【正文】 y)，△ X(dX)，△ Y(dY)。dykybkxbf dxkybkxbH ??? ??cosA)c oss in( )c oss in(39。光源照射平面應(yīng)與鋼軌縱軸保持垂直。 采用中值濾波是對均值濾波的一種改進(jìn)，它的優(yōu)勢在于：（ 1）在濾波過程中不會產(chǎn)生新象素值。區(qū)域增長的歸并過程的實現(xiàn)算法是遞歸的，以混合型鏈結(jié)的區(qū)域增長為例，歸并過程的梗概為：對初始分割的諸區(qū)域用它們相應(yīng)的性質(zhì)向量對它們做描述，在迭代的每一步，性質(zhì)向量用借以構(gòu)成它的最佳擬合鄰域的性質(zhì)向量的某種函數(shù)來代替。 5）區(qū)域增長法 區(qū)域增長法是一類直接在圖像的空間域中進(jìn)行分割的方法。假設(shè)邊界上存在兩個距離很遠(yuǎn)的斷點 A 與 B，為了將它們連接起來，我們可以構(gòu)造一個邊緣特性評價函數(shù)對 連接 A、 B的每一種可能的路徑進(jìn)行分析。利用小波變換的時－頻域特性可以將空域的邊緣檢測方法與頻域的濾波處理結(jié)合起來。這些算子通常稱為微分型邊緣檢測算子，常用的有 Roberts算子、 Sobel 算子、 Prewitt 算子、 Kirsch 算子、 Laplacian 算子等。一些圖像處理學(xué)專家采用綜合利用邊緣信息與灰度信息的方法獲取局部閾值，并且在某些應(yīng)用領(lǐng)域中獲得了成功。確定全局閾值的一般方法是基于對灰度直方圖的統(tǒng)計分析，具體實現(xiàn)的方法很多，例如 雙峰法、 ptile方法、大津展之方法、最小誤差法、熵法等。圖像分割方法種類繁多，基本的方法有基于度量空間的空間域聚類方法、基 于邊緣檢測的方法、區(qū)域增長法等。 圖 8 2） 卷積運算與空域濾波： 卷積可以簡單地看成是 加權(quán)求和的過程，卷積時使用的權(quán)用一個很小的矩陣表示。比如低通濾波，中值濾波，灰度校正，直方圖均衡，二值化，分區(qū)標(biāo)號等等。過合點和亮帶上的任意點作 直線，找出直線上的最亮點，將這些點相連就是鋼軌輪廓線的像，經(jīng)坐標(biāo)變換即可得到鋼軌輪廓線。 亮帶細(xì)化 亮帶細(xì)化的目的是找出亮帶的中心線。39。39。 (xc,yc)與（ x,y）之間的關(guān)系如下： xc=xcoskysink+dx (13) yc=xsink+ycosk+dy (14) 物方平面直角坐標(biāo)系 OoXY 與物方坐標(biāo)系 CxcYc 之間的關(guān)系如圖 6 所示。 yc (4) 式中 H39。在像平面 P上以等角點 c為原點取直角坐標(biāo)系 cxcyc,cxc 垂直于主縱面 W， cyc 在 W 中與 vv 重合。過 S點作 P平面的垂線，與 P平面相交于像主點 o,與 E 平面相交于 o 的 相應(yīng)點 O,即為物鏡的主光軸 ,So 即為物鏡的主焦距 f。 數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)庫：將實測輪廓線與標(biāo)準(zhǔn)輪廓線進(jìn)行比較，并測量其左、右軌距的偏差值。各方框的功能介紹如下： 圖像采集：調(diào)用圖像卡庫函數(shù)，將視頻圖像采集到計算機內(nèi)存。該方案又分為機器視覺方案和激光測距方案兩種。 （ 2）由于現(xiàn)有的 GJ4 型軌檢車數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用的操作系統(tǒng)為 QNX，采用命令行進(jìn)行超限編輯，用數(shù)據(jù)文件對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。 因此，上世紀(jì) 90 年代末期，滿足于更高精度和檢測速度的激光和攝像技術(shù)獲得應(yīng)用并逐步取代了原有的其他檢測系統(tǒng)。 因 此， 有必要采用新技術(shù)對原有裝備進(jìn)行改造，以提高軌道檢測系統(tǒng)的可靠性，滿足鐵路提速后對線路質(zhì)量狀況監(jiān)測的要求。 1. 國內(nèi)外軌檢車現(xiàn)狀 國內(nèi)軌檢車概況 目前國內(nèi)軌檢車軌距、軌向測量裝置大量采用安裝于軸箱的軌距吊梁式檢測系統(tǒng)。 該設(shè)備 的軌距軌向測量裝置采用安裝于軸箱上的軌距吊梁方式， 其 安全性及 可靠性 方面不能滿足鐵路大提速的要求，為此 XX 科技司設(shè)立了該裝置的研究項目。但 GJ3 和 GJ4 型軌檢車的軌距 軌向測量裝置采用安裝于軸箱上的軌距吊梁檢測方式在安全性及可靠性 方面不能滿足鐵路大提速的要求，為此 XX 運輸局下發(fā)運基設(shè)備 [2021]312號文要求對 GJ4 型軌檢車的軌距 軌向系統(tǒng)進(jìn)行改造。 實際上，從 1997 年開始，隨著檢測速度的提高，陸續(xù)發(fā)生了北京局 97990、部 9762成都局 9773烏魯木齊局 97742 軌檢車斷梁事故，采用該種檢測方式的 GJ4 型和 GJ3 型軌檢車存在的安全隱患不能小視。較為典型的系統(tǒng)如美國 Imagemap 公司的 Laserall 系統(tǒng)及日本“黃色醫(yī)生”軌檢車。 借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗，研制出攝像方式的軌距、軌向測量系統(tǒng)。同時將軌道檢測相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在軌道管理數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行管理和利用，并保證各種型號軌檢車數(shù)據(jù)庫格式的統(tǒng)一。其次，由于現(xiàn)場安裝條件所限，不可能在斷面垂直方向安裝攝像機，只能從斜側(cè)方向采集圖像。有兩種方法：一是二值圖像的細(xì)線化算法，包括細(xì)線化，消除短枝和間隙等。作到上述兩點，既能保證標(biāo)定參數(shù)不變。 W 與 P 平面的交線 vv 與相片坐標(biāo)系 y 軸的夾角 k 為相片旋轉(zhuǎn)角。39。 (11) YI=yifH139。dykykxf dxkykxH ??? ?? Yc=ycf H?39。dykykxf dykykxH ??? ??sinA+dX (17) Y=)c oss in( )s inc os(39。 ,k， A，△ x，△ y，△ X，△ Y，這些參數(shù)決定于近景攝影的內(nèi)方位元素和外方位元素。這要求在鋼軌表面沿光帶垂直方向作一系列平行直線，提取這些平行直線與亮帶交線上的最亮點。 短枝削去算法： HILDITCH 算法所得到的細(xì)線圖形的毛刺和短叉。圖中（ a）的直方圖表明像素灰度僅分部在很小范圍內(nèi)，這種圖像一般視覺效果差，感覺十分模糊。大多數(shù)常用的卷積核都是 3*3 的。閾值可以定義為包含以下形式的函數(shù) T 的一個算子 T(x,y,N(x,y),g(x,y)) 其中 g(x,y)是點（ x,y）處的灰度值， N(x,y)表示局部特征。全局閾值化方法實現(xiàn)簡單，但是魯棒性較差，當(dāng)圖像內(nèi)容比較復(fù)雜、圖像中存在背景不均勻現(xiàn)象時選取的閾值常常發(fā)生錯誤，這時采用局部閾值化技術(shù)可以提高圖像分割的質(zhì)量。 （ a）階躍狀邊緣 （ b）屋脊?fàn)钸吘? 圖 9 兩種邊緣截面圖 階躍狀邊緣是圖像處理中應(yīng)用最多的一類邊緣。曲面擬合的邊緣檢測方法GJ3 型和 GJ4 型軌距軌向檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 15 是在小區(qū)域內(nèi)用最佳擬合的方法把原始圖像用擬合曲面來代替， 在擬合曲面上做邊緣檢測。一種簡單的邊緣連接方法是在邊界斷點的 55? 或稍大的 鄰域內(nèi)搜索另外的斷點，然后將兩個斷點連接起來。假設(shè)在邊界上兩個斷點 A、 B 之 間存在一組稀疏分布的邊緣點，我們首先用直線連接 A、 B，然后計算分布在 A、 B之間的邊緣點到直線 AB的垂直距離，GJ3 型和 GJ4 型軌距 軌向檢測檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 16 選擇距離最大的點 C并且用線段 AC、 CB代替 AB 作為連接路徑，如此不斷循環(huán)直到剩余的不在邊界上的邊緣點距離最近的線段的距離小于某個設(shè)定值為止。這種圖像分割方法稱為區(qū)域增長。 6）中值濾波 中值濾波是一種非線性信號處理技術(shù)，是一種比較有效的抑制噪聲方法。為此必須列出八個方程式，也就是說必須利用四對相應(yīng)控制點的已知坐標(biāo)。 標(biāo)定時采集標(biāo)定圖的圖像，用鼠標(biāo)點擊各交叉點（最少 4 點），得到點擊點在像平面直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，設(shè)為（ xb,yb）。39。因此，系統(tǒng)必須采用高速測量卡（下稱測量卡）的結(jié)構(gòu)方式，以滿足實時地采集鋼軌圖像，并從數(shù)字化的圖像中分析、測量出軌距值。在硬件方案中，圖像處理 運算用專用的 LSI 器件（ ASIC）實現(xiàn)，速度快，支持并行處理，并且已開發(fā)出許多實現(xiàn)圖像處理運算的 ASIC 器件可供選用，如富氏變換， Hough 變換，相關(guān)運算等。這些 IP 核或者是電路圖，或者是用硬件描述語言（如 VHDL 或 Verilog）寫成的軟件包。技術(shù)要求的改變和修改設(shè)計都意味著要推倒重來，而開發(fā) ASIC要投入很大的人力物力，花費很長的時間。但是 PC機是通用設(shè)備，是單指令流的串行設(shè)備，不支持并行運算，速度慢資源利用率低，不適于用做高速實時圖 像 處理。該系列器件有分層存儲系統(tǒng)，可實現(xiàn)可配置 LUT和 4Kbit同步雙口 RAM。前者用于低速場合，后者用于高速場合。 FPGA和通用 DSP的組合達(dá)到的數(shù)據(jù)流量比兩個或多個并行 DSP器件要高幾個數(shù)量級，與多個 DSP或一個 ASIC相比， FPGA/DSP的實現(xiàn)基于更大的靈活性，而且效益更好。在原四型車中，由于軌距吊梁安裝于軸箱上， bt? 很小，近似認(rèn)為軌距梁所在平面和軌道平面平行，即軌道的傾角就是梁的側(cè)滾角，而軌向的測量平面 和軌距梁所在平面平行， cos( bt? )近似為一，可以不做該修正；對于安裝于構(gòu)架上的安全梁，軌向的測量平面和軌距梁所在平面并不平行；要將 by 投影到軌向的測量平面，其投影為 by *cos( bt? )；則通過上述公式即可測得左右軌向。 GJ3 型和 GJ4 型軌距 軌向檢測檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 26 關(guān)于 G(z)設(shè)計這里不作詳細(xì)討論，主要遵循以下原則： 圖 17 模擬低通濾波器 F(s)在不同速度下的幅頻特性 圖 18 糾偏濾波器的幅頻特性 (1) 確定數(shù)字濾波器的形式：從濾波器的穩(wěn)定性和便于計算的角度出發(fā)，一般取階數(shù)與模擬濾波器相同的 FIR 濾波器。如圖21 所示： GJ3 型和 GJ4 型軌距 軌向檢測檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 28 圖 19 不同速度下數(shù)字補償濾波 G(z)的幅頻特性 圖 20 不同速度下模擬濾波 F(s)和數(shù)字補償濾波 G(z)的混合幅頻特性 圖 21 FFD和加速度的關(guān)系 GJ3 型和 GJ4 型軌距軌向檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 29 對于速度： ,)2()1()1(1??????nTnynyn? 1)1()()1()()(???????nn TnynyT nynyn? 對于加速度：nnn TTnynynyT nnna1)2()1(2)()1()()(????????? ?? (1) 對于 FFD(一階差分 )： FFD( )(ny )= )1()( ?? nyny 對于 SFD(二階差分 ):SFD( )(ny )=FFD( )(ny )FFD( )1( ?ny ) = )2()1(2)( ???? nynyny (2) 由 (1)、 (2)可得： ?? nn TTna 1)( SFD( )(ny )。是一種科學(xué)的、切實可行的、較低成本的解決方案。局域網(wǎng)擴展性很強，利用 TCP/I。第二部分是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，分為超限編輯計算機和波形圖顯示計算機。該結(jié)果仍然包含有我們不期望長波成分，再經(jīng)過高通濾波器 U(z)，得到我們所需要的結(jié)果。近似準(zhǔn)則一般為： ? S平面與 z平面零極點相消的準(zhǔn)則 ? 在頻率軸（模擬域）或單位園 （數(shù)字域）通帶內(nèi)確定若干點，令這些點處的值為理想值 ? 用計算機優(yōu)化方法設(shè)計，而最優(yōu)的準(zhǔn)則又是多種多樣的。由此可看出，其幅頻特性在空域內(nèi)隨列車的速度的不同而改變，圖 17 為當(dāng)列 車速度為 18km/h、 36km/h、 144km/h 其空域的幅頻特性圖。對左右鋼軌斷面圖像提取頂點、軌距點的坐標(biāo)值，GJ3 型和 GJ4 型軌距 軌向檢測檢測裝置的研制 中國鐵道科學(xué)研究院 22 即可得到被測左右軌距點的偏移量，如圖 13所示。在現(xiàn)有的 DSP方案中，利用 FPGA中陣列乘法的分布式算術(shù)運算，可以將數(shù)據(jù)的帶 寬、流量提高幾個數(shù)量級。它含有查找表（ LUT），乘積項（ productterm）邏輯和嵌入式存儲器。它資源豐富可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的運算；它所固有的并行性使其具有極高的數(shù)據(jù)吞吐率；它的可重構(gòu)特性和很高的重構(gòu)速度使其具有很大的靈活性。 ASIC適于大批量民用產(chǎn)品生產(chǎn)，不適于產(chǎn)品的研制和開發(fā)。 FPGA 在容量（單個芯片的等效門數(shù)）和性能上都比 ASIC 具有更大的競爭力?？傊浖桨赋杀镜挽`活但速度慢；硬件方案速度高但不夠靈活且成本高。測量卡的視頻制式兼容 PAL 和 NTSC兩種制式，分辨率為 576*768，可以單 場或單幀處理圖像；測量卡通過 PCI 總線與 PC 連接，與 PC 及工業(yè) PC 系統(tǒng)兼容；測量卡的測量精度為： 177。 , H39。39。為了在工作中參數(shù)保持不變光源與攝像機應(yīng)安裝在一個堅固構(gòu)件上，使其相對幾何位置保持不 變。 在二維形式下，中值濾波器可以用某種形式的窗口，如方窗或十字型窗等，一個象素的灰度值被包圍它的窗口內(nèi)的所有象素值的中值取代。區(qū)域增長技術(shù)中最重要、最有效的方法是基于象 素的某鄰域定義性質(zhì)向量，這種方法成為混合型鏈結(jié)的區(qū)域增長。對于區(qū)域邊界中少量的間斷情形，尋找到了