KR101026351B1 - Railway rail wear measurement system using wavelet and its method - Google Patents
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Abstract
라인레이저와 고속 카메라를 이용하여 철도레일 수직 절단면의 영상을 획득하고, 철도레일의 수직 절단면에 대한 공간정보를 추출하여 철도레일의 설계 단면 정보와 비교 분석함으로써, 정량적 정보를 기반으로 정밀성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템 및 그 방법이 제공된다. 철도레일 마모도 측정 시스템은, 라인레이저가 조사된 철도레일의 원시영상을 획득하기 위한 적어도 한 개 이상의 카메라; 카메라에 의해 획득된 원시영상으로부터 레이저 영역을 고속으로 검출하는 영상처리부; 획득된 레이저 영역에 대응하는 2차원 좌표데이터를 추출하는 외곽선 좌표 추출기; 추출된 2차원 좌표데이터로부터 철도레일의 수직 절단면 영상으로 매핑시킴으로써, 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 획득하는 외곽선 공간 변환기; 라인레이저의 구동을 제어하고, 영상처리부, 외곽선 좌표 추출기 및 외곽선 공간 변환기의 동작을 제어하는 메인 프로세서; 획득된 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 저장하는 좌표데이터 메모리; 및 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 전송받아, 탑재된 분석 프로그램으로 공간정보를 분석하는 호스트 컴퓨터를 포함한다.By using the line laser and high-speed camera, images of the railroad rail vertical cuts are obtained, and the spatial information on the railroad rail vertical cuts is extracted and compared with the design section information of the railroad rails. Provided are railroad rail wear measurement systems and methods using wavelets that can be improved. The railway rail wear measurement system includes at least one camera for acquiring a raw image of the railway rail to which the line laser is irradiated; An image processor which detects a laser region at high speed from the raw image acquired by the camera; An outline coordinate extractor for extracting two-dimensional coordinate data corresponding to the obtained laser region; An outline spatial converter that obtains spatial information on a vertical cut plane of a three-dimensional railroad rail by mapping the extracted two-dimensional coordinate data to a vertical cut plane image of a railroad rail; A main processor that controls the driving of the line laser and controls operations of the image processor, the outline coordinate extractor, and the outline space converter; A coordinate data memory for storing spatial information on the obtained three-dimensional railway rail vertical cut surface; And a host computer receiving the spatial information on the vertical rail cut and analyzing the spatial information with the onboard analysis program.
철도레일, 마모도 측정, 웨이브렛, 3차원 공간정보, 라인레이저, 영상처리 Railway rail, wear measurement, wavelet, 3D spatial information, line laser, image processing
Description
본 발명은 철도레일 마모도 측정 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 라인레이저와 카메라를 이용하여 획득한 철도레일 영상에 대하여 웨이브렛 방식의 영상처리 알고리즘을 적용함으로써, 철도레일의 표면 마모도 측정을 위한 영상데이터를 획득하는 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a railway rail wear measurement system, and more particularly, by applying a wavelet image processing algorithm to the railroad rail image obtained by using a line laser and a camera, an image for measuring the surface wear of the railroad rail A railroad rail wear measurement system using wavelets to obtain data.
철도레일은 일정 기간이 지나면 불규칙하게 마모되면서 홈이 생기고 소음이 더욱 커지게 된다. 이러한 철도레일에 생긴 홈이나 균열은 철도레일의 마모를 제대로 관리하지 않기 때문에 발생하며, 이를 방치하면 열차의 탈선 등 안전사고의 위험이 있으므로 철도레일의 마모를 주기적으로 정확히 측정하여야 한다.After a certain period of time, railway rails become irregularly worn, creating grooves and producing noise. Grooves or cracks in these railway rails are caused by the failure to properly manage the wear of the railway rails. If this is left unattended, the wear of the railway rails must be accurately measured periodically because of the risk of safety accidents such as derailment of the train.
하지만, 초음파 등을 이용한 종래의 기술에 따른 철도레일 마모도 측정 시스템은 기구적 및 기능적 한계를 나타내며 측정 상태와 측정 환경에 영향을 받아 정밀한 측정이 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 종래의 기술에 따른 철도레일 마모도 측정 시스템은 비용 대비 측정 효율이 낮다는 문제점을 가지고 있었다.However, the railway rail wear measurement system according to the conventional technology using ultrasonic waves, etc., exhibits mechanical and functional limitations, and there is a problem in that accurate measurement is difficult due to the influence of the measurement state and the measurement environment. In addition, the railway rail wear measurement system according to the prior art had a problem that the measurement efficiency is low compared to the cost.
일반적으로, 종래의 철도레일 마모도 측정 시스템은 크게 고속검측 설비 및 자주식 검측차로 구분될 수 있다.In general, conventional railway rail wear measurement system can be largely divided into high-speed detection equipment and self-propelled detection vehicle.
이러한 고속검측 설비로는 차상 및 대차의 진동 가속도를 측정하는 설비가 사용되며, 열차가 고속 주행하는 경우, 차량의 진동으로 인해 발생하는 궤도의 틀림을 추정하고 있다. 하지만, 진동에 의한 측정은 정밀도가 낮고, 측정값의 오차가 발생한다는 문제점이 있다.As the high speed detection equipment, equipment for measuring the vibration acceleration of the vehicle and the bogie is used, and when the train travels at a high speed, it is estimated that the track caused by the vibration of the vehicle is incorrect. However, the measurement by the vibration has a problem of low accuracy and error of the measurement value.
또한, 자주식 검측차는 보다 정밀한 궤도의 기하학적인 상태를 파악하고 유지보수 작업계획을 수립하기 위하여 사용되는데, 궤도선형 검측, 철도레일 단면의 측정, 철도레일 표면 결함의 측정, 파상 마모 측정 등을 수행한다. 이때, 검측 속도 160㎞/h로 검측이 가능하다. 이러한 자주식 검측차는 가속도계와 카메라를 이용한 관성식, 및 광학식 비접촉 측정 방식을 도입하여 검측 정밀도를 높일 수 있지만, 특히, 300㎞/h의 고속철도에서는 검측이 불가능뿐만 아니라 철도레일 마모 현상을 정확히 분석할 수 없다. 또한, 편마모가 심하거나 침체된 철도레일의 경우, 검측차가 철도레일 두부의 중심을 벗어나 진행하게 되므로 에러가 발생하고, 이에 따라 정밀 검침이 불가능하다는 문제점이 있다.In addition, the self-propelled detection vehicle is used to identify more precise geometrical state of the track and to establish a maintenance work plan, which performs track linear detection, measurement of railway rail cross-section, measurement of railway rail surface defects, and wave wear measurement. . At this time, detection is possible at a detection speed of 160 km / h. These self-propelled detection vehicles can improve the detection accuracy by adopting inertial and optical non-contact measurement methods using accelerometers and cameras, but in particular, it is impossible to detect high-speed railways of 300 km / h and can accurately analyze railway rail wear phenomenon. none. In addition, in the case of severely worn or stagnant railway rails, an error occurs because the detection car proceeds out of the center of the rail rail head, and thus there is a problem in that accurate meter reading is impossible.
이에 따라 레이저와 카메라를 이용하여 최대 300㎞/h의 검측 속도에서 빠른 시간내에 측정된 데이터를 분석하여 신속, 정확하게 점검 및 관리할 수 있는 철도레일 마모도 측정 시스템의 개발이 요구되고 있는 실정이다.Accordingly, there is a demand for the development of a railway rail wear measurement system that can quickly and accurately inspect and manage the data measured in a short time at a detection speed of up to 300 km / h using a laser and a camera.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 라인레이저와 카메라를 이용하여 획득한 철도레일 영상에 대하여 웨이브렛 방식의 영상처리 알고리즘을 적용하고, 철도레일의 표면 마모도 측정을 위한 영상데이터를 획득할 수 있는, 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.The technical problem to be solved by the present invention is to apply a wavelet image processing algorithm to the railway rail image obtained by using a line laser and a camera, the image for measuring the surface wear of the railway rail To provide a railway rail wear measurement system and method using a wavelet, which can obtain the data.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 철도레일 표면에 대한 3차원상의 철도레일 수직 절단면정보를 획득하고 호스트 컴퓨터에 저장된 철도레일의 단면정보와 비교함으로써, 철도레일의 마모된 정도를 빠른 시간내에 정확하고 효율적으로 측정할 수 있는 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.Another technical problem to be solved by the present invention is to accurately obtain the three-dimensional railway rail vertical cutting surface information on the surface of the railway rail and compare it with the cross-sectional information of the railway rail stored in the host computer, so that the degree of wear of the railway rail can be quickly and accurately corrected. To provide a railway rail wear measurement system and method using a wavelet that can be measured efficiently and efficiently.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 철도레일 표면에 있어서 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 획득하여 최대 300㎞의 운행 속도에서 철도레일의 마모도를 정량적으로 판단할 수 있는 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is a wavelet capable of quantitatively determining the wear rate of a railroad rail at a speed of up to 300 km by acquiring spatial information on a vertically divided plane of a three-dimensional railroad rail surface. To provide a railroad rail wear measurement system and method thereof.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템은, 라인레이저(Line laser)가 조사된 철도레일(Railway)의 원시영상을 획득하기 위한 적어도 한 개 이상의 카메라; 상기 카 메라에 의해 획득된 원시영상으로부터 레이저 영역을 고속으로 검출하는 영상처리부; 상기 영상처리부에 의하여 획득된 레이저 영역에 대응하는 2차원 좌표데이터를 추출하는 외곽선 좌표 추출기; 상기 추출된 2차원 좌표데이터로부터 상기 철도레일의 수직 절단면 영상으로 매핑시킴으로써, 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 획득하는 외곽선 공간 변환기; 상기 라인레이저의 구동을 제어하고, 상기 영상처리부, 외곽선 좌표 추출기 및 외곽선 공간 변환기의 동작을 제어하는 메인 프로세서; 상기 외곽선 공간 변환기로부터 획득된 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 저장하는 좌표데이터 메모리; 및 상기 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 전송받아, 탑재된 분석 프로그램으로 상기 공간정보를 분석하는 호스트 컴퓨터를 포함하여 구성된다.As a means for achieving the above-described technical problem, at least one railway rail wear measurement system using a wavelet according to the present invention, to obtain a raw image of the railway rails irradiated with a line laser (Line laser) More cameras; An image processor which detects a laser region at high speed from an original image acquired by the camera; An outline coordinate extractor for extracting two-dimensional coordinate data corresponding to the laser region obtained by the image processor; An outline spatial converter that obtains spatial information on a vertical cut plane of a three-dimensional railroad rail by mapping the extracted two-dimensional coordinate data to a vertical cut plane image of the railroad rail; A main processor controlling driving of the line laser and controlling operations of the image processor, an outline coordinate extractor, and an outline space converter; A coordinate data memory for storing spatial information on a three-dimensional railway rail vertical cut plane obtained from the outline space converter; And a host computer receiving the spatial information on the vertical cut plane of the three-dimensional railway rail and analyzing the spatial information with a mounted analysis program.
여기서, 본 발명에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템은, 철도레일 수직 절단면에 레이저를 조사하는 라인레이저; 및 최적의 원시 영상을 획득하도록 상기 라인레이저의 레이저 세기를 조절하여 구동하는 레이저 구동부를 추가로 포함할 수 있고, 상기 라인레이저는 외부 광원과 구분되는 적외선 대역의 파장을 갖는 레이저 광원일 수 있다.Here, the railway rail wear measurement system using a wavelet according to the present invention, a line laser for irradiating a laser to the rail rail vertical cut surface; And a laser driver configured to control the laser intensity of the line laser to obtain an optimal raw image, and the line laser may be a laser light source having a wavelength in an infrared band separated from an external light source.
여기서, 상기 영상처리부는 카메라에 의해 획득된 원시영상을 홀수 프레임과 짝수 프레임으로 구분하여 교대로 처리하기 위한 2개의 이중화된 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.In this case, the image processing unit has two redundant structures for alternately processing the raw image obtained by the camera into an odd frame and an even frame.
여기서, 상기 영상처리부는, 고속 연산 알고리즘을 적용하여 영상데이터를 재배치하는 영상데이터 분류기; 상기 영상데이터 분류기에서 재배치된 영상데이터 정보를 저장 및 관리하는 원시영상 메모리; 상기 원시영상 메모리에 저장된 영상으로부터 웨이브렛 기반의 영상처리 알고리즘을 적용하여 라인레이저의 외곽선을 정밀하게 검출하는 레이저 영역 검출기; 및 상기 레이저 영역 검출기의 라인레이저 외곽선 데이터 정보를 저장하고 관리하는 영상처리 메모리를 포함할 수 있다.The image processor may include: an image data classifier configured to rearrange image data by applying a high speed algorithm; A raw image memory configured to store and manage image data information rearranged by the image data classifier; A laser region detector for accurately detecting an outline of a line laser by applying a wavelet-based image processing algorithm from an image stored in the raw image memory; And an image processing memory configured to store and manage line laser outline data information of the laser area detector.
여기서, 상기 외곽선 공간 변환기는, 2차원상의 좌표데이터로 추출된 라인레이저 영역으로부터 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 획득하기 위하여 투시 변환과 카메라 모델의 기법이 적용되는 것을 특징으로 한다.In this case, the outline spatial converter is characterized in that the perspective transformation and the camera model are applied to obtain spatial information on the vertical cutting plane of the three-dimensional railway rail from the line laser region extracted from the two-dimensional coordinate data.
여기서, 상기 호스트 컴퓨터는, 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 디스플레이하고, 철도레일 마모의 정도를 정밀하게 분석하기 위하여 기저장된 철도레일의 단면정보와 비교하여 상기 철도레일의 마모된 정도를 정량적으로 제공하는 것을 특징으로 한다.In this case, the host computer displays the spatial information on the vertical cutting surface of the three-dimensional railway rail, and the degree of wear of the railway rail compared with the cross-sectional information of the pre-stored railway rail to accurately analyze the extent of the railway rail wear It provides a quantitatively.
여기서, 본 발명에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템은, 상기 좌표데이터 메모리와 상기 호스트 컴퓨터를 통신 가능하도록 연결하고, 실시간으로 측정된 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 상기 호스트 컴퓨터로 전송하는 통신모듈을 추가로 포함할 수 있다.Here, the railway rail wear measurement system using a wavelet according to the present invention, the coordinate data memory and the host computer so as to communicate with each other, the real-time measured spatial information on the three-dimensional railway rail vertical cutting plane measured by the host It may further include a communication module for transmitting to a computer.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 방법은, a) 라인레이저가 조사된 철도레일의 원시영상을 획득하는 단계; b) 상기 획득된 원시영상으로부터 레이저 영역을 고속으로 검출하는 단계; c) 상기 획득된 레이저 영역에 대응하는 2차원 좌표데이터를 추출하는 단계; d) 상기 추출된 2차원 좌표데이터로부터 상기 철도레일의 수직 절단면 영상으로 매핑시킴으로써, 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 획득하는 단계; e) 상기 외곽선 공간 변환기로부터 획득된 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 저장하는 단계; 및 f) 상기 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 전송받아, 탑재된 분석 프로그램으로 상기 공간정보를 분석하는 단계를 포함하여 이루어진다.On the other hand, as another means for achieving the above technical problem, a railroad rail wear measurement method using a wavelet according to the present invention, a) obtaining a raw image of the railroad rail line irradiated; b) rapidly detecting a laser region from the obtained raw image; c) extracting two-dimensional coordinate data corresponding to the obtained laser region; d) obtaining spatial information on the vertical cut plane of the three-dimensional railway rail by mapping the extracted two-dimensional coordinate data to the vertical cut plane image of the railway rail; e) storing spatial information on the three-dimensional railway rail vertical cut plane obtained from the outline space converter; And f) receiving spatial information on the vertical cut plane of the three-dimensional railway rail, and analyzing the spatial information with a mounted analysis program.
본 발명에 따르면, 철도 운행의 안전성 확보와 유지 보수의 비용 절감 및 차량 진단 기술 확보 측면에서 라인레이저와 고속 카메라를 이용하여 고속 주행 중에 철도레일 수직 절단면의 영상을 획득할 수 있는 영상 측정 시스템으로 측정 및 분석 데이터를 통하여 철도레일의 마모도에 따른 상태를 분석함으로써 잠재적 위험 요소에 대한 정량적인 데이터를 빠르고 정밀하게 확보할 수 있다.According to the present invention, in terms of securing safety of railway operation, reducing maintenance costs, and securing vehicle diagnostic technology, an image measuring system capable of acquiring an image of a vertical section of a railway rail during high speed driving using a line laser and a high speed camera is measured. By analyzing the condition according to the wear level of the railway rail through the analysis data, it is possible to quickly and precisely obtain quantitative data on potential risk factors.
본 발명에 따르면, 모든 규격의 철도레일에 동일하게 적용하는 것이 가능함에 따라 철도레일에 대한 결함뿐만 아니라 체결구 파손, 침목 균열 등 인력에 의한 육안점검 분야를 대체할 수 있는 시스템으로의 적용이 가능하기 때문에 유지보수 점검에 드는 시간과 비용을 절약할 수 있다.According to the present invention, it is possible to apply the same to all railroad rails of the same standard, it is possible to apply to the system that can replace the field of visual inspection by manpower such as fastener damage, sleeper crack, as well as defects on the railroad rail This saves time and money for maintenance inspections.
본 발명에 따르면, 철도레일의 과다 마모로 인하여 발생되는 열차의 진동을 해소하여 승차감을 향상시키고 과다 마모로 발생되는 철도레일과 차륜의 충격에 의한 궤도 파손과 철도레일에 존재하는 결함의 사전 탐지로 철도운행이 안전하게 이루어질 수 있다.According to the present invention, by eliminating the vibration of the train caused by the excessive wear of the railway rail to improve the ride comfort and by the pre-detection of track damage caused by the impact of the railway rail and wheels caused by excessive wear and the defects present in the railway rail Railway operation can be done safely.
본 발명에 따르면, 300㎞/h의 속도로 고속 주행하는 열차에 탑재한 상태에서 측정이 가능하고, 철도레일의 마모도에 대한 정밀한 데이터를 제공함으로 획득한 데이터에 대한 체계적인 분석 및 관리를 통하여 시설물결함의 진행상태 관찰 및 보수 계획 수립에 의한 체계적인 철도레일 관리와 운행의 안정성을 극대화시킬 수 있다.According to the present invention, it is possible to measure while mounted on a high-speed train at a speed of 300 km / h, and facility defects through systematic analysis and management of the data obtained by providing accurate data on the wear of the railway rail By observing the progress of the train and establishing the maintenance plan, systematic railroad rail management and operation stability can be maximized.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless specifically stated otherwise. Also, the term "part" or the like, as described in the specification, means a unit for processing at least one function or operation, and may be implemented by hardware, software, or a combination of hardware and software.
먼저, 본 발명의 실시예에 적용되는 웨이브렛(Wavelet)에 대해 그 개념을 설명하면 다음과 같다.First, the concept of a wavelet applied to an embodiment of the present invention will be described.
신호를 분석하는 가장 일반적인 기법인 퓨리에 변환(Fourier Transform: FT)은 시간의 함수로 나타난 값을 주파수의 함수로 바꾸어주는 기술이다. 즉, 시간에 따라 변화하는 신호를 주파수가 다른 여러 개의 사인파가 중첩된 것으로 보고 각각의 사인파의 크기를 구하는 방법이다. 이러한 퓨리에 변환 방법은 주파수가 다른 여러 개의 사인파가 섞이는 전기신호를 분석하는데 특히 유용하며, 신호 중에서 원하지 않는 주파수의 신호만 제거해서 노이즈를 줄이는데 사용된다.Fourier Transform (FT), the most common technique for analyzing signals, is a technique that converts a value expressed as a function of time into a function of frequency. In other words, it is a method of calculating the magnitude of each sine wave by seeing that the sine waves having different frequencies overlap each other. This Fourier transform method is particularly useful for analyzing electrical signals in which several sine waves of different frequencies are mixed and are used to reduce noise by removing only signals of unwanted frequencies from the signal.
웨이브렛(Wavelet)은 보다 발전된 형태의 퓨리에 변환(FT)이라고 할 수 있다. 퓨리에 변환(FT)이 무한히 반복되는 사인파를 기본파형으로 이용하여 주파수만을 변화시키며 상관 관계를 밝히는 것에 비해, Wavelet은 한 파장의 파형을 기본 파형으로 하여 그 크기와 위치를 변화시켜가면서 상관 관계를 밝히는 기술이다. 여기서, 크기를 변화시키는 것은 FT의 주파수 변화와 같은 개념이라고 볼 수 있지만, 위치를 변화시키는 것은 Wavelet만의 독특한 방법이라고 할 수 있다.Wavelets are more advanced Fourier transforms (FTs). While the Fourier transform (FT) uses infinitely repeated sine waves as the fundamental waveform, only the frequency is changed and the correlation is revealed. Wavelet uses the waveform of one wavelength as the basic waveform and changes its magnitude and position to reveal the correlation. Technology. Here, changing the size is the same concept as changing the frequency of the FT, but changing the position is Wavelet's unique method.
그런데, 퓨리에 변환(FT)의 경우, 무한히 반복되는 사인파가 기본파형이므로 주파수의 함수로 바꾸었을 때, 시간 정보가 사라진다는 단점이 있다. 즉, 어떤 주파수의 성분이 많은지 알 수 있지만 그 성분이 시간적으로 어떤 위치에서 많이 나타나는지 알 수 없다. 하지만, Wavelet은 한 파장의 파형을 크기와 함께 위치도 변화시키므로 주파수 정보와 함께 시간의 정보도 알 수 있다는 장점이 있다. 하나의 신호를 퓨리에 변환(FT)으로 분석하면 주파수 축과 값(amplitude)축의 2차원 그래프로 나타내지만, Wavelet으로 분석하면 크기(scale)축과 위치(translation)축 그리고 값(amplitude)축의 3차원 그래프로 나타낼 수 있다.However, in the case of Fourier transform (FT), since the infinitely repeated sinusoidal waveform is a fundamental waveform, the time information disappears when it is changed as a function of frequency. That is, it is possible to know which frequency components are many, but it is not known at which position the components appear in time. However, Wavelet has the advantage of knowing the time information as well as the frequency information because the wavelet of one wavelength changes its position along with its size. Analysis of a signal by Fourier transform (FT) shows a two-dimensional graph of the frequency and amplitude axes, while wavelet analysis shows three dimensions of the scale, translation, and value axes. Can be represented graphically.
이러한 Wavelet은 신호의 분석을 통한 잡음 제거나 신호 압축에 주로 사용된다. 예를 들면, 심장의 박동이나 뇌파와 같이 사인파형과 전혀 다른 파형이거나 국부적인 신호의 위치가 분석에 중요한 영향을 미치는 신호의 분석에도 사용되며, 날씨 분석, 음성이나 영상의 압축 등의 폭 넓은 분야에 사용된다.These wavelets are mainly used for noise reduction or signal compression through signal analysis. For example, it is used for the analysis of signals whose waveforms are completely different from sinusoidal waveforms such as heart rhythm and brain waves, or where local signals have a significant influence on the analysis. Used for
본 발명의 실시예로서, 철도레일 표면에 대한 3차원상의 철도레일 수직 절단면정보를 획득하고 호스트 컴퓨터에 저장된 철도레일의 단면정보와 비교함으로써, 철도레일의 마모된 정도를 빠른 시간내에 정확하고 효율적으로 측정할 수 있는 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템 및 그 방법이 제공된다.As an embodiment of the present invention, by obtaining the three-dimensional railway rail vertical cutting surface information on the railway rail surface and comparing with the cross-sectional information of the railway rail stored in the host computer, the degree of wear of the railway rail can be accurately and efficiently Provided are railroad rail wear measuring systems using measurable wavelets and methods thereof.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템의 구성도이다.1 is a block diagram of a railway rail wear measurement system using a wavelet according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템(100)은, 카메라(110), 영상처리부(120, 120'), 외곽선 좌표 추출기(130), 외곽선 공간 변환기(140), 메인 프로세서(150), 좌표데이터 메모리(160), 통신 모듈(170), 호스트 컴퓨터(180), 라인레이저(191) 및 레이저 구동부(192)를 포함한다. 여기서, 영상처리부(120, 120')는 제1 및 제2 영상처리부로 이중화되며, 각각 영상데이터 분류기(121, 121'), 원시영상 메모리(122, 122'), 레이저 영역 검출기(123, 123') 및 영상처리 메모리(124, 124')를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a railway rail
라인레이저(191)는 철도레일 수직 절단면에 레이저를 조사하며, 레이저 구동부(192)는 최적의 원시 영상을 획득하도록 상기 라인레이저(191)의 레이저 세기 등을 조절한다.The
적어도 한 개 이상의 카메라(110)는 상기 라인레이저(191)가 조사된 철도레일의 영상을 획득한다. 이때, 상기 카메라(11)는 적외선 대역의 라인레이저(191) 와 외부 광원으로부터 입사되는 다양한 파장의 빛을 구분하고 효과적으로 차단하기 위하여 라인레이저(191)의 파장을 중심으로 좁은 통과대역을 가지는 밴드패스 광학필터를 포함하여 구성되며, 300㎞ 이상의 고속으로 주행하는 열차에 탑재하여 철도레일의 마모도를 측정하기 위하여 초당 480프레임 이상의 촬영속도를 가지는 고속 카메라를 사용하게 된다.At least one
제1 및 제1 영상처리부(120, 120')는 상기 카메라(110)에 의해 획득된 원시영상으로부터 웨이브렛 기반의 영상처리 알고리즘을 적용하여 레이저 영역을 고속으로 검출하기 위하여 홀수 프레임과 짝수 프레임을 교대로 처리한다.The first and first
따라서 상기 제1 및 제2 영상처리부(120, 120')는 300㎞ 이상의 고속으로 주행하는 열차에 탑재하여 철도레일의 마모도를 측정하기 위하여 초당 480프레임 이상의 촬영속도를 가지는 고속 카메라(110)를 사용함에 따라 고속으로 생성되는 영상데이터를 실시간으로 처리하기 위하여 홀수 프레임과 짝수 프레임을 교대로 처리할 수 있도록 물리적으로 구분된 두 개의 영상처리 영역으로 나뉘어 구성된다.Accordingly, the first and second
외곽선 좌표 추출기(130)는 상기 제1 및 제1 영상처리부(120, 120')에 의하여 획득한 레이저 영역으로부터 레이저영역에 대한 2차원 좌표데이터를 추출한다.The outline coordinate
외곽선 공간 변환기(140)는 상기 외곽선 좌표 추출기(130)에서 얻어진 2차원 좌표데이터에 투시변환 알고리즘과 카메라 모델을 적용하여 철도레일의 수직 절단면 영상으로 매핑시킴으로써, 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 획득하게 된다.The
메인 프로세서(150)는 상기 제1 및 제1 영상처리부(120, 120')와 외곽선 좌 표 추출기(130), 외곽선 공간 변환기(140), 레이저 구동부(192)를 제어한다.The
좌표데이터 메모리(160)는 상기 외곽선 공간 변환기(140)로부터 얻어진 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 저장한다.Coordinate
통신 모듈(170)은 상기 좌표데이터 메모리(160)와 호스트 컴퓨터(180)를 연결하여 실시간으로 측정된 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 호스트 컴퓨터(180)로 전송한다.The
호스트 컴퓨터(180)는 분석프로그램을 탑재하며, 상기 통신모듈(170)로부터 전송받은 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 저장된 철도레일의 단면정보와 비교하여 철도레일의 마모된 정도를 비교 분석하게 된다.The
본 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템(100)은, 철도레일에 라인레이저(191)를 조사하고, 이를 한 대 이상의 카메라(110)로 촬영함으로써 철도레일의 마모에 따른 표면 상태의 정보를 포함하고 있는 원시영상을 획득하고, 이에 대한 원시영상으로부터 제1 및 제2 영상처리부(120, 120')와 외곽선 좌표 추출기(130)에 의해 철도레일의 표면 상태에 따른 굴곡의 정보를 가지고 있는 라인레이저 조사 영역을 추출하여 2차원상의 좌표데이터를 획득한다. 이후, 외곽선 공간 변환기(140)에 의해 2차원상의 좌표데이터로 획득한 라인레이저 조사영역을 3차원상의 공간좌표로 변환하여 철도레일의 수직 절단면에 해당하는 공간좌표를 획득하며, 이후, 정상적인 철도레일의 수직 절단면에 대한 정보와 비교함으로서 철도레일의 마모도를 정량적으로 측정하게 된다.Railroad rail
또한, 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스 템(100)은 고속의 영상데이터에 대한 영상처리를 수행하기 위하여 고성능 FPGA와 DSP를 적용하여 영상을 처리하며, 이때, 레이저영역 검출기(123, 123')와 외곽선 좌표 추출기(130), 외곽선 공간 변환기(140)는 병렬 처리가 가능하도록 FPGA와 DSP에 각각 나누어 배치할 수 있다. 예를 들면, 각 프레임에 대한 전체 영상을 N개의 영역으로 구분하여 영상 세그먼트로 나눈다면, 한 프레임 내에 포함되는 각 영상 세그먼트를 같은 시간에 동시에 처리하도록 영상처리를 위한 알고리즘을 병렬화하여 구성함으로써, 고도의 영상처리를 위하여 요구되는 연산량을 분배하고, 또한, 영상처리에 소요되는 시간을 단축시킴으로써 효율성과 정밀성을 높일 수 있다.In addition, the railway rail
도 2는 도 1의 영상처리부가 이중화되는 것을 예시하는 구성도이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration in which the image processor of FIG. 1 is duplicated.
도 2를 참조하면, 2개의 이중화된 영상처리부(120, 120')는 각각 영상데이터 분류기(121, 121'), 원시영상 메모리(122, 122'), 레이저 영역 검출기(123, 123') 및 영상처리 메모리(124, 124')를 포함한다.Referring to FIG. 2, two redundant
상기 제1 및 제2 영상처리부(120, 120')의 영상데이터 분류기(121, 121')는 각각 카메라(110)로부터 전달되는 영상데이터를 효과적으로 처리하기 위하여 각 영상 프레임 내의 영상데이터를 재배열하고, 원시영상 메모리(122, 122')는 상기 영상데이터 분류기(121, 121')로부터 획득한 재배열된 영상데이터를 임시 저장한다.The
또한, 상기 제1 및 제2 영상처리부(120, 120')의 레이저영역 검출기(123, 123')는 각각 상기 원시영상 메모리(122, 122')에 저장된 원시영상에 웨이브렛 기반의 영상처리 알고리즘을 적용하여 철도레일에 조사된 라인레이저의 외곽선 영역을 정확하게 검출하며, 영상처리 메모리(124, 124')는 각각 상기 레이저영역 검출 기(123, 123')로부터 획득한 레이저 영역의 정보를 저장하고, 연속된 영상처리 과정을 적용하기 위하여 데이터 메모리의 기능을 수행하게 된다.In addition, the
다시 말하면, 상기 영상처리부(120, 120')는 이중화되어 2개로 구성되며, 카메라(110)로부터 획득한 원시영상 데이터를 연속된 프레임에 대하여 홀수프레임(제1 영상처리부(120)의 영상처리 경로)과 짝수프레임(제2 영상처리부(120')의 영상처리 경로)으로 나누어 병렬적으로 진행하여 처리함으로서 최적화된 시스템 성능을 확보하고 효율적이고 신속하게 영상처리를 진행할 수 있다.In other words, the
또한, 레이저영역 검출기(123, 123')에 의한 라인레이저 영역 추출은 웨이브렛 기반의 영상처리 알고리즘을 FPGA에 탑재하여 적용하게 되고, 영상 내의 라인레이저 영역에 대한 외곽선은 매개변수의 표기 기법을 사용하여 라인레이저 영역에 대한 2차원적 표현을 1차원적 표현으로 변환할 수 있다.In addition, the line laser region extraction by the
따라서 라인레이저(110)의 외곽선을 매개변수 t의 함수로 표현하여 두 개의 함수 {X(t), Y(t)} 쌍의 연속함수로 표현하고, 이에 따라 외곽선을 1차원 웨이브렛 변환에 의해 분할함으로써 모든 스케일의 외곽선 정보를 얻을 수 있다.Therefore, the outline of the
결국, 웨이브렛 변환을 이용하여 모든 스케일에 대한 외곽선을 표기하여 라인레이저 영역의 특성을 추출할 수 있다. 즉, orthonormal 웨이브렛보다 bi-orthonormal 웨이브렛이 많은 이점을 가지기 때문에 bi-orthonormal의 기초함수가 되는 3차 B-spline 함수의 이원적 형태를 선택하여 스케일 함수로 사용한다. 또한, 하드웨어와 소프트웨어적으로 구현이 단순하고 해석하기 쉬운 장점을 활용하여 영상데이터를 dilated B-spline 함수로 필터링함에 따라 smoothing 함수로 사용하 게 된다.As a result, it is possible to extract the characteristics of the line laser region by marking the outlines of all scales using the wavelet transform. That is, since the bi-orthonormal wavelet has more advantages than the orthonormal wavelet, the binary form of the third-order B-spline function that is the basic function of the bi-orthonormal is selected and used as the scale function. In addition, it utilizes the advantages of hardware and software that is simple to implement and easy to interpret, so that it is used as smoothing function by filtering image data with dilated B-spline function.
여기서, 스케일함수와 웨이브렛 사이의 두 스케일에 대한 관계를 설정하기 위하여 수학식 1과 수학식 2를 사용하고, 수학식 1과 수학식 2에 의하여 근사화된 신호와 웨이브렛에 관계된 신호로서 분해된 두 개의 신호에 의하여 웨이브렛 변환을 구성하게 되며, 스케일 표현을 위해서 근사화된 신호를 원래의 신호로 복원하기 위하여 웨이브렛 변환을 사용하게 된다.Here,
이와 같이, B-spline 함수와 그것의 도함수(미분함수)가 아주 잘 해석되고 단순한 연산만 필요로 한다는 점에 의하여, B-spline 함수는 적절한 근사화된 신호를 제공하기 때문에 근사화된 신호는 원래 신호의 B-spline 함수로 보간(interpolation)된 것으로 간주할 수 있다. 또한, 원래의 물체 외곽선 표기 {X(t), Y(t)}로부터 수학식 3과 같이 각 스케일마다 한 쌍의 웨이브렛 변환 이 얻어질 수 있다.As such, because the B-spline function and its derivatives (the derivatives) are very well interpreted and require only simple operations, the approximated signal is the equivalent of the original signal because the B-spline function provides an appropriate approximated signal. You can think of it as interpolated with the B-spline function. In addition, a pair of wavelets are converted for each scale from the original object outline notation {X (t), Y (t)} as shown in
아울러 외곽선에 대한 곡률은 일반적으로 곡선에 대한 탄젠트(tangent) 각의 미분으로 정의될 수 있으며, 이에 따라 곡선에 대한 매개변수 표현을 사용하여 수학식 4와 같이 라인레이저 영역의 외곽선에 대한 곡률함수로 표현되고 낮은 해상도로로 외곽선을 획득할 수 있다. 이후, 수학식 5의 웨이브렛 변환 계수에 의하여 곡률함수를 나타냄으로써 곡률함수의 모양 해석에서 중요한 특징이 되고, 스케일과 무관한 표기 기법에 사용 가능한 제로-크로싱(zero-crossing) 점들을 모든 스케일에 걸쳐 곡률함수로부터 찾을 수 있으며, 이에 따라 획득한 철도레일의 영상 내에서 라인레이저 영역을 정확하게 추출할 수 있다.In addition, the curvature of the outline may be generally defined as the derivative of the tangent angle to the curve. Thus, using the parameter representation of the curve, the curvature of the outline of the line laser region is expressed as The outlines can be obtained at a expressed and lower resolution. Since the curvature function is represented by the wavelet transform coefficient of
도 3은 도 1의 라인레이저와 카메라에 의하여 획득된 원시영상을 예시하는 도면으로서, 라인레이저(191)와 카메라(110)에 의하여 획득된 철도레일(300)의 원시영상을 나타내며, 도면부호 310 및 320은 원시영상에 포함된 마모를 나타낸다.3 is a diagram illustrating a raw image obtained by the line laser and the camera of FIG. 1, and illustrates a raw image of the
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 영상처리부에 의하여 획득된 라인레이저 영역 검출에 대한 결과 영상들을 예시하는 도면으로서, 레이저영역 검출기(123)를 포함하는 영상처리부(120)에 의하여 획득된 라인레이저 영역 검출에 대한 결과 영상 들(410, 420, 430, 440)을 예시한다.4 is a diagram illustrating result images of line laser region detection acquired by an image processor according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 4 is a line laser obtained by an
한편, 도 5는 도 1의 외곽선 좌표 추출기(130)에 의하여 라인레이저 영역 검출에 대한 2차원상의 좌표데이터 획득을 윈도우 기반의 프로그램으로 구현한 결과를 예시하는 도면이다.Meanwhile, FIG. 5 is a diagram illustrating a result of implementing two-dimensional coordinate data acquisition for line laser area detection by a window-based program by the outline coordinate
도 5를 참조하면, 도면부호 510은 획득된 원시영상을 나타내며, 도면부호 520은 처리된 영상을 나타낸다. 또한, 도면부호 530은 영상 정보를 나타내며, 도면부호 540은 좌표데이터를 각각 나타낸다. 또한, 도면부호 551 내지 556은 입력 버튼을 나타내며, 각각 영상 획득 버튼(551), 영상처리 버튼(552), 영역 캡쳐 버튼(553), 추출 버튼(554), 시스템 연결 해제 버튼(555) 및 프로그램 종료 버튼(556)을 각각 나타낸다. 따라서 윈도우 기반의 프로그램으로 구현한 결과에 따라 2차원상의 좌표데이터로 획득될 수 있다.Referring to FIG. 5,
한편, 도 6은 도 1의 외곽선 좌표 추출기(130)로부터 획득한 라인레이저의 외곽선의 2차원상의 좌표데이터를 외곽선 공간 변환기(140)에서 3차원상의 공간좌표로 변환하기 위한 투시 변환을 적용한 것을 예시하는 도면이다.Meanwhile, FIG. 6 illustrates that the perspective transformation for converting two-dimensional coordinate data of the outline of the line laser obtained from the outline coordinate
도 6에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 원근 변환은 인간이 3차원 세계를 직접 눈으로 봄으로써 한 영상을 구성하는 방법과 매우 근사한 방식이기 때문에 영상처리에서 중심적인 역할을 하며, 이 변환은 좌표값에 의해 나눠지는 비선형성을 포함하는 다른 변환들과는 기본적으로 차별되는 역할을 제공한다. 이때, 카메라 좌표계(x, y, z)에는 xy 평면과 일치하는 영상 평면이 있고, Z축을 따라서 광축(렌즈의 중심에 의해 결정됨)이 있다.As shown in FIG. 6, for example, perspective transformation plays a central role in image processing because it is very close to the way a human composes an image by directly looking at a three-dimensional world. It provides a fundamentally different role from other transformations, including nonlinearities divided by coordinate values. In this case, the camera coordinate system (x, y, z) has an image plane coinciding with the xy plane, and has an optical axis (determined by the center of the lens) along the Z axis.
따라서 영상 평면의 중심은 원점이고, 렌즈 중심은 좌표(0, 0, )이며, 만일 카메라가 멀리 떨어진 물체와 초점이 맞는 거리에 있고 카메라 좌표계가 실좌표계 (x, y, z)와 일직선상에 맞춰져 있다면, 를 렌즈의 초점거리라고 할 수 있으며, 투사된 3차원 점의 영상 평면 좌표를 수학식 6과 같이 구할 수 있다.Therefore, the center of the image plane is the origin and the lens center is the coordinate (0, 0, ), If the camera is at a focused distance from a distant object and the camera coordinate system is aligned with the real coordinate system (x, y, z), It may be referred to as the focal length of the lens, and the image plane coordinates of the projected three-dimensional points may be obtained as shown in Equation 6.
또한, 수학식 6은 변수 Z에 의해 나눠지는 비선형 구조를 가지며, 회전, 이동, 배율조정처럼 선형 행렬의 형태로 표현되는 동차 좌표를 이용하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 직교 좌표 (x, y, z)를 갖는 한 점의 동차 좌표가 (, , , )일 때, 수학식 7과 같이 벡터적인 표현이 가능해진다.In addition, Equation 6 has a nonlinear structure divided by the variable Z, and it is preferable to use homogeneous coordinates expressed in the form of a linear matrix such as rotation, movement, and scaling. Accordingly, the homogeneous coordinate of a point having Cartesian coordinates (x, y, z) is ( , , , ), A vector expression can be obtained as shown in Equation (7).
한편, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 고정밀 철도레일 마모도 측정 시스템의 외곽선 공간 변환기(140)에서 3차원상의 공간좌표로 변환된 라인레이저 영역을 철도레일의 수직 절단면에 매핑하기 위하여 카메라 모델을 적용한 예를 나타낸 예시도이다.On the other hand, Figure 7 maps the line laser area converted to the three-dimensional spatial coordinates of the railway rail in the high-precision railway rail wear measurement system using a wavelet according to an embodiment of the present invention to the vertical cut plane of the railway rail To illustrate an example of applying a camera model.
도 7에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 카메라 모델은 카메라의 기본적인 수학적 모델을 구성하며, 카메라와 실좌표계가 일직선상에 있다는 가정할 경우, 카메라와 3차원 점들(W로 표기)을 찾아내는데 이용되는 실좌표계 (X, Y, Z)를 이용하여 카메라가 각도 만큼 좌우로, 각도 만큼 기울어져 철도레일을 비스듬한 각도에서 바라보게 된다. 여기서, Pan은 x와 X축 사이의 각이고, Tilt는 z와 Z축 사이의 각이라 할 때, 실좌표계의 원점에서 카메라 축의 중심까지 오프셋을 W■로 표기하고, 카메라 축의 중심에서 영상 평면 중심까지의 오프셋은 구성요소가 (r1, r3, r3)인 벡터 r을 구하게 된다. 이후, 실제 점에 대해 영상 평면 좌표를 얻기 위하여 원근 변환을 적용하여 철도레일의 수직 절단면에 매핑하기 위한 공간좌표를 획득하게 된다.As shown in FIG. 7, for example, the camera model constitutes a basic mathematical model of the camera, and assuming that the camera and the real coordinate system are in a straight line, the camera model finds the camera and three-dimensional points (denoted by W). The camera angles using the actual coordinate system (X, Y, Z) As long as left and right, angle Tilt as much as you look at the rail from an oblique angle. Here, Pan is an angle between the x and X axes, and Tilt is an angle between the z and Z axes, and the offset is expressed as W ■ from the origin of the real coordinate system to the center of the camera axis, and the center of the image plane from the center of the camera axis. The offset to yields a vector r whose components are (r 1 , r 3 , r 3 ). Subsequently, in order to obtain image plane coordinates with respect to actual points, spatial coordinates for mapping to the vertical cut plane of the railway rail are obtained by applying a perspective transformation.
따라서 카메라 축의 중심과 영상 평면의 원점이 실좌표계의 원점에 있고, 모든 좌표축들이 일치한다는 점에서 카메라가 정규 위치에 있다고 할 때, 원점에서 짐벌 중심의 변위와 x축의 팬, z축의 경사, 짐벌 중심에 대한 영상 평면의 변위의 순서로 조정되었다고 보면 정규 위치로부터 옮겨진 후에 카메라를 통해 보는 일련의 점들은 매우 다르다. 이 때문에, 실질적으로 모든 실제 점에 같은 순서의 단계로 정확하게 적용하면 정규위치로 다시 옮길 수 있고, 정규 위치에 있는 카메라는 원근 변환의 적용을 위한 조건을 만족하게 된다.Therefore, when the center of the camera axis and the origin of the image plane are at the origin of the real coordinate system and the camera is in the normal position in that all coordinate axes coincide, the displacement of the gimbal center at the origin, the pan on the x axis, the tilt of the z axis, and the gimbal center In the order of displacement of the image plane's displacement relative to, the sequence of points seen through the camera after being displaced from the normal position is very different. Because of this, it is possible to move back to the normal position if applied correctly in the same order of steps to virtually all real points, and the camera at the normal position satisfies the conditions for the application of perspective transformation.
이에 따라, 벡터 r에 의한 영상 평면의 원점 변위에 대한 변환 행렬(C)과 Pan Angle() 및 Tilt Angle()에 대한 변환 행렬(R)은 수학식 8과 수학식 9에 의하여 표현될 수 있으며, 기하학적 배열을 만족하는 카메라에 의한 동차 실점은 카메라 좌표계에서 수학식 10과 같은 동차 표현을 갖는다.Accordingly, the transformation matrix C and the Pan Angle () for the origin displacement of the image plane by the vector r are ) And Tilt Angle ( Transformation matrix R for) may be represented by Equations 8 and 9, and the homogeneous actual point by the camera satisfying the geometric arrangement has the same homogeneous expression as in Equation 10 in the camera coordinate system.
따라서 의 네 번째 요소로 첫 번째와 두 번째 요소를 나누어서 영상점의 직교 좌표 (x, y)를 얻음으로써, 철도레일의 수직 절단면에 매핑하기 위한 공간좌표의 각 점에 대한 최종 값을 수학식 11과 수학식 12로 나타낸 바와 같이 획득할 수 있다.therefore By dividing the first and second elements by the fourth element of to obtain the Cartesian coordinates (x, y) of the image points, the final value for each point in the spatial coordinates for mapping to the vertical cut plane of the railway rail It can be obtained as shown in equation (12).
한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템에서, 고속 영상처리 구현을 위한 영상처리 순서를 예시하는 도면이다.Meanwhile, FIG. 8 is a diagram illustrating an image processing procedure for implementing high speed image processing in a railway rail wear measurement system using a wavelet according to an embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 300㎞의 속도로 주행하는 차량에 탑재하여 철도레일의 마모도를 측정하기 위하여 초당 480 프레임의 영상을 획득할 수 있는 고속 카메라를 사용하고, 각 프레임 당 생성되는 원시영상의 사이즈가 1MB일 때 초당 생성되고 처리해야 하는 원시영상의 양은 0.5GB에 달하게 된다. 이때, 2㎳(2/1000초) 내에 1MB의 원시영상에 대한 모든 영상처리를 완료해야 하기 때문에 실시간으로 고속 영상처리의 기능과 성능을 구현하도록 데이터메모리를 중심으로 전체 영상처리 과정을 4개의 영역으로 구분하여 각 영역이 정해진 시간내에서 독립적으로 작업을 수행하게 된다.As shown in FIG. 8, for example, a high-speed camera capable of acquiring an image of 480 frames per second to measure a wear rate of a railway rail mounted on a vehicle traveling at a speed of 300 km is used for each frame. When the size of the generated raw image is 1MB, the amount of raw image generated and processed per second amounts to 0.5GB. In this case, all image processing of 1MB raw image must be completed within 2㎳ (2 / 1000sec), so the entire image processing process focuses on the data memory in four areas to realize the function and performance of high-speed image processing in real time. Each area will work independently within the specified time.
이에 따라, 전체 시스템은 원시영상 메모리(122, 122')와 영상처리 메모리(124, 124'), 좌표데이터 메모리(170)에 의하여 4개의 독립된 영상처리 영역으로 구분되고, 이때, 제1 영역은 카메라(110)로부터 입력된 원시영상이 영상데이터 분류기(121, 121')에 의하여 재배치된 영상으로 변환되어 원시영상 메모리(122, 122')에 저장하는 기능을 연속적으로 수행할 수 있다.Accordingly, the entire system is divided into four independent image processing regions by the
또한, 제2 영역은 원시영상 메모리(122, 122')에서 획득한 재배치된 영상으로부터 레이저영역 검출기(123, 123')를 거쳐 라인레이저 영역을 검출하고 영상처리메모리(124, 124')에 저장하는 기능을 연속적으로 수행한다.In addition, the second region detects the line laser region from the rearranged image obtained from the
또한, 제3 영역은 영상처리 메모리(124, 124')에서 획득한 라인레이저 영역으로부터 외곽선 좌표 추출기(130)를 거쳐 2차원 좌표데이터를 회득한 후, 외곽선 공간 변환기(140)에 의하여 철도레일의 수직 절단면에 매핑하기 위한 공간좌표를 획득하고, 좌표데이터 메모리(160)에 저장하는 기능을 연속적으로 수행한다.In addition, the third region obtains the 2D coordinate data from the line laser region obtained from the
또한, 제4 영역은 좌표데이터 메모리(160)에서 획득한 최종 좌표데이터를 통신모듈(170)을 통하여 호스트 컴퓨터(180)로 전송하는 기능을 연속적으로 수행한다.In addition, the fourth region continuously performs a function of transmitting the final coordinate data acquired from the coordinate
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 영역 검출과 외곽선 좌표 추출, 외곽선 공간변환의 영상처리 과정에 대한 병렬 연산 처리를 위한 영상처리를 예시하는 도면이다.Meanwhile, FIG. 9 is a diagram illustrating image processing for parallel computation processing for laser region detection, outline coordinate extraction, and outline spatial transformation according to an embodiment of the present invention.
도 9에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 각 프레임에 대한 전체 영상을 4개의 영역으로 구분하여 제1 영상데이터 영역으로부터 제4 영상데이터 영역까지의 영상 세그먼트로 나눈다면, 한 프레임 내에 포함되는 각 영상 세그먼트를 같은 시간에 동시에 처리하도록 제1 영상처리 모듈(123a)로부터 제4 영상처리 모듈과 같이 영상처리를 위한 알고리즘을 병렬화하여 구성함으로써, 고도의 영상처리를 위하여 요구되는 연산량을 분배하고, 영상처리에 소요되는 시간을 단축하여 효율성과 정밀성을 높이도록 구성된다.As shown in FIG. 9, for example, if an entire image of each frame is divided into four regions and divided into image segments from the first image data region to the fourth image data region, each image included in one frame is included. By parallelizing the algorithm for image processing from the first
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템의 고속 영상처리 구현을 위한 전체 영상처리의 병렬 연산처리 프로세스를 예시하는 도면이다.On the other hand, Figure 10 is a diagram illustrating a parallel processing process of the entire image processing for the high-speed image processing of the railway rail wear measurement system using a wavelet according to an embodiment of the present invention.
도 10에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 카메라(110)로부터 원시영상이 0T의 시작 시간으로부터 1T씩 증가하며 제1 프레임에서 시작하여 연속적으로 획득될 때 A로 시작되는 홀수 프레임과 B로 시작하는 짝수 프레임은 서로에 대한 간섭 없이 독립적인 영상처리가 가능해진다.As shown in FIG. 10, for example, when the raw image from the
따라서 0T에서 1T까지의 시간동안 카메라(110)로부터 획득된 홀수 프레임의 원시영상이 A-1 프로세스에 의하여 홀수 프레임에 대한 영상처리 경로 상에 위치한 원시영상 메모리(192)에 저장되고, 1T에서 2T까지의 동안 이중화 방식으로 구성된 영상처리부(120, 120')에 의하여 카메라(110)로부터 획득된 짝수 프레임의 원시영상이 B-1 프로세스에 의하여 짝수 프레임에 대한 영상처리 경로 상에 위치한 원시영상 메모리(192)에 저장될 때, 홀수 프레임에 대한 영상처리 경로에서는 레이저영역 검출기(123)와 외곽선 좌표 추출기(130)에 의하여 영상처리 프로세스 A-2와 A-3이 진행된다.Therefore, the raw image of the odd frame obtained from the
또한, 2T에서 3T까지의 시간동안 이중화 방식으로 구성된 영상처리부(120, 120')에 의하여 홀수 프레임에 대한 영상처리 경로에서는 카메라(110)로부터 획득된 새로운 홀수 프레임의 원시영상이 원시영상 메모리(122, 122')에 저장되는 새로운 A-1 프로세스가 진행되고 동시에 짝수 프레임에 대한 영상처리 경로에서는 레이저영역 검출기(123, 123')와 외곽선 좌표 추출기(130)에 의하여 영상처리 프로세스 B-2와 B-3이 진행될 때 홀수 프레임에 대하여 외곽선 공간 변환기(140)에 의한 철도레일 수직 절단면 공간좌표 연산이 진행된다. 따라서 메모리 저장 수단에 의하여 제1 영역과 제2 영역 및 제3 영역의 독립된 영상처리 영역으로 구분된 각 영역 에서 동시에 일련의 영상처리 프로세스가 진행된다.In addition, in the image processing path for the odd frames by the
이에 따라, 3T부터 4T까지의 시간동안 최초로 획득된 홀수 프레임의 원시영상에 대한 최종 좌표데이터가 좌표 메모리(160)로부터 통신 모듈(170)을 통하여 호스트 컴퓨터(180)로 전송되는 A-5 프로세스가 추가적으로 진행된다. 이후, 3T 이후부터 도 9에서 도시한 바와 같이, 메모리 저장 수단에 의하여 제1 영역과 제2 영역, 제3 영역 및 제4 영역의 독립된 영상처리 영역으로 구분된 각 영역에서 동시에 일련의 영상처리 프로세스가 간섭하지 않고 동시에 진행된다.Accordingly, the A-5 process in which the final coordinate data for the original image of the odd frame first obtained during the time period from 3T to 4T is transmitted from the coordinate
한편, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 방법의 동작흐름도이다.On the other hand, Figure 11 is a flow chart of the railroad rail wear measurement method using a wavelet according to an embodiment of the present invention.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 방법은, 먼저, 최적의 원시 영상을 획득하도록 라인레이저의 세기가 조절된 레이저를 조사하면(S110), 라인레이저가 조사된 철도레일의 원시영상을 획득하게 된다(S120). 이때, 상기 라인레이저는 외부 광원과 구분되는 적외선 대역의 파장을 갖는 레이저 광원을 사용할 수 있다.Referring to FIG. 11, in the method of measuring wear of a railroad rail using a wavelet according to an exemplary embodiment of the present invention, first, when a laser of which the intensity of the line laser is adjusted to obtain an optimal raw image is irradiated (S110), the line laser A raw image of the irradiated railway rail is obtained (S120). In this case, the line laser may use a laser light source having a wavelength of an infrared band separated from an external light source.
다음으로, 상기 획득된 원시영상으로부터 레이저 영역을 고속으로 검출하게 된다(S130). 상기 획득된 원시영상을 2개의 이중화된 구조에 의해 홀수 프레임과 짝수 프레임으로 구분하여 교대로 처리하는데, 구체적으로, 고속 연산 알고리즘을 적용하여 영상데이터를 재배치하고, 상기 재배치된 영상데이터 정보를 저장 및 관리하며, 이후, 상기 저장된 영상으로부터 웨이브렛 기반의 영상처리 알고리즘을 적용하여 라인레이저의 외곽선을 정밀하게 검출하게 되고, 상기 검출된 라인레이저 외곽선 데이터 정보를 저장하고 관리하게 된다.Next, a laser region is detected at a high speed from the obtained raw image (S130). The obtained raw image is divided into odd frames and even frames by two duplex structures, and alternately processed. Specifically, the image data is rearranged by applying a high-speed algorithm, and the stored image data information is stored and After that, the edge of the line laser is precisely detected by applying a wavelet-based image processing algorithm from the stored image, and the detected line laser outline data information is stored and managed.
다음으로, 상기 획득된 레이저 영역에 대응하는 2차원 좌표데이터를 추출하고(S140), 이후, 상기 추출된 2차원 좌표데이터로부터 상기 철도레일의 수직 절단면 영상으로 매핑시킴으로써, 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 획득한다(S150). 이때, 상기 2차원상의 좌표데이터로 추출된 라인레이저 영역으로부터 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 획득하기 위하여 투시 변환과 카메라 모델의 기법이 적용된다.Next, the two-dimensional coordinate data corresponding to the obtained laser region is extracted (S140), and then, from the extracted two-dimensional coordinate data to a vertical cut plane image of the railway rail, a three-dimensional railway rail vertical cut plane Obtain spatial information for (S150). In this case, a perspective transformation and a camera model technique are applied to obtain spatial information on a vertical cut plane of a three-dimensional railway rail from the line laser region extracted from the two-dimensional coordinate data.
다음으로, 상기 외곽선 공간 변환기로부터 획득된 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 저장한다(160).Next, in
다음으로, 상기 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보는 호스트 컴퓨터로 전송되고(S170), 이후, 상기 호스트 컴퓨터는 탑재된 분석 프로그램으로 상기 공간정보를 분석하게 된다(S180). 즉, 상기 호스트 컴퓨터는 상기 3차원상의 철도레일 수직 절단면에 대한 공간정보를 디스플레이하고, 철도레일 마모의 정도를 정밀하게 분석하기 위하여 기저장된 철도레일의 단면정보와 비교하여 상기 철도레일의 마모된 정도를 정량적으로 제공할 수 있다.Next, the spatial information on the vertical cut plane of the three-dimensional railway rail is transmitted to the host computer (S170), and then, the host computer analyzes the spatial information with the analysis program mounted (S180). That is, the host computer displays the spatial information on the vertical cutting surface of the three-dimensional railway rail, and the degree of wear of the railway rail compared with the cross-sectional information of the pre-stored railway rail to accurately analyze the extent of the railway rail wear Can be provided quantitatively.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템은, 라인레이저와 고속 카메라를 이용하여 고속 주행 중에 철도레일 수직 절단면의 영상을 획득할 수 있는 영상 측정 시스템으로서, 측정 및 분석 데이터를 통하여 철도레일의 현재와 내부 상태를 분석할 수 있고, 이에 따라 잠재적 위험 요소에 대한 정량적인 데이터를 빠르고 정밀하게 확보할 수 있어 철도레일 마모 측정 시스 템 분야에 널리 유용하게 활용될 것이다.As a result, a railway rail wear measurement system using a wavelet according to an embodiment of the present invention is an image measuring system capable of acquiring an image of a vertical section of a railway rail during high speed driving using a line laser and a high speed camera. Through the data, it is possible to analyze the current and internal condition of the railway rail, so that quantitative data about potential risk factors can be obtained quickly and precisely, which will be widely used in the field of railway rail wear measurement system.
또한, 고속철도의 운행 증가에 따른 고속 선로의 확충과 각 지역의 도시철도 증설 및 경전철, 등의 새로운 철도 운행 수단의 증가함에 따라 철도레일의 지속적인 증설이 이루어지고 있으나 철도레일의 체계적 관리와 유지보수를 위한 검사시스템은 전량 수입 수입에 의존하고 있다. 본 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템은, 수입대체 효과 및 고도화된 철도기술의 수출로 인한 선진화된 철도문화를 이룩하고 수출증대에 이바지할 수 있는 핵심기반기술이 될 것이다.In addition, as the expansion of high-speed railways and the increase of new railway services such as urban railways and light rail trains in each region, the continuous expansion of railway rails is being carried out, but systematic management and maintenance of railway rails Inspection system for the whole depends on import income. Railroad rail wear measurement system using a wavelet according to an embodiment of the present invention will be a core infrastructure technology that can achieve an advanced railway culture and contribute to the increase of exports due to import substitution effect and export of advanced railway technology .
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들면, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템의 구성도이다.1 is a block diagram of a railway rail wear measurement system using a wavelet according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 영상처리부가 이중화되는 것을 예시하는 구성도이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration in which the image processor of FIG. 1 is duplicated.
도 3은 도 1의 라인레이저와 카메라에 의하여 획득된 원시영상을 예시하는 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a raw image obtained by the line laser and the camera of FIG. 1.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 영상처리부에 의하여 획득된 라인레이저 영역 검출에 대한 결과 영상들을 예시하는 도면이다.4 is a diagram illustrating result images for line laser region detection acquired by an image processor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5는 도 1의 외곽선 좌표 추출기에 의하여 라인레이저 영역 검출에 대한 2차원상의 좌표데이터 획득을 윈도우 기반의 프로그램으로 구현한 결과를 예시하는 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating a result of implementing two-dimensional coordinate data acquisition for line laser area detection by a window-based program by the outline coordinate extractor of FIG. 1.
도 6은 도 1의 외곽선 좌표 추출기로부터 획득한 라인레이저의 외곽선의 2차원상의 좌표데이터를 외곽선 공간 변환기에서 3차원상의 공간좌표로 변환하기 위한 투시 변환을 적용한 것을 예시하는 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a perspective transformation for converting two-dimensional coordinate data of an outline of a line laser obtained from the outline coordinate extractor of FIG. 1 into a three-dimensional spatial coordinate in an outline space converter.
도 7은 도 1의 외곽선 공간 변환기에서 3차원상의 공간좌표로 변환된 라인레이저 영역을 철도레일의 수직 절단면에 매핑하기 위하여 카메라 모델을 적용한 것을 예시하는 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating an example of applying a camera model to map a line laser region converted to a three-dimensional spatial coordinate in the outline space converter of FIG. 1 to a vertical cut plane of a railway rail.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템에서, 고속 영상처리 구현을 위한 영상처리 순서를 예시하는 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating an image processing procedure for implementing high speed image processing in a railway rail wear measurement system using a wavelet according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 영역 검출과 외곽선 좌표 추출, 외 곽선 공간변환의 영상처리 과정에 대한 병렬 연산 처리를 위한 영상처리를 예시하는 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating image processing for parallel computation processing for laser region detection, outline coordinate extraction, and outline space transformation according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템의 고속 영상처리 구현을 위한 전체 영상처리의 병렬 연산처리 프로세스를 예시하는 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating a parallel processing process of all image processing for implementing high speed image processing of a railway rail wear measurement system using a wavelet according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 방법의 동작흐름도이다.11 is a flowchart illustrating a method for measuring railway rail wear using a wavelet according to an embodiment of the present invention.
< 도면부호의 간단한 설명 ><Brief Description of Drawings>
100: 웨이브렛을 이용한 철도레일 마모도 측정 시스템100: railway rail wear measurement system using wavelets
110: 카메라 120, 120': 제1 및 제2 영상처리부110:
121, 121': 영상데이터 분류기 122, 122': 원시영상 메모리121, 121 ':
123, 123': 레이저 영역 검출기 124, 124': 영상처리 메모리123, 123 ':
130: 외곽선 좌표 추출기 140: 외곽선 공간 변환기130: outline coordinate extractor 140: outline space converter
150: 메인 프로세서 160: 좌표데이터 메모리150: main processor 160: coordinate data memory
170: 통신 모듈 180: 호스트 컴퓨터170: communication module 180: host computer
191: 라인레이저 192: 레이저 구동부191: line laser 192: laser drive unit
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