CC BY
58
Обработка видеосигналов для измерения параметров квазистатических объектов
Васин Н.Н., Куринский В.Ю., Пронькин АА,
ПГУТИ, г. Самара
В статье в качестве квазистатических объектов рассматриваются железнодорожные рельсы, которые прогибаются под действием проходящего состава. Значение прогиба рельса косвенно характеризует состояние насыпи, при деградации которой прогиб рельсов под тяжестью состава увеличивается, а безопасность движения резко снижается. Задача измерения параметров квазистатических объектов особенно актуальна на подъездных участках к мостовым сооружениям, положение которых более стабильно по сравнению с насыпью непосредственно перед мостом. Информационные технологии обработки видеосигналов позволяют измерять параметры подвижных и квазистатических объектов [1, 2]. Измерение данных параметров с заданной точностью позволяет создавать автоматизированные системы управления, повышающие безопасность движения железнодорожных составов.
Для оценки величины проседания насыпи относительно бетонного сооружения железнодорожного моста используется косвенный метод измерения. Косвенный метод заключается в определении величины проседания рельса во время прохождения состава. Метод позволяет динамически отслеживать изменение состояния насыпи по величине проседания рельса во время прохождения состава, производя измерения в определенные промежутки времени. Данный способ основан на базе обработки двух цифровых изображений методом межкадровой разности [1, 3]. При использовании данного метода цифровые изображения, получаемые с помощью видеокамеры, обрабатываются за счет попиксельного вычитания текущего 1-ого кадра из последующего I +1 кадра.
Цифровая видеокамера устанавливается рядом с железнодорожным полотном. Экспериментально полученное расстояние от объектива видеокамеры до железнодорожного полотна, до первого рельса, составляет 4 метра (рис. 1).
На рис. 1 через символ обозначен угол обзора видеокамеры. Значение данного параметра должно использоваться при расчетах соответствия единицы длины одному пикселю. С учетом того, что расстояние между рельсами приблизительно равно 1,6 метра, то расстояние от видеокамеры до дальнего, второго, рельса будет составлять, приблизительно, 5,6 метра. Символами I] и 1-2 — обозначены длины первого и второго рельса, попавших в область видимости видеокамеры. Тогда, с учетом параметра а данные значения будут иметь следующие значения:
Ы1 = 2 • 4 • tg(а/2) и Ы2 = 2 ■ 5,6 ■ &(а/2)-Большинство видеокамер выпускается с углом обзора в диапазоне от 60° до 90°. Существуют видеокамеры с углом 180° (рыбий глаз), однако у них очень большие искажения. Причем с увеличением угла обзора проявляются искажения прямой линии с преобразованием ее в дугу
Для анализа проседания сразу двух рельс на основе обработки одних и тех же изображений видеокамеру устанавливают на высоте 1 метр над уровнем рельсов (рис. 2).
В метрическом выражении проседание рельса при воздействии больших осевых нагрузок будет зависеть от значений И и -2. Во время проведения экспериментов была выбрана позиция расположения видеокамеры, соответствующая рис. 2. Результат полученного изображения рельсовых путей при таком расположении видеокамеры представлен на рис. 3.
Один из главных источников погрешности измерения параметров является вибрация. Вибрация насыпи возникает во время прохождения состава и вызывает смещение матрицы видеокамеры в пространстве, что в свою очередь влияет на расположение объекта для пространственно-временной функции видеосигнала в единицу времени. Видеокамеры устанавливают на жесткую опору, чтобы свести ее вибрацию к минимуму.
Для нахождения величины проседания рельса необходимо определить масштаб полученного изображения, диаметр колеса составляет 950 мм, что на изображении соответствует 338 пикселям. Следовательно, на один пиксель изображения приходится 2,8125 мм. Далее участок разбивается на равные отрезки и находится величина проседания в пикселях (рис. 4). Проседание варьируется от 4 до 2х пикселей (от 11,25 до 5,625 мм). Для получения качественного результата анализируется несколько изображений, полученных во время прохождения состава.
Расчет значения проседания рельса приведен для кадра, показанного на рис.4. Среднее значение проседания вычисляется по формуле:
оно составило Ах = 0,6 228 мм.
Среднеквадратическая погрешность данного измерения равна:
Рис. 1. Схематичное изображение вида сверху
Х(Ах - X)2
г(п — 1)
1 (5 м
Рис 2. Схематичное изображение вида сбоку
г
4 м
что составило 5 = 0,387 мм.
Приняв значение надежности Р = 0,80 при числе измерений п = 14, найден коэффициент Стьюдента а = 1,350. Абсолютная погрешность, вычисленная по формуле: Ау = 5 • а составила Ау = 0,522 мм.
Относительная погрешность:
£ = Ау 100%
Ах
равна £ = 8,388 % .
Следовательно, проседание рельса во время прохождения состава составляет 6,228 + 0,522 мм. Данный результат по оценкам экспертов говорит о том, что данная насыпь находится в нормальном состоянии, а проседание в пределах нормы. При использовании других методов измерений (механические, лазерные) были получены аналогичные результаты проседания рельса.
При измерении параметров квазистатического объекта важно определить участок насыпи, на котором значение проседания рельсов будет максимальным. Для нахождения такого участка производится видеосъемка, как показано на рис. 5, и производится виртуальная маркировка рельсов путем нанесения меток на видеоизображение. По нанесенным меткам строится график отклонения рельсов от заданной линии (рис.6) .
Рис. 6. Графическое представления участка
На основание этого графика делается вывод о месте насыпи, где требуется постоянный контроль. На основании приведенного метода была разработана программа обработки изображений, позволяющая производить измерение смещения квазистатических объектов [4].
Литература
1. Методы компьютерной обработки изображений: Под ред. В.А Сой-фера. — М.: Физмалит, 2004. — 784 с.
2. Еремин СИ., Малыгин Л.Л., Михайлов А.Е, Царев ВА Опыт использования технологии обработки изображений при проектировании интеллектуальных транспортных систем // Искусственный интеллект в XXI веке: Труды международного конгресса 1СА1 ' 2001. — М.: Физмалит, 2001. — Т.2. — С. 676-690.
3. Васин Н.Н., Куринский ВЮ. Обработка видеосигналов для измерения скорости движения железнодорожных вагонов на сортировочной горке // Компьютерная оптика, 2005. — №27. — С. 185-188.
4. Васин Н.Н., Куринский В.Ю., Пронькин АА Система мониторинга состояния насыпи // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, № 2008612580, заявка № 2008611318 от 31.03.2008, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 23.05.08.
