接触轨检测中摄像机标定的分析与研究

摘要

随着我国地铁建设事业的高速发展，如何提高接触轨供电系统的稳定性、安全性是保障电力机车的可靠运行的关键问题之一。由于计算机视觉测量具有非接触性、速度快、精度高等优点，逐渐成为接触轨检测的重要手段。摄像机标定是计算机视觉利用二维图像获取世界三维空间信息的前提和基础。本文主要研究了摄像机标定的理论和方法，并将其应用于接触轨检测试验中，为接触轨检测参数提供高精度的数据并奠定良好的基础。
　　本文从摄像机标定的基本原理入手，对几种常用的标定方法进行了简单介绍，根据接触轨检测环境，应用了激光三角测距标定法和双目成像标定法。一种激光三角测距标定法是采用激光三角测距原理，利用摄像机标定装置，测量十几组图像像素坐标和对应的接触轨几何位置，通过摄像机线性成像模型，根据Matlab求出图像像素坐标系和接触轨几何位置的转换关系，最后，选取10组不同的图像像素坐标，通过已求出的图像像素坐标系和接触轨几何位置的转换关系，得到接触轨的几何空间位置。将求得的接触轨几何位置与实际位置进行误差分析，验证了该标定方法的有效性和准确性；另一种激光测距标定法是利用标定装置分别测量10组图像像素坐标系中u，v与它对应的接触轨几何空间位置p，h，采用最小二乘支持向量机进行拟合处理，最后将同一像素位置的拟合值和实际测量值进行误差分析，验证了该标定方法的有效性和准确性。
　　双目成像标定法可分为线阵相机标定法和面阵相机标定法。线阵相机标定法通过对线阵图像进行处理，提取特征点，采用双目成像原理，获得图像像素坐标系和接触轨几何空间位置的转换关系，试验证明，当检测车以不同速度经过同一段接触轨时，采集的线阵图像，有很大的差别，所以该标定不适用于接触轨检测中；面阵相机标定法采用摄像机线性成像模型，建立图像像素坐标系和接触轨几何空间位置的关系式，通过对该关系式的分析与研究，得知该标定方法的计算过程过于复杂，实时性不高，不适用于接触轨检测中。
　　本文将基于线性成像模型的激光三角测距标定方法和基于数据拟合的激光三角测距标定方法应用于接触轨在线检测系统进行试验，并进行了相应的试验分析。试验证明，两种标定方法的检测精度均较高，检测数据与实际测量数据相比较，误差均在±3mm以内；基于数据拟合的激光三角测距标定方法较快的计算速度。