CRTSⅡ型板離縫狀態(tài)高清圖像采集裝置的研究

朱有桃　中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

CRTSⅡ型軌道板因平順性、穩(wěn)定性好，耐久性高和維修方便等優(yōu)點(diǎn)已在我國京滬、滬杭、寧杭、合福等重要的高鐵線路上得到廣泛應(yīng)用。軌道路基地段從上而下依次是：鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、支撐層。CRTSⅡ型板式無砟軌道由于受到載荷不均勻、路基沉降和溫度等因素的影響，軌道板和砂漿層之間會出現(xiàn)不規(guī)則離縫現(xiàn)象，經(jīng)過發(fā)展會使得軌道板產(chǎn)生裂紋，進(jìn)一步發(fā)展會使得裂紋擴(kuò)展，產(chǎn)生裂縫、脹板等嚴(yán)重問題，直接影響行車安全。經(jīng)過對近幾年線路離縫現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)，離縫現(xiàn)象在夏季高溫天氣內(nèi)頻發(fā)，鐵路相關(guān)部門在這段期間內(nèi)需對軌道板離縫問題進(jìn)行重點(diǎn)排查，然而，現(xiàn)有的人工方式較難滿足線路高頻檢測需求，因此急需設(shè)計(jì)出能代替人工檢測的CRTSⅡ型板離縫狀態(tài)高清圖像采集裝置，及時(shí)有效的檢測CRTSⅡ型板離縫狀態(tài)圖像，提高檢測效率，保障列車運(yùn)行安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高清圖像視覺采集模塊由線結(jié)構(gòu)光源和線陣列相機(jī)組成，該兩組模塊以合適角度對稱地安裝于檢測車底兩側(cè)。車內(nèi)安裝由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和顯示器組成的控制分析模塊。在時(shí)速不大于80km/h條件下對鄰線CRTSⅡ型軌道板離縫區(qū)域進(jìn)行等間隔線陣高清圖像采集和存儲，為后續(xù)圖像數(shù)據(jù)異常智能分析和報(bào)警提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

系統(tǒng)工作流程如圖1所示，先由采集卡發(fā)出同步信號觸發(fā)2臺相機(jī)同時(shí)采集圖像，相機(jī)接收板卡的觸發(fā)信號，逐行拍攝，并將拍攝的圖像傳遞給采集卡，通過采集卡的整合發(fā)送給采集應(yīng)用程序。應(yīng)用程序做相應(yīng)處理后將圖像保存下來。

圖1 系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)硬件模塊

（1）相機(jī)選型

電荷耦合器件(chargecoupleddevice)CCD相機(jī)可分為面陣和線陣兩種。CCD面陣相機(jī)通過面的形式，一次性拍攝完整的測量圖像，具有目標(biāo)圖像直觀的優(yōu)勢，通常應(yīng)用在對物體的形狀、尺寸，位置等方面的測量。CCD線陣相機(jī)以線掃描的方式連續(xù)地對目標(biāo)物體進(jìn)行拍攝，以拼接的方式形成一幅完整的圖像，與面陣相機(jī)相比，它的傳感器只有一行感光光束，具有高掃描頻率和高分辨率特性，適用于物體的高精度測量，如金屬、塑料和纖維等材料的測量，同時(shí)也非常適用于被測視野為細(xì)長的帶狀，例如滾筒檢測上的問題。

離縫檢測不僅要拍攝出離縫位置的高清圖像，后續(xù)需通過圖像智能識別出離縫的長度和寬度，因此對圖像的分辨率要求較高。圖像采集裝置安裝在檢測車底，檢測車以一定的速度（80km/h）運(yùn)行，采集裝置需解決高頻采集，以及過彎道時(shí)圖像易變形的問題。CCD面相機(jī)因其面采集的方式，分辨率較CCD線陣相機(jī)低，而且在等距觸發(fā)采集時(shí)，由于車體的震動，打滑等因素，造成圖像重幀或丟幀問題，同時(shí)，在過彎道時(shí)圖片實(shí)際變形較大，嚴(yán)重影響檢測結(jié)果。CCD線陣相機(jī)因其線掃描方式，具有較高的分辨率和掃描頻率，適合離縫位置精確到1mm精度的尺寸測量，而且脈沖觸發(fā)形式采集拼接成完整圖像，即使有少量線丟幀或重幀也不影響離縫寬度和長度精確尺寸的智能檢測，并且過彎道時(shí)，因其是線拍攝拼接，避免了圖像變形，因此，選用CCD線陣相機(jī)拍攝離縫狀態(tài)。

（2）光源選型

如圖2所示，LED面陣列光源由若干小LED光源組合成模塊，通過滑槽嵌入橫梁中，安裝方便，一旦出現(xiàn)壞點(diǎn)，可以獨(dú)立更換，維護(hù)方便。光源采用鋁合金外殼，嵌入橫梁中，減少了側(cè)面飛石撞擊的概率，底面采用鋼化玻璃封裝，保持光源面清潔。相機(jī)以一條線的拍攝視角，如圖中左部分結(jié)構(gòu)中的線相機(jī)口，對外呈喇叭口式的拍攝。該種方式曾成功應(yīng)用于軌道巡檢系統(tǒng)中軌道面的高清圖像采集。然而，此種方式是否可用于離縫位置的高清成像？

圖2 LED光源和相機(jī)結(jié)構(gòu)及拍攝效果圖

軌道巡檢系統(tǒng)，安裝在車體底端的光源和相機(jī)同時(shí)朝向正下方軌道，反射光線進(jìn)入相機(jī)較多，拍出的圖像較為清晰。而離縫位置位于軌道的側(cè)面，由鄰線檢測車上安裝的檢測裝置斜向拍攝，因軌道側(cè)面背景較為復(fù)雜，LED光照射在這些物體上容易形成漫反射，反射到相機(jī)中的光線較弱，使得相機(jī)無法清晰拍攝離縫位置，如圖中右半部分，圖像較暗，且不清晰。

根據(jù)拍攝區(qū)域的環(huán)境和拍攝位置，需尋找更高亮度的光源，才能保證圖像清晰明亮。高功率投線型激光器（后面簡稱線激光器），采用先進(jìn)的光纖勻化技術(shù)，光學(xué)指標(biāo)細(xì)膩，能量分布均勻；采用高分辨率劃線棱鏡，線型平整，能量分布一致性高；配有過流、過壓及過溫保護(hù)報(bào)警裝置，超出工作條件時(shí)自動關(guān)機(jī)，避免硬件損壞；且內(nèi)部配件均有固化和防震處理，滿足車載、機(jī)載應(yīng)用。因此選用高功率投線型激光器作為線相機(jī)的光源。

（3）相機(jī)與光源的組合設(shè)計(jì)

線激光器投射出一定角度且具有約5mm厚度的扇形激光束，在5mm厚的光帶截面，光帶質(zhì)量均勻性較差，通常在5mm區(qū)域的中心位置亮，兩端偏暗，總體近似高斯分布，而且軌道側(cè)面各部分的反射率不均勻，局部存在污染或腐蝕，或者物體表面粗糙，同時(shí)相機(jī)也是線型拍攝，物體表面反射到相機(jī)的光線較弱，容易形成較模糊的圖片。因此，需將相機(jī)拍攝線中心與激光線束的正中心對齊，才能最大限度的利用激光正中心的高亮光源，從而得到較為明亮清晰的圖片。

圖3為線陣相機(jī)和線激光器的布局圖，線激光器的光束范圍要超過線相機(jī)的拍攝范圍。根據(jù)兩者位置建立三維坐標(biāo)系，相機(jī)和激光的光束面要完全重合，需解決六個自由度方位的上的位置關(guān)系，即X軸方向的移動和旋轉(zhuǎn)，Y軸方向的移動和旋轉(zhuǎn)，Z軸方向的移動和旋轉(zhuǎn)。在對齊時(shí)應(yīng)該注意：

（1）在驗(yàn)證光束面是否對齊時(shí)，以相機(jī)拍攝的圖像亮度均勻性判別，如果圖形亮度較好，且均勻，則兩者在該位置重合。

（2）在某一位置對齊，并不能代表，激光束面和相機(jī)拍攝面的完全重合。如在2m處圖像良好，2.2m處圖像稍暗，則說明，兩者是交叉對齊，應(yīng)繼續(xù)調(diào)平對齊，直至兩者的面完全重合。

（3）對齊時(shí)，相機(jī)拍攝面不能對齊在激光光束厚度的較暗處，此時(shí)雖能拍到圖片，但不是最亮圖片，也不能充分發(fā)揮激光效能。

（4）高功率激光肉眼較難識別，且激光具有一定能量，調(diào)試時(shí)應(yīng)注意安全，避免激光直射人體。

圖3 線相機(jī)和線激光器組合結(jié)構(gòu)

3 采集軟件設(shè)計(jì)開發(fā)

系統(tǒng)采用VisualC++作為應(yīng)用程序的開發(fā)工具，并使用Sepera++作為圖像采集和處理的主要類庫來進(jìn)行開發(fā)。 相機(jī)采集的外觸發(fā)信號由編碼器觸發(fā)，編碼器觸發(fā)的頻率由車速決定，車速越快，編碼器的觸發(fā)頻率越高，線掃描時(shí)間就越短，曝光時(shí)間相應(yīng)也會短。相機(jī)的線掃描速度由外觸發(fā)信號的頻率決定，曝光時(shí)間與外觸發(fā)信號的脈寬相同。

（1）采集軟件的實(shí)現(xiàn)

本程序使用ADO作為數(shù)據(jù)庫訪問的接口。ADO是Microsoft數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序開發(fā)的接口，是建立在OLEDB底層技術(shù)之上的高層數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)。OLEDB是數(shù)據(jù)庫底層接口，為各種數(shù)據(jù)源提供了高性能的訪問。而ADO則封裝了OLEDB所提供的接口，使用戶能夠編寫程序以通過OLE DB提供者訪問和操作數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的數(shù)據(jù)。程序中主要使用的ADO對象為連接對象Connection，記錄集對象Recordset，命令對象 Command。

為了能夠更方便的在程序中使用ADO建立數(shù)據(jù)庫連接與數(shù)據(jù)庫表的操作，程序中設(shè)計(jì)了專門的數(shù)據(jù)庫公共類。主要有 CADOCommand、CADODatabase、CADORecordset等類。這些類對原本的ADO操作做了相應(yīng)的封裝。程序?yàn)楦飨鄼C(jī)建立一組類，這些類相互協(xié)作完成采集任務(wù)，而且內(nèi)存堆里分配空間來生成SapBuffer對象，解決圖像數(shù)據(jù)量較大的問題。

（2）圖像的存儲和壓縮

①圖像的存儲

設(shè)計(jì)在80km/h的情況下，線掃描的頻率在30kHz,如果每線的像素?cái)?shù)是2048，這意味著單個相機(jī)每秒采集圖像的數(shù)據(jù)量就達(dá)到4.5MB，兩個相機(jī)則為9MB。這對存儲速度提出了較高的要求。為了提高存儲速度，采用磁盤陣列Raid0模式代替普通的硬盤來存儲數(shù)據(jù)。

磁盤陣列通過在多個磁盤上同時(shí)存儲和讀取數(shù)據(jù)來大幅提高存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。在磁盤陣列中，可以讓很多磁盤驅(qū)動器同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，而這些磁盤驅(qū)動器在邏輯上又是一個磁盤驅(qū)動器，所以使用磁盤陣列可以達(dá)到單個磁盤驅(qū)動器幾倍、幾十倍甚至上百倍的速率。同時(shí)因?yàn)榇疟P陣列的存儲速度更加接近內(nèi)存的存取速度，亦與高速度的CPU相匹配，從而使整體的工作速度大為提高。

②圖像的壓縮

磁盤陣列的確解決圖像的存儲速度問題，但是即便解決了速度的問題，還面臨著存儲量的問題。如果圖像不進(jìn)行壓縮，則每小時(shí)將產(chǎn)生大約31.6GB的數(shù)據(jù)量，即便是磁盤陣列也很難滿足較長時(shí)間的多次采集任務(wù)。所以我們必須將圖像進(jìn)行壓縮。通過定制專用的壓縮模塊，可將圖像在不影響質(zhì)量的情況下對圖像大小進(jìn)行大幅壓縮。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2017年6 月，檢測裝置安裝在上海局10924鋼軌探傷車上，實(shí)現(xiàn)了CRTSⅡ型軌道板離縫狀態(tài)的高清圖像采集。如圖4所示，相比較用LED光源作為補(bǔ)光，線激光器補(bǔ)光情況下線相機(jī)拍攝圖像，不僅具有較高的亮度，而且清晰，滿足后續(xù)智能軟件處理的要求。利用壓縮模塊后，單個相機(jī)拍攝的一幅圖（實(shí)際長2m）由原來4.5MB縮小到現(xiàn)在1.2M，近縮小到原來的1/4，而且通過磁盤陣列的存儲形式，存儲速度提高了10倍。

圖4 離縫狀態(tài)檢測圖像

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的CRTSII型板離縫狀態(tài)高清圖像采集裝置，運(yùn)用線激光器和CCD線陣相機(jī)的模塊化組合，同時(shí)開發(fā)相應(yīng)采集和存儲軟件，可采集CRTSⅡ型板離縫狀態(tài)的高清圖片，并且在不影響圖像質(zhì)量情況下，較大地壓縮了圖像大小，提高了圖像的存儲速度，為后續(xù)智能軟件的處理提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該設(shè)計(jì)較好地解決了人工現(xiàn)場巡視，效率低，安全性低，成本大的問題，提高了CRTSⅡ型板離縫狀態(tài)巡檢的效率，對保障鐵路運(yùn)輸安全具有積極重要的作用。