資 波， 劉云超， 何善寶

(1.中國鐵路廣州局集團有限公司 長沙貨運中心，湖南 長沙 410205；2.北京康拓紅外技術(shù)股份有限公司 廣州辦事處，廣東 廣州 510000；3.北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100000)

引言

貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是鐵路貨車裝載狀態(tài)檢測的重要系統(tǒng)，利用鐵路線路邊的線陣相機對運行貨車的裝載狀態(tài)進行動態(tài)圖像檢測，以人機結(jié)合的方式及時發(fā)現(xiàn)貨車裝載狀態(tài)異常，從而阻斷問題貨物車輛上線運行，在全路范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，成為保障貨車運行安全、提高運輸效率的基礎(chǔ)設(shè)施和重要工具。

圖像質(zhì)量是衡量貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)效果的最重要標準，而相機及光源是決定圖像質(zhì)量的重要因素。縱觀鐵路圖像檢測設(shè)備的發(fā)展，相機及光源技術(shù)的不斷發(fā)展極大地推進了其技術(shù)的更新迭代?，F(xiàn)如今市面上的相機已經(jīng)采用網(wǎng)絡(luò)接口來替代最初的1393接口，相機分辨率從352×288到1920×1080，補償光源從氙氣燈到LED燈、從常亮光源到頻閃光源[1]。鐵路圖像檢測設(shè)備采用的相機及光源技術(shù)一直在不停地發(fā)展，近些年，在相機和光源的選擇上都有了一些進步，本文闡述線陣相機和激光光源在貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的最新運用，所用相關(guān)素材基于中國鐵路廣州局集團有限公司霞凝貨場貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)項目。

1 相機

最初的鐵路現(xiàn)場安全控制圖像檢測設(shè)備大多使用的是面陣相機。通過短時曝光一幅幅圖像，面陣相機具備搶拍動態(tài)物體的優(yōu)勢。然而這些被拍攝的圖像不僅在拍攝方向上無法保證完全的無縫銜接，并且可能存在由信號干擾造成的丟圖、竄圖等問題，在一定程度上會對遠程檢車作業(yè)人員的正常作業(yè)造成干擾。

圖1是面陣相機拍攝的側(cè)架拼接圖(由六幅照片拼接而成)，從圖中可以看出，相鄰的兩幅照片都有較大部分的圖像重復(fù)，無法做到無縫拼接，增加了遠程檢車作業(yè)人員的工作量。

圖1 面陣相機拍攝的側(cè)架拼接圖Fig.1 Side frame mosaic image taken by area array camera

1.1 線陣相機介紹

就目前而言，線陣相機被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、科研和安全等領(lǐng)域的圖像處理上。作為一類特殊的視覺機器，線陣相機采用區(qū)別面陣相機的一行感光元素，達到高頻掃描和高分辨率的技術(shù)要求。線陣相機主要被應(yīng)用于檢測金屬、塑料、紙和纖維等連續(xù)的材料。當(dāng)被檢測的物體勻速運動時，通常利用一臺或多臺相機對待檢測物體實施逐行掃描，并對掃描得到的圖像進行行處理或者面陣處理，從而保證能夠均勻地檢測到待檢物體的整個表面。另一方面，依賴于傳感器的高分辨率，線陣相機同時也被廣泛地應(yīng)用于高精度測量，測量精度達到微米級別。

線陣相機的檢測視野呈“線”狀，其檢測得到的單幅二維圖像具備很高的列像素數(shù)量，但是行像素數(shù)量僅為幾個而已，鑒于線陣相機的“線”性，它一般被用在以下這兩種情況：①同為細長帶狀的被測視野，這種情況常見于滾筒檢測問題；②極大的視野或極高的精度要求，這種情況還需要使用輔助性的激發(fā)裝置來多次激發(fā)相機，實時連續(xù)性地拍照，再通過后臺來處理多幅“條”形圖像，最后拼接獲得一幅高分辨率的圖像。

如果貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用1024分辨率(每行)的線陣相機連續(xù)拍攝，拍攝的是整列車的完整圖像，可根據(jù)需要任意截取。按1400×1024的分辨率計算，像素點為143萬余個，并且實現(xiàn)了行車方向圖片無縫拼接效果。

圖2 線陣相機拍攝的貨車單側(cè)拼接圖Fig.2 Single side of the truck mosaic image taken by linear-array camera

1.2 成像光學(xué)原理

相機的鏡頭是由若干透鏡組成一個鏡片組，整體作用相當(dāng)于一個凸透鏡。相機成像的光學(xué)原理就是被攝物體反射的光線通過鏡頭后會在圖像傳感器成一個反的像，如圖3所示。

圖3 相機成像光學(xué)原理圖Fig.3 Optical principle diagram of camera imaging

焦距也稱為焦長，是光學(xué)系統(tǒng)中一種衡量光線聚焦或發(fā)散的度量方式，當(dāng)一束平行光線入射透鏡時，透鏡光心到光聚焦的焦點之間的距離代表焦距。在照相機系統(tǒng)中，從鏡頭透鏡中心到成像傳感器的距離為焦距，單位為毫米級。

在相機系統(tǒng)中，焦距決定鏡頭的視角，而視角影響在感光面上被攝物的成像大小。鏡頭的視角同時取決于焦距和感光體的面積。如圖4所示，當(dāng)比較中間和左側(cè)的透鏡時，可以發(fā)現(xiàn)在兩者的感光面積相同的情況下，短焦距透鏡的視野范圍明顯比長焦距的寬闊。同理，當(dāng)比較中間和右側(cè)的透鏡時，可以發(fā)現(xiàn)在兩者的焦距相同時，感光面積大的透鏡比感光面積小的具備更大的視角范圍。

圖4 不同感光面積、不同焦距下的視野范圍對比示意圖Fig.4 Comparison diagram of field of view under different photosensitive areas and different focal lengths

視角計算示意圖如下:

貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用的線陣相機成像面尺寸為14.34mm。表1列出常用的三種鏡頭配合貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)所用線陣相機的視角。

表1 三種常用鏡頭的視角Table 1 Visual angle of three commonly used lenses

貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)頂部相機使用16mm焦距的鏡頭，側(cè)部相機使用8mm焦距的鏡頭，能夠根據(jù)實際情況獲得貨車頂部和側(cè)部完整圖像。

圖5 視角計算示意圖Fig.5 Schematic diagram of angle calculation

2 補償光源

2.1 光源波段選取

圖6為DALSA spyder3 GigE Vision線陣相機對光譜的敏感曲線，從圖中能夠直觀地看到，此相機在800nm附近波段達到敏感度峰值。

圖6 Spyder GigE Vision光譜響應(yīng)度Fig.6 Spyder GigE Vision spectral responsivity

另外，通?？梢姽獾牟ㄩL范圍為390nm～770nm，而808nm這個波段的太陽光功率密度大約為0.95*808W/m2= 0.7676mW/mm2，其光功率密度小于可見光功率密度，因此采用808nm波段的近紅外作為補償光源，能夠滿足線陣相機的感光要求。同時由于近紅外光具備基本不可見性，很大程度上消除了補償光源對線路作業(yè)人員的光干擾。

圖7 太陽光光譜功率能量分布圖Fig.7 Solar spectrum power energy distribution map

2.2 LED光源

LED光源具備亮度高、壽命長、發(fā)熱小等優(yōu)點，但是并不契合線陣相機的線性補償光源需求，同時LED光源發(fā)散和無法集中的特性，會導(dǎo)致大部分的能量浪費。

圖8展示了以LED作為補償光源的線陣相機，整條燈帶中共包含216個LED，其中每個LED的功率約為3W，則總功率為648W，普通LED顆粒的電光效率大概是25%，則總共的光功率大概為P=162W。

圖8 LED補償光源Fig.8 LED compensation light source

按照理論最大量原則，當(dāng)所有的LED都被安置在相機中心線上，每個LED的發(fā)光角度為15°，則在1.25米處形成的光斑寬度W = 2*1.25*tan(15°/2) = 0.329m，另外按照光斑長度為L = 1.5m計算，則光斑面積S = L*W = 0.494 m2，而在1.25米處的光功率密度EP= P/S= 0.33 mW/mm2。

圖9 LED光斑寬度形成示意圖Fig.9 Schematic diagram of LED spot width formation

在項目實驗中，底箱使用的相機是1個2K高清的陣列相機。從效果看，在所有列車車速下(最高只達到65km/h)LED補償光源強度只能夠滿足基本補償需求。同時，由于車輪內(nèi)側(cè)所處的位置較隱蔽，反射回相機的光強較弱，導(dǎo)致車輪的局部照片偏暗。

想要提高抗光干擾能力，就必須縮短相機的曝光時間(最短可設(shè)置為3us)。從現(xiàn)場相機設(shè)置的大于20us的曝光時間能夠發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場的補償光源強度低于實際需求。當(dāng)列車進一步提速時，對應(yīng)地需要更短的曝光時間，那么既有補償光源強度便不能滿足需要。

2.3 激光光源

激光光源有單色性好、功率大、能量集中等優(yōu)點。如果在LED的基礎(chǔ)上，將光功率密度提高3倍，即0.99 mW/mm2，既能達到線性相機的補償光源需求，又兼?zhèn)淞己玫目构飧蓴_性。按照1.25處光斑長0.2m、寬0.1m計算，那么所需選取激光光源光功率僅為19.8W。

整個激光補償光源主要由激光器、光纖、激光鏡頭組成，其中：激光器作為光源系統(tǒng)的核心，主要用來發(fā)射激光；光纖作為激光傳輸?shù)慕橘|(zhì)，主要用來連接激光器和激光鏡頭；激光鏡頭用于將光纖傳輸過來的點狀激光光斑變成線狀激光光斑。

項目中使用的激光器如圖10所示，主要由激光控制板、激光模板、散熱器、散熱風(fēng)扇構(gòu)成，其中激光模塊光功率可以選擇20W，具體的參數(shù)信息見表2。

表2 激光光源相關(guān)組件參數(shù)表Table 2 Parameter table of laser light source components

圖10 項目中使用的激光器Fig.10 Laser used in the project

值得注意的是，光纖必須與激光器匹配，圖11中所示的光纖參數(shù)為：芯徑為400um，數(shù)值孔徑為0.22。而激光光源光斑的均勻性則取決于激光鏡頭的好壞。

圖11 光纖Fig.11 Optical fiber

圖12 激光鏡頭Fig.12 Lens of laser

整套線陣相機及激光光源在貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)上使用的現(xiàn)場圖片如圖13，該線陣相機貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比之前的LED貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：

圖13 線路上安裝的線陣相機及補償光源Fig.13 Linear-array camera and laser light source installed on the line

(1)具備良好的抗光干擾能力；

(2)避免信號干擾引起的丟圖、竄圖現(xiàn)象；

(3)在惡劣天氣等環(huán)境因素下，具備較強的抗干擾能力；

(4)行車方向采集的圖片實現(xiàn)無縫拼接，保證采集信息的完整性與連貫性。

3 系統(tǒng)控制方案

針對線陣相機及光源，行車方向圖片無縫拼接采用如圖14所示的控制方案。前端控制箱在接收到磁鋼信號以后計算出列車的行駛速度以及軸距信息，接著通過串口發(fā)送給采集計算機。采集計算機1不僅作為車號信息采集模塊，還包含內(nèi)置計量等算法的控制程序，不斷將外圍設(shè)備的控制信號通過串口發(fā)送給前端控制箱。所有采集計算機之間通過交換機進行互聯(lián)通信，并經(jīng)由交換機傳輸計量和圖像信息至后端服務(wù)器。

圖14 貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)控制方案Fig.14 The truck loading status video surveillance system control scheme

當(dāng)貨車碾壓過1號和2號磁鋼時，前端控制箱通過串口給采集計算機1發(fā)送開啟命令，并實時發(fā)送軸距信息，采集計算機1通過程序計算、判別車型及確定系統(tǒng)接車后，通過串口將開始接車信號反饋給前端控制箱，以及通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)給各臺采集計算機開始接車信號，此時前端控制箱開啟防護門和激光程序，各臺采集計算機上的采集程序開啟相機并等待列車壓過3號和4號磁鋼時開始對列車進行圖像拍攝[2]。

當(dāng)列車通過以后，前端控制箱關(guān)閉激光光源和防護門，并向各臺計算機發(fā)送過車結(jié)束信號，采集計算機在接收到信號后關(guān)閉采集程序，并將所有信息上傳至后端服務(wù)器。至此，一次過車拍攝結(jié)束，系統(tǒng)回歸待機狀態(tài)。

4 總結(jié)

將線陣相機及激光光源引入到貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，是對貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)一次大膽的技術(shù)嘗試，從現(xiàn)場的運用情況來看，由于實現(xiàn)了列車運行方向上圖片的無縫拼接，極大地減少了列檢作業(yè)人員的工作量，且線陣圖像更方便圖像故障自動識別的開展。整套線陣貨車裝載狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于相機和光源的特點，采用了完全不同以往的軌邊機械結(jié)構(gòu)，維護簡單、可靠性高，極大地簡化了檢修人員的軌邊作業(yè)。但從側(cè)面拍攝的圖片看，由于側(cè)面線陣相機安裝位置偏低，從而導(dǎo)致圖像下半部分出現(xiàn)圖像變形。

圖15 現(xiàn)場采集的一輛貨車照片(含頂部、左右兩側(cè))Fig.15 Photos of a truck collected at the scene (including top,left and right sides)

圖16 貨車車門鎖放大照Fig.16 Enlarged picture of truck door lock