匹配受电弓滑板图像的方法及其装置

技术领域

本发明涉及列车检测技术领域，尤其涉及匹配受电弓滑板图像的方法及其装置。

背景技术

电力机车中通常会设置有受电弓，其作用是从接触网上受取电流，在使用中，受电弓滑板与接触网的电线直接接触，并从电线上受取电流供机车使用。可以理解的是，在使用过程中，受电弓滑板与电线之间不断摩擦，进而造成受电弓滑板的磨损，因此，受电弓滑板状态的好坏直接影响到列车的安全运行，受电弓滑板的过度磨耗不仅影响电力机车的正常供电，由此产生的电弧放电还会进一步加剧受电弓滑板和电线的磨耗。随着高速铁路的飞速发展，对受电弓的可靠运行提出了更高的要求，实现对受电弓滑板磨损状态的智能检测具有重大意义。

现有技术中，有一种可行的方案，是对受电弓滑板进行拍摄，然后在基于所得到的图片来确定该受电弓滑板是否存在损坏，可以理解的是，这需要从该图片中匹配出受电弓滑板。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种匹配受电弓滑板图像的方法及其装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种用于列车检测点的匹配受电弓滑板图像的方法，所述列车检测点包含：轨道、摄像头、发光设备和测距设备，所述摄像头、发光设备和测距设备均位于所述轨道的上方，所述摄像头能够拍摄位于所述轨道上的列车的顶部图像，所述发光设备能够向所述轨道上的列车的顶部发出光线；包括以下步骤：

控制发光设备对准列车的顶部的受电弓滑板并发光，且控制所述摄像头拍摄含有所述受电弓滑板的目标车顶图像，对所述目标车顶图像进行转灰度图处理；在所述目标车顶图像中，列车的延伸方向为上下的方向；

在所述目标车顶图像中，沿着从下至上的方向寻找第一曲线段，第一曲线段上的第一像素点满足以下条件：第一像素点在上下方向的梯度方向为预设方向，且|第一像素点上侧的像素点的灰度值-第一像素点下侧的像素点的灰度值|>第一阈值；沿着从上至下的方向寻找第二曲线段，第二曲线段上的第二像素点满足以下条件：第二像素点在上下方向的梯度方向为预设方向，且|第二像素点上侧的像素点的灰度值-第二像素点下侧的像素点的灰度值|>第二阈值；第一、第二曲线段之间的区域为所述受电弓滑板对应的图像区域；所述预设方向为朝上的方向，或者为朝下的方向，第一阈值>0，第二阈值>0。

作为本发明实施例的一种改进，所述“对所述目标车顶图像进行转灰度图处理”具体包括：对所述目标车顶图像进行转灰度图处理，再进行中值滤波处理。

作为本发明实施例的一种改进，在轨道上方还设置有测距设备；

所述“控制发光设备对准列车的顶部的受电弓滑板并发光，且控制所述摄像头拍摄含有所述受电弓滑板的目标车顶图像”具体包括：控制所述测距设备测量其与列车的顶部的距离数据，基于所述距离数据拟合出顶部轮廓和所述列车对应的标准车型，基于所述标准车型、获取所述顶部轮廓与受电弓之间的距离，等待时间T，其中，时间T＝距离/列车速度，所述标准车型至少标注了列车顶部的每个设备的轮廓和位置信息；之后，控制发光设备对准列车的顶部的受电弓滑板并发光，且控制所述摄像头拍摄含有所述受电弓滑板的目标车顶图像。

作为本发明实施例的一种改进，所述“基于所述距离数据拟合出顶部轮廓和所述列车对应的标准车型”具体包括：基于所述距离数据拟合出顶部轮廓，基于所述顶部轮廓、获取所述列车的车头坡度和车顶平均基平面，并基于所述车头坡度和车顶平均基平面获取所述列车的型号，获取所述型号对应的标准车型。

作为本发明实施例的一种改进，所述“基于所述距离数据拟合出顶部轮廓”具体包括：基于DSCN神经网络对所述距离数据进行处理，并拟合出顶部轮廓。

本发明实施例还提供了一种用于列车检测点的匹配受电弓滑板图像的装置，所述列车检测点包含：轨道、摄像头、发光设备和测距设备，所述摄像头、发光设备和测距设备均位于所述轨道的上方，所述摄像头能够拍摄位于所述轨道上的列车的顶部图像，所述发光设备能够向所述轨道上的列车的顶部发出光线；包括以下模块：

数据获取模块，用于控制发光设备对准列车的顶部的受电弓滑板并发光，且控制所述摄像头拍摄含有所述受电弓滑板的目标车顶图像，对所述目标车顶图像进行转灰度图处理；在所述目标车顶图像中，列车的延伸方向为上下的方向；处理模块，用于在所述目标车顶图像中，沿着从下至上的方向寻找第一曲线段，第一曲线段上的第一像素点满足以下条件：第一像素点在上下方向的梯度方向为预设方向，且|第一像素点上侧的像素点的灰度值-第一像素点下侧的像素点的灰度值|>第一阈值；沿着从上至下的方向寻找第二曲线段，第二曲线段上的第二像素点满足以下条件：第二像素点在上下方向的梯度方向为预设方向，且|第二像素点上侧的像素点的灰度值-第二像素点下侧的像素点的灰度值|>第二阈值；第一、第二曲线段之间的区域为所述受电弓滑板对应的图像区域；所述预设方向为朝上的方向，或者为朝下的方向，第一阈值>0，第二阈值>0。

作为本发明实施例的一种改进，所述数据获取模块还用于：对所述目标车顶图像进行转灰度图处理，再进行中值滤波处理。

作为本发明实施例的一种改进，在轨道上方还设置有测距设备；所述数据获取模块还用于：控制所述测距设备测量其与列车的顶部的距离数据，基于所述距离数据拟合出顶部轮廓和所述列车对应的标准车型，基于所述标准车型、获取所述顶部轮廓与受电弓之间的距离，等待时间T，其中，时间T＝距离/列车速度，所述标准车型至少标注了列车顶部的每个设备的轮廓和位置信息；之后，控制发光设备对准列车的顶部的受电弓滑板并发光，且控制所述摄像头拍摄含有所述受电弓滑板的目标车顶图像。

作为本发明实施例的一种改进，所述数据获取模块还用于：基于所述距离数据拟合出顶部轮廓，基于所述顶部轮廓、获取所述列车的车头坡度和车顶平均基平面，并基于所述车头坡度和车顶平均基平面获取所述列车的型号，获取所述型号对应的标准车型。

作为本发明实施例的一种改进，所述数据获取模块还用于：基于DSCN神经网络对所述距离数据进行处理，并拟合出顶部轮廓。

本发明实施例所提供的匹配受电弓滑板图像的方法及其装置具有以下优点：本发明实施例公开了一种匹配受电弓滑板图像的方法及其装置，该方法包括以下步骤：控制发光设备向列车顶部的受电弓滑板发出光线，且控制所述摄像头拍摄含有所述受电弓滑板的目标车顶图像，在所述目标车顶图像中，列车的延伸方向为上下的方向；在所述目标车顶图像中，沿着从下至上的方向寻找第一曲线段，从上至下的方向寻找第一曲线段，第一、第二曲线中的像素点均满足：像素点在上下方向的梯度方向为预设方向，且|像素点上侧的像素点的灰度值-像素点下侧的像素点的灰度值|>预设阈值；第一、第二曲线段之间的区域即为受电弓滑板对应的图像。该方法能够匹配受电弓滑板对应的图像。

附图说明

图1为本发明实施例提供的列车检测点的结构图；

图2A、图2B和图3为本发明实施例提供的匹配受电弓滑板图像的方法的原理图；

图4为本发明实施例提供的匹配受电弓滑板图像的方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的匹配受电弓滑板图像的方法的原理图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的实施方式对本发明进行详细描述。但该实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

以下描述和附图充分地示出本文的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本文的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。本文中，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来，而不要求或者暗示这些元素之间存在任何实际的关系或者顺序。实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的结构、装置或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种结构、装置或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的结构、装置或者设备中还存在另外的相同要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中的术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本文和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本文的描述中，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明实施例一提供了一种用于列车检测点的匹配受电弓滑板图像的方法，所述列车检测点包含：轨道1、摄像头2、发光设备3和测距设备4，所述摄像头2、发光设备3和测距设备4均位于所述轨道1的上方，所述摄像头2能够拍摄位于所述轨道1上的列车的顶部图像，所述发光设备3能够向所述轨道1上的列车的顶部发出光线；这里，可以在轨道1的沿线设置有一些列车检测点，如图1所示，在轨道1旁设置有龙门架5，在龙门架5的顶部设置有发光设备3(例如，灯泡等)和摄像头2；在前后两组发光设备3和摄像头2中部龙门架5顶部设置有测距设备4，在实际中，列车会在该轨道1上行走，也可以停靠在轨道1上。可选的，该摄像头2和发光设备3是可以转动的，从而可以调整摄像头2和发光设备3对受电弓滑板的拍摄角度。

如图4所示，包括以下步骤：

步骤401：控制发光设备3对准列车的顶部的受电弓滑板并发光，且控制所述摄像头2拍摄含有所述受电弓滑板的目标车顶图像，对所述目标车顶图像进行转灰度图处理；在所述目标车顶图像中，列车的延伸方向为上下的方向；这里，如图2A和图2B所示，在左侧的图像中，该目标车顶图像中有可能是倾斜的(即列车的延伸方向不为上下方向)，则可以对该目标车顶图像进行旋转处理，使得列车的延伸方向为上下的方向；此外，如图2B所示，受电弓上方的接触网中的电线的延伸方向可以认为是近似平行于车头朝向车尾的方向的，因此，还可以进一步基于电线的延伸方向对该目标车顶图像进行旋转操作。

这里，在实际中，有些受电弓上的受电弓滑板的数量为一个，也有的为两个，当为两个的时候，可以对拍摄图片进行切割，分别对每个受电弓图像进行识别。

步骤402：在所述目标车顶图像中，沿着从下至上的方向寻找第一曲线段，第一曲线段上的第一像素点满足以下条件：第一像素点在上下方向的梯度方向为预设方向，且|第一像素点上侧的像素点的灰度值-第一像素点下侧的像素点的灰度值|>第一阈值；沿着从上至下的方向寻找第二曲线段，第二曲线段上的第二像素点满足以下条件：第二像素点在上下方向的梯度方向为预设方向，且|第二像素点上侧的像素点的灰度值-第二像素点下侧的像素点的灰度值|>第二阈值；第一、第二曲线段之间的区域为所述受电弓滑板对应的图像区域；所述预设方向为朝上的方向，或者为朝下的方向，第一阈值>0，第二阈值>0。

如图2A和图2B所示，由于升弓时受电弓滑板的上表面与电线之间是时刻处于摩擦状态，这就导致受电弓滑板的上表面是比较光滑的，从而导致受电弓上表面的颜色与周围环境的颜色之间存在明显的差别，此外，受电弓滑板近似呈水平方向(即左右方向)，为了减小其他竖直方向边缘的干扰，可以只匹配水平方向上的边缘，且受电弓上下边缘两侧灰度阈值差值有较强的敏感性，当边缘两侧灰度值的差值超过一定阈值时，此点就被默认为边缘点。根据滑板上下边缘成像的整体情况，选取适当的阈值，使滑板边缘能被顺利地检测出来。

这里，在实际中，可以首先定位出一个目标像素点，然后沿着这个目标像素点向左或向右搜索，符合条件的像素点，如果出现中断点，以之前边限速点斜率作为约束，拟合当前中断点，直至完成搜索为止，就可以得到第一曲线段和第二曲线段。

本实施例中，所述“对所述目标车顶图像进行转灰度图处理”具体包括：对所述目标车顶图像进行转灰度图处理，再进行中值滤波处理。这里，可以使用平均法、最大最小平均法、加权平均法、二值图像法和反转图像法将该目标车顶图像转换为灰度图像。中值滤波是一种非线性平滑技术，它将每一像素点的灰度值设置为该点某邻域窗口内的所有像素点灰度值的中值，从而能够用于滤除图像噪声。

这里，如图3所示，将像点的灰度值进行分割，每个像点的灰度值可以描述为

本实施例中，在轨道上方还设置有测距设备4；所述“控制发光设备3对准列车的顶部的受电弓滑板并发光，且控制所述摄像头2拍摄含有所述受电弓滑板的目标车顶图像”具体包括：控制所述测距设备4测量其与列车的顶部的距离数据，基于所述距离数据拟合出顶部轮廓和所述列车对应的标准车型，基于所述标准车型、获取所述顶部轮廓与受电弓之间的距离，等待时间T，其中，时间T＝距离/列车速度，所述标准车型至少标注了列车顶部的每个设备的轮廓和位置信息；之后，控制发光设备3对准列车的顶部的受电弓滑板并发光，且控制所述摄像头2拍摄含有所述受电弓滑板的目标车顶图像。

这里，在设备正式使用前通过试运行，可以获得多组列车顶部与测距设备4的距离数据，用DSCN算法拟合出列车顶部轮廓，计算出车头弧度(此处曲线斜率)、顶部基本高度(众数)和受电弓高度范围等定位参数，将定位参数区别较大的列车定义位标准车型，输入数据库。之后，在使用中，获取的应该是顶部轮廓与测距设备的距离，由测距设备直接输出。

这里，如图1所示，在实际中，可以轨道1上设置有龙门架4，可以在该龙门架4的顶部安装有测距设备4，当列车通过时，可以控制该测距设备扫描该列车的顶部，此时会返回测距数据(即该测距设备4与车顶之间的实时距离值)。

这里，该测距设备4可以为脉冲雷达测距传感器，脉冲雷达测距传感器是一种能够发射脉冲信号，且能够完成测距功能的雷达，其基本过程为：该雷达中的发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线；之后，天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播；电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取；天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号；由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减，雷达回波信号非常微弱，几乎被噪声所淹没。接收机放大微弱的回波信号，经过信号处理机处理，匹配出包含在回波中的信息，送到显示器，显示出目标的距离、方向、速度等，从而完成测距的功能。

可选的，该脉冲雷达测距传感器采用脉冲微波技术，其天线系统发射出频率为6.3GHz、持续时间为0.8ns的脉冲波束，接着暂停278ns，在脉冲发射暂停期间，天线系统将作为接收器，接收反射波同时进行回波图像数据处理，然后绘制出该顶部轮廓。

本实施例中，所述“基于所述距离数据拟合出顶部轮廓和所述列车对应的标准车型”具体包括：基于所述距离数据拟合出顶部轮廓，基于所述顶部轮廓、获取所述列车的车头坡度和车顶平均基平面，并基于所述车头坡度和车顶平均基平面获取所述列车的型号，获取所述型号对应的标准车型。这里，列车的车头通常呈现出锥形(当列车的两端部均为锥形时，可以认为这两端部均为车头)，且在车头朝向车身的方向上，车头的上表面是向上倾斜的，因此，可以得到车头的坡度，且不同型号的列车的车头坡度通常是不一样的；此外，不同型号的列车的车顶平均基平面也是不一样的；因此，可以根据这两个属性来确定列车的型号。

这里，将距离数据依次输入到DSCN神经网络中，以输出值和实际数据的差值作为目标函数，最终根据梯度下降法求解得到误差趋近零的DSCN神经网络输入。输出结果图像如图5所示，深色为离散真实数据，浅色为拟合连续曲线。

本实施例中，所述“基于所述距离数据拟合出顶部轮廓”具体包括：基于DSCN神经网络对所述距离数据进行处理，并拟合出顶部轮廓。这里，在将收到数据进行简单区间过滤后，将剩余值依次作为输入值，输入到DSCN神经网络中，以拟合数据和实际数据的差值作为目标函数。DSCN神经网络的隐含层神经元个数是变化的，会先建立先从一个小的网络结构开始，然后逐渐增加隐藏层的节点数，并计算外权参数直至模型满足预先给定的条件，及完成已有数据的拟合，随着输入数据的增多，拟合曲线会趋近于车顶轮廓。

DSCN神经网络(Deep Stochastic Configuration Networks，深度随机配置网络)具有基本的神经网络结构，同时利用不等式约束条件产生的隐性节点，自动调节隐性参数选取范围，使用最小二乘法来计算最优输出权重，因此具有学习速度极快、万能逼近的能力。将获得的实时列车顶部曲线和车型作为输入量，根据不同车型可以选择不同定位参数，将实时列车顶部曲线输入到对应参数的DSCN神经网络中，可以拟合出车顶实时轮廓，进而剔除异常值点和干扰项，再将受电弓的轮廓数据信息与车顶实时轮廓对比，找出对应的定位点位置。

本发明实施例二提供了一种用于列车检测点的匹配受电弓滑板图像的装置，所述列车检测点包含：轨道1、摄像头2、发光设备3和测距设备4，所述摄像头2、发光设备3和测距设备4均位于所述轨道1的上方，所述摄像头2能够拍摄位于所述轨道1上的列车的顶部图像，所述发光设备3能够向所述轨道1上的列车的顶部发出光线；包括以下模块：

数据获取模块，用于控制发光设备3对准列车的顶部的受电弓滑板并发光，且控制所述摄像头2拍摄含有所述受电弓滑板的目标车顶图像，对所述目标车顶图像进行转灰度图处理；在所述目标车顶图像中，列车的延伸方向为上下的方向；

处理模块，用于在所述目标车顶图像中，沿着从下至上的方向寻找第一曲线段，第一曲线段上的第一像素点满足以下条件：第一像素点在上下方向的梯度方向为预设方向，且|第一像素点上侧的像素点的灰度值-第一像素点下侧的像素点的灰度值|>第一阈值；沿着从上至下的方向寻找第二曲线段，第二曲线段上的第二像素点满足以下条件：第二像素点在上下方向的梯度方向为预设方向，且|第二像素点上侧的像素点的灰度值-第二像素点下侧的像素点的灰度值|>第二阈值；第一、第二曲线段之间的区域为所述受电弓滑板对应的图像区域；所述预设方向为朝上的方向，或者为朝下的方向，第一阈值>0，第二阈值>0。

本实施例中，所述数据获取模块还用于：对所述目标车顶图像进行转灰度图处理，再进行中值滤波处理。

本实施例中，在轨道上方还设置有测距设备4；

所述数据获取模块还用于：控制所述测距设备4测量其与列车的顶部的距离数据，基于所述距离数据拟合出顶部轮廓和所述列车对应的标准车型，基于所述标准车型、获取所述顶部轮廓与受电弓之间的距离，等待时间T，其中，时间T＝距离/列车速度，所述标准车型至少标注了列车顶部的每个设备的轮廓和位置信息；之后，控制发光设备3对准列车的顶部的受电弓滑板并发光，且控制所述摄像头2拍摄含有所述受电弓滑板的目标车顶图像。

本实施例中，所述数据获取模块还用于：基于所述距离数据拟合出顶部轮廓，基于所述顶部轮廓、获取所述列车的车头坡度和车顶平均基平面，并基于所述车头坡度和车顶平均基平面获取所述列车的型号，获取所述型号对应的标准车型。

本实施例中，所述数据获取模块还用于：基于DSCN神经网络对所述距离数据进行处理，并拟合出顶部轮廓。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。