论文部分内容阅读
[摘 要]用MATLAB图像处理测量车辆轮轨横向相对位移，是脱轨预警系统的一个测量子项目。本文是先介绍了项目背景，然后从软件和硬件两方面介绍了项目研究情况，最后是实验结果和项目推广。
[关键词]MATLAB图像处理 ； 轮轨横向位移 ； 脱轨预警系统
中图分类号：U269.32+ 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）23-0204-01
一、项目背景
我国铁路自提速以来，货物列车脱轨呈上升趋势，脱轨在铁路部门重大事故、大事故中所占比例达到了70%。脱轨是指车轮离开钢轨，失去了钢轨对其垂向和横向约束而导致车辆不能继续在轨道上正常运行的现象。[1]对货物列车来说，空载车辆提速是增加重载铁路运力和工作效率的有效手段，但因空载时车辆垂向作用力的减小，空载车辆提速以后容易发生脱轨事故，因此脱轨预警系统的设计研发尤为重要，本项目是脱轨预警系统的一个测量子项目。对轮轨横向相对位移的测量进行了研究，结合我国铁路发展的实际情况及铁路货车的实际使用，使其在最短的时间内使有脱轨倾向的车辆进行相应操作，防止脱轨事故，保证铁路运输安全。
针对轮轨间相对位移的测量，传统的非接触式的测量方式如LVDT、涡流等测试方法其测量范围较小，难以满足测量要求。因此，我们通过分析讨论，决定采用图形处理技术解决该问题。首先，图形处理技术具有较高的测量精度和较大的测量距离，其次，可以适应较恶劣的环境，最后该技术已经比较成熟较实用。我们设想的方案是通过在轮对承载鞍上安装传感器支架，放置一个或多个摄像头对铁轨进行摄像，采用图形处理的方法实时判断轮轨的相对位置，夜间则添加辅助光照进行摄像。最后使用图形数据处理技术，分析出轮轨相对位移，进而预警防止列车脱轨。
二、 项目研究
1、软件方面研究
先拍摄视频，然后将一系列静态影像以电信号方式加以捕捉，记录，处理，储存，传送与重现的技术。我们拍摄所得的视频文件由于连续图像变化每秒超过24帧画面以上，根据视觉暂留原理，人眼无法辨别单幅的静态画面，看上去是平滑连续的视觉效果。在本项目中根据视频的形成原理逆向对其进行操作，提取出单帧的图像。
灰度处理。灰度图像就是只有强度信息，而没有颜色信息的图像，通常是在单个电磁波频谱（如可见光）内测量每个像素的亮度得到的。用于显示的灰度图像通常每个采样像素8位的非线性尺度来保存，这样可以有256级灰度。对从视频中提取出的图片进行灰度处理，得到的的灰度图显示精度刚刚能够避免可见的条带失真，并且非常易于编程，保证精度。
Hough算法检测直线。Hough变换是一种使用表决原理的参数估计技术，其原理是利用图像空间和Hough参数空间的点-线对偶性，把图像空间中的检测问题转换到参数空间。通过在参数空间里进行简单的累加统计，然后在Hough参数空间寻找累加器峰值的方法检测直线。
由于拍摄设备、拍摄条件及场地等原因，不能检测出铁轨边缘的一整条直线，而是许多小段直线，我们通过控制检测直线的最小长度及同一图像中两条线段的距离来得到理想的直线检测结果，并且提取出直线段的端点的坐标。
铁轨边缘直线拟合。提取的直线段的端点的坐标应该位于铁轨的两边的边缘，首先将这些坐标点分为两组（分别位于铁轨两个边缘），然后去掉那些偏离铁轨边缘较远的点，接着进行两次直线拟合，拟合出铁轨两侧边缘的位置，最后计算出铁轨的中线位置的坐标值。
得到位移量。将计算得出的铁轨的中线位置的坐标值与基准位置的坐标值做差取绝对值，此值再乘上单位像素代表的实际距离，最终求出铁轨的横向偏移量。单位像素代表的实际距离通过拍摄某一标准长度物体，通过处理得到其像素值，从而可得出图像像素与实际距离间的关系。注意由于拍摄位置对图像距离与实际距离间的换算关系存在很大影响，因此在得到此标准长度拍摄中摄像头的位置因与拍摄铁轨时摄像头的位置保持一致。
2、硬件方面研究
根据本项目的研究，需要拍摄目标运动。实际设想在车辆轮对承载鞍上安装摄像头，由于轮对承载鞍与车辆轮之间基本为刚性连接，相对位移量很小，因此得到的录像可近似作为车辆轮轨间的相对运动情况。但由于在做实验过程中我们不能在实际运行的车辆上进行试验，因此设计了一辆简易小车，用小车在铁轨上的运动模拟车辆在铁轨上的运行情况。
由于摄像头在测量初始需调整一个标准位置，作为基准值，用以与以后拍摄所得铁轨位置作差从而得出位移。因此摄像我们没有事先固定位置，在进行实验时，调整其位置后再用双面胶等将其固定在小车上。
为了验证本项目测量方法的可行性，计算出测量精度，我们在小车上安装了两个定位螺栓。调整好初次基准位置后，我们拍摄一组录像。然后调整螺栓位置，使小车相对铁轨横向偏移一定距离，记下此调整距离，拍摄录像，同样的方法，调整螺栓得到不同的录像。然后将录像进行软件处理，得到轮轨横向横向位移，与先前我们所记下的调整螺栓距离进行比较，计算出本项目测量方法的精度。注意，在整个测量过程中，小车上的定位螺栓应始终与铁轨侧边缘接触且小车车轮在铁轨上放置始终平稳，以保证螺栓的调整距离与摄像头和铁轨的横向相对位移一致。
三、 实验结果
考虑到实际的天气情况，我们一共进行了四种工况的实境试验，分别为晴朗天气下的白天和黑夜以及阴雨天气下的白天和黑夜。在每种工况下，我们都拍摄了四段录像，分别为基准位置录像，定位螺栓偏移5mm、10mm的录像。经软件处理后，将结果整理如下表一。
四、 项目推广
MATLAB是当今国际上科学界最具影响力，也是最有活动的软件，已经发展成为适合多学科的大型软件。本项目用MATLAB软件处理数字图像达到检测物体位移的目的，研究得出一下技术：
1、目标物体跟踪技术，由此可推广应用于运动目标检测；
2、图像长度距离或面积与实际距离或面积间的换算，由此可推广应用于目标物体大小或长度测量；
3、复杂图像直线检测技术，由此可推广应用于目标物体边缘检测。
此外，MATLAB还可应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
参考文献
[1] 《列车脱轨分析理论与运用》，曾庆元等，中南大学出版社，2006年12月第1版.
[2] 《空载货运列车脱轨检测系统的研究》，唐永康，工业控制计算机，2012年，25（8）.
[3] 《根据车轮抬升量评判车辆脱轨的方法与准则》，翟婉明等，铁道学报，2001年，23（2）.
[4] 《重载铁路空载车辆脱轨预警系统的研究》，王翀，硕士学位论文.
[5] 《MATLAB在信号与图像处理中的应用》，朱习军，电子工业出版社，2009年3月.
[6] 《精通图像处理》，张强等，电子工业出版社，2009年3月.
[7] 《基于Matlab的植物叶面积数字摄像图像处理》，贾爱莲等，山西农业大学学报，2006年.
[8] 《常用图像边缘检测方法及Matlab研究》，韦炜，现代电子技术，2011年，34（4）.
[9] 《基于图像处理的高精度位移测量系统的研究》，张文干，硕士学位论文.
[关键词]MATLAB图像处理 ； 轮轨横向位移 ； 脱轨预警系统
中图分类号：U269.32+ 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）23-0204-01
一、项目背景
我国铁路自提速以来，货物列车脱轨呈上升趋势，脱轨在铁路部门重大事故、大事故中所占比例达到了70%。脱轨是指车轮离开钢轨，失去了钢轨对其垂向和横向约束而导致车辆不能继续在轨道上正常运行的现象。[1]对货物列车来说，空载车辆提速是增加重载铁路运力和工作效率的有效手段，但因空载时车辆垂向作用力的减小，空载车辆提速以后容易发生脱轨事故，因此脱轨预警系统的设计研发尤为重要，本项目是脱轨预警系统的一个测量子项目。对轮轨横向相对位移的测量进行了研究，结合我国铁路发展的实际情况及铁路货车的实际使用，使其在最短的时间内使有脱轨倾向的车辆进行相应操作，防止脱轨事故，保证铁路运输安全。
针对轮轨间相对位移的测量，传统的非接触式的测量方式如LVDT、涡流等测试方法其测量范围较小，难以满足测量要求。因此，我们通过分析讨论，决定采用图形处理技术解决该问题。首先，图形处理技术具有较高的测量精度和较大的测量距离，其次，可以适应较恶劣的环境，最后该技术已经比较成熟较实用。我们设想的方案是通过在轮对承载鞍上安装传感器支架，放置一个或多个摄像头对铁轨进行摄像，采用图形处理的方法实时判断轮轨的相对位置，夜间则添加辅助光照进行摄像。最后使用图形数据处理技术，分析出轮轨相对位移，进而预警防止列车脱轨。
二、 项目研究
1、软件方面研究
先拍摄视频，然后将一系列静态影像以电信号方式加以捕捉，记录，处理，储存，传送与重现的技术。我们拍摄所得的视频文件由于连续图像变化每秒超过24帧画面以上，根据视觉暂留原理，人眼无法辨别单幅的静态画面，看上去是平滑连续的视觉效果。在本项目中根据视频的形成原理逆向对其进行操作，提取出单帧的图像。
灰度处理。灰度图像就是只有强度信息，而没有颜色信息的图像，通常是在单个电磁波频谱（如可见光）内测量每个像素的亮度得到的。用于显示的灰度图像通常每个采样像素8位的非线性尺度来保存，这样可以有256级灰度。对从视频中提取出的图片进行灰度处理，得到的的灰度图显示精度刚刚能够避免可见的条带失真，并且非常易于编程，保证精度。
Hough算法检测直线。Hough变换是一种使用表决原理的参数估计技术，其原理是利用图像空间和Hough参数空间的点-线对偶性，把图像空间中的检测问题转换到参数空间。通过在参数空间里进行简单的累加统计，然后在Hough参数空间寻找累加器峰值的方法检测直线。
由于拍摄设备、拍摄条件及场地等原因，不能检测出铁轨边缘的一整条直线，而是许多小段直线，我们通过控制检测直线的最小长度及同一图像中两条线段的距离来得到理想的直线检测结果，并且提取出直线段的端点的坐标。
铁轨边缘直线拟合。提取的直线段的端点的坐标应该位于铁轨的两边的边缘，首先将这些坐标点分为两组（分别位于铁轨两个边缘），然后去掉那些偏离铁轨边缘较远的点，接着进行两次直线拟合，拟合出铁轨两侧边缘的位置，最后计算出铁轨的中线位置的坐标值。
得到位移量。将计算得出的铁轨的中线位置的坐标值与基准位置的坐标值做差取绝对值，此值再乘上单位像素代表的实际距离，最终求出铁轨的横向偏移量。单位像素代表的实际距离通过拍摄某一标准长度物体，通过处理得到其像素值，从而可得出图像像素与实际距离间的关系。注意由于拍摄位置对图像距离与实际距离间的换算关系存在很大影响，因此在得到此标准长度拍摄中摄像头的位置因与拍摄铁轨时摄像头的位置保持一致。
2、硬件方面研究
根据本项目的研究，需要拍摄目标运动。实际设想在车辆轮对承载鞍上安装摄像头，由于轮对承载鞍与车辆轮之间基本为刚性连接，相对位移量很小，因此得到的录像可近似作为车辆轮轨间的相对运动情况。但由于在做实验过程中我们不能在实际运行的车辆上进行试验，因此设计了一辆简易小车，用小车在铁轨上的运动模拟车辆在铁轨上的运行情况。
由于摄像头在测量初始需调整一个标准位置，作为基准值，用以与以后拍摄所得铁轨位置作差从而得出位移。因此摄像我们没有事先固定位置，在进行实验时，调整其位置后再用双面胶等将其固定在小车上。
为了验证本项目测量方法的可行性，计算出测量精度，我们在小车上安装了两个定位螺栓。调整好初次基准位置后，我们拍摄一组录像。然后调整螺栓位置，使小车相对铁轨横向偏移一定距离，记下此调整距离，拍摄录像，同样的方法，调整螺栓得到不同的录像。然后将录像进行软件处理，得到轮轨横向横向位移，与先前我们所记下的调整螺栓距离进行比较，计算出本项目测量方法的精度。注意，在整个测量过程中，小车上的定位螺栓应始终与铁轨侧边缘接触且小车车轮在铁轨上放置始终平稳，以保证螺栓的调整距离与摄像头和铁轨的横向相对位移一致。
三、 实验结果
考虑到实际的天气情况，我们一共进行了四种工况的实境试验，分别为晴朗天气下的白天和黑夜以及阴雨天气下的白天和黑夜。在每种工况下，我们都拍摄了四段录像，分别为基准位置录像，定位螺栓偏移5mm、10mm的录像。经软件处理后，将结果整理如下表一。
四、 项目推广
MATLAB是当今国际上科学界最具影响力，也是最有活动的软件，已经发展成为适合多学科的大型软件。本项目用MATLAB软件处理数字图像达到检测物体位移的目的，研究得出一下技术：
1、目标物体跟踪技术，由此可推广应用于运动目标检测；
2、图像长度距离或面积与实际距离或面积间的换算，由此可推广应用于目标物体大小或长度测量；
3、复杂图像直线检测技术，由此可推广应用于目标物体边缘检测。
此外，MATLAB还可应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
参考文献
[1] 《列车脱轨分析理论与运用》，曾庆元等，中南大学出版社，2006年12月第1版.
[2] 《空载货运列车脱轨检测系统的研究》，唐永康，工业控制计算机，2012年，25（8）.
[3] 《根据车轮抬升量评判车辆脱轨的方法与准则》，翟婉明等，铁道学报，2001年，23（2）.
[4] 《重载铁路空载车辆脱轨预警系统的研究》，王翀，硕士学位论文.
[5] 《MATLAB在信号与图像处理中的应用》，朱习军，电子工业出版社，2009年3月.
[6] 《精通图像处理》，张强等，电子工业出版社，2009年3月.
[7] 《基于Matlab的植物叶面积数字摄像图像处理》，贾爱莲等，山西农业大学学报，2006年.
[8] 《常用图像边缘检测方法及Matlab研究》，韦炜，现代电子技术，2011年，34（4）.
[9] 《基于图像处理的高精度位移测量系统的研究》，张文干，硕士学位论文.