1、3D-DIC技術(shù)在高速鐵路軌道板承軌臺測量中的應用
高速鐵路的安全舒適性依賴(lài)于無(wú)砟軌道的高平順性和穩定性。為保證軌道平順性，在鐵軌鋪設之前需要測量每個(gè)承軌臺的高度偏差。鐵軌通過(guò)調整扣件系統可以達到設計高度并處于同一水平面上。現有技術(shù)通過(guò)接觸式走行測量系統實(shí)現了對承軌臺的高度偏差測量，但存在測量位點(diǎn)少、承軌臺定位時(shí)間長(cháng)、測量效率低等缺點(diǎn)。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張青川教授科研團隊提出利用千眼狼PMLAB 3D-DIC技術(shù)與全站儀融合測量的方法，搭建載有雙目視覺(jué)和反射棱鏡的測量機架，測量了高鐵軌道板上各個(gè)承軌臺的高度偏差，本次測量方法在實(shí)際應用中，不僅減少測量誤差，單日可檢測效率提高10倍。實(shí)現軌道板承軌臺高度偏差的高精度、高效率檢測，為提高施工效率做出了貢獻。（詳情可見(jiàn)《基于數字圖像相關(guān)方法的高速鐵路軌道板承軌臺高度偏差測量方法》）
2、實(shí)驗方法
為了測量承軌臺的高度偏差，科研團隊重建整個(gè)軌道板上所有承軌臺的三維輪廓，并提出了一種相機-全站儀-棱鏡融合測量方法，可以實(shí)現大范圍內承軌臺高精度、高效率的三維輪廓測量。實(shí)驗使用規格為40mmx40mm的鋁型材組裝了一個(gè)測量設備，如圖1（c）所示。該測量設備由雙相機系統和四個(gè)反射棱鏡組成。在實(shí)驗過(guò)程中，每個(gè)承軌臺的三維輪廓是用雙相機系統測量的，并通過(guò)全站儀對反射棱鏡位置的定位來(lái)拼接。
圖1 (a)軌道板的真實(shí)圖像；(b)標定過(guò)程；(c)測量設備；(d)貼有10塊反射片的鋁合金。
本次實(shí)驗是基于單個(gè)軌道板進(jìn)行的，分為兩個(gè)過(guò)程：標定和測量。軌道板（P5600型軌道板（CRTS III））的實(shí)物圖如圖1（a）所示。首先標定雙相機系統，以獲得相機內參和外參，再標定相機-全站儀-棱鏡系統。
標定結束進(jìn)行實(shí)驗測量。首先將測量設備移動(dòng)到第一個(gè)承軌臺位置處，使承軌臺位于雙相機視場(chǎng)的中心。第二，在測量設備適當距離處架好全站儀。并將測量設備移到下一個(gè)階段的位置進(jìn)行圖片采集。圖像采集過(guò)程中，確保相鄰階段的圖片之間有重疊區域。重疊區域是使用3D-DIC方法對相鄰階段圖片進(jìn)行拼接的關(guān)鍵。
3、實(shí)驗分析
1/3.基于重疊區域的點(diǎn)云數據拼接原理
為了測量整個(gè)軌道板上所有承軌臺的三維輪廓，對每個(gè)承軌臺進(jìn)行DIC計算和三維輪廓重建，然后拼接每個(gè)階段的點(diǎn)云數據。
每個(gè)階段待測物體重建后的三維坐標是在此階段中以左相機光心中心為中心的空間坐標系下。為此科研人員在軌道板上移動(dòng)雙相機系統，捕捉每個(gè)階段的圖像。這個(gè)過(guò)程需要保證相鄰階段圖片之間有重疊區域。不同測量階段的三維點(diǎn)云數據的拼接可以通過(guò)DIC方法獲得。其示意圖如圖2所示。
圖中，點(diǎn)P為軌道板表面上一點(diǎn)，(X, Y, Z)為其在世界坐標系中的三維坐標。Pa點(diǎn)和Pb點(diǎn)分別對應該點(diǎn)在n-1階段和n階段中相機坐標系中的點(diǎn)，利用3D-DIC可以計算出Pa點(diǎn)在階段n-1時(shí)的三維坐標(Xa, Ya, Za)。而后雙相機系統沿軌道走向移動(dòng)并拍攝圖片，經(jīng)過(guò)計算得到此時(shí)Pb點(diǎn)的三維坐標(Xb, Yb, Zb), 此時(shí)的相機坐標系已經(jīng)發(fā)生了變化。根據Pa點(diǎn)和Pb點(diǎn)的三維坐標可以計算兩個(gè)階段相機坐標系之間的坐標轉換關(guān)系。若將階段n-1作為參考，則第n個(gè)階段到第n-1個(gè)階段的坐標系轉換關(guān)系為RTn→n?1, 坐標系變換關(guān)系可以通過(guò)至少3個(gè)點(diǎn)云重疊區域中的點(diǎn)來(lái)求得：
在實(shí)際實(shí)驗過(guò)程中，選取k個(gè)點(diǎn)來(lái)計算相鄰階段相機坐標系之間的變換關(guān)系。承軌臺的表面有豐富的紋理，可以作為DIC計算的散斑圖案。用于點(diǎn)云數據拼接的點(diǎn)來(lái)自于承軌臺表面的自然紋理，不進(jìn)行特征提取。我們在相鄰階段圖像的重疊區域內每隔20個(gè)像素選擇一個(gè)點(diǎn)。在測量設備的移動(dòng)過(guò)程中，相鄰階段可以人為地保證有約為相機分辨率一半大小的重疊區域。在使用3D-DIC方法進(jìn)行相關(guān)匹配時(shí)，重疊區域被選為感興趣區域，通過(guò)設置計算步長(cháng)為20像素，可以選擇k個(gè)共軛點(diǎn)。
2/3.融合測量原理
為了解決坐標系不統一和傳遞誤差的問(wèn)題，科研團隊提出了一種基于反射棱鏡的全站儀-相機-棱鏡融合測量方法。高速鐵路在建設施工前需要建立高精度、高可靠性的控制網(wǎng)，其中第三級為基樁控制網(wǎng)，為了建立相機坐標系與CPIII坐標系之間的坐標系變換關(guān)系，在測量設備上安裝由4個(gè)反射棱鏡組成的棱鏡組。考慮使用全站儀和反射片來(lái)獲得相機坐標系中棱鏡中心的三維坐標。這是一個(gè)測量設備的標定過(guò)程，左右相機的立體標定也可以一起進(jìn)行，稱(chēng)之為融合標定方法。如圖3所示。
實(shí)驗過(guò)程中，需要鎖定相機和棱鏡的位置，移動(dòng)后需要重新對測量設備進(jìn)行融合標定。系統標定如圖4所示。
完成融合標定后，即可將測量機架移至高鐵軌道上進(jìn)行承軌臺三維空間形貌和位置的測量。
4、實(shí)驗分析 實(shí)驗基于重疊區域的點(diǎn)云拼接方法，可以得到所有階段拼接后位于相機坐標系中的點(diǎn)云數據。通過(guò)全站儀測量的棱鏡的三維坐標和它在相機坐標系中的三維坐標，得到兩個(gè)坐標系之間的坐標變換關(guān)系。圖4(a)和圖9(b)分別顯示了前四個(gè)軸承平臺和所有軸承平臺的拼接結果。
在實(shí)驗過(guò)程中，通過(guò)3D-DIC方法重建承軌臺的三維形狀，計算時(shí)間不占用測量時(shí)間。由于在短距離范圍內，基于點(diǎn)云數據拼接原理的測量誤差在允許范圍內，所以在測量設備移動(dòng)過(guò)程中，沒(méi)有必要使用全站儀測量反射棱鏡的各個(gè)階段。只需要測量特定位置的反射棱鏡，效率大大提升。對于單塊軌道板，只需要用全站儀進(jìn)行一次測量。測量一塊軌道板的時(shí)間為30秒，而測量一對承重平臺平均需要3秒。
CRTS III型軌道板的長(cháng)度為5.6米，一小時(shí)內可測量670米的距離。應該注意的是，為了確保拼接的準確性，全站儀每隔1000米就需要重新定位。全站儀的每次重新定位需要10分鐘。用傳統的方法，在一天內可以測量500米范圍內的軌道板。相比之下，如果每天工作9小時(shí)，可以實(shí)現5000米/天的測量效率。
5、總結 科研團隊與施工方進(jìn)行合作，提出了一種基于3D-DIC的相機-全站儀-棱鏡融合測量方法。該方法高精度、高效率的測量了承軌臺的高度偏差，符合高速鐵路建設的需求，并解決了基于重疊區的點(diǎn)云數據拼接方法中的坐標系不統一和傳遞誤差問(wèn)題。在實(shí)際實(shí)驗中，張教授科研小組使用千眼狼PMLAB 3D-DIC方法測量承軌臺（675毫米×275毫米×28毫米）的三維輪廓，精度高于0.1毫米，并通過(guò)使用全站儀定位反射棱鏡的位置，對承軌臺的三維輪廓進(jìn)行拼接和統一。此外，3D-DIC方法與基于重疊區域的點(diǎn)云數據拼接原理一起被用于拼接相近的承軌臺輪廓。受益于該測量技術(shù)，測量能力從500米/天提高到5000米/天，效率提高10倍，為高速鐵路軌道板上的承軌臺提供了一種全自動(dòng)的、高效的、準確的高度偏差測量方法。（此文源自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張青川教授科研團隊）
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