標(biāo)定

當(dāng)相機(jī)安裝位置固定好之后，采用12×2的棋盤格，棋盤格中每個格子的實際大小是80×80mm，相機(jī)采集的棋盤格如圖6所示。

將棋盤格區(qū)域裁剪，經(jīng)過亞像素角點檢測[8]后棋盤格角點顯示如圖7所示。

選擇棋盤格中第1個點P1（x1，y1）與第12個點P2（x2，y2）的像素坐標(biāo)，此時計算出這兩點的歐幾里得距離Ldisp：

而P1與P2對應(yīng)的實際距離為Ldist=80×11，由此得到像素值與實際值的映射關(guān)系R=Ldist/Ldisp。

3.1拉出值，導(dǎo)高計算

得到比例關(guān)系R后，結(jié)合上面式子得出的接觸點坐標(biāo)（xp，yp）和受電弓的中心坐標(biāo)（Coloumn，Row）即可算出實際的拉出值LH和導(dǎo)高值LV：

其中H表示車頂距離地面的高度。

4結(jié)論

本文提出的動態(tài)檢測拉出值，導(dǎo)高值測量方法，基于圖像的受電弓定位，利用線條寬度的差別來識別出接觸線，有效排除了吊弦對接觸線的干擾。通過計算出的接觸線與受電弓上邊緣直線的交點并結(jié)合相機(jī)預(yù)先標(biāo)定的參數(shù)得出實際的動態(tài)拉出值。該方法能有效的在列車高速運行中檢測受電弓與接觸線的運行狀態(tài)，極大的提高安全監(jiān)測效率。

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