[发明专利]一种基于机器视觉火车导轨轮廓测量中轮廓配准方法

权利要求书

1.一种基于机器视觉火车导轨轮廓测量中轮廓配准方法，其特征在于，轮廓测量包括以下步骤：S1，采集钢轨图像；S2，将采集到的钢轨图像传输至计算机进行处理，得到钢轨断面的单像素曲线；S3，对单像素曲线进行标定还原，得到实际轮廓线；S4，进行轮廓配准；

所述的步骤S4中的轮廓配准包括以下子步骤：

S41：以导轨非工作边的最末端点作为轮廓线的定标点，即原点，建立笛卡尔坐标系，将导轨的实际轮廓线和标准轮廓线统一到笛卡尔坐标系中，分别取两条轮廓线的渐近线，并利用两轮廓线的渐近线取得两者之间的夹角θ；

S42：用旋转因子R(θ)对实际轮廓线进行旋转，使得两条轮廓线的渐近线相互平行，得到旋转后的实际轮廓线；

S43：将旋转后的实际轮廓线进行平移，使该实际轮廓线端点与标准轮廓线的端点重合，完成轮廓线的配准，此时，标准轮廓线和配准后的实际轮廓线相对位置已经确定。

2.根据权利要求1所述的轮廓配准方法，其特征在于，所述的步骤S1中采集钢轨图像的方法为：通过激光光切法获取钢轨断面轮廓曲线，并采用CCD相机采集激光图像，CCD相机采集的是断面轮廓的散射光，该轮廓的散射光是二维图像模型。

3.根据权利要求1所述的轮廓配准方法，其特征在于，所述步骤S3中的标定还原是指对于采集到的二维图像模型，通过计算来还原实际的三维空间上图像的信息，通过几何模型来重构二维图像和三维实物之间的对应关系的过程。

4.根据权利要求3所述的轮廓配准方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包括以下子步骤：

S31：通过相机成像和图像畸变的变化，设其隐参数关系式为：

其中，设P(x,y)表示的是世界坐标系，P(u,v)表示的是像方空间坐标系，参数a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l是待定系数，标定的目的就是要通过固定的世界坐标系和像方空间坐标的关系来求出隐形的待定参数，然后在实际应用中通过隐形的参数和像方坐标点来得到对应的世界坐标系上物方坐标点；

S32：为了消除个别点对结果的影响，采用最小二乘法来求取待定参数：通过求取最小误差的平方和来求取函数参数的最佳匹配，采用20组对应的坐标来求取隐形参数；

S33：采用半自动化定标的方法，通过预先设定定标板上的点的坐标点，即物方坐标， 通过图像处理的方法来采集像方平面上对应的像方坐标值，将式(1)分离成矩阵的形式：

B＝[x₁ x₂...x₂₀ y₁ y₂...y₂₀]^T        (3) 

C＝[a b c d e f g h i j k l]^T             (4) 

C＝A^-1B                  (5) 

其中，式(2)为物方坐标系矩阵，式(3)为对应的像方坐标点矩阵，式(4)为系数矩阵，通过式(5)求解出系数矩阵共12个参数；

S34：在测量系统中，将式(5)进行变换成：

A＝BC^-1              (6) 

测试系数矩阵C为已知，再通过图像中点的坐标B矩阵来反求出对应的物方坐标，也就是钢轨轮廓断面的实际轮廓线；

S35：在图像标定还原的过程中，由于采集的图像会出现几何变形，所以需要对得到的图像进行几何变换，几何变换是将图像中的像素映射到另一个图像中，包括水平方向的映射和垂直方向的映射，几何变换包括两个方面的内容：像素坐标变换和亮度插值：

S351：像素坐标变换是输出图像和输入图像之间的映射，图像平面(x,y)经过几何变换到图像平面(X,Y)是向所变换的关系式为：

这样，通过变换的系数a_rk和b_rk就可以确定几何变换的关系，几何变换进行图像处理时 可能会改变整个坐标系，通过雅克比系数来确定坐标系变换的信息：

当J＝0时，变换是不可逆的，当J＝1，表示在进行变换时图像面积具有不变性，在测量系统采集图像时，最易发生的图像几何变形就是图像的旋转，在图像的几何变换中，旋转R是最常用的一种变换，变换关系如式(9)：

所以，只要得到旋转的角度θ，就能通过式(9)将图像进行旋转变换；

S352：亮度插值的目的是确定经过变换后的像素点的灰度值，变换后得到的新的图像点可能是一个非整数的坐标，需要对图像的像素值进行处理得到这一点的灰度，它对几何变换后图像的质量有直接的影响，插值的方法包括最近邻、线性、双三次三种。