3D可视化技术在日本铁路基础设施检查中的应用

1 引言

铁路基础设施相比于其他基础设施，使用年限更长，维护保养（以下简称“维保”）的要求及成本更高。如何使铁路基础设施维保管理在实现高精度的同时，更加高效和节省人力，是日本铁路行业亟待解决的问题。

日本铁道综合技术研究所（以下简称“铁道综研”）以实现高效、高精度的铁路基础设施目视检查为目的，基于3D可视化技术，开发出铁路基础设施目视检查辅助系统（以下简称“目视检查辅助系统”）。该系统可在计算机上以3D模型的形式对被检基础设施进行再现（图1），并将这些模型活用于日常基础设施检查中。本文将对该系统及其应用进行介绍。

2 目视检查辅助系统

目视检查辅助系统可利用围绕着被检基础设施步行时所拍摄的视频生成相应的3D模型。其所需的视频拍摄工具仅为商用可穿戴式摄像机，无需全球定位系统（GPS）设备及其他特殊仪器。在利用专业软件将视频录入后，系统即可半自动地生成所拍摄基础设施的3D模型，因此其使用十分简便，无需操作人员具备图像处理专业知识。

该系统最大的优点是，检查人员无需身临其境，即可通过3D模型检查和确认铁路基础设施的结构、状态等。在传统目视检查中，检查人员通常只对基础设施变形、破损等需要留意之处进行拍照和记录，如此则后续无法了解基础设施在检查时的整体情况，也难以通过照片上的内容还原现场各设施之间的精确位置关系。而目视检查辅助系统可将目视范围内的全部信息以3D模型的形式保存下来，在不额外增加检查工作量的同时，大幅提高了检查记录的信息量。

此外，该系统还可通过将3D模型或静态照片做成记录底帐的方式，比较不同时期生成的3D模型，从而提高目视检查的效率和精度。

下面将列举2个利用该系统生成3D模型的实例。图2展示了一座增强混凝土试验桥梁的3D模型，是利用在桥梁下徒步绕行时拍摄的、长约1 min 40 s的视频生成。图3展示的是利用长约2 min 30 s视频（行走时拍摄的）生成的天然坡面3D模型。由于该系统是从视频动画中抽取静态画面并生成3D模型，因此静态画面的获取位置、张数等信息也在图2、图3中有所体现。

3 提高 3D 模型重建精度的方法

在拍摄被检基础设施视频影像时，将可穿戴式摄像机安装在头盔上，这样可确保所拍摄的是目视方向的影像，防止在手持拍摄时，摄像机的指向和目视方向不同，导致漏拍某些重要位置。

然而，当被检基础设施的形状比较复杂时，可能出现3D模型无法充分重建其细节的情况。图4a展示了用1台安装于头盔上的摄像机所拍摄视频生成的增强混凝土高架桥3D模型。由图可知，部分桥墩没有清晰重建，其原因在于，各桥墩之间有拍摄死角，导致无法拍摄到足以生成完整3D模型的影像，以及拍摄时由于重点关注桥梁下面的墩-梁连接部分，对于桥墩的拍摄不够充分。

为解决上述问题，可通过增加头盔上摄像机数量、扩大拍摄视角的方式，提高3D模型的重建精度，如图4b～图4d所示。由图可知，在增加头盔上的摄像机数量之后，包括桥墩在内的增强混凝土高架桥整体3D模型的重建精度明显提高。然而，增加头盔上摄像机数量容易引起颈部疲劳，因此在现实操作中建议使用2～3 台摄像机。

4 应用

3D模型的优点是可以从多角度展现铁路基础设施的结构状态，若进一步对比其在不同时间的3D形态变化，则可提高对其结构变形的检查精度。

例如，在检查如图5所示的石砌护墙时，若少量石块从护墙上脱落，且与上次检查相比变化量很小，则仅凭目视检查难以判定存在石块脱落的情况；但若每次检查都生成并保存3D模型，则可通过比较前后两次检查的结构断面形状等数据，发现不同，从而检查出石块脱落的问题。

为验证目测检查辅助系统对石块脱落程度的评估效果，研究人员通过粘贴黏土再使之掉落的方式模拟石块的脱落，并采用激光测量的方法获得护墙截面形状的真实尺寸。然后，他们利用在距离护墙2 m远处拍摄的视频生成石砌护墙的3D模型，并从中获取图5b所示位置的截面形状；再通过将黏土掉落前后的3D模型截面形状与实测截面形状进行比较，验证该系统对石块脱落量的评估精度，如图 6所示。由图可知，该系统的评估精度较高。

此外，为研究摄像位置的影响，研究人员还在距离护墙8 m处拍摄视频，生成3D模型，并进行同样的验证，虽然难以定量评估石块脱落量，但根据比对结果仍能确认石块脱落现象的存在。因此，即使摄像位置距离被检基础设施较远，但利用其生成的3D模型也可在一定程度上检查出基础设施结构变形的信息。