基于偏振分光的钢轨廓形检测方法、系统及装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010147291.2 (22)申请日 2020.03.05 (71)申请人 中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所 地址 100081 北京市海淀区大柳树路2号主 楼12层 申请人 北京铁科英迈技术有限公司 中国铁道科学研究院集团有限公司 (72)发明人 方玥王乐王昊王胜春 赵延峰赵鑫欣王宁周谦 张翼李海浪黎国清任盛伟 (74)专利代理机构 北京三友知识产权代理有限 公司 11127 代理人 王天尧汤在彦 (51)Int.Cl. G01B 11/25(2006。

2、.01) G06T 7/13(2017.01) G06T 7/66(2017.01) (54)发明名称 基于偏振分光的钢轨廓形检测方法、 系统及 装置 (57)摘要 本发明公开了一种基于偏振分光的钢轨廓 形检测方法、 系统及装置， 该方法包括： 获取钢轨 表面反射光的P分量偏振图像和S分量偏振图像， 其中， 钢轨表面反射光经偏振分光棱镜分解为振 动平面互相垂直的P分量透射光和S分量反射光， P分量偏振图像为P分量透射光形成的图像， S分 量偏振图像为S分量反射光形成的图像； 根据P分 量偏振图像和S分量偏振图像， 确定钢轨表面反 射光的总强度图像； 对P分量偏振图像、 S分量偏 振图像和总强度。

3、图像进行融合处理， 得到融合图 像； 根据融合图像， 提取钢轨廓形数据。 本发明能 够获得无局部过曝现象的高质量钢轨廓形光条 图像， 从中提取到准确的光条中心， 提高钢轨廓 形检测的准确性。 权利要求书3页 说明书12页 附图9页 CN 111307065 A 2020.06.19 CN 111307065 A 1.一种基于偏振分光的钢轨廓形检测方法， 其特征在于， 包括： 获取钢轨表面反射光的P分量偏振图像和S分量偏振图像， 其中， 钢轨表面反射光经偏 振分光棱镜分解为振动平面互相垂直的P分量透射光和S分量反射光， P分量偏振图像为P分 量透射光形成的图像， S分量偏振图像为S分量反射光形成。

4、的图像； 根据P分量偏振图像和S分量偏振图像， 确定钢轨表面反射光的总强度图像； 对P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像进行融合处理， 得到融合图像； 根据融合图像， 提取钢轨廓形数据。 2.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 对P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度 图像进行融合处理， 得到融合图像， 包括： 根据P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像中光条的特征信息， 确定P分量偏振 图像、 S分量偏振图像和总强度图像的融合权重； 根据P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像的融合权重， 对P分量偏振图像、 S分 量偏振图像和总强度图像进行融合处理， 得到融合图像。。

5、 3.如权利要求2所述的方法， 其特征在于， 根据P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强 度图像中光条的特征信息， 确定P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像的融合权重， 包括如下任意之一： 根据P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像中光条的宽度信息， 确定不同光条 偏振图像的融合权重； 根据P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像中光条的强度信息， 确定不同光条 偏振图像的融合权重。 4.如权利要求2所述的方法， 其特征在于， 通过如下公式对P分量偏振图像、 S分量偏振 图像和总强度图像进行融合处理： 其中， Fkj表示融合图像F中第j列第k行像素的灰度值；表示第i幅待融合图。

6、像中第j 列第k行像素的灰度值； 表示第i幅待融合图像中第j列像素的融合权重； N表示待融合图 像数量。 5.如权利要求3所述的方法， 其特征在于， 通过如下公式确定P分量偏振图像、 S分量偏 振图像和总强度图像的融合权重： 其中，表示第i幅待融合图像中第j列的光条宽度； Mr表示光条参考宽 度； 表示第i幅待融合图像中第j列的光条宽度与光条参考宽度的差值； 0表示当等 于0时设置的一个数， 以排除分母为0的情况； m表示权重调节因子。 权利要求书 1/3 页 2 CN 111307065 A 2 6.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 根据融合图像， 提取钢轨廓形数据， 包括： 提取融合。

7、图像中光条中心的位置信息； 对融合图像中光条中心的位置信息进行坐标转换， 得到钢轨一侧的半断面廓形数据； 对钢轨两侧的半断面廓形数据进行廓形拼接处理， 得到钢轨的全断面廓形数据。 7.如权利要求6所述的方法， 其特征在于， 采用如下任意一种算法提取融合图像中光条 中心的位置信息： 极大值法、 灰度重心法和Steger法。 8.一种基于偏振分光的钢轨廓形检测系统， 其特征在于， 包括： 钢轨廓形检测组件和图 像处理主机， 所述钢轨廓形检测组件包括： 线结构光激光器、 偏振分光棱镜、 第一成像设备 和第二成像设备； 其中， 所述线结构光激光器， 用于发出光刀平面垂直入射到钢轨表面； 所述偏振分光棱。

8、镜， 用于采集钢轨表面反射光， 并将钢轨表面反射光分解为振动平面 互相垂直的P分量透射光和S分量反射光； 所述第一成像设备， 用于采集P分量透射光， 生成P分量偏振图像； 所述第二成像设备， 用于采集S分量反射光， 生成S分量偏振图像； 所述图像处理主机， 与所述第一成像设备和所述第二成像设备分别通信， 用于根据所 述第一成像设备生成的P分量偏振图像和所述第二成像设备生成的S分量偏振图像确定钢 轨表面反射光的总强度图像， 并对P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像进行融合 处理， 得到融合图像， 进而根据融合图像， 提取钢轨廓形数据。 9.如权利要求8所述的系统， 其特征在于， 所述第一。

9、成像设备包括： 第一成像镜头和第 一面阵相机； 所述第二成像设备包括： 第二成像镜头和第二面阵相机； 其中， 所述第一成像镜头， 用于采集P分量透射光； 所述第一面阵相机， 与所述第一成像镜头连接， 用于根据所述第一成像镜头采集的P分 量透射光， 生成P分量偏振图像； 所述第二成像镜头， 用于采集S分量反射光； 所述第二面阵相机， 与所述第二成像镜头连接， 用于根据所述第二成像镜头采集的S分 量反射光， 生成S分量偏振图像。 10.一种基于偏振分光的钢轨廓形检测装置， 其特征在于， 包括： 图像获取单元， 用于获取钢轨表面反射光的P分量偏振图像和S分量偏振图像， 其中， 钢 轨表面反射光经偏振。

10、分光棱镜分解为振动平面互相垂直的P分量透射光和S分量反射光， P 分量偏振图像为P分量透射光形成的图像， S分量偏振图像为S分量反射光形成的图像； 第一图像处理单元， 用于根据P分量偏振图像和S分量偏振图像， 确定钢轨表面反射光 的总强度图像； 第二图像处理单元， 用于对P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像进行融合处 理， 得到融合图像； 钢轨廓形提取单元， 用于根据融合图像， 提取钢轨廓形数据。 11.一种计算机设备， 包括存储器、 处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计 算机程序， 其特征在于， 所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一项所述 基于偏振分光的钢轨廓。

11、形检测方法。 12.一种计算机可读存储介质， 其特征在于， 所述计算机可读存储介质存储有执行权利 权利要求书 2/3 页 3 CN 111307065 A 3 要求1至7任一项所述基于偏振分光的钢轨廓形检测方法的计算机程序。 权利要求书 3/3 页 4 CN 111307065 A 4 基于偏振分光的钢轨廓形检测方法、 系统及装置 技术领域 0001 本发明涉及钢轨检测领域， 尤其涉及一种基于偏振分光的钢轨廓形检测方法、 系 统及装置。 背景技术 0002 本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。 此处的描述 不因为包括在本部分中就承认是现有技术。 0003 由于钢轨廓形的。

12、变化直接关系到铁路轨道的安全运行， 因而， 钢轨廓形检测有助 于掌握钢轨服役状态、 指导钢轨打磨作业， 是铁路运营维护的重要手段。 0004 钢轨廓形检测的原理是将实际检测到的钢轨廓形数据， 与标准钢轨廓形数据对 比， 从而得到钢轨的垂直磨耗量、 侧面磨耗量等参数。 目前， 钢轨廓形检测的手段主要有两 种类型： 一种是接触式检测， 将探头与钢轨接触来检测钢轨廓形数据； 另一种是非接触式检 测， 利用钢轨表面反射光的强度信息来提取钢轨廓形数据。 0005 对于接触式检测， 由于其需要探头与钢轨接触， 存在检测效率低、 人工成本高等缺 点。 对于非接触式检测， 由于铁路现场工况恶劣， 钢轨在服役一。

13、段时间后， 钢轨表面状态会 发生改变(例如， 表面不平顺、 表面异物、 钢轨光带、 轨头生锈等)， 从而干扰钢轨表面反射光 的能量分布， 造成能量分布异常。 尤其是钢轨打磨后， 采集的钢轨廓形光条图像中存在局部 区域曝光过量的问题(即过曝问题)， 导致难以准确提取光条中心， 使得钢轨廓形检测结果 误差较大的技术问题。 0006 图1为采用传统钢轨廓形检测方法采集打磨后钢轨表面反射光形成的光条图像， 可以看出， 对于打磨后的钢轨， 其表面形貌和粗糙度均发生了变化， 影响了钢轨表面镜面反 射能量和漫反射能量的分布情况， 当局部区域的镜面反射光方向与成像镜头的光轴一致或 接近时， 大量的镜面反射光进。

14、入图像探测器， 使得图像探测器采集到的钢轨廓形光条图像 出现过曝现象， 例如， 图1中虚线矩形框所示的过曝区域。 在过曝区域， 由于光条能量分布异 常， 使得光条中心提取误差较大， 往往得不到准确的光条中心， 从而导致钢轨廓形检测结果 存在较大误差。 0007 图2所示为分别采用极大值法、 灰度重心法和Steger法， 对图1所示的光条图像进 行光条中心提取的结果。 如图2所示， 图标a所示为采用极大值法提取出的光条中心， 图标b 所示为采用灰度重心法提取出的光条中心， 图标c所示为采用Steger法提取出的光条中心， 图标d所示为通过Miniprof轨廓仪测量的钢轨廓形数据映射到图像坐标中的。

15、结果。 由于 Miniprof轨廓仪能够实现钢轨廓形的接触式测量， 测量结果比较准确， 因而， 可以作为不同 光条中心提取方法的参考基准。 0008 由图2可以看出， 在非过曝区域(即虚线矩形框外的区域)， 采用不同光条中心提取 方法得到的钢轨廓形与Miniprof轨廓仪测量的钢轨廓形基本一致； 在过曝区域(即虚线矩 形框内的区域)， 由于光条截面能量分布复杂， 采用不同光条中心提取方法得到的光条中心 出现不同程度的误差， 导致钢轨廓形测量结果也出现不同程度的误差， 其中， 灰度重心法的 说明书 1/12 页 5 CN 111307065 A 5 误差最大达到0.95mm， 即使是精度最高的S。

16、teger法， 也产生了0.29mm的误差。 0009 可见， 现有基于线结构光的钢轨廓形检测方法， 在遇到恶劣工况， 尤其是新打磨后 的钢轨时， 直接采集钢轨表面反射光的强度信息， 形成的光条图像存在局部过曝现象。 在过 曝区域， 光条成像质量较差， 光条能量分布复杂， 使得真实的钢轨廓形信息被干扰， 无法获 得稳定、 准确的光条中心， 最终导致钢轨廓形检测结果误差较大。 0010 虽然可以通过降低曝光时间解决局部过曝问题， 但同时会造成同一幅图像中正常 曝光区域的光条曝光不足， 最终影响正常区域的光条提取， 因此， 仅依靠降低曝光时间无法 有效解决钢轨廓形光条图像局部过曝的问题。 0011。

17、 针对上述问题， 目前尚未提出有效的解决方案。 发明内容 0012 本发明实施例提供一种基于偏振分光的钢轨廓形检测方法， 用以解决现有钢轨廓 形检测方法采集到的光条图像存在局部过曝现象， 难以准确提取光条中心， 导致钢轨廓形 检测结果误差较大的技术问题， 该方法包括： 获取钢轨表面反射光的P分量偏振图像和S分 量偏振图像， 其中， 钢轨表面反射光经偏振分光棱镜分解为振动平面互相垂直的P分量透射 光和S分量反射光， P分量偏振图像为P分量透射光形成的图像， S分量偏振图像为S分量反射 光形成的图像； 根据P分量偏振图像和S分量偏振图像， 确定钢轨表面反射光的总强度图像； 对P分量偏振图像、 S分。

18、量偏振图像和总强度图像进行融合处理， 得到融合图像； 根据融合图 像， 提取钢轨廓形数据。 0013 本发明实施例还提供一种基于偏振分光的钢轨廓形检测系统， 用以解决现有钢轨 廓形检测方法采集到的光条图像存在局部过曝过曝现象， 难以准确提取光条中心， 导致钢 轨廓形检测结果误差较大的技术问题， 该系统包括： 钢轨廓形检测组件和图像处理主机， 钢 轨廓形检测组件包括： 线结构光激光器、 偏振分光棱镜、 第一成像设备和第二成像设备； 其 中， 线结构光激光器， 用于发出光刀平面垂直入射到钢轨表面； 偏振分光棱镜， 用于采集钢 轨表面反射光， 并将钢轨表面反射光分解为振动平面互相垂直的P分量透射光和。

19、S分量反射 光； 第一成像设备， 用于采集P分量透射光， 生成P分量偏振图像； 第二成像设备， 用于采集S 分量反射光， 生成S分量偏振图像； 图像处理主机， 与第一成像设备和第二成像设备分别通 信， 用于根据第一成像设备生成的P分量偏振图像和第二成像设备生成的S分量偏振图像确 定钢轨表面反射光的总强度图像， 并对P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像进行 融合处理， 得到融合图像， 进而根据融合图像， 提取钢轨廓形数据。 0014 本发明实施例还提供一种基于偏振分光的钢轨廓形检测装置， 用以解决现有钢轨 廓形检测方法采集到的光条图像存在局部过曝现象， 难以准确提取光条中心， 导致钢轨廓。

20、 形检测结果误差较大的技术问题， 该装置包括： 图像采集单元， 用于获取钢轨表面反射光的 P分量偏振图像和S分量偏振图像， 其中， 钢轨表面反射光经偏振分光棱镜分解为振动平面 互相垂直的P分量透射光和S分量反射光， P分量偏振图像为P分量透射光形成的图像， S分量 偏振图像为S分量反射光形成的图像； 第一图像处理单元， 用于根据P分量偏振图像和S分量 偏振图像， 确定钢轨表面反射光的总强度图像； 第二图像处理单元， 用于对P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像进行融合处理， 得到融合图像； 钢轨廓形提取单元， 用于根据 融合图像， 提取钢轨廓形数据。 说明书 2/12 页 6 CN 11。

21、1307065 A 6 0015 本发明实施例还提供一种计算机设备， 用以解决现有钢轨廓形检测方法采集到的 光条图像存在局部过曝现象， 难以准确提取光条中心， 导致钢轨廓形检测结果误差较大的 技术问题， 该计算机设备包括存储器、 处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计 算机程序， 处理器执行计算机程序时实现上述的基于偏振分光的钢轨廓形检测方法。 0016 本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质， 用以解决现有钢轨廓形检测方法 采集到的光条图像存在局部过曝现象， 难以准确提取光条中心， 导致钢轨廓形检测结果误 差较大的技术问题， 该计算机可读存储介质存储有执行上述基于偏振分光的钢轨廓形检。

22、测 方法的计算机程序。 0017 本发明实施例中， 利用偏振分光棱镜将钢轨表面反射光分解为振动平面互相垂直 的P分量透射光和S分量反射光， 进而获取P分量透射光形成的P分量偏振图像， 以及S分量反 射光形成的S分量偏振图像， 再根据P分量偏振图像和S分量偏振图像， 确定钢轨表面反射光 的总强度图像， 然后对P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像进行融合处理， 最后根 据融合图像， 提取钢轨廓形数据。 0018 通过本发明实施例， 对钢轨廓形光条的P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度 图像进行融合， 能够获得无局部过曝现象的高质量钢轨廓形光条图像， 从中提取到准确的 光条中心， 提高钢。

23、轨廓形检测的准确性。 附图说明 0019 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以 根据这些附图获得其他的附图。 在附图中： 0020 图1为现有技术中提供的采集打磨后钢轨表面反射光形成的光条图像示意图； 0021 图2为现有技术中提供的采用多种光条中心提取算法对打磨后钢轨的光条图像进 行光条中心提取的结果示意图； 0022 图3为本发明实施例中提供的一种基于偏振分光的钢轨廓形检测原理示意图；。

24、 0023 图4为本发明实施例中提供的一种基于偏振分光的钢轨廓形检测组件示意图； 0024 图5为本发明实施例中提供的一种基于偏振分光的钢轨廓形检测系统示意图； 0025 图6为本发明实施例中提供的一种基于偏振分光的钢轨廓形检测方法流程图； 0026 图7为本发明实施例中提供的一种可选的基于偏振分光的钢轨廓形检测流程图； 0027 图8为本发明实施例中提供的一种图像融合算法示意图； 0028 图9为本发明实施例中提供的P分量偏振图像示意图； 0029 图10为本发明实施例中提供的S分量偏振图像示意图； 0030 图11为本发明实施例中提供的总强度图像示意图； 0031 图12为本发明实施例中提。

25、供的一种融合图像示意图； 0032 图13为本发明实施例中提供的一种从融合图像中提取光条中心的结果示意图； 0033 图14为本发明实施例中提供的钢轨廓形检测结果误差示意图； 0034 图15为本发明实施例中提供的一种基于偏振分光的钢轨廓形检测装置示意图。 说明书 3/12 页 7 CN 111307065 A 7 具体实施方式 0035 为使本发明实施例的目的、 技术方案和优点更加清楚明白， 下面结合附图对本发 明实施例做进一步详细说明。 在此， 本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明， 但并 不作为对本发明的限定。 0036 在本说明书的描述中， 所使用的 “包含” 、“包括” 、“具。

26、有” 、“含有” 等， 均为开放性的 用语， 即意指包含但不限于。 参考术语 “一个实施例” 、“一个具体实施例” 、“一些实施例” 、 “例如” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构或者特点包含于本申请的 至少一个实施例或示例中。 在本说明书中， 对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的 实施例或示例。 而且， 描述的具体特征、 结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示 例中以合适的方式结合。 各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施， 其中 的步骤顺序不作限定， 可根据需要作适当调整。 0037 由本发明背景部分介绍的内容可知， 传统基于线结构光的钢轨廓形检测。

27、方法， 根 据钢轨表面反射光的强度信息形成的光条图像容易出现局部过曝现象， 且这种现象对于打 磨后的钢轨检测尤其严重。 由于局部过曝的光条图像， 无法提取到准确的光条中心， 导致钢 轨廓形检测结果误差较大。 0038 为了解决上述问题， 本发明实施例中提供了一种基于偏振分光的钢轨廓形检测方 案， 利用偏振分光棱镜将钢轨表面反射光分解为振动方向互相垂直的两束偏振光(即P分量 透射光和S分量反射光)， 由两个成像设备接收， 形成钢轨廓形光条的P分量偏振图像和S分 量偏振图像， 而钢轨廓形光条的总强度图像可由P分量偏振图像和S分量偏振图像计算得 到， 然后通过对钢轨廓形光条的P分量偏振图像、 S分量。

28、偏振图像和总强度图像进行融合处 理(使用偏振图像中正常光条的区域替代总强度图像中光条过曝区域)， 得到图像质量较高 的融合图像。 0039 由于融合图像中钢轨廓形光条质量显著提高， 排除了过曝区域的噪声干扰， 钢轨 廓形光条图像不再出现局部过曝现象， 光条中心提取结果更能准确反映钢轨的真实廓形。 高质量的钢轨廓形光条图像不仅降低了后期光条中心提取的难度， 而且提高了恶劣工况下 钢轨廓形检测的准确性。 0040 图3为本发明实施例中提供的一种基于偏振分光的钢轨廓形检测原理示意图， 如 图3所示， 线结构光激光器1发出的光刀平面垂直入射到钢轨6表面， 其反射光经过偏振分光 棱镜4后， 被偏振分光棱。

29、镜4分解为振动平面互相垂直的P分量和S分量， 其中， P分量为透射 光， 振动平面在纸面内， S分量为镜面反射光， 在与纸面垂直的平面内振动。 P分量透射光经 过第一成像镜头3-1后入射到第一面阵相机2-1， S分量经过第二成像镜头3-2后入射到第二 面阵相机2-2， 由第一面阵相机2-1和第二面阵相机2-2得到钢轨廓形光条的P分量偏振图像 和S分量偏振图像， 分别记为Ip和Is。 由P分量偏振图像和S分量偏振图像得到总强度图像， 记 为It， 可通过公式(1)计算得到： 0041 ItIp+Is (1) 0042 需要注意的是， 上述公式(1)得到的总强度图像就是采用传统钢轨廓形检测方法 采。

30、集钢轨表面反射光形成的光条图像。 在复杂工况下， 总强度图像容易出现局部过曝问题， 过曝的区域影响光条中心提取精度， 最终降低钢轨廓形检测的准确度。 P分量偏振图像和S 分量偏振图像由于获取的是钢轨表面反射激光的偏振信息， 偏振图像中不会出现局部过曝 说明书 4/12 页 8 CN 111307065 A 8 的问题， 但对比度相比于总强度图像有所降低。 因此， 通过降低过曝区域的权重， 提高正常 区域的权重， 构建图像融合算法融合3幅图像， 将强度图像中光条过曝的区域用偏振图像中 光条正常的区域替代， 得到图像质量较高的融合图像， 使得融合图像中不再有过曝的区域， 从而解决传统方法遇到的局部。

31、过曝的问题。 0043 可选地， 如图4所示， 由线结构光激光器1、 偏振分光棱镜4、 第一成像镜头3-1、 第二 成像镜头3-2、 第一面阵相机2-1和第二面阵相机2-2等主要部件可组成一套基于偏振分光 原理的钢轨廓形检测组件5， 其中， 第一成像镜头3-1的光轴与线结构光激光器1的对称中心 线的夹角为 ， 取值范围为20 60 ， 第一成像镜头3-1和第二成像镜头3-2的光轴互相垂 直。 0044 进一步地， 如图5所示， 由钢轨廓形检测组件5、 检测梁7、 信号同步单元9、 光电编码 器10、 图像处理主机8等主要部件可组成一套钢轨廓形检测系统， 该系统包含四套钢轨廓形 检测组件5， 四。

32、套钢轨廓形检测组件5通过检测梁7刚性连接， 分别位于两股钢轨的左右两侧 (图标6-1为左股钢轨， 图标6-2为右股钢轨)。 其中， 钢轨廓形检测组件5中的激光平面与钢 轨走向垂直， 线结构光激光器1的对称中心线与钢轨垂向的夹角为 ， 的取值范围为30 50 。 光电编码器10用于廓形等间距采样， 信号同步单元9发出同步信号， 控制四套钢轨廓形 检测组件中的八个面阵相机同时获取钢轨廓形图像。 根据现场使用需求， 本发明实施例提 供的钢轨廓形检测系统不仅可以安装在轨道巡检车上， 也可以安装在手推小车上。 0045 基于上述发明构思， 本发明实施例中提供了一种基于偏振分光的钢轨廓形检测方 法， 图6。

33、为本发明实施例中提供的一种基于偏振分光的钢轨廓形检测方法流程图， 如图6所 示， 该方法可以包括如下步骤： 0046 S601， 获取钢轨表面反射光的P分量偏振图像和S分量偏振图像， 其中， 钢轨表面反 射光经偏振分光棱镜分解为振动平面互相垂直的P分量透射光和S分量反射光， P分量偏振 图像为P分量透射光形成的图像， S分量偏振图像为S分量反射光形成的图像。 0047 需要说明的是， 当钢轨表面反射光经偏振分光棱镜后， 会分解为振动平面互相垂 直的两束偏振光(即P分量透射光和S分量反射光)， 因而， 通过两个成像设备同时采集这两 束偏振光， 可得到两幅偏振图像(即P分量偏振图像和S分量偏振图像。

34、)。 由于偏振图像中不 会出现局部过曝现象， 但其成像对比度低于总强度图像， 因而， 为了获得成像对比度高且无 局部过曝现象的钢轨廓形光条图像， 本发明实施例中可以利用偏振图像中正常的光条区域 替代总强度图像中出现过曝的光条区域。 0048 S602， 根据P分量偏振图像和S分量偏振图像， 确定钢轨表面反射光的总强度图像。 0049 需要说明的是， 由于本发明实施例中P分量偏振图像和S分量偏振图像是同时对同 一钢轨廓形断面采集的图像， 具有像素级对齐的特点， 因而， 可以通过上述公式(1)计算得 钢轨表面反射光的总强度图像。 0050 S603， 对P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像。

35、进行融合处理， 得到融合图 像。 0051 需要说明的是， 由于P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像中光条的特征 信息存在差异， P分量偏振图像和S分量偏振图像由于获取的是钢轨表面反射激光的偏振信 息， 偏振图像中不会出现局部过曝的问题， 但对比度相比于总强度图像有所降低， 因而， 通 过降低过曝区域的权重， 提高正常区域的权重， 构建图像融合算法融合P分量偏振图像、 S分 说明书 5/12 页 9 CN 111307065 A 9 量偏振图像和总强度图像， 能够将总强度图像中光条过曝的区域用偏振图像中光条正常的 区域替代， 得到图像质量较高的融合图像， 提高钢轨廓形检测的精度。 00。

36、52 作为一种可选的实施方式， 在对P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像进 行融合处理的时候， 可以根据各个待融合图像中光条的特征信息， 确定各个待融合图像的 融合权重。 因而， 一种可选的实施方式中， 上述S603可以通过如下步骤来实现： 根据P分量偏 振图像、 S分量偏振图像和总强度图像中光条的特征信息， 确定P分量偏振图像、 S分量偏振 图像和总强度图像的融合权重； 根据P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像的融合 权重， 对P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像进行融合处理， 得到融合图像。 0053 在确定P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像的融合权重的时。

37、候， 可以通 过如下任意一种方式来确定不同光条偏振图像的融合权重： 根据不同光条偏振图像中光 条的宽度信息， 确定不同光条偏振图像的融合权重； 根据不同光条偏振图像中光条的强 度信息， 确定不同光条偏振图像的融合权重。 0054 可选地， 上述S603可以通过公式(2)对P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图 像进行融合处理： 0055 0056其中， Fkj表示融合图像F中第j列第k行像素的灰度值； 表示第i幅待融合图像中 第j列第k行像素的灰度值；表示第i幅待融合图像中第j列像素的融合权重； N表示待融 合图像数量。 0057 进一步地， 可以通过公式(3)确定不同光条偏振图像的融合权。

38、重： 0058 0059其中，表示第i幅待融合图像中第j列的光条宽度； Mr表示光条 参考宽度； 表示第i幅待融合图像中第j列的光条宽度与光条参考宽度的差值； 0表示当 等于0时设置的一个数， 以排除分母为0的情况； m表示权重调节因子。 0060 S604， 根据融合图像， 提取钢轨廓形数据。 0061 需要说明的是， 上述S604中用于提取钢轨廓形数据的融合图像是对钢轨廓形光条 的总强度图像和偏振图像融合得到的， 因而， 即可以保证成像对比度， 也可以避免出现过曝 现象。 由于钢轨廓形数据是根据光条图像中提取出的光条中心确定的， 因而， 上述S604可以 具体通过如下步骤来实现： 提取融合。

39、图像中光条中心的位置信息； 对融合图像中光条中心 的位置信息进行坐标转换， 得到钢轨一侧的半断面廓形数据； 对钢轨两侧的半断面廓形数 据进行廓形拼接处理， 得到钢轨的全断面廓形数据。 0062 可选地， 在提取融合图像中光条中心的位置信息的时候， 可以采用如下任意一种 算法提取融合图像中光条中心的位置信息： 极大值法、 灰度重心法和Steger法。 说明书 6/12 页 10 CN 111307065 A 10 0063 由上可知， 本发明实施例提供的基于偏振分光的钢轨廓形检测方法， 利用偏振分 光棱镜将钢轨表面反射光分解为振动平面互相垂直的P分量透射光和S分量反射光， 进而获 取P分量透射光。

40、形成的P分量偏振图像， 以及S分量反射光形成的S分量偏振图像， 再根据P分 量偏振图像和S分量偏振图像， 确定钢轨表面反射光的总强度图像， 然后对P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像进行融合处理， 最后根据融合图像， 提取钢轨廓形数据。 0064 通过本发明实施例提供的基于偏振分光的钢轨廓形检测方法， 对钢轨廓形光条的 P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像进行融合， 能够获得无局部过曝现象的高质 量钢轨廓形光条图像， 从中提取到准确的光条中心， 提高钢轨廓形检测的准确性。 0065 图7为本发明实施例中提供的一种可选的基于偏振分光的钢轨廓形检测流程图， 如图7所示， 包括如下步。

41、骤： 0066 S701， 获取P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像。 0067 具体地， 由光电编码器和信号同步单元组成触发源， 同步触发四套廓型检测组件 等间距采样， 利用每套廓形检测组件中的两个面阵相机同时采集钢轨半断面廓形光条图 像， 得到两个振动方向互相垂直的偏振图像， 即P分量偏振图像和S分量偏振图像， 并由P分 量偏振图像和S分量偏振图像计算钢轨廓形光条的总强度图像。 0068 S702， 基于光条信度评价各个待融合图像的融合权重。 0069 具体地， 以降低过曝区域的融合权重， 提高正常区域的融合权重为原则， 计算P分 量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像的融合权重。

42、。 0070 S703， 构建图像融合算法得到融合图像。 0071 具体地， 根据P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像的融合权重， 对P分量 偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像进行融合处理， 使得融合图像中不再出现局部过曝 问题。 0072 S704， 光条中心提取。 0073 具体地， 对于融合后的钢轨廓形光条图像， 利用传统的光条中心提取方法， 如灰度 重心法、 Steger法和模板匹配等， 得到准确的光条中心位置信息。 0074 S705， 计算钢轨全断面廓形。 0075 具体地， 由钢轨廓形光条的中心位置和预先标定好的相机内外参数反算出钢轨的 半断面廓形数据。 对于单股钢轨。

43、来说， 利用左右两侧廓形检测组件同时获取钢轨左右侧半 断面的廓形信息， 基于左右侧半断面廓形数据和两侧廓形检测组件的位置关系进行廓形拼 接， 得到单股钢轨较为完整的廓形数据。 0076 需要注意的是， 为了评估各个待融合图像的光条质量， 并以此确定各个待融合图 像的融合权重， 本发明实施例引入光条信度评价机制。 光条信度反映了钢轨廓形光条图像 的质量， 用于评价光条中心位置的可靠性。 正常工况下， 钢轨廓形图像中的光条宽度处于一 定的范围， 而在过曝区域， 光条宽度明显增大， 因此， 可以根据钢轨廓形图像中的光条宽度 评价光条的可信度。 除了光条宽度以外， 光条宽度内的总强度也能反映光条质量的。

44、高低， 对 于正常光条图像， 其光条宽度内的总强度处于一定的范围， 而对于过曝区域， 由于曝光过 量， 其总强度明显升高， 因此， 光条宽度内的总强度也可以作为光条信度评价的特征量。 由 此， 本发明实施例选取光条宽度或光条宽度内的总强度作为光条信度评价的特征量， 评估 每幅图像的光条信度， 从而计算图像融合权重。 可选地， 也可以综合两个特征量， 计算图像 说明书 7/12 页 11 CN 111307065 A 11 融合权重。 本发明实施例采用按列图像融合的方式， 计算每幅图像每一列的光条信度。 0077 下面以光条宽度作为光条信度评价为例， 阐述对P分量偏振图像、 S分量偏振图像 和总。

45、强度图像三幅图像的融合过程， 如图8所示， 对于第i幅光条偏振图像的第j列， 计算该 列的光条宽度， 记为然后计算该列光条宽度与光条参考宽度Mr的差值差值越小， 该列光条与参考光条越接近， 成像质量和光条信度较高， 图像融合时应具有较高的融合权 重， 因此采用上述公式(3)计算该幅图像当前列的融合权重当等于0时， 将其偏置一 个特别小的数0， 以排除分母为0的情况， 0取值范围为0.0010.1。 0078 其中， i1,2,3,4分别表示四个方向的光条偏振图像， j1,2,3,Width， Width 表示待融合图像的列数。 m表示权重调节因子， 取值范围为13， m取值越大， 与参考光条越。

46、 接近的列的权重越高， 光条参考宽度Mr可由正常工况下的光条宽度确定， 也可由标定时的 光条宽度确定。 0079对于第i幅图像的第j列的每一行像素， 用其灰度值乘以该列的融合权重求 和得到融合图像F中第j列第k行像素的灰度值Fkj， 得到融合图像F， 如公式(2)所示， 其中， k 1,2,3,Height， Height表示待融合图像的高度。 0080 下面， 对本发明实施例提供的钢轨廓形检测方法能够获取的更好的钢轨廓形检测 效果进行理论分析： 0081 传统钢轨廓形检测技术获取钢轨廓形光条图像的强度信息， 利用光条强度信息得 到钢轨廓形， 当钢轨表面状态较好时， 廓形光条图像强度分布合理，。

47、 截面强度基本符合高斯 分布， 光条提取结果较为准确， 廓形检测结果与钢轨真实廓形较为接近。 但在铁路现场遇到 复杂工况时， 如钢轨表面不平顺、 表面异物、 钢轨打磨等因素的存在， 干扰了钢轨表面反射 激光的能量分布， 使得光条图像容易出现过曝现象， 而过曝区域的截面强度分布杂乱且噪 声干扰大， 不能较好反映钢轨的廓形， 造成廓形检测误差较大。 0082 而偏振成像技术与传统强度成像技术相比， 不仅可以获取被测物的强度信息， 也 可以获取被测物更多维度的偏振信息， 综合偏振信息和强度信息， 可以降低镜面反射光的 影响， 提高成像对比度， 因此， 本发明实施例基于传统的线结构光钢轨廓形检测技术，。

48、 通过 偏振分光棱镜将钢轨表面反射激光分成振动方向互相垂直的两束偏振光， 由两个普通面阵 相机同时接收， 得到钢轨廓形光条的P分量偏振图像和S分量偏振图像， 并由P分量偏振图像 和S分量偏振图像得到总强度图像， 进而通过对钢轨廓形光条的P分量偏振图像、 S分量偏振 图像和总强度图像进行融合， 得到融合后的钢轨廓形光条图像， 能够解决传统钢轨廓形检 测方法得到的光条图像中存在局部区域曝光过量的问题， 尤其适用于打磨后钢轨廓形检测 的情形。 0083 对钢轨同一位置拍摄， 能够得到图9所示的P分量偏振图像和图10所示的S分量偏 振图像， 进而根据P分量偏振图像和S分量偏振图像， 计算得到图11所示。

49、的总强度图像。 图12 为本发明实施例对P分量偏振图像、 S分量偏振图像和总强度图像进行融合得到的融合图 像。 由图12可以看出， 融合后的钢轨廓形光条图像中没有过曝区域， 成像质量得到显著改 善。 0084 图13是对融合图像进行光条中心提取的结果， 与图2中的过曝区域属于同一位置。 如图13所示， 图标a是采用极大值法进行光条提取得到结果， 图标b是采用灰度重心法进行 说明书 8/12 页 12 CN 111307065 A 12 光条提取得到结果， 图标c是采用Steger法进行光条提取得到结果， 图标d是由Miniprof轮 廓仪的测量数据映射到图像坐标系中的结果。 0085 通过对比。

50、图13和图2可以看出， 相比于传统钢轨廓形检测方法从光条图像中提取 到的光条中心， 本发明实施例从融合图像中未出现局部过曝现象， 光条中心位置准确度更 高， 与Miniprof轮廓仪测量的一致性最好， 更能准确反映钢轨的真实廓形。 为了定量分析本 发明实施例中钢轨廓形检测方法的优势， 对于传统钢轨廓形检测方法获得的光条图像中光 条出现过曝现象的同一位置， 以Miniprof轮廓仪的测量结果为参考值， 分别计算本发明实 施例提供的钢轨廓形检测方法和传统钢轨廓形检测方法得到的钢轨廓形测量误差， 结果如 图14所示， 图14中A-1、 A-2、 A-3分别表示传统钢轨检测方法采用极大值光条中心提取算。