本實用新型涉及一種轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)，屬于軌道交通中道岔控制領(lǐng)域，具體是一種基于雙目視覺處理識別的轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

道岔控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)轍機的安全性和穩(wěn)定性監(jiān)測對于軌道交通行業(yè)中列車的安全運行發(fā)揮著重要作用。缺口狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖像和視頻)是分析轉(zhuǎn)轍機運行狀態(tài)的重要參考。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測方法分為直接測量和間接測量兩大類。直接測量方式的傳感器安裝在缺口間隙，其輸出可直接反映被測間隙大小，但安裝復(fù)雜。間接測量方式容易安裝，但需要仔細(xì)調(diào)整基準(zhǔn)位置?，F(xiàn)有的轉(zhuǎn)轍機監(jiān)測系統(tǒng)存在如下問題：一是現(xiàn)有系統(tǒng)中采用的電磁測量時，受溫度和電磁的影響較大，有些系統(tǒng)只能定性的反映缺口狀態(tài)，不能對缺口進行定量分析；有些系統(tǒng)還需要對不同的轉(zhuǎn)轍機提供不同的傳感器。二是現(xiàn)有轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測原理多樣，各種方法之間不兼容，這就提高了系統(tǒng)的運行和升級的難度和成本。三是現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)多采用ADSL傳輸，對圖像和視頻的實時高清傳輸帶來較大的延遲。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實用新型提供一種基于雙目視覺處理識別和光纖傳輸?shù)霓D(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)，這種方法對現(xiàn)場轉(zhuǎn)轍機改造較少，只需安裝帶有雙目高清攝像頭的集成電路控制卡，將處理識別任務(wù)交給運算能力強大的監(jiān)控中心。這種監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地提高系統(tǒng)的兼容性和監(jiān)測的準(zhǔn)確率。

本實用新型的目的在于，提供一種使用范圍廣，系統(tǒng)兼容性好，監(jiān)測準(zhǔn)確率高的轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)只需將圖像數(shù)據(jù)通過光纖技術(shù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心即可得出任何時刻的缺口邊緣和缺口偏移量。該系統(tǒng)還可以進行單獨的升級與維護，不需要改變現(xiàn)場轉(zhuǎn)轍機的結(jié)構(gòu)。

本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的：基于雙目視覺處理識別和光纖傳輸?shù)霓D(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)包括現(xiàn)場雙目采集子系統(tǒng)、CAN總線光纖傳輸子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)。

所述雙目采集子系統(tǒng)包括高清攝像頭、集成電路控制卡，所述集成電路控制卡控制高清攝像頭，并且所述集成電路控制卡模塊集成有圖像壓縮編碼芯片、視頻流傳輸芯片、信號轉(zhuǎn)換芯片，將高清攝像頭采集到的實時缺口圖像通過集成電路控制卡進行預(yù)處理，編碼，壓縮。

所述CAN總線光纖傳輸子系統(tǒng)包括：CAN總線和傳輸光纖，所述CAN總將集成電路控制卡的輸出端數(shù)據(jù)傳送到傳輸光纖，傳輸光纖將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控子系統(tǒng)。

所述監(jiān)控子系統(tǒng)包括：應(yīng)用程序主機和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，監(jiān)控中心將圖像和視頻數(shù)據(jù)存儲到大容量存儲器中，并將原始圖像和視頻顯示在監(jiān)視器屏幕上。所述應(yīng)用程序主機能夠進行Canny邊緣檢測、Hough變換、約束條件算法數(shù)據(jù)分析與處理，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行數(shù)據(jù)管理。對包含所有缺口信息的攝像機左圖和右圖進行灰度化處理，平滑圖像，去除噪聲操作。然后使用Canny邊緣檢測器對圖像進行邊緣檢測，隨后對圖像進行Hough變換進行線段檢測，識別提取出圖像中的線段數(shù)據(jù)。接著，對識別處理出來的線段進行篩選、判決、分類操作，最終識別出精確的代表缺口左邊緣的線段。最后，根據(jù)缺口偏移計算原理，通過比例計算出實際中轉(zhuǎn)轍機缺口偏移量。

上述監(jiān)測實現(xiàn)過程對左圖像和右圖像同時適用，根據(jù)左、右圖像分別計算出的缺口偏移量，進行平均值處理，得到缺口偏移量的統(tǒng)計數(shù)值。

優(yōu)選地，所述高清攝像頭具體為雙目高清攝像頭，分別采集左圖和右圖。

優(yōu)選地，其特征在于，所述集成電路控制卡具體為ARM芯片集成電路控制卡。

優(yōu)選地，所述集成電路控制卡中集成存儲單元?？蓪⒉杉降臄?shù)據(jù)緩存于存儲單元中，最終會把數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控子系統(tǒng)來進行存儲。

優(yōu)選地，所述傳輸光纖中包括光纖控制器、光纖組，所述光纖組包括百兆光纖、光纖交換機、千兆光纖。，所述光纖控制器用于監(jiān)控信號在光纖段的傳輸，光纖控制器中包含光纖轉(zhuǎn)換模塊及收發(fā)器用于將數(shù)字化信號轉(zhuǎn)換為光信號并通。

所述的Canny邊緣檢測器對圖像進行邊緣檢測原理是：圖像使用帶有指定標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的高斯濾波器來平滑，從而可以減少噪聲。在每一個像素點處計算局部梯度和邊緣方向，公式如下：

邊緣點定義為梯度方向上其強度局部最大的點。確定的邊緣點會導(dǎo)致梯度幅度圖像中出現(xiàn)脊。然后，算法追蹤所有脊的頂部，所有不在脊的頂部的像素設(shè)置為0，以便在輸出中給出一天細(xì)線。脊像素使用兩個閾值T1和T2做閾值處理，其中T1＜T2。值大于T2的脊像素稱為強邊緣像素，T1和T2之間的脊像素稱為弱邊緣像素。最后，算法通過將8連接的弱像素集成到強像素，執(zhí)行邊緣鏈接。

所述的Hough變換進行線檢測的原理是：圖像像素由于噪聲、不均勻照明引起的邊緣斷裂和雜散的亮度不連續(xù)而難以得到完全的邊緣特性。Hough變換是用來尋找并鏈接圖像中線段的方法。在平面直角坐標(biāo)系xy中，一條直線可以用方程

y＝kx+b

來表示。對于直線上一個確定的點(x₀，y₀)，有

y₀＝kx₀+b

這表示參數(shù)平面(k-b)中的一條直線。因此，圖像中的一個點對應(yīng)參數(shù)平面中的一條直線，圖像中的一條直線對應(yīng)參數(shù)平面中的一個點。對圖像上所有的點做霍夫變換，最終所要檢測的直線對應(yīng)的一定是參數(shù)平面中直線相交最多的那個點。這樣就在圖像中檢測出了直線。在實際應(yīng)用中，直線通常采用參數(shù)方程為：

ρ＝xcosθ+ysinθ

基于Hough變換的連接方法為：

計算圖像的梯度并對其設(shè)置門限，得到一幅二值圖像。在ρθ平面內(nèi)確定再細(xì)分。對像素高度集中的地方檢驗其累加器單元的數(shù)目。檢驗選擇的單元中像素之間的關(guān)系。

所述的缺口偏移計算原理和比例公式原理是：

其中，M是基準(zhǔn)圖像的實際寬度，L是缺口實際偏移量，M′是圖像上基準(zhǔn)標(biāo)記的寬度，L′是圖像上缺口的偏移量。

基于雙目視覺處理識別和光纖傳輸?shù)霓D(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)，所述的轉(zhuǎn)轍機監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊，信號轉(zhuǎn)換模塊，光纖轉(zhuǎn)換模塊及收發(fā)器，以及監(jiān)控中心。其中數(shù)據(jù)采集模塊包括雙目高清攝像頭單元、圖像編碼壓縮單元、視頻流傳輸單元等；數(shù)據(jù)采集單元完成的任務(wù)包括數(shù)據(jù)的采集工作，數(shù)據(jù)的編碼壓縮工作，數(shù)據(jù)的終端傳輸至信號轉(zhuǎn)換單元。信號轉(zhuǎn)換單元用于數(shù)據(jù)的數(shù)字化工作。傳輸光纖中包含光纖轉(zhuǎn)換模塊及收發(fā)器，用于將數(shù)字化信號轉(zhuǎn)換為光信號并通過光纖傳輸至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心用于圖像顯示、圖像處理、圖像識別、數(shù)據(jù)建模、轉(zhuǎn)轍機缺口健康狀態(tài)評價等工作。

本實用新型基于雙目視覺處理和光纖傳輸?shù)霓D(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括如下步驟：

S1.集成電路控制卡控制高清攝像頭進行數(shù)據(jù)采集，將高清攝像頭采集到的實時缺口圖像通過集成電路控制卡進行預(yù)處理、編碼、壓縮；

S2.將數(shù)據(jù)信號通過CAN總線和傳輸光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控子系統(tǒng)；

S3.監(jiān)控子系統(tǒng)將圖像和視頻數(shù)據(jù)存儲到大容量存儲器中，并將原始圖像和視頻顯示在監(jiān)視器屏幕上；

S4.對包含所有缺口信息的攝像機圖像進行灰度化處理，平滑圖像，去除噪聲操作；

S5.使用Canny邊緣檢測器對圖像進行邊緣檢測，隨后對圖像進行Hough變換進行線段檢測，識別提取出圖像中的線段數(shù)據(jù)；

S6.對識別處理出來的線段進行篩選、判決、分類操作，最終識別出精確的代表缺口左邊緣的線段。

S7.根據(jù)缺口偏移計算原理，通過比例計算出實際中轉(zhuǎn)轍機缺口偏移量。

優(yōu)選地，所述監(jiān)測實現(xiàn)過程對左圖像和右圖像同時適用，根據(jù)左、右圖像分別計算出的缺口偏移量，進行平均值處理，得到缺口偏移量的統(tǒng)計數(shù)值。

本實用新型的有益效果包括：

(1)采用雙目高清攝像頭采集到的轉(zhuǎn)轍機缺口圖像實測數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)需要安裝各種類型的傳感器的復(fù)雜性問題。

(2)采用雙目攝像頭和視覺處理的方法，可以充分分析缺口信息，解決傳感器測量不準(zhǔn)確的問題，提高了整個系統(tǒng)的兼容性和伸縮性，簡化了轉(zhuǎn)轍機部分的工程施工難度。

(3)將技術(shù)難度放在計算處理能力強大的監(jiān)控中心，減輕嵌入式端的資源緊張和開發(fā)難度。利用圖像視覺等技術(shù)，增強了技術(shù)含金量，降低了維護成本。

(4)采用CAN over Fiber技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r傳輸高清圖像和視頻流，具有嵌入式工業(yè)控制CAN總線穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，又具有光纖高帶寬、高速率、抗干擾的優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本實用新型的系統(tǒng)架構(gòu)圖；

圖2是本實用新型的視覺處理識別工作流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實例對本實用新型做詳細(xì)闡述。

結(jié)合圖1所示，轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為現(xiàn)場轉(zhuǎn)轍機部分、CAN總線光纖傳輸部分、監(jiān)控中心部分3大子系統(tǒng)。在現(xiàn)場轉(zhuǎn)轍機部分中，系統(tǒng)需要安裝雙目高清攝像機，將攝像機的鏡頭對準(zhǔn)軌道的缺口位置，左右兩個攝像頭對稱擺放，攝像頭通過USB接口連接到集成電路控制卡，集成電路控制卡基于ARM和Linux平臺，對攝像頭采集到的數(shù)據(jù)進行編碼、存儲、壓縮等操作。在監(jiān)控中心中，運行著圖像視覺處理識別的系統(tǒng)，此系統(tǒng)處理圖像視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列的運算，將轉(zhuǎn)轍機缺口圖像和識別信息顯示到監(jiān)視器上。處在前面兩個子系統(tǒng)中間的是CAN總線光纖傳輸部分，主要采用CAN over Fiber傳輸技術(shù)，光纖為對稱帶寬傳輸介質(zhì)，支線光纖100Mbps起，干線光纖1Gbps起。光纖在中遠(yuǎn)距離傳輸中經(jīng)濟性好(25km起)?？梢詫崟r傳輸視頻流及各種數(shù)據(jù)、控制信號容量大、抗干擾能力強。在新的工業(yè)系統(tǒng)中廣泛使用，也能兼容升級原有CAN總線系統(tǒng)。

結(jié)合圖2所示，此視覺處理識別工作流程圖顯示的是監(jiān)控中心的核心技術(shù)流程。首先對包含所有缺口信息的攝像機左圖和右圖進行灰度化處理，平滑圖像，去除噪聲操作。然后使用Canny邊緣檢測器對圖像進行邊緣檢測，隨后對圖像進行Hough變換進行線段檢測，識別提取出圖像中的線段數(shù)據(jù)。接著，對識別處理出來的線段進行篩選、判決、分類操作，最終識別出精確的代表缺口左邊緣的線段。最后，根據(jù)缺口偏移計算原理，通過比例計算出實際中轉(zhuǎn)轍機缺口偏移量。上述監(jiān)測實現(xiàn)過程對左圖像和右圖像同時適用，根據(jù)左、右圖像分別計算出的缺口偏移量，進行平均值處理，得到缺口偏移量的統(tǒng)計數(shù)值。

原始缺口圖像中上下兩個矩陣狀的色塊分別是基準(zhǔn)標(biāo)記和實際缺口，經(jīng)過灰度化處理，濾波，去除噪聲，使用Canny邊緣檢測器等操作后，再經(jīng)過Hough變換進行線檢測，并用標(biāo)記出有效地線段，優(yōu)選用彩色線段進行標(biāo)記，例如紅色線進行標(biāo)記，最后，經(jīng)過一系列篩選、判決、分類等操作，最終用線段標(biāo)記出兩個矩形狀色塊的左右邊線，優(yōu)選用彩色線段進行標(biāo)記，例如藍色線進行標(biāo)記，這四條線是最有效地四條線段，通過這四條線段可以準(zhǔn)確通過數(shù)學(xué)計算出兩者的水平偏移量。