（仪器科学与技术专业论文）轻轨轨道梁梁面缺陷检测技术的实验研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 跨座式交通制式技术，在国内尚属首次引进，其技术的主要特点是以梁代轨， 这种桥梁不但具有传统桥梁的承载功能作用，更重要的还具有列车行驶的轨道功 能作用，通常称 p c 轨道梁结构系统”。 轻轨轨道梁在使用过程中，由于行车载荷以及自然因素的作用，会使梁面产 生各种缺陷，梁面裂纹是一种较难计测的缺陷状态。由于轻轨轨道属于高架且路 线较长，人工检查和测量十分危险和困难。对数量如此庞大的梁面资源进行有效 管理和维护，必须迅速提高梁面检测技术的整体水平。因此梁面检测技术要求由 人工检测向自动化检测技术发展，以使梁面质量的监测、评估和病害分析更加快 捷，轨道梁养护更加合理和经济。 本论文在对轻轨轨道梁梁面的缺陷特征进行详细分析的基础上，探讨了针对 轻轨轨道梁梁面缺陷特征的检测与识别技术。本文研究了一种基于机器视觉的轨 道梁梁面缺陷状况的检测系统，利用车载摄像机，在合适的光照条件下，自动分 段采集梁面图像，实时地传人计算机或存储系统中。在图像的处理过程中，先对 图像进行去噪处理，结合梁面图像的自身特征，编写图像处理软件，自动筛选出 怀疑含有缺陷的梁面图像( 疑似缺陷图像) ，对于筛选出的图像，程序自动进行图像 的分割，将缺陷从梁面背景中自动分割出来。缺陷识别出来之后，根据投影定理， 确定缺陷的类型。 在对现场采集的梁面图像的实验研究中，该方法准确，快速地检测出梁面的 缺陷情况，为检修提供了重要的数据依据，具有一定的参考价值。如果应用此方 法定期检测梁面的情况，一旦发现异常可及时解决，可以为轻轨车辆的安全稳定 运营提供保障。 关键词；轻轨轨道梁梁面裂纹图像分割直方图特征模式识别 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t o u rc o u n t r yi n t r o d u c ei n t ot h et e c h n o l o g yo fs t r a d d l e d - t y p em o n o r a i lp cb e a mf o r t h ef i r s tt i m e i t sm a i nf e a t u r e sa r ea sf o l l o w s ：u s i n gb e a ms u b s t i t u t et h er a i l t h i sb e a m n o to n l yh a v et h ef u n c t i o no fc a r r y i n gt h et r a i na st r a d i t i o n a lb r i d g e ，b u ta l s ot h e o r i e n t e df u n c t i o n t h u si t sc a l l e dp cr a i l - b e a mc o n f i g u r a t i o ns y s t e mi ng e n e r a l i nt h eu s eo fb e a m s ，t h es 删m 雠c a nb ed a m a g e db yt h et r a i no rt h ef a c t o ro f n a t u r e ， s u c h 勰c r a c k s s u r f a c 圮t e s ti sd i f f i c u l ta n dd a n g e r i o u sa st h eb e a mi sv e r yl o n ga n dh i g h f o rh u m a n t om a n a g ea n ds e r v i c ea 1 1t h eb e a m , w em u s ti m p r o v et h el e v e lo f t e s t s oi t i su s e f u lo f a u t o m a t i ct e s t i n gt h es u r f a c eo f b e a m ，n o tb yp e o p l e o n l yu s i n gt h i sm e t h o d , t h et e s to f b e a ms u r f a c ec a nb ee f f i c i o n t t h i sp a p e rs t u d yt h ed e t e c ta n di d e n t i f yt e c h n o l o g yo ft h eb e a m $ u r f a c 圯o nt h eb a s e o fa n a l y s i so ft h eb e a ms u r f a c ef e a t u r e w ep u tf o r w a r dt h et e s ts y s t e mo fb e a m s u r f a c e sd a m a g e ，w h i c hc o l l e c t i n gt h eb e a ms u r f a c e si m a g e , u s i n gc a m c l ai nt h e c o n d i t i o no f f i ti l l u m i n a t i o n , a n ds a v et h ei m a g et ot h ed i s k t h e np r o c e s st h e mo n l i n eo r n o t f i r s t , w ef i l t e rt h en o i s e t h e np i c k - u pt h ed a m a g er e g i o nf r o mt h es u r f a c ei m a g e b yt h ea r i t h m e t i co f i m a g ed i v i s i o n t h e nc a l c u l a t et h ea r e ao f t h ed a m a g ea n dg i v et h e c o n d i t i o no f t h eb e a m i nt h ea p p l i c a t i o n , t h i sm e t h o di s r a p i da n da c c u r a t e i tg i v et h ed a m a g eo fb e a m s u r f a c ea n dt h ee v i d e n c eb yw h i c hw er e p a i rt h eb e a m 飘圳f a w ec a nt e s tt h ed a m a g e o f b e a ms u r f a c eu s u a l l y , t h e nc a ns o l v et h ep r o b l e mi nt i m e k e y w o r d s ： b e a mo fl i g h tr a i l ，s u r f a c ec r a c k , i m a g ed i v i s i o n , h i s t o g r a m ，f e a t u r e e x t r a c t i o n ，p a t t e r nr e c o g n i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做储躲初司导签字吼切年钿严日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：互可辱 签字日期：加7 年月争日 名：1 包 嗷 签字日期：曩) 年月乒日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景 1 1 1 跨座式单轨交通轨道梁简介 跨座式单轨交通属于轻轨铁路的一种，列车的行走装置骑跨在单根混凝土或 钢制轨道梁上，梁面行驶电力机车行走轮，梁侧有机车导向轮、稳定轮相夹以维 持机车稳定性，车轮采用橡胶轮。跨座式单轨交通具有噪音低、爬坡能力强、转 弯半径小、快速便捷、占地少、造价低、利于环境保护等优点，是现代化城市快 速轨道立体交通的一种新形式 1 】。应用跨座式单轨铁路最多的国家是日本。1 9 6 4 年，t ：t 本东京修建了从市中心到羽田机场的跨座式单轨铁路，全线实现计算机集 中高度控制，该线成为旅客出入羽田机场的重要通道。后来，日本又建成了大阪 线、北九州线等跨座式单轨铁路。另外，法国、美国、澳大利亚和英国也都修建 了自己的跨座式单轨铁路。目前，重庆市率先成为我国发展这一交通方式的城市。 跨座式单轨交通线路的轨道梁既是车辆行驶的轨道，又是承重结构。整条轨 道是由众多的长约2 2 米的轨道梁连接而成，一般采用i 型预应力混凝土梁，标准 跨径为2 0 m 左右，梁的结构尺寸一般为高1 5 0 e r a ，宽8 5 e r a ，这些轨道梁通过拉力 支座，固定在墩台之上，形成列车行驶的轨道。为了便于日后轨道梁的维护、检 修以及更换，两轨道梁通过指形连接板连接，如图1 1 所示。 图1 1p c 梁构造图 f i g1 1p c b e a m 标准跨度轨道梁采用预制预应力混凝土结构( p c 梁) ，属全预应力结构。轨道 梁以简支形式支承在墩顶盖梁上，由于是双线，故每孔设2 根；轨道梁一端设固 重庆大学硕士学位论文1 绪论 定支座，另一端设活动支座；这种梁既是承重梁，又是轨道梁。其标准断面采用 空心i 形截面，如图1 2 所示。两孔轨道梁之间的梁缝宽度采用3 0m l n ，设梳齿形 伸缩缝，梁缝中心至支座中心的距离为4 0 0 1 t i i t i 。为了增加结构的整体刚度及抗扭 能力，轨道梁跨中及1 4 跨处设有2 0 锄厚的横隔板。 与其他轨道梁相比，这种预应力混凝土简支轨道梁具有以下优点： 简支轨道梁受力明确，力学性能好，支点沉降及变位对其内力基木无影响； 简支轨道梁在预制场预制，制作精度及混凝土浇筑的质量容易保证； 施工时不需要支架，因而对地面交通的影响最小，施工工期短： 采用简支轨道梁，便于梁体、支座等的养护与更换； 与其他形式的轨道梁相比较，采用简支轨道梁造价较低。 p c 轨道梁大部分都高架在城市人口较密集处，是典型的城市高架轨道系统， 如杨家坪步行街段，且列车乘坐定员较多，一旦p c 轨道梁结构系统发生安全事故 将导致不可想象的灾难性后果。因此，除了人为和车辆因素外，线路安全问题在 此显得尤为重要。 卜塑1 图1 2 p c 梁截面示意图 f i g1 2p cb e a ms c g t i o n 1 1 2 轨道梁梁面健康检测与缺陷特征识别技术的国内外发展现状 跨座式单轨交通是一种比较新型的城市交通方式，在我国也是首次引进。因 此，对于这种交通基础设施的检测与维护的方法和手段也是处于起步阶段，在梁 面的缺陷检测上更是还没有提出。现在比较成熟的技术就是对公路路面的检测， 众多的国内外学者和科研单位已经提出很多检测手段和方法，并且有的方法已经 在路面的检测中应用。 传统的路面缺陷特征的检测与识别主要是靠人工进行观察，对缺陷特征的位 置、长度、宽度及面积等进行手动测量和记录，然后进行统计、归类、存档和评 判。这种方法费时费力【2 l 、劳动强度大、单调乏味、危险性高、效率低、测量结果 受主观因素影响较大、鲁棒性较差，所以测量结果不具有可靠的参考价值口l 4 1 嘲【6 】。 而且有时还会对路面造成损害阴。下面详细叙述一下近年来，国内外在这方面的发 展状况。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 国外发展现状 从2 0 世纪7 0 年代开始，随着高速公路建设的飞速发展，路面缺陷特征自动 检测系统开始逐渐出现，如加拿大的r o a d w a r e 公司在1 9 6 9 年开始了路面数据采 集的研究。到口前为止，其客户己经遍布全球1 7 个国家。还有日本的k o m a t s u 系 统、美国的e t c 公司的p c e s 系统、i m s 公司的“p a v u e 系统、瑞士联邦技术研 究所的“c r e h o s ”系统、英国w d m 公司研制的路面裂纹检测车等【8 】【9 】。但当时的 技术还很不完善，其上作原理也不尽相同。 日本的k o m a t s u 系统是利用安装在检测车两侧的激光扫描器发出氢激光照亮 路面，通过光电倍增管以一定角度接收从路面反射回来的光，当被扫描的路面上 有裂纹出现时，接收的射线数量就会减少。也就是说，从光电倍增管输出的变化 反映出所扫描的区域是否存在裂纹。k o m a t s u 系统采用了并行处理技术确定裂纹的 宽度、长度、数量等特征参数，这代表了当时最先进的硬件技术。但是它的缺陷 在于不能识别裂纹类型，而且为了控制光照条件只能在夜间工作。 近年来，c c d 技术取得了惊人的发展。c c d 摄像机具有较高的动态范围、分 辨率和灵敏度。c c d 摄像机配有电子快门，可用于动态场景图像采集。目前，高 档的c c d 摄像机采用d s p 技术，能够有效地实现逆光的背景补偿，能够自动跟踪 白平衡，并以数字化图像再现原始图像。计算机通过接口可直接处理c c d 摄像机 所采集的图像。随着计算机硬件的迅速发展，基于c c d 摄像机的数字化图像系统 成本大大降低。因此，在场景条件下数字化路面缺陷自动检测系统的开发中，c c d 摄像机和计算机图像处理技术得到广泛应用。 典型的有a r r b 交通研究所开发的路面信息检测车、美国p a v e d e x 公司开 发的路面信息检测系统p a s l 、美国南达科塔交通部研制的路面信息检测车、英国 w d m 公司研制的路面裂纹检测车等。 a r r b 路面信息采集车采集路面图像最高车速可达1 0 0 b n h ，面阵c c d 摄像 机安装检测车的顶部，c c d 的分辨率为7 7 1 ( 水平) 5 9 2 ( 垂自) 像素，摄像机的水 平分辨率为5 7 0 电视线。当摄像机的焦距为1 4 m m 时，最小照度为0 0 4 勒克斯， c c d 摄像机采集的图像可实时显示在车载计算机的屏幕上。并实时存储在计算机 的硬盘或c d r o m 中。离线处理路面图像数据，检测的路面裂纹最小可达3 m m 。 国内发展现状 我国高速公路建设发展的较晚，从2 0 0 1 年才算进入快速发展时期。而且相关 的路面养护与管理要比高速公路的发展还要再慢几年。路面检测是路面养护与管 理的很重要的一部分，我国在路面检测尤其是自动检测这一领域的研究才刚刚起 步。一些院校和研究所在近几年己经开始了这方面的研究，而且取得了一些成果 【1 0 1 。 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 吉林大学交通学院的王荣本教授从2 0 0 2 年开始对路面缺陷自动检测系统进行 研究，在对路面图像的采集、处理以及识别等方面做了大量的工作，而且取得了 一定的成果【1 2 】 1 3 10 4 1t 1 5 1 。 2 0 0 2 年1 1 月，由江苏省宁沪高速公路股份有限公司、南京理工大学和南京路 达基础工程新技术研究所共同研制的n 1 型路面状况智能检测车是国内研制出的 首辆路面智能检测车。该检测车利用安装在车上的高速、高精度图像采集与处理 设备进行路面图像采集与存储。在获得路面全部图像后，利用他们自行研制的图 像处理与分析软件，对获得的全部图像进行处理与分析，从中提取出路面缺陷、 平整度等方面的精确测量数据。该研究己经达到了国际先进的水平1 。但是该设 备在路面缺陷定位和缺陷信息传输方面的研究还是有很大的欠缺。 2 0 0 4 年1 1 月2 4 日，由南京理工大学的贺安之、徐友仁、贺宁、贺斌共同研 制出了“路面状况激光三维智能检测车”。该车可以在每小时8 0 1 2 0 公里的车速 下，扫描所经过路面的任何裂纹车辙，并给出即时的路面检测报告【1 7 1 。 从国外的发展我们可以看出，基于数字图像处理技术的路面检测系统技术己 日趋成熟。同时，随着图像传感器等硬件的发展，图像采集的新技术、新方法也 广泛的应用于其中。而国内还只是处在起步阶段，无论是软件还是硬件都不成熟， 虽然己经有一些院校和研究所进行了相关的研究，但大部分都是将硬件直接从国 外进口，只是作一些软件方面的算法研究，而且都处在实验室试验阶段，还不能 应用到实际中，形成生产力。 1 2 研究的目的和意义 随着轻轨乘客列车的首次引进成功，大大地缓解了城市交通压力，在这方面 积极意义的引导下，国内其他交通压力大的城市势必会逐渐引进此交通方案，因 此轻轨轨道梁的管理和养护也必须跟上快速发展的轨道交通，本项目对轻轨轨道 梁梁面的健康情况进行了详细的分析与论述，对梁面的缺陷情况进行了检测与识 别。 1 2 1 研究的目的 本测量系统希望达到以下目的： 参照国内外各个公司和研究所路面检测方法，开发出一套结构简单，精度 高，处理速度快，性价比高的轨道梁梁面健康状况检测系统。 所编写的图像处理程序，能够对所采集的梁面图像进行分类，筛选出怀疑 有缺陷的图像； 判断缺陷图像中缺陷的类型，为检修提供依据。 1 2 2 研究的意义 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 由于轻轨轨道属于高架且路线较长，人工检查和测量十分危险和困难，因此 梁面检测技术要求由人工检测向自动化检测技术发展，以使梁面质量的监测、评 估和病害分析更加快捷，轨道梁养护更加合理和经济。 为了检测轨道梁梁面的缺陷情况，在本方法和系统提出之前，轻轨工作人员 在列车停止运行后，采用人工目测丈量的方法，。这种方法费工费时，劳动强度大， 效率低下，易出错，且存在一定的危险性。缺乏准确性和规范化，无法保证检测精 度，而且与操作者的素质有很大关系，通常需要经过专f l a i l 练的工程师，再加上 人工检测也不能为桥梁整体安全性的客观准确评价提供足够的历史数据。对于重 庆市轻轨轨道梁梁面缺陷情况的检测，就已建成的线路来说，需要检测的梁体有 1 9 0 0 榀左右，每一榀梁宽度8 5 c m ，长度约2 2 m 。可见其检测量巨大，环境条件差， 人工根本无法到位检测。因此，开发一车载的、快速的、自动的梁面缺陷情况检 测系统，具有十分重大的现实意义。 1 3 研究内容和方法 本系统主要的研究内容包括车载系统硬件的设计与安装，包括各部分硬件的 选择，软件的编写与调试等等。 1 3 1 研究内容 组成图像采集系统的各部分硬件的选择，包括摄像机参数与类型的确定， 照明系统的选择、工业控制计算机的选择、距离传感器的选择等；对采用的摄像 机进行标定； 由于采集的图像数据量比较大，会使后继的处理速度慢，效率低。因此， 我们先根据图像的灰度特征，对所有的梁面图像进行一次筛选，找出怀疑含有缺 陷的梁面图像( 称为疑似图像) ，要求不能漏判缺陷图像；然后利用图像的纹理特 征，对筛选出的疑似缺陷梁面做进一步的筛选； 比较几种常用的图像分割方法，根据梁面图像的自身特征，提取出缺陷图 像中的缺陷；根据投影理论判断缺陷的类型。 为了验证编写的图像处理软件的性能，现场采集了轻轨部分轨道梁梁面的 图像来进行验证，并得出验证结果。 1 3 2 轨道梁梁面缺陷问题的解决方案 针对以上人工检测梁面缺陷情况方法的各种弊端，我们考虑一种快速，精确、 安全的解决方案。根据实验室多年来的课题研究以及所掌握的机器视觉方面的知 识，提出了基于机器视觉系统以及图像处理方法的检测系统。 利用车载两个摄像机，配合光源系统，在合适的光照条件下，通过距离传感 器，分别自动分段采集一半梁面图像，实时地传人计算机或存储系统中。在图像 5 重庆大学硕十学位论文1 绪论 的处理过程中，先对图像进行去噪处理，结合梁面图像的自身特征，编写图像处 理软件，自动筛选出怀疑含有缺陷的梁面图像，对于筛选出的图像，程序自动进 行图像的分割，将缺陷从梁面背景中自动分割出来。缺陷识别出来之后，根据投 影定理，确定缺陷的类型。 采集的原始图像和处理结果还可以存入数据库中，用于特殊情况( 如采集图像 不理想，不能用以上方法自动处理) 的人工判别，以及和下一次同一段梁面情况 的对比。 6 重庆大学硕士学位论文 3 根据灰度统计特性对梁面图像初分类 2 梁面检测系统技术方案 根据课题要求综合考虑各种因素后，总体方案选用基于机器视觉的图像处理 的检测手段，来分析梁面的健康状况，对相应的硬件及软件架构精心进行设计。 2 1 梁面缺陷特征的分类以及成因分析 只有对轨道梁梁面缺陷特征的类型及成因彻底了解，在后续的维修过程中， 才能针对不同缺陷类型，做出相应的维修方案，做到有针对性的去维修。下面分 别详细介绍轨道梁梁面缺陷的常见类型及其形成的原因。 轨道梁梁面缺陷情况因梁体加工时的差异、所处的地理位置、气候和特殊地 段( 譬如上坡、陡弯等) 等差异而不同。从大的方面可分为结构性缺陷和功能性 缺陷两大类。结构性缺陷是由于梁面各结构层的承载能力不能抵抗现有行车载荷 的反复作用，而产生路面结构整体性破坏，其结果反映到梁面上就是各种形状的 裂纹，如龟裂、块裂、纵裂和横裂；功能性破坏是由于梁面提供给道路用户的服 务能力下降引起的，反映在梁面上则是平整度降低和车辙加深。常见的功能性缺 陷有不平整性、坑洞、拥包、波浪、车辙( 少量) 和局部裂纹等“”。 梁面结构性缺陷是最严重的一种早期缺陷，梁面一旦发生结构性缺陷，其它 使用性能就根本谈不上，所以木文只针对结构性缺陷的检测及识别进行研究。 下面就上述主要的缺陷类别简要分析其成因： 龟裂 这是经常发生的病害，如果处理地不及时，会随着酸雨地腐蚀和载重列车的 行驶，变的更加损坏，以至于梁面破碎，脱落，形成凹槽。其主要的成因为昼夜 温差所带来的梁面收缩与膨胀，还有就是梁体在制造过程中，梁体有没有压实， 压实度好，就可以保证缺陷的几率小。 纵向裂纹 纵向裂纹的成因是多方面的，主要成因有梁体制作过程中，混合不均匀，导 致梁体内部硬度( 密度) 不同，在行驶过程中，容易形成纵向裂纹；还有就是长 期受到来自车辆的压力，将会使轮迹处产生纵向裂纹。 横向裂纹 横向裂纹可分为载荷性裂纹和非载荷性裂纹。 载荷性裂纹是由于梁面设计不当或者施工质量低劣，或由于车辆严重超载， 致使梁体内产生的拉应力和剪应力超过其疲劳强度而产生的裂纹。 非载荷性裂纹是横向裂纹的主要形式，产生原因是由于温度的变化而收缩引 7 重庆大学硕十学位论文 3 根据灰度统计特性对粱面图像初分类 起的。梁面表面就会被拉裂，并逐步向下发展，形成上宽下窄的横向裂纹”9 1 。 2 2 轨道梁梁面缺陷检测系统的设计 现实中的梁面情况复杂，受自然环境( 降雨、光照、阴影) 和人为因素( 污垢， 尤其是公路中央的白线和转弯标记) 影响严重。现有算法大多采用传统的图像处理 方法，停留在理论阶段，算法设计脱离实际情况，并没有正对梁面病害的特征， 性能极为有限。虽然现有算法己经能够较好的检测出线性裂纹，但是计算量庞大， 非常耗时，并且在病害分类阶段，分类结果并不理想。而且现有算法对梁面的要 求过于理想化，需要梁面干净，光照充足，无阴影，无积水l 。 根据梁面损坏的形态、特征可将梁面的损坏形式分为裂纹、变形、表面损坏 三大类。梁面病害有其固有的形状特征( 线状或网状) ，病害的出现和分布也有归规 律可寻，如梁面裂纹是早期出现的，随后发展为网状，网裂和坑槽常常出现在裂 纹较多的地方。线状裂纹是梁面病害的普遍表现，其表现时间较早而且会发展成 更为严重的病害。而且裂纹有比其他病害更易于计算机处理的一些特征，从裂纹 的分布上还能推断出其它病害，如网裂、坑槽等，所以检测重点是裂纹 2 2 1 。 2 2 1 轨道梁梁面缺陷检测系统的主要技术要求 根据课题的要求，本系统的主要技术指标如下： 测试精度：0 5m r ； 工作环境：夜间工作，高空作业； 工作温度：一3 0 + 5 0 ； 检测对象：高架于墩台之上的轨道梁梁面； 检测结果：每根轨道梁的缺陷情况，找出梁面有缺陷缺陷的图像路段，并在 后继处理中初步判断裂纹的类型。 对于梁面健康情况的检测，主要分为三个部分，即梁面图像的采集，梁面图 像的分析以及梁面情况的分类。 2 2 2 梁面缺陷自动检测系统的设计 根据机器视觉系统的知识，轨道梁梁面缺陷情况检测系统的硬件系统设计主 要有以下几部分组成：图像采集获取模块、图像采集运动控制模块和图像处理单 元模块。 本测量系统由于要对每榀梁的梁面都要进行检测，把采集的每榀梁的梁面信 息存入数据库，便于后续检测时进行对比，所以需要人工输入或者自动读入梁号， 由于轻轨乘客列车在白天时连续运行，只有到站台才停车，所以白天不能进行检 测。因此，可以将本装置安装在夜间作业的工程检测车上，对每一榀梁进行检测。 本系统的具体工作流程为：载有计算机系统和图像采集设备的检测车到达作 8 重庆大学硕士学位论文 3 根据灰度统计特性对粱面图像初分类 业地点，开启光源以一定的角度照射在梁面上，摄像机到梁面的工作距离和视场 是在实验室标定好的；输入要检测的轨道梁的梁号。检测车启动后，控制摄像机 采集该梁的一系列连续的梁面不同位置的图像，同时保存到计算机磁盘中。在梁 面图像的采集过程中，当检测车行驶了一个摄像机取景长度后，光电编码器会发 出固定的n 个脉冲，连接编码器的计数器会发生变化，计算机c p u 实时查询计数 器的变化，一旦达到取景长度后，便控制摄像机采集并保存一幅图像，一直这样 循环采集图像，直到本梁数据采集完毕，进行下一梁的采集。在图像的处理过程 中，先对图像进行去噪处理，结合梁面图像的自身特征，编写图像处理软件，自 动筛选出怀疑含有缺陷的梁面图像，对于筛选出的图像，程序自动进行图像的分 割，将缺陷从梁面背景中自动分割出来。缺陷识别出来之后，根据投影定理，确 定缺陷的类型。 采集的原始图像和处理结果还可以存入数据库中，用于特殊情况( 如采集图 像不理想，不能用以上方法自动处理) 的人工判别，以及和下一次同一段梁面情 况的对比。 本系统对于车辆本身性能无特殊要求，凡是能够在轻轨轨道梁上平稳运行的 列车都可以作为承载车，包括乘客列车和工程监测车。在车辆后部或前部安装摄 像机和在驱动轮加装距离传感器后，基本上就达到了系统要求。 本方法的检测系统如下图2 1 所示口0 1 。 碜翔耱 稳定轮 图2 1 相机与光电编码器安装示意图( 前进方向为摄像机端) f i g2 1i n s t a l l a t i o no f c a m e r aa n de n c o d e r 其中，摄像机与光电编码器连接到计算机上，共同组成图像采集系统。 下图2 2 为图像自动采集并保存流程图。 9 重庆大学硕士学位论文3 根据灰度统计特性对梁面图像初分类 图2 2 图像自动采集判断流程图 f i g2 2i m a g e c o l l e c t i o na n dv e r d i c ta u t o m a t i c a l l y 2 3 图像采集系统 本文研究内容是场景条件下的梁面缺陷自动检测问题，为此所建立梁面缺陷 自动检测系统应具备行走功能，梁面缺陷信息采集功能和数据处理功能。 本系统要处理的数据是通过摄像机采集的并且判断为有缺陷的梁面的图像， 因此图像采集系统是数据的重要来源，直接影响到本测量系统的精度和可靠性。 一个图像采集系统最基本的配置主要是光源、相机以及数字化设备。为了获得质 量高的轨道梁梁面的图像，必须慎重地选择光源、摄像机和数字化设备。这里还 有一个本测量系统各个部件的兼容以及相互影响的问题，因此在选择各个元器件 时，不能孤立的选取，而是受到其他元器件的影响，相互制约，彼此牵制，最终 选择的元器件组合起来能使本测量系统达到最好的效果。 其中梁面图像信息采集是整个系统的基础，而采用图像传感器是获取梁面缺 1 0 重庆大学硕士学位论文3 根据灰度统计特性对梁面图像初分类 陷信息最为理想的方法。c c d 与c m o s 是目前较为常用的图像传感器，它分为线 扫描和面阵扫描两种。线扫描c c d 与c m o s 摄像机广泛应用在各种工业产品表面 缺陷的自动检测中0 6 1 。在数据处理时，首先将多行线扫描图像拼成平面，然后对 图像进行处理分析。近年来，高性能的数字化线扫描摄像机也被应用于梁面图像 采集，但线扫描摄像机需要高亮度的辅助光源，在场景条件下应用并不理想。因 此，本文选用面阵c m o s 摄像机获取梁面图像信息，为了现场安装的方便，我们 选择了c m o s 数字摄像机，不需要安装图像采集卡对模拟图像进行数字化，以便 于计算机处理【2 3 1 。 2 3 1 照明方式以及光源的选择 光源是影响机器视觉系统输入的重要因素，因为它直接影响输入数据的质量 和至少3 0 的应用效果。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定 的应用实例，要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。许多工业用的机器视觉 系统用可见光作为光源，这主要是因为可见光容易获得，价格低，并且便于操作。 光学照明方式有多种，大致可以分为：前方照明、镜面照明( 暗市场亮市场) 、 斜射照明、背面照明( 亮视场) 、正面照明等【4 】。由于本测量系统是在夜间工作， 要检测的是梁面上的缺陷，凹陷缺陷或者裂纹，如果光线从这些缺陷的侧面斜射 过来，会由于光线照射不到这些缺陷内的区域而显示黑色，在a d 转换为8 位2 5 6 级灰度图像时，缺陷( 特别是裂纹) 与正常梁面的灰度对比度非常分明。因此根 据梁面缺陷的这个外形特征，选取斜射照明方式l 2 4 1 。斜射照明方式如下图2 3 所示。 图2 3 斜射照明方式示意图 f i g2 3o b h q u e i l l u m i n a t i o n 由于没有通用的机器视觉照明设备，并且图像采集过程中的照明方式以及光 源的选择，主要取决于被摄物体表面的材料和形状。如果没有合适的照明，物体 表面的反射光线很难进入摄像机的电荷祸合器件，照出的图像黯淡并且图像不完 整，无法提供缺陷检测索需要的图像信息，对于后续的图像处理、缺陷提取以及 缺陷类型的判别造成很大困难，检测精度也无法保证。所以针对每个特定的应用， 要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。许多机器视觉系统用可见光做为光源， 这是由于可见光容易获得，并且便于操作。但是这些光源最大的缺点是不能保持 稳定。 光源选择原则 重庆大学硕士学位论文 3 根据灰度统计特性对梁面图像初分类 对比度：对比度对机器视觉来说非常重要。机器视觉应用的照明的最重要的 任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度， 从而易于特征的区分。对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量 区别。好的照明应该能够保证需要检测的特征突出于其他背景。 亮度：当选择两种光源的时候，最佳的选择是选择更亮的那个。当光源不够 亮时，可能有三种不好的情况会出现。第一，相机的信噪比不够；由于光源的亮 度不够，图像的x , j - 比度必然不够，在图像上出现噪声的可能性也随即增大。其次， 光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深。另外，当光源的亮度不够 的时候，自然光等随机光对系统的影响会最大。 鲁棒性：另一个测试好光源的方法是看光源是否对部件的位置敏感度最小。 当光源放置在摄像头视野的不同区域或不同角度时，结果图像应该不会随之变化。 方向性很强的光源，增大了对高亮区域的镜面反射发生的可能性，这不利于后面 的特征提取。在很多情况下，好的光源需要在实际工作中与其在实验室中的有相 同的效果。 一旦选择了照明技术，接下来就是选择何种光源的问题了。光源应该照明形 状的需要，需要有足够的均匀度，且稳定性能要好。在机器视觉应用中选择光源 应该考虑有关光源的光谱特征、效率、寿命特性、费用等 2 5 l 。 通过以上照明方式以及光源选取的规则看来，我们选择的照明设备如下所示， 该灯具具有光线均匀，稳定，使用寿命长等特点，安装时注意使之发出的光线对 要采集图像的梁面达到斜射效果。 2 3 2 摄像机的选择 摄像机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转 变成为有序的电信号。选择合适的摄像机也是机器视觉系统设计中的重要环节， 摄像机选择的好坏不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与 整个系统的运行模式直接相关。 由于本项目中所用摄像机主要用于在工作台连续运动时动态地采集图像，因 此需要分辨率较高、灰度及层次分明、象素点距离精确，图像传感器积分时间短 的摄像系统，因此本设计将采用定制的高分辨率测量用的c m o s 摄像机 2 6 1 。 根据轻轨方面的要求，本系统的设计精度为v 。= 0 5 m m ，要求能判断出最小 值为0 5 r a m 的裂纹。我们要检测的是轨道梁梁面横向与纵向的所有缺陷，这里采 用面阵c m o s 传感器相机。 我们要采集的图像为轨道梁梁面的图像，如图绪论中1 2 中所示。梁面的一半 为，24 2 5 m m ，设计精度为0 5 m m ，可以计算出在梁面宽度上的象素单元个数至 少为 1 2 重庆大学硕士学位论文3 根据灰度统计特性对梁面图像初分类 ：互：塑：8 5 0 v ，0 5 m m ( 2 1 1 因此，我们摄像机的选择原则是：8 位灰度、c m o s 传感器，横向行象素光敏 元个数不低于8 5 0 个。 大恒h v l 3 0 0 u m 灰度数字摄像机正好满足我们摄像机选取要求，分辨率为 1 2 8 0 x1 0 2 4 ，c m o s 单色数字图像传感器，符合u s b 2 0 标准。 大恒h v l 3 0 0 u m 灰度数字摄像机其他的主要参数如下： 光学尺寸：1 2 英寸 像素尺寸：5 2 1 m a x 5 2 1 m a 模数转换精度：1 0 位 像素深度：8 位 图像数据输出格式：列优先 帧率，s x g a ( 1 2 8 0 x 1 0 2 4 ) ：1 5 帧秒 v g a ：2 5 帧秒 c ：4 0 帧秒 图像窗口可无级设置，帧率也随之变化 增益可调 快门速度可调( 1 1 0 0 0 0 0 s i s ) 外触发抓拍功能、光源控制接口 信噪比： 4 5 d b 动态范围：6 0 d b 灵敏度：在5 5 0 r i m 的光源下为1 8 v 订l l 】【- s 工作湿度：2 0 8 0 功耗，额定功率：1 7 5 w 接c 制标准镜头 支持w i n d o w s 9 x 2 0 0 0 x p 操作系统 支持用户二次开发【2 刀 2 3 3 光电编码器简介 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电 检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于 光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极 管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器 输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。具有体积小，精度高，工作可靠，接 重庆大学硕士学位论文3 根据灰度统计特性对梁面图像初分类 口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、 军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中口”。 在此，光电编码器的作用是间接控制图像采集卡的采集时间。如果输出的脉 冲达到图像采集的长度，也就是检测车行驶了一段固定的路面，在摄像机上就是 过了一个取景长度，计算机就会控制采集卡自动采集图像并保存。 下图为采集的轨道梁梁面的图像。 图2 4 采集的梁面图像 f i 9 2 4b e a ms u r f a c ei m a g e 2 4 相机系统的标定 机器视觉的主要任务是利用计算机技术结合基本控制技术，用计算机上的2 d 图像实现对3 d 物体的描述、识别和理解。如何确定3 d 物体的三维空间坐标和2 d 图像的图像坐标之间的对应关系是摄像机标定工作中所要解决的基本问题。3 d 物 体表面任意点的三维几何位置与其在2 d 图像中对应点之间的相互关系是由摄像 机成像的几何模型决定的。因此，所谓摄像机标定就是通过建立成像几何模型来 获取摄像机参数的过程。 摄像机标定是完成用2 d 图像测量3 d 物体、用2 d 图像重建3 d 物体等视觉任 务的依据。因此，它是视觉系统中的最基本、也是最重要的工作之一。摄像机标 定也就是对摄像机内外参数求解的过程。其中，摄像机内部参数指的是如有效焦 距、主点、尺度因子、径向、切向镜头畸变以及其它系统误差参数等成像的基本 参数；而外部参数指的是摄像机相对于外部世界坐标系的方位，主要是一些坐标 转换参数。 2 4 1 摄像机的镜头畸变 因为摄像机制造和工艺等原因，如入射光线在通过各个透镜时的折射误差和 c c d 点阵位置误差等，光学系统存在着非线性几何失真，使得目标像点与理论像 点之问存在多种类型的几何畸变。 径向畸变。主要是由镜头形状缺陷引起的，它关于摄像机镜头的主光轴对 称。正向畸变是枕形畸变，负向畸变是桶形畸变。 1 4 重庆大学硕士学位论文3 根据灰度统计特性对粱面图像初分类 偏心畸变。主要是由光学系统光心与几何中心不一致造成的，即各透镜的 光轴中心不能严格共线。这类畸变既包含径向畸变，又包含切向畸变。 薄棱镜畸变。是由于镜头设计、制造缺陷和加工安装误差所造成的，这类 畸变相当于在光学系统中附加了一个薄棱镜，不仅会引起径向偏差，而且引起切 向偏差 2 9 1 。 上述的三种畸变都存在于光学拍摄的图像中，图像的非线性畸变主要是这三 种畸变的叠加。镜头的畸变是与镜头的焦距成反比的。焦距越大的镜头，镜头的 畸变自然越小。矫正视觉系统中镜头畸变的方法有两种：一种是硬件方法，即选 择畸变比较小的远心成像镜头，它的畸变都在1 以下，有的可以到0 1 。绝大多 数高精度的视觉测量系统都用此类镜头。虽然这种方法简单，但价格昂贵。另一 种方法在软件上进行矫正，具体的方法是：在完成了摄像机标定后，根据已知的 测量得出的点阵中每个点的大小值，对比分析点阵中处于外围点的大小与处于点 阵内圈的点大小的不同可得出一个比值，这个比值可以作为镜头的畸变。实际测 量时就可以通过这个比值进行畸变的矫正。 2 4 2 摄像机标定的实现与分析 系统采用畸变小的光学镜头，成像模型可以看似针孔模型。针孔模型假设物 体表面的反射光都经过一个针孔而投影在像平面上，即满足光的直线传播的条件。 针孔模型主要由光心、成像面和光轴组成。图2 5 针孔成像模型【1 4 1 ，其中0 ，一x yz 为世界坐标系，0 一x y z 为摄影机坐标系，0 一x y 为图像物理坐标系，坐标原点在光 轴与图像平面的交点，0 ，一x i y ，为图像像素坐标系，o 。，y 。，z 。) 为物体点p 在世 界坐标系中的坐标，该点在摄像机坐标系中的坐标为( x , y ，z ) ，( 屯，y 。) 是空间任意 一点p 的像点p 。的物理坐标。 重庆大学硕士学位论文3 根据灰度统计特性对梁面图像初分类 图2 5 针孔成像模型 f i 9 2 5t h em o d e lo f p i nh o l ei m a g i n g 实际摄像系统通常由透镜或者透镜组组合而成，其中的物距、像距和焦距满 足式( 2 2 ) 的高斯成像公式： 三+ 三：_ 1( 2 2 ) “v， 其中厂为焦距，甜为物距，1 ，为像距。但是透镜成像与针孔成像两者的焦距不 是一样的概念，在针孔成像中焦距等于像距，而在透镜成像中，焦距并不等于像 距。但两者的成像关系是一致的，即都满足像点是物点与光心的连线与图像平面 的交点。因此，可以用针孔模型作为摄像机成像模型。 由于轨道梁现场环境的限制和安装要求等诸多因素，系统选用了大焦距镜头， 镜头的畸变相应较小，而且系统的精度要求相对不高。因此，在初级研究阶段， 系统标记过程暂且不考虑镜头畸变引起的误差。如下介绍研究过程中采用的相对 简单但又能满足要求的网格标定过程d o 。 标定过程采用了简单的方形平面网格作为标定块，其中每格大小为10 r a mxl o m m ，图2 6 标定的平面网格图。标定过程中，使用了标准的标定网格，根据在现 场测量时摄像机距离梁面的实际高度，保证每个相机能采集半边梁面的图像。图 2 7 检测系统所拍摄到的一幅标定模板图。 1 6 重庆大学硕士学位论文 3 根据灰度统计特性对梁面图像初分类 图2 6 标定网格模板图 f i 9 2 6t h ep l a n e 鲥dc a l i b r a t i o nt e m p l a t ei m a g e 图2 7 统拍摄的标定网格幽( 7 6 8x2 8 8 l f i 9 2 7t h ep l a n eg r i dc a f i b r a t i o ni m a g eg r a b b e db ym e a s u r e m e n ts y s t e m 系统标定是在静态情况下进行的，并没有图像的动态因素影响。因此，标定 图像的处理不同于实际图像处理。标定图像首先采用高斯滤波去噪，然后自动阈 值分割，并把网格线细化为单位像素宽度的骨架图【3 i 】。 处理结果如图2 8 所示。 c 。b l de 图2 8 标定图像处理结果( 7 6 8 x 5 7 6 ) f i 9 2 8t h ef i n a lc a l i b r a t i o ni m a g ep r o c e s s e d 标定的实现过程：首先按照上述标定图像处理算法处理标定图像，然后在处 理结果图上任意选取5 个网格点作为计算样点，将这5 个点两两组合可得到1 0 组 点对。首先分别坐标点组合的1 0 组点对的像素距离；然后用坐标点