一种TFDS线性扫描相机的校正装置及校正方法

技术领域

本发明涉及货车故障轨边图像检测系统的相机校正技术，特别是涉及一种TFDS线性扫描相机的校正装置及校正方法。

背景技术

TFDS(Trouble of moving Freight car Detection System，货车故障轨边图像检测系统)，是铁路货车安全防范系统的重要组成部分，它是利用轨边高速摄像机，对运行货车进行动态检测，以发现货车运行故障的集数字图像采集、图像数据实时处理和精确定位模式识别技术于一体的智能系统。TFDS的图像采集部分，需要对线性扫描相机进行准确的校正。

现有的。TFDS线性扫描相机的校正，存在以下缺陷：

1)TFDS相机紧固件在列车长期运行震动下，常常会自然松动，导致TFDS相机角度改变，造成图像位移，图像模糊不清，直接影响动态检车质量。

2)安装、维护、更换TFDS相机时，如何确定TFDS相机的安装位置、角度、高度，TFDS相机焦距的调整等。各厂家未有统一的操作规范或可供使用的校正方法或工具，只能凭目测和经验。

3)至今沿用的TFDS相机校正方法，一般是由一人调整TFDS相机角度和焦距，一人在TFDS相机前大概的位置举一参照物晃动，另一人在机房内观察拍照图像的变化，目测认为可以了，便喊停，将TFDS相机固定好。往往待正常过车后发现图像有偏差、重叠和模糊不清等现象，只能等下次天窗期(没有列车通过的时间段)再进行调整，费时、费力、效果不理想。

因此，如何解决以上列举的这些问题，实现一套校正装置便能完成对TFDS设备相机的角度、焦距等的校正任务，以实现工人能方便地对TFDS设备相机进行校正，达到规范、合理、高效、准确无误，从而实现TFDS图像更加清晰、可靠、准确，是有待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种TFDS线性扫描相机的校正装置及校正方法，能够获得准确实时的调整依据，快速准确的完成线性扫描相机的校正。

为了实现上述目的，本发明提供了一种TFDS线性扫描相机的校正装置，包括：

主体支架，设置在被拍摄位置点；

与线性扫描形式相匹配的旋转动态标靶，设置在所述主体支架；

数据传输装置，用于传输来自待校正的线性扫描相机所拍摄的实时图像；

轨边显示终端，用于接收并显示所述实时图像。

可选的，上述的校正装置中，所述旋转动态标靶具有转筒和设置在所述转筒上的靶标图；

所述与线性扫描形式相匹配，是通过调节所述转筒的转动速度来获得所述实时图像的模拟列车时速的拍摄效果。

可选的，上述的校正装置中，所述靶标图具有刻度线，用于获得所述实时图像中的指示相机校准的信息。

可选的，上述的校正装置中，所述轨边显示终端具有可控电机控制器，用于调节所述转筒的所述转动速度。

可选的，上述的校正装置中，所述数据传输装置包括：

室内主机，用于接收来自所述线性扫描相机的所述实时图像；

信号放大器，用于从所述室内主机获取所述实时图像，并以无线方式将所述实时图像发送至所述轨边显示终端。

可选的，上述的校正装置中，所述主体支架包括：

操作平台，用于设置所述旋转动态标靶；

多个可折叠支腿，用于支撑所述操作平台。

可选的，上述的校正装置中，所述多个可折叠支腿为4个，所述可折叠支腿的转折部设置弹簧、顶丝和限位装置。

可选的，上述的校正装置中，所述主体支架为绝缘材质。

可选的，上述的校正装置中，还包括：

水平仪，设置在所述操作平台。

可选的，上述的校正装置中，所述可折叠支腿的底端设置有吸盘，所述吸盘配置有能够抽取所述吸盘内的空气的微型真空泵。

本发明还提供一种用于上述校正装置的校正方法，包括：

步骤一、在被拍摄位置点设置与线性扫描形式相匹配的旋转动态标靶；

步骤二、通过待校正的线性扫描相机拍摄所述旋转动态标靶的实时图像；

步骤三、通过轨边显示终端接收来自无线网络的所述实时图像并进行显示；

步骤四、根据所述轨边显示终端显示的所述实时图像调整所述线性扫描相机的角度和清晰度。

可选的，上述的校正方法置中，在所述步骤一中，所述旋转动态标靶具有转筒和设置在所述转筒上的靶标图；

所述与线性扫描形式相匹配，是通过调节所述转筒的转动速度来获得所述实时图像的模拟列车时速的拍摄效果。

采用本发明，能够通过旋转动态标靶来模拟火车通过的情况，并通过轨边显示终端实时显示线性扫描相机的拍摄图像，从而获得准确实时的调整依据，能够快速准确的完成线性扫描相机的校正。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明实施例中的步骤流程图；

图2为本发明实施例中的旋转动态标靶的示意图；

图3为本发明实施例中的靶标图的示意图；

图4为本发明实施例中的实时图像的示意图；

图5为本发明实施例中的相机角度校正原理图；

图6为本发明实施例中的主体支架的结构示意图；

图7为本发明实施例中的主体支架折叠状态的结构示意图；

图8为本发明实施例中靶标图的垂直对比指示解像力条的示意图；

图9为本发明实施例中靶标图的对角圆解像力条的示意图；

图10为本发明实施例中靶标图的水平解像力条的示意图；

图11为本发明实施例中靶标图的灰度解像力条的示意图；

图12为本发明实施例中靶标图的对焦区的示意图；

其中，附图标记说明如下，本发明中：

步骤110

步骤120

步骤130

步骤140

线性扫描相机501

旋转动态标靶502

室内主机503

信号放大器504

轨边显示终端505

操作平台601

折叠支腿602

吸盘603

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

图5为本发明实施例中的相机角度校正原理图，图6为本发明实施例中的主体支架的结构示意图，如图5和图6所示，本发明实施例提供一种TFDS线性扫描相机的校正装置，包括：

主体支架，设置在被拍摄位置点；

与线性扫描形式相匹配的旋转动态标靶502，设置在所述主体支架；

数据传输装置，用于传输来自待校正的线性扫描相机所拍摄的实时图像；

轨边显示终端505，用于接收并显示所述实时图像。

可见，本发明实施例中，通过旋转动态标靶来模拟火车通过的情况，并通过轨边显示终端实时显示线性扫描相机的拍摄图像，从而获得准确实时的调整依据，能够快速准确的完成线性扫描相机的校正。

图2为本发明实施例中的旋转动态标靶的示意图，图3为本发明实施例中的靶标图的示意图如图2和图3所示，在本发明的另一个实施例中，将具有刻度线的靶标图(图3所示)贴在卷筒上，卷筒连接有驱动电机，形成旋转动态标靶(图2所示)。因此，所述旋转动态标靶具有转筒和设置在所述转筒上的靶标图；所述与线性扫描形式相匹配，是指通过调节所述转筒的转动速度来获得所述实时图像的模拟列车时速的拍摄效果。

图4为本发明实施例中的实时图像的示意图；可以根据该实时图像进行校准操作。因此本发明实施例中，所述靶标图具有刻度线，用于获得所述实时图像中的指示相机校准的信息。

在本发明的一个实施例中，所述轨边显示终端具有可控电机控制器，用于调节所述转筒的所述转动速度。

图5为本发明实施例中的相机角度校正原理图，如图5所示，在本发明的一个实施例中，所述线性扫描相机501拍摄旋转动态标靶502获得实时图像，所述实时图像由所述线性扫描相机501发送至室内主机502，并经信号放大器503处理后以无线方式发送至所述轨边显示终端504。根据所述轨边显示终端504的实时图像的显示，对所述线性扫描相机501的相机角度、清洗度进行调整。因此，本发明实施例中的所述数据传输装置包括：

室内主机502，用于接收来自所述线性扫描相机的所述实时图像；

信号放大器503，用于从所述室内主机获取所述实时图像，并以无线方式将所述实时图像发送至所述轨边显示终端。

图6为本发明实施例中的主体支架的结构示意图，图7为本发明实施例中的主体支架折叠状态的结构示意图；如图6和图7所示，所述被拍摄位置点设置有主体支架，所述旋转动态标靶502是设置在所述主体支架的操作平台601上。

所述主体支架设置有4个可折叠支腿602，通过在所述可折叠支腿的转折部设置弹簧、顶丝和限位装置来稳固所述主体支架。

所述主体支架采用绝缘材质，该材料的特点是，介电性能良好，变形收缩率小，材料属性稳定性好，硬度高，不变形，绝缘性能良好，重量轻。操作平台上还可以设置水平仪，通过水平仪校准所述操作平台的水平度。

所述可折叠支腿602的底端设置有吸盘603，可以通过微型真空泵抽取所述吸盘内的空气。使得主体支架更加稳固。

图3为本发明实施例中的靶标图的示意图，参考图3所示，随着TFDS设备相机摄像头技术的进步，像素越来越高清，根据相关国际标准，本发明设计了TFDS校正靶靶标图，该图扩大了展图比例，囊括了更高解析度的判读元素，其中的判读元素说明如下：

1)垂直对比指示解像力条(如图8所示)--可目测镜头对垂直影像的解像力，显示在空间频率不同下的对比状况，用于图像折叠失真定比测量；

2)对角圆解像力条(如图9所示)：不同直径的同心圆对称分布在四个边角，由外向内为200cph-400cph(每单位像高的圈数),用于扫描线性观测、测量相机的焦距，可以观测极小的部件，如螺丝、开口销；

3、水平解像力条(如图10所示)--可目测镜头对水平影像的解像力；水平解像力条也叫扫频楔：用于极限分辨率和视觉清晰度测量，研究图像细节质量，如局部裂纹、脱落；

4、灰度解像力条(如图11所示)--矩形灰阶用于镜头清晰度的解像力，拍摄所得图片灰度越浅，清晰度越高；其中，灰阶：9个灰阶条的灰度从D＝0.15到D＝1.35以线性等量方式渐变，由浅及深，可以用来检查摄像机的半色调再现性能，也可用于极限分辨率和视觉清晰度测量，若线性相机可以拍到最浅灰度条，表示相机清晰度达到最佳，反之须调整相机焦距。

5、对焦区(如图12所示)--不同频率的同心圆和同心矩形，协助对焦；

具有，矩形框和坐标轴：用于相机的基本设定，中心对焦。

根据以上的判读元素，总结的使用中的常见问题以及对应措施如下：

问题1、相机拍摄图像变暗模糊，甚至全黑；

对应措施：

1)检查光源玻璃表面是否有污渍，如有污渍须清理；

2)检查光源是否有损坏，若损坏须更换光源；

3)检查摄像机保护盒玻璃是否有污渍，如有污渍须清理；

4)补偿光源是否充足，个别模块是否有损坏，若损坏须更换损坏模块；

5)检查摄像机光圈、焦距调整是否正确；

6)检查相机温度是否过高，通过图像采集软件读取相机温度是否高于90°，若高，检查温控开关；

问题2、相机拍摄图片亮度不均匀，整张图像两侧偏暗；

对应措施：补偿光源在使用过程中由于震动、安装位置等原因，光源面发生转动，须重新调整激光光源与相机的相对位置

问题3、拍摄图片被强烈压缩(或扩大)；

对应措施：图像被压缩(扩大)是由于拍摄触发信号偏少(偏多)造成的，触发信号少(多)说明相机拍摄速率小于(大于)实际应当设置的速率试验图像；

问题4、拍摄图片有黑边，包括上黑边、下黑边、上下两侧都有黑边；

对应措施：上(下)侧有黑边，说明相机上侧有遮挡物或者相机安装位置靠上(下)，须清除遮挡物，反向调整相机位置。

上下两侧都有黑边，说明相机焦距太小，容纳的图像内容太多，须适当的调大相机焦距，保证完整图像充满整个屏幕。相机调整焦距，使得底部相机在600～1200mm范围内拍摄清晰，侧部相机在1200～1800mm范围内拍摄清晰。

图1为本发明实施例中的步骤流程图，如图1所示，本发明还提供一种TFDS线性扫描相机的校正方法实施例，包括：

步骤110、在被拍摄位置点设置与线性扫描形式相匹配的旋转动态标靶；

步骤120、通过待校正的线性扫描相机拍摄所述旋转动态标靶的实时图像；

步骤130、通过轨边显示终端接收来自无线网络的所述实时图像并进行显示；

步骤140、根据所述轨边显示终端显示的所述实时图像调整所述线性扫描相机的角度和清晰度。

可见，本发明实施例中，通过旋转动态标靶来模拟火车通过的情况，并通过轨边显示终端实时显示线性扫描相机的拍摄图像，从而获得准确实时的调整依据，能够快速准确的完成线性扫描相机的校正。

在本发明的另一个实施例中，TFDS线性扫描相机的校正装置由主体支架、校正靶、控制一体箱、轨边显示终端、信号放大器和仪器箱六部分组成。

其中：

主体支架：主体支架选用绝缘材料，该材料的特点是介电性能良好，变形收缩率小，材料属性稳定性好，硬度高，不变形，绝缘性能良好，重量轻。该主体支架含4个支腿、1个操作平台。操作平台上设置：滚筒型校正靶、可控电机、高精度水平仪，参考图7所示，校正靶支架的支腿可折叠，支柱与操作平台连接部位可90°折叠，支架的连接部专门针对该装置设计，弹簧、顶丝加限位配合，防止刮风天气等因素造成晃动，对校正效果产生影响，整个装置通过真空吸盘固定在相机的沉箱上或者侧箱上，保证装置放在侧箱上，都能稳定的运行。

校正靶标采用旋转动态标靶，校正靶距相机的距离，模拟车辆各部距相机的实际距离，靶的位置由激光测距仪确定，调整到相机安装位置的中心点，实现图像清晰地无缝拼接，丢窜图影响更小。控制校正靶工作的控制器和显示终端，置于控制一体箱内。校正靶上的图像是专门针对线性相机扫描的工作原理，结合被采集列车相关部位的结构而设计的。通过线性扫描相机的高速采集，每采集完一条线上的图像后，运动到下一个单位长度，继续下一条线的采集，由此拼成了一张二维的图片，如图4所示。校正靶滚筒内置有可控电机。

控制一体箱，包括：

a.可控电机控制器：通过轨边显示终端远程操控校正靶工作，该控制器可以通过控制校正靶的线速度来模拟列车的运行速度，速度范围为0km/h-21km/h，可随意调节。

b.微型真空泵：微型真空泵用于抽取吸盘内的空气，使吸盘达到真空状态，从而使整体装置更加稳定牢固。

轨边显示终端：该终端采用与TFDS设备工控机同一操作系统的Windows10寸平板电脑，确保与TFDS设备工控机的互联互通、稳定运行。平板电脑大小适中，置于控制一体箱内。

无线网络传输：选用大功率的信号放大器，信号覆盖30米左右，抗干扰性能强，传输速率高，无丢包。

本发明校正装置的一个实施例中，旋转动态标靶的电机驱动器使用领先的电机回路电流精确检测技术、有刷直流电机转速自检技术、再生电流恒电流制动(或称刹车)技术，可以完美的控制电机启动、制动(刹车)、换向过程和堵转保护。电机响应时间短，且反冲力小；输出电流实时监控防止过流，有效保护电机和驱动器。

在本发明校正装置的一个实施例中，其控制系统采用上位机软件直接控制直流电机的转速来模拟列车运行速度。具体控制关系为：上位机软件控制电机驱动器，电机驱动器控制直流电机。

整个控制系统分为3部分：

A.电机部分：

采用直流有刷电机，采用DC12V供电，工作电流1A。根据列车运行速度，可得出实际对应关系。根据实际情况本发明实施例中采用600r/min的直流有刷电机。

B.驱动器；

驱动器采用单片机PWM控制的方式，电源电压15～30V,最大持续输出电流2A/每个电机，短时间(10秒)可以达到10A,PWM频率最高可以用到30KHz。电路板包含4个逻辑上独立的，输出端两两接成H桥的功率放大单元，可以直接用单片机控制。实现电机的转动和调速。而且通过RS485总线与PC机通信。

C.上位机软件：

上位机主要实现控制功能，设置有开始、加速、减速、停止等按键功能，这些案件控制模拟列车行使速度的设定和增减。

按开始按键，打开电机驱动器，按加速键，列车行使速度的进度条从0Km/h增加到1km/h,以此类推。按减速键，进度条自动逐步递减。按停止键，关闭电机驱动器。上位机软件主要适用于win10操作系统的PC和平板电脑。

本发明实施例中校正装置的校正原理说明如下：

TFDS线性扫描相机角度校正装置，是一套集合图像清晰度测试、调整和无线网络传输技术相结合的TFDS设备检修装置。如图5所示，其校正原理是:由一到两名工作人员操作该装置，首先将装置主体支架牢牢地固定在相机沉箱上，边调整相机，边看屏幕图像，TFDS系统校正软件显示的校正坐标，与相机拍摄的校正靶图像，同时叠加在屏幕上，在合适的位置重合，表示角度合适，否则须重新调整相机。固定好相机，并开始旋转光圈，使屏幕上校正靶图像的清晰度，对比度和亮度都达到最佳效果即可，全部校正过程轻松快捷，一般情况，完成一台相机角度、拍摄清晰度的快速调整，整个过程不超过十分钟。

TFDS线性扫描相机角度校正装置采用无线网络传输技术和远程控制技术，将TFDS相机调整效果图像实时传输到室内的TFDS主机上，再通过远程控制技术将图片实时传输到轨边显示终端，操作人员可边调整边观察调整效果；校正靶图像为操作人员提供TFDS相机角度及采集清晰度的直观参考，确保TFDS相机角度和图像调整效果，实现了在天窗点内通过做模拟接车的方式，对TFDS相机调整效果进行验证的目的。确保设备采集列车图像质量。

与传统校正相机角度、采集清晰度的作业方式相比，使用本发明实施例的校正装置和校正方法具有以下特点：

第一、规范了调整相机的参照物(校正靶)，统一了参照物距相机的距离，使安装、更换、维护、校正相机工作将诞生统一的操作规范和流程。使调整更容易操作，效果更容易观察。

第二、将TFDS相机调整效果实时呈现到轨边显示终端，作业过程由多人配合变为单人操作，解决了TFDS相机调整后由于天窗点内无列车通过，无法验证调整效果的问题。

第三、使用TFDS线性扫描相机校正装置，将TFDS相机角度、清晰度调整后，使TFDS系统图像拼接更完美无缺，图像更清晰，方便动态检车员发现更多隐患故障。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。