1引言
1.1研究背景
铁路运输是中国运输事业的主要力量,它的进展直接制约着中国经济的进展。随着铁路事业的飞快发展，高速、重载列车运行量的增加，钢轨的磨损也越来越严重。钢轨磨损是钢轨质量参数中重要的一项钢轨磨损造成钢轨轮廓尺寸变化，加速了机车车轮的磨耗，增加轮轨接触面积，增大运行阻力，加大列车运行过程中事故发生的可能性，减少钢轨和机车的使用寿命。铁路网的不断扩大和频发的铁路事故对钢轨维护提出新的挑战。
钢轨轮廓尺寸变化是铁路事故频发的主要原因。铁路事故中，最常见的就是列车脱轨，而列车脱轨的主要原因之一是由于轮轨长期接触，发生磨损，造成钢轨轮廓尺寸变化，致使轮轨接触异常，最终导致脱轨。钢轨轮廓尺寸变化，严重影响机车运行中的平稳性、安全性以及钢轨的使用寿命，所以需要及时的对钢轨轮廓尺寸进行检测，保证列车的正常运行。钢轨轮廓尺寸检测可以检测出钢轨的磨损(图1-1)、钢轨表面的剥离(图1-2)、以及钢轨肥边(图1-3)等问题，其检测结果决定着钢轨打磨的必要性以及打磨是否合格，对钢轨打磨有着重要的指导意义
非接触测量工作量小、测量速度快，对提高检测效率，降低检测成本有着重要的意义。钢轨打磨耗时长、成本高，经常打磨会影响铁路的正常运营，所以只能改进钢轨轮廓检测方式，快速的对钢轨轮廓尺一寸进行检测，判断是否需要打磨。我国现使用的检测方式是人工操作的接触测量，其测量精度和速度都受人工影响，测量效率低、时间长，且操作不便，不能及时的发现钢轨存在的轮廓变形问题。并且由于测量方式自身的限制，这种测量方式不能将所有的铁轨进行检测，只能隔一定的距离检测一次，产生有漏检的可能，增加事故发生的可能性。非接触测量可以高效、快速、连续的进行测量，提高测量效率，缩短了测量周期，更快的为钢轨打磨作业提供参考数据
所以，研发非接触、高效的钢轨轮廓尺寸检测系统非常必要，也是大势所趋，否则会严重制约我国铁路事业的发展。
1.2国内外研究现状
目前，测量钢轨轮廓尺寸的仪器有很多，归纳起来主要分为两类:接触式和非接触式
1.2.1国外研究现状
国外钢轨轮廓测量最初是使用人工测量的接触式仪器，随着计算机技术的不断发展，北美和欧洲等发达国家开始研究基于机器视觉的钢轨轮廓检测技术。目前发达国家的铁路部门已开始使用钢轨轮廓自动检测装置。
1接触式
目前国外发达国家几乎不使用接触式的检测装置，其接触式的检测装置主要出口到发展中国家。例如目前我国正在使用的丹麦绿林工程公司生产的MiniProfRail system路轨磨损检测仪。
图1-4为路轨磨损测量仪，其测量主要部件是两个码盘和己知长度的测量臂，利用三角形原理来求解钢轨的轨头轮廓。通过码盘可求出三角形的两个角度，已知测量臂的长度，可求解三角形中任意一条边或垂线的长度，从而就可求解出钢轨轮廓上一点到仪器中心的横向和纵向距离，通过测量臂上的滚轮在整个钢轨轨头轮廓上的滚动就可以求解出钢轨轨头上每一个点的距中心点的横向和纵向距离，把仪器中心看作是原点，竖直方向为Y轴，水平方向为x轴，则可在此坐标系中将轨头轮廓进行还原。码盘的角度信息都通过接口线传送到上位机，上位机为工业用笔记本，通过上位机的配套软件对钢轨轨头轮廓还原并显示。
2 轮廓测量.............. 19-25
2.1 钢轨轮廓测量.............. 19-20
2.2 激光测距原理.............. 20-21
2.3 轮廓测量原理.............. 21-23
2.4 本章小结.............. 23-25
3 钢轨轮廓检测.............. 25-39
3.1 检测系统.............. 25-29
3.1.1 机械部分.............. 26-27
3.1.2 机器视觉部分.............. 27-28
3.1.3 软件部分.............. 28-29
3.2 系统参数校正.............. 29-31
3.2.1 参数校正.............. 30
3.2.2 参数校正.............. 30-31
3.3 镜头畸变校正.............. 31-37
3.3.1 镜头畸变的数学.............. 31-32
3.3.2 基于交比不变性.............. 32-36
3.3.3 畸变校正.............. 36-37
3.4 本章小结.............. 37-39
4 钢轨图像处理.............. 39-59
4.1 图像预处理.............. 39-43
4.1.1 滤波平滑.............. 39-40
4.1.2 阈值确定.............. 40-41
4.1.3 区域标记.............. 41-42
4.1.4 Hough变换.............. 42-43
4.2 轮廓中心线提取.............. 43-51
4.2.1 光线边缘分析.............. 43-44
4.2.2 边缘检测算法介绍.............. 44-50
4.2.3 中心线提取.............. 50-51
总结
目前国内钢轨轮廓的检测主要使用接触式测量方法，工作效率低、工作量大，与国外的检测技术相差很大，为缩小与国外技术的差距、减少工作量、提高检测
效率，本文基于机器视觉技术研究了非接触式的检测方法，提出了将轮廓坐标从图像坐标系直接转换到世界坐标系的方法，实现了钢轨轮廓的非接触测量，避免了传统标定方法带来的标定误差，开发了钢轨轮廓检测系统。
本文的主要研究工作如下:
1提出一种将钢轨轮廓坐标从图像坐标系直接转换到世界坐标系的方法，实现了钢轨轮廓尺寸的准确测量，减小了系统搭建的工作量，避免了传统方法通过标定还原带来的测量误差，并通过实验验证其正确性。
