基于圖像處理的列車輪對參數(shù)檢測方法的研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)精

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1、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文基于圖像處理的列車輪對參數(shù)檢測方法的研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名：張紅波申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)指導(dǎo)教師：葉海建20040501中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文摘要摘要列車輪對作為重要的可互換行走部件，對列車安全亍駛起著關(guān)鍵性的作用。 目前，我國列車輪對的參數(shù)檢測仍停留在手工測量階段，技術(shù)落后、工作效率低。 而日本、美國等國在輪對自動(dòng)檢測方面進(jìn)行了大量的研究，并研制出各種類型的檢 測裝置，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域的巨大進(jìn)步和市場的 開放，給計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、信息技術(shù)在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了前所未有的機(jī)遇。本文介紹了一種應(yīng)用 CCD（ChargeCouple

2、Device 的縮 寫，稱為電荷耦合器件）圖像測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車輪對外形尺寸非接觸檢測的方法， 并在此基礎(chǔ)上完成了 列車輪對參數(shù)檢測裝置”軟件系統(tǒng)的研制。本文闡明了型像的 分通道自動(dòng)采集過程，以及對采集到的原始圖像進(jìn)彳 J：預(yù)處理過程，逃劍圖像去 噪聲的目標(biāo)，本課題采用了閾值分割中迭代閥值和閩值插值相結(jié)合的方法.Sob el 算 r、LoG 算子邊緣檢測算法，基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的膨脹運(yùn)算子進(jìn)行邊緣斷點(diǎn) 連接以及目標(biāo)提取中的投影法和邊緣跟蹤方法，使得提取輪對圖像邊緣達(dá)到測量精度的要求。對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，采抖 J 了非線性模型提高了幽像的測量精度。同 時(shí)對測量結(jié)果的精度進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和分析，滿足測量的要

3、求。本課題軟 fl。存 Windows 2 0 00 系統(tǒng)上開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于圖像處理 技術(shù)的輪對參數(shù)檢測，完成了預(yù)期的 H 標(biāo)，各項(xiàng)功能都滿足了系統(tǒng)要求，軟件的穩(wěn) 定性也得到了測試。關(guān)鍵詞：輪對，北接觸檢測，圖像處理，圖像分析AbstractTralnwheelsetlstheodeofmostlmportantlnterchangeablecomponentslntheveh lcle，playskeyrolelnsafetyofrallwaytr ansportatlon，butlnourcountry，thewheellsstlllmeasureduslnghandsleadlnglow

4、efflcencylndevelopedcountrlessuchasU S，Japan.AdvancedresearchhasbeendoneandmanyMeasurementEqulpmentshasbeende veloped，thushlghefflclencyandeconoml cs.Wlththedevelopmentofthelndustrlalcontroltechnologyandlnformatlontechn ology，RallwaytransportmeetsGreatchal lenges.Thlspapermalnlylntroducedannon conta

5、ctmeasurementofwheelsetdlmenslonsuslngCCDlmagemeasurlngtechnlqueAndsofn linearitymodel,andimpovemeasurementprecisionFinally,measurementresultprecisionpassestrialvalidatationandanalysis,andmeetrequestofmeasurement.SoftwareofthisprojectdevelopmentontheWindows2000,wheelsetparametermeasurementbasedOnima

6、geprocessinghasrealized,allfunctionsalsomeetsystemrequestandstabilizationofSOftwarehastesedt wars temoft rainwheetparameterme asugdevicehasbearchedThi spapef iesimageoltautomatcal1 ypofmu1 ti cels ,andprproolopa mei vea tid LoGea tos ofoion.owswilodcombgmentan,edgelr basnalimaged erimagentrprooduhig

7、 y,usngboundgedei nkinnmethhismeemetpd izatngimagenwiththctionopgmethodusedonmathematicdarytrackidinedgehod,meae cisiononproceolSobgdea tinganalmodprooldistillprsurementodemand.Ins sing,thio cesf whes j7ss paps .Thelset emsght witaneradoptKeywords:wheelset,non contactinspect,imageprocessing,imageana

8、lysis獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已 發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中國農(nóng)業(yè)大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或 證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本課題所做的任何貢獻(xiàn)均在論文中作 了明確的說明，并表示了感謝。研究生簽名：弓&紅 3 良時(shí)間：加繹 g 月曰關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保 留送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱，可以采用影印、縮印或掃描 等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。同意中國農(nóng)業(yè)大學(xué)可

9、阻用不同方式在不同媒體上 發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。研究生簽名：旁長寶工 s 蓖時(shí)間：銣移降婦日導(dǎo)師簽名口 1 滔建時(shí)間：7 卯夠 月同中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文緒論第一章緒論1.1 研究輪對幾何參數(shù)自動(dòng)測量系統(tǒng)的意義作為列車行走部件的車輪，在行駛中要受到撞擊、循環(huán)應(yīng)力、摩擦、高低溫等 作用的影響，岡此磨損、裂紋、剝離等損壞現(xiàn)象十分常見。長期 H 來，我國鐵路處 于低裝備率、高使用率、高強(qiáng)度運(yùn)輸狀態(tài)。就拿 2 0 0 0 年來說，我國鐵路貨物周 轉(zhuǎn)量為 1 15 4 9 噸/公里，僅次于俄羅斯和美國一級鐵路，居世界第三位，旅客周轉(zhuǎn)量 3 14 8 億人/公里，遠(yuǎn)高于俄羅斯、日本和其它

10、國家，居世界第仿。從 機(jī)車單位功率生產(chǎn)率來看，我國機(jī)車的單位功率負(fù)荷率居世界之首。隨著運(yùn)量密度 的提高，輪軌磨耗更加嚴(yán)重.80 年代末全國列車車輪每年光磨損報(bào)廢的就達(dá) 13 萬對。還有車輪輪網(wǎng)發(fā)，E 裂紋等其它故障，比如上海車輛段經(jīng)過對 1 9 9 82 0 0 0 年該段發(fā)生故障的統(tǒng)計(jì)，該段在這 4年p 批檢輪網(wǎng)裂紋 7 8 起，發(fā)生貨車車輪踏面裂紋缺損 10 件。這些有缺陷的車輪若不被及時(shí)檢禽出來并進(jìn)行處 理，將給列車行駛安全帶來嚴(yán)重威脅。由此可見，在機(jī)車運(yùn)用和檢修中，機(jī)車走行 部件尤其是機(jī)車輪對的檢修和檢查是十分重要的，也是鐵路部門一直密切關(guān)注和不 斷研究改進(jìn)的課題。紅機(jī)乍輪對檢測中，衡

11、量輪對是否合格的指標(biāo)有輪緣磨耗、踏面磨耗、踏面擦 傷等。通過檢洲，司以及時(shí)了解輪對的磨損情況，以便采取適當(dāng)措施保證車輛運(yùn)行 的安全和平穩(wěn)。悶前，我國列車輪對的檢測還停留在手T 階段，測量精度不高，操作條件 差、勞動(dòng)量大、勞動(dòng)效率低，測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和二次處理很不方便。在測量中，人為 因素造成的隨機(jī)誤差很難掌握。因此，為了提高效率以適應(yīng)高速列車及車組轉(zhuǎn)向架 自動(dòng)檢測的要求，研究一種高精度、高可靠眭的 rl 動(dòng)檢測機(jī)車輪對各種參數(shù)的 系統(tǒng)是, 十分必要的，具有很大的實(shí)用價(jià)值。1.2 國內(nèi)外關(guān)于輪對參數(shù)測量技術(shù)的現(xiàn)狀車輪外形幾何參數(shù)的測量方法主要有兩種：一種是列車在檢修時(shí)進(jìn)行的測量， 稱之為靜態(tài)檢測法；

12、另一種是列車在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行的測量，稱之為動(dòng)態(tài)檢測法。12. 1 靜態(tài)檢測技術(shù)1、芬蘭車輪外形測量儀 111該測量儀是在 90 年代初研制成功的?？梢詼y繪輪對的外形并將測得的數(shù)據(jù)與 存儲(chǔ)的參數(shù)數(shù)據(jù)比較，進(jìn)而計(jì)算出車輪外形參數(shù)并對近限或超限輪對發(fā)出指令。這 個(gè)儀器能在 3 秒的時(shí)間內(nèi)測量出 1000 個(gè)點(diǎn)。每 2 點(diǎn)的間隔僅有 O. 10mm。2測量裝置用永磁鐵安裝在車輪上，包括齒輪和齒條的測量架可在車輪踏面上移動(dòng)， 傳感器和直線型滑桿負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并傳給控制裝置。計(jì)算機(jī)程序把車輪外形放大 3 倍、4 倍或 1O 倍，并以圖像或數(shù)字形式顯示出來，另外還可以直接從控制裝置或 從計(jì)算機(jī)繪出車輪形狀或打印測

13、量結(jié)果。第25卷第2期2008年2月公路交通科技Jour nal of Highway and T ran sportati on Research and Developme ntV ol 125 N o 12Feb 12008文章編號:1002O0268(2008 02O0064005收稿日期:2006O10O17基金項(xiàng)目：交通部西部交通建設(shè)科技資助項(xiàng)目(200431800054作者簡介:孫波成(1964-,男,湖北孝感人,工學(xué)博士,研究方向?yàn)閳D像處理1(su nboch 1631com路面裂縫圖像處理算法研究孫波成1,邱延峻(11西南交通大學(xué)峨眉校區(qū),四川 峨眉山614202; 21西南

14、交通大學(xué)土木學(xué)院,四川成都610031摘要:為了避免傳統(tǒng)人工視覺裂縫檢測方法的耗力、耗時(shí)、不精確、影響交 通、危險(xiǎn)、，提出了一種新的基于圖像處理技術(shù)的路面裂縫類病害自動(dòng)識(shí)別算法。:,在這個(gè)窗口中確定9種不同的掩膜模板,采用最大類間、類內(nèi)距離準(zhǔn)則對圖像進(jìn)行 閾值分割,研究,和R obis on等常用的平滑模板相比,。在對平滑后的圖像進(jìn)行分割 當(dāng)中,和H ough變換、，結(jié)果表明了該算法在精度、速度和可靠性方面具有一定的 優(yōu)勢。關(guān)鍵詞:道路工程；路面裂縫；閾值分割中圖分類號：TP391141; U4161217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:APaveme nt Crack Disea se s Recog niti

15、 on Ba sed on Image Proce ssing AlgorithmS UN BoOcheng 1,QI U Y anOju n2(11Emei Branch of S outhwest Jiaotong University , Emeishan S ichuan 614202, China ;21School of Civil Engineering , S outhwest Jiaotong University , Che ngdu S ichuan 610031, ChinaAbstract :C onven ti onal visual and manual road

16、 crack detect ion method is laborOconsuming , nonOprecise , dangerous ,costly and als o it can affect transportation 1T o av oidthese shortco mings , an automatic road crack detect ion alg orithm based on image processwas presented 1It includes tw o steps :firstly , using nine different tem plates i

17、n a 5X5w in dow tosm ooth and enhance no ise paveme nt image ; sec on dly , based on threshold segme ntati onmethod , adopti ng criteri on of maximum class dista nee to segment processed image andextract crack character 1In the end , the foreg oing sm ooth1O因and segme ntati on alg orithm on 200pavem

18、e nt crack images were tested 1C om pari ng with otheraccustomed tem plates , the images are enhan ced and the crack edge is protected IFurther com paring with segme ntatio n methods of H ough trans form and mathematic m orphology , the presentedmethod shows definite advantage in precision , process

19、 ing speed and reliability 1K ey words :road engineering ; crack identification ; image processing ; pavement crack ;threshold segmentation 0引言疲勞開裂和車轍是瀝青路面最主要的破損形式，根據(jù)交通部高速公路養(yǎng)護(hù)質(zhì) 量檢測方法（試行之規(guī)定,需要定期對高速公路路面狀況進(jìn)行調(diào)查，以便制訂相應(yīng) 的維護(hù)策略，其中重要的一項(xiàng)指標(biāo)是路面裂縫。而且準(zhǔn)確的裂縫信息也是路面管理信息系統(tǒng)的需要。傳統(tǒng)的基于人工視覺檢測裂縫的方法愈來愈不能適應(yīng)高速公路發(fā)展的要 求,主要是速度慢，個(gè)

20、人主觀程度大，而且花費(fèi)高，危險(xiǎn)還影響正常交通。計(jì)算機(jī)高性 能處理器、大容量存儲(chǔ)器及圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，使得路面裂縫的自動(dòng)檢測與 識(shí)別技術(shù)成為可但對于采集到的路面圖像，由于采集工具的不同，路面材料的影響，使圖像包含大量的噪音而對路面圖像裂縫的識(shí)別研究主要集中在圖像增強(qiáng)和裂縫目標(biāo)的分割。文獻(xiàn)2采用路面圖像直方圖均衡化來增強(qiáng)圖像；文獻(xiàn)3運(yùn)用加權(quán)鄰域平均法來平滑路面圖 像；文獻(xiàn)4則采用了中值濾波。在圖像分割方面，大多采用圖像全局信息（如整幅圖 像的灰度直方圖和局部閾值（把原始圖像分為幾個(gè)小的子圖像來求出最優(yōu)分割閾值24。也有其他的路面圖像分割算法，如文獻(xiàn)采用了基于樣本空間的圖像分割算法。本文參考上

21、述路面圖像裂縫識(shí)別的各種算法，根據(jù)道路圖像自身的特點(diǎn)，法,類 間、提取圖像上的裂縫特征。1圖像增強(qiáng)圖像增強(qiáng)是相對圖像識(shí)別、圖像理解而言的一種前期處理，目的是采用一系列方法改善圖像的效果或?qū)D像轉(zhuǎn)換成一種更適合人或計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理的形式，主要是指按需要對圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q突出某些有用的信息或削弱無用的信息，如改善圖像的對比度、去除噪音或強(qiáng)調(diào)邊緣的處理等。圖像增強(qiáng)的方法一般分為空間域和變換域兩大類，常用的圖像增強(qiáng)方法有空間 域單點(diǎn)增強(qiáng)、圖像平滑、圖像銳化、圖像濾波等6。111空域?yàn)V波圖1圈積運(yùn)算方法Fig 11 Loop product alg orithm在一幅數(shù)字圖像中，相鄰區(qū)域的變化大于區(qū)

22、域內(nèi)部的變化，同一區(qū)域內(nèi)部中間像素的變化小于邊緣像素的變化。為了減少和消 除圖像中的噪音，改善圖像的質(zhì)量，抽取圖像的線形特征，目前空域?yàn)V波采用最多的是小區(qū)域模板卷積的方法（圖1。具體計(jì)算時(shí)，實(shí)現(xiàn)將模板中心和圖像中待處理的某 像素點(diǎn)重合，并將模板各元素與模板下各自的對應(yīng)像素值相乘，最后將模板輸出響應(yīng)（上步計(jì)算出的模板各元素乘積之和 作為當(dāng)前模板中心所在像素 的灰度值。為了更好地突出圖像線形特征的方向性，通常的做法是對上述單模板進(jìn)行擴(kuò)展 構(gòu)造8個(gè)方向的模板。通常，對圖像中的一個(gè)像素，它共有8個(gè)相鄰點(diǎn)，因此從該點(diǎn) 出發(fā)具有8個(gè)方向?？梢允孪葮?gòu)造8個(gè)不同方向、大小為3X3的模板,如圖2所示L那無曲薛*

23、藝摩田巨坯需羋決旳汕3T得斗巔弱倖鞫緋卻叩鬱藉輕加皿掾風(fēng)妊圭工獅窖冉岳音專理工笹海圖2模板方向定義圖Fig 12 T em plate directi on defi niti on將這8個(gè)模板依次作用于同一圖像窗口。對于每一個(gè)模板,將圖像窗口內(nèi)各像素的灰度值分別與模板對應(yīng)位置的元素相乘 加求和,記為C i ,其中i =0, 1,。,則圖像窗口中心像素的輸出值為,再累1g (m , n =max (C 1。(1常用的有3種，即R obis on模板、Prewitt模板和K irsch。例如R obis模板的:M 0=121000-1-2, M 1= 2101010-1,M 2=10-12-21

24、0-, M 3=0-1-210-1210,M 4=-1-2-100012,M 5=-2-10-10101, M 6=-101-202-1,M 7=012-101-2-1。112掩膜平滑法圖像中存在這樣一個(gè)基本事實(shí)：同一區(qū)域內(nèi)部的像素之間灰度變化平緩，起伏較 小,統(tǒng)計(jì)方差??；在區(qū)域邊緣，像素之間灰度值的起伏變化大，統(tǒng)計(jì)方差大。掩膜平 滑的目的在于進(jìn)行濾波操作的同時(shí)，盡可能不破壞區(qū)域邊緣的細(xì)節(jié)。此方法在對路 面圖像進(jìn)行增強(qiáng)時(shí)，既可以去除圖像噪音，又能較好地保護(hù)裂縫的邊緣56第2期孫波成,等:路面裂縫圖像處理算法研究細(xì)節(jié)。本文以一個(gè)55的窗口為基準(zhǔn),中心位置為（j , k ,在這個(gè)窗口中確定9種不同

25、的掩膜模板，如圖3所JJJI兒如屮WKJ#碎尸“嚴(yán)如L|VU!bUfllLq&r&joba&uiIJJGiuqn?(Li*iCCUILOJrccjjpjo uuq luipLUJHifo (cpuojoKA1的何點(diǎn)/4nLGUfu pdnibwcma ps pccu qcxjotxq1rpn? pip cicrGUC nuq ccouou憐制cujcpuc uqjobcq cmw也w ?w：p悅yqguccq Lcacncp p呢pwui-0GIU己鼻找tX oiiiEnibou(!QjupjiiJUOnt GQnuul|JS pc j?科!JJ uj&nusq nsiu丄口I屮MpCJZCI

26、禺甲o(hù)uc OLUJ02I屮巾山9蟲屮CLCJJ9U會(huì)盟p|G CCUDboUGUR ftJ QJC A =值化固像(e)Roberts 算子提取得到的邊緣 固 14 踏面圖像處理效果圈用數(shù)碼相機(jī)實(shí)現(xiàn)輪對踏面尺寸的非接觸測量是可行的，對輪緣高度、輪緣厚度 及踏面磨耗的37-401G U X ingOyu , DONG Qiao , NI FuOjia nResearch on CrackProgressi on of C ontinu ously Rei n forced C on crete Paveme nt J1Jo urnal ofHighway and T ran sportatio

27、 n Research and De 2velopme nt , 2007, 24(6 :37-4018動(dòng)態(tài)檢測自動(dòng)優(yōu)程度高，不占車輛周轉(zhuǎn)時(shí)間，便于存儲(chǔ)信息資料，近 2 0 年來 受到各國的重視。對車輪外形參數(shù)施以動(dòng)態(tài)檢測.可以隨車測量或地面測量。隨車測量就是 在機(jī)車車輛上安裝中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文緒論車輪外形參數(shù)的測量系統(tǒng)，雖然能夠做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，但需要為所有的車輪都安 裝傳感器，不經(jīng)濟(jì)也沒有必要。據(jù)資料介紹，目前僅有日本鐵路對新干線電動(dòng)車組開發(fā)試用了隨 車式車輪磨耗形狀檢測裝置。地面測量就是在線路上固定安裝車輪外形參數(shù)的測量系統(tǒng)對于大 量正在運(yùn)用的機(jī)車車輛而言，這種地面式動(dòng)態(tài)測量設(shè)備最為

28、理想。下面主要介紹幾種典型的地面 式檢測裝置。1、俄羅斯輪對參數(shù)自動(dòng)化檢測裝置俄羅斯在 9 0 年代中期采用超聲遙測方法研制成功輪對參數(shù)自動(dòng)化檢測裝置。 當(dāng)機(jī)車車輛以不大于 5km/h 的速度運(yùn)行時(shí)，遙測傳感器組可測出距車輪各個(gè)特征表面的 距離，經(jīng)分析處理后，可得出車輪直徑、輪緣厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等參數(shù)。其測量誤差分別 為：輪徑誤差不大于tmm，輪緣厚度誤差不大于 o 5mm，踏面磨耗誤差不大于 o .30ra m。整套測量裝置由傳感器組、地面測量單元、數(shù)據(jù)傳輸線路、操作控制單元 u#l -部設(shè)備等組成。多通道的傳感器組利用卡座緊固在軌底上，其作用是將車輪的機(jī)械參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號：地面測量

29、單元完成傳 感器信息的收集和模數(shù)轉(zhuǎn)換等工作，并通過雙線數(shù)據(jù)傳輸線路與操縱控制單元連接，傳感器組與 地面測量單元之間的距離可達(dá)到 2 0m ;操縱控制單元包括主機(jī)、顯示器、鍵盤和供電組件等設(shè) 備。主機(jī)負(fù)責(zé)處理由地面單元傳送的數(shù)據(jù)，并將被檢測車輪的輪廓外形變換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，以便 觀察和獲得車輪的磨耗狀態(tài)，所得的信息資料可以清晰地呈現(xiàn)在顯示器上，地面測量單元與操縱 控制單元之間的距離可達(dá)到 5 0 0 m ;外部設(shè)備包括中央計(jì)算機(jī)和打印機(jī)等，中央計(jì)算機(jī)可動(dòng)態(tài) 管理和集中檢查全部車輪的外形數(shù)據(jù)，打印#LE，f J 可將檢測結(jié)果文件化。整套裝置由交流 2 2 0V 電源供電，所需功率小于 2 0 0W

30、。它可在車輪運(yùn)動(dòng)的工況下測出車輪的外形輪廓，然后將該踏面外 形同存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)踏面外形進(jìn)行比較，得到有關(guān)車輪磨耗的數(shù)據(jù)信息，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置具 有很高的穩(wěn)定性，可以保證車輪外形參數(shù)測量所必需的精度。全部檢測作業(yè)均自動(dòng)完成，無須操 作人員的干預(yù)。2、羅馬尼弧車輪外形磨耗自動(dòng)檢測裝置 pJI羅馬尼弧鐵路在 90 年代初研制成功車輪外形磨耗自動(dòng)檢測裝置。檢測過程是 利用采集圖像的閉環(huán)系統(tǒng)和數(shù)字處理的視頻測量系統(tǒng)來記錄列車車輪的外形圖像并在通過 微機(jī)確定車軸序號的同時(shí)，直接在圖像上進(jìn)行測量，然后打印和處理影響運(yùn)行安全的危險(xiǎn)情況。 裝置由測量和控制單元、CCD 攝像單元、連續(xù)縫隙光照單元、車輪導(dǎo)向單

31、元、圖像采集單元、 微機(jī)單元以及數(shù)據(jù)傳輸單元組成。當(dāng)機(jī)車車輛以限定速度（V 10km/h）運(yùn)行時(shí)，安裝在軌道 上的檢測設(shè)備可捕捉所有車輪的外形輪廓，通過計(jì)算機(jī)程序的處理和分析，可以得出車輪外形的磨耗參 數(shù)并做出判斷和進(jìn)行處理。經(jīng)常使用該自動(dòng)檢測裝置監(jiān)測車輪外形的磨耗狀況，可以防止車輪在 2 次定期修理期間各種缺陷的產(chǎn)生，同時(shí)還可以為診斷車輪技術(shù)狀態(tài)，預(yù)測車輪使用壽命提供詳 盡的信息資料。3、德國輪對自動(dòng)診斷裝置德國鐵路與 80 年代末期研制成功輪對自動(dòng)診斷裝置。其主要功能就是當(dāng)列車 以小于 5krn/h的速度運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)測量車輪斷面的幾何參數(shù)。該裝置的工作原理是；將縫隙 光帶以規(guī)定角度投射到車

32、輪上形成可辨認(rèn)的輪廓，同時(shí)用攝像機(jī)在對應(yīng)角度捕捉反射的光束。車 輪圖像是通過布置于每根鋼軌上的 4 個(gè)半導(dǎo)體攝像機(jī)拍攝的，這樣能夠覆蓋被測車輪的 4 個(gè)斷 面，經(jīng)分析處理后便可計(jì)算出輪緣厚度、踏面磨耗和車輪內(nèi)距等參數(shù)。該設(shè)備由中央計(jì)算機(jī)控制， 所有的測量數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)文件庫內(nèi)，以便隨時(shí)掌握輪對的工作經(jīng)歷。整套裝置安裝在漢堡 機(jī)務(wù)段的綜合檢查車間內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)非接觸動(dòng)態(tài)檢測。為了校準(zhǔn)診斷設(shè)備和快速檢驗(yàn)設(shè)備功能。裝 置采角標(biāo)準(zhǔn)輪對來確定測量缺陷和浸 4 量誤差。4中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文緒詮4、美國車輪自動(dòng)檢測系統(tǒng)美國 Loram 公司于 90 年代中期研制成功 2 種型式的車輪自動(dòng)檢測系統(tǒng)，

33、低速檢測型和高速檢測型。低速檢測型可在列車運(yùn)行速度不超過 8km/h 的情況下輸出圖像、 圖表和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：高速檢測型可在列車運(yùn)行速度不超過 72km/h 情況下打印出測量數(shù)據(jù)和報(bào)告。 現(xiàn)場試驗(yàn)表明，該套系統(tǒng)可以自動(dòng)測量列車的通過速度，具有連續(xù)圖像采集、連續(xù)數(shù)據(jù)處理和車輪計(jì) 數(shù)等功能，可測量輪緣厚度、踏面磨耗和車輪直徑等參數(shù)，同時(shí)在精確度以及方便性和安全性等 方面，均能滿足使用要求。5、我國關(guān)于車輪參數(shù)的動(dòng)態(tài)自動(dòng)檢測近年來，我國鐵路工作者在車輪參數(shù)的動(dòng)態(tài)自動(dòng)檢測方面也做了大量的工作和 相關(guān)的研究，根據(jù)收集的資料，目前仍無臺(tái)完整實(shí)用的測量裝置。其中以北方交通大學(xué)和 鄭州鐵路局聯(lián)合研制的車輪扁疤和擦

34、傷檢測裝置較為成功 llq,其測量原理是根據(jù)因扁疤擦傷 引起的車輪振動(dòng)變化來計(jì)算扁疤擦傷的程度。如圖 15 所示該裝置由兩套四連桿機(jī)構(gòu)和相對應(yīng)的位移傳感器組成，四連桿機(jī)構(gòu)固定在鋼軌上，構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)。位移傳感器通過支座固定在構(gòu) 成平行四邊形機(jī)構(gòu)邊的鋼軌上。該裝置在列車運(yùn)動(dòng)中能定量測量列車車輪踏面磨損及擦傷。圖 15 列車車輪踏面擦傷及磨損動(dòng)態(tài)測量裝置輪對外形尺寸檢測技術(shù)在經(jīng)歷了 3 0 多年的發(fā)展后已日趨成熟，從直接接觸測 量的接觸式檢測到利用光學(xué)圖像測量技術(shù)的非接觸式檢測：從便攜式的靜態(tài)檢測到在線動(dòng)態(tài) 檢測，形成了各具特色、原理各異的多種檢測技術(shù)。其中，咀 CCD 圖像測量技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)

35、的 檢測裝置具有檢測1速度快、精度高、自動(dòng)化程度高、能實(shí)現(xiàn)車輪外形尺寸的非接觸在線動(dòng)態(tài)檢測 等特點(diǎn)，日益受到國內(nèi)外的 r 泛關(guān)注，引領(lǐng)著車輪外形尺寸非接觸式在線動(dòng)態(tài)檢測的方向。國外利用 CCD 圖像測量技術(shù)成功地開發(fā)出了用于檢測車輪外形尺寸的自動(dòng)化 檢測裝置，但是造價(jià)昂貴，很難在國內(nèi)推廣。國內(nèi)也作了相關(guān)的研究而且也試制出樣機(jī)， 但是沒有得到推廣應(yīng) J；J。利用先進(jìn)的 CCD 圖像測量技術(shù)開發(fā)高精度、自動(dòng)化的輪對在線動(dòng)態(tài)檢測裝 置，必將推動(dòng)國內(nèi)輪對自動(dòng)檢測技術(shù)的發(fā)展，改變我國落后的檢測現(xiàn)狀，保證機(jī)車的安全運(yùn) 行，加速鐵路的現(xiàn)代化建設(shè)。順應(yīng)鐵路的高速、重載、高密度運(yùn)行發(fā)展方向。同時(shí)也為機(jī)車其它部

36、件的外形尺寸檢測提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。5中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文緒論?4f.1.3 本課題的研究內(nèi)容針對我國目前在列車輪對檢測技術(shù)方面存在的問題以及北京雙橋車輛段的需 要，本文對基于圖像處理的列車輪對非接觸檢測方法進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容如 下：(1) 基于圖像處理輪對參數(shù)檢測軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并分析系統(tǒng)的性能及 影響圖像測量的精度和誤差因素。(2) 如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)圖像的分通道自動(dòng)采集過程。(3) 圖像去噪的研究，必須保證在處理過程中，盡可能不丟失邊緣的前提下 達(dá)到去除噪聲的目標(biāo)。(4) 重點(diǎn)研究如何從圖像中分割井提取出所需邊緣，分析適合分割輪對參數(shù) 圖像所要用到的方法，要求提取的邊緣能夠

37、達(dá)到測量精度要求。(5) 研究一種標(biāo)定模型，能夠保證測量結(jié)果滿足精度要求。本課題要求在 Windows 2 0 00 系統(tǒng)上開發(fā)，軟件實(shí)現(xiàn)工具為 Visu alc+6. 0 和 Acess2000o6中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第二章輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本章首先介紹輪對幾何參數(shù)的定義，明確有關(guān)的測量參數(shù)；然后對本系統(tǒng)的總 體設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。2.1 圖像測量技術(shù)的原理圖像測量”是當(dāng)測量被測對象時(shí)，把圖像當(dāng)作檢測和傳遞信息的手段或載體麗 加以利用的測量方法，最終目的是提取圖像的特征信號。圖像測量技術(shù)是近年來測 量領(lǐng)域中形成并發(fā)展起來的新型技術(shù)，它是以現(xiàn)代

38、光學(xué)為基礎(chǔ)。融光電子學(xué)、激光 技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像學(xué)、信息處理、計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)械、自動(dòng)化控制等科學(xué)技術(shù)為一 體的現(xiàn)代測量技術(shù)，組成了光、機(jī)、電、算綜合的測埯系統(tǒng)。它廣泛應(yīng)用于幾何量 的尺寸測量、航空等遙感測量，精密復(fù)雜零件的微尺寸測量和外觀檢測以及光波干 涉圖，應(yīng)力應(yīng)變場狀態(tài)分布圖等和圖像有關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域中。圖像測量的主要目的就 是正確地測量和處理圖像。圖像鍘量系統(tǒng)的測量原理是通過處理被測物體圖像的邊緣而獲得物體的幾阿參 數(shù)。高精度圖像測量系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、CCD 攝像機(jī)、圖像處理系 統(tǒng)、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)五大部分紺成。它主要應(yīng)用幽像測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，把被 測工件的圖像當(dāng)作檢測和傳遞信息

39、的載體。由光學(xué)測量系統(tǒng)、圖像輸入設(shè)備和計(jì)算 機(jī)，在線非接觸式地獲取大量的被測工件的原始圖像，應(yīng)用邊緣檢測算子對原始圖 像進(jìn)行處理。檢測赴圖像的邊緣點(diǎn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得物體的幾何參 數(shù)。并根據(jù)測量數(shù)學(xué)模型和測量要求，計(jì)算處理得到物件指定尺寸的測量結(jié)果，并 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)樣塊零件對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，從而獲取高精度的測量結(jié)果。2.2 測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.2, 1 輪對幾何參數(shù)的定義 I、 ：六玄一一J1B J、姻J 爿二曠1 iij龠器、-LL L 掣 t!Lk 歲蛐，f 囂汀割剝飛剽蚓圳鹺圈 2 1 輪對幾何參數(shù)的定義 7圖 2 II 處放大田中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

40、輪對幾何參數(shù)包括車軸直徑尺寸和車輪有關(guān)尺寸：如圖 21 為輪對兒何參數(shù)的定義，圖22 為圖 21 中 I 處放大圖：1、車軸直徑尺寸目前。我國列車普遍采用滾動(dòng)軸承車軸車輛段檢修的輪對中絕大多數(shù)是滾動(dòng) 軸承車軸。車軸的輪座部分與車輪的輪轂采用過盈配合，由于輪對的長期使用和檢 修使輪座部分的軸徑尺寸發(fā)生變化.同時(shí)，軸中央的尺寸也因檢修過程的清洗、打 磨等原因受到影響。因此，我國鐵路部門在輪對的檢修規(guī)程中對軸中央直徑（軸身 直徑）和輪座直徑的檢查作了明確的規(guī)定。2、車輪尺寸參數(shù)本課題主要研究磨耗型的踏面，如圖 22 所示，圖中曲線 1 表示輪網(wǎng)原形輪廓線.曲線 2 表示輪網(wǎng)磨耗后輪廓線的一種形式。車

41、輪有關(guān)尺寸參數(shù)包括：1輪緣厚度 A:指從踏面距輪網(wǎng)內(nèi)側(cè) 70 mm，再向上 12 mm 處到輪網(wǎng)內(nèi)測 的水平距離。輪緣厚度與走行穩(wěn)定性關(guān)系很大，厚度越大，輪緣游間越小，對軌道 的方向不平順反映敏感；輪緣游間過大，容易使輪對產(chǎn)生過大的橫向振動(dòng)，影響走 行平穩(wěn)住。2踏面磨耗 E:指運(yùn)用后輪對踏面上距輪網(wǎng)內(nèi)側(cè)面 7 0 mm 處與標(biāo)準(zhǔn)踏面之間 的垂直距離差。輪網(wǎng)厚度 c:指從踏面上距輪網(wǎng)內(nèi)側(cè)面 7 0 mm 處到輪網(wǎng)內(nèi)側(cè)倒 角處的存之距離，4車輪直徑：指從踏面上距輪網(wǎng)內(nèi)側(cè)面 7 0 mm 處的車輪直徑，在輪對檢修 中，左右輪徑差至關(guān)重要，左右輪徑無差別時(shí)，輪對在左右等分的輪緣游間情況下 滾動(dòng)，對軌道

42、的方向不平順反映不敏感；實(shí)際運(yùn)用中的左右輪徑差將使輪緣接觸經(jīng) 常接近臨界值，輪對即產(chǎn)生沖角而滾動(dòng)，這不僅使脫軌安全性能低下，而且使曲線 通過性能降低。5輪網(wǎng)寬度 D:指輪網(wǎng)內(nèi)外側(cè)間的水平距離。6輪對內(nèi)側(cè)距：指同一輪對兩個(gè)輪網(wǎng)內(nèi)側(cè)間的水平距離，測量過程中需要對輪 對的三個(gè)等分處分別測量，并求出 f 旬側(cè)距最大差。車輪內(nèi)側(cè)距參數(shù)直接關(guān)系到輪 對是否順利通過道岔，是安全性方面必須規(guī)定的尺寸。2.2.2 測量系統(tǒng)的組成圖 2，輪對參數(shù)測量系純 8中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)由硬件環(huán)境和軟件系統(tǒng)組成。硬件環(huán)境一般分為兩大類型。市場上圖像處 理的硬件多種多樣，價(jià)格相差極為懸

43、殊，從總體上看也大致對應(yīng)分為兩類：一是在 計(jì)算機(jī)主板的 PCI 插槽中插入一個(gè)采集卡，該卡有刷新圖像存儲(chǔ)器等專用硬件， 面圖像進(jìn)一步處理、分析、計(jì)算、判斷等工作則由計(jì)算機(jī)軟件來完成，這種類型可 簡稱為軟件型圖像處理系統(tǒng)， 其處理速度完全取決于計(jì)算機(jī) CPU 的運(yùn)算速度和圖 像卡采集速度，另一類是利用專用硬件圖像處理，而主機(jī)僅作為發(fā)布命令及進(jìn)行小 部分處理，圖像硬件處理可以脫機(jī)進(jìn)行。此專用硬件稱為圖像計(jì)算機(jī)，因此這一類 可稱為圖像計(jì)算機(jī)型圖像處理系統(tǒng)。1、硬件系統(tǒng)輪對參數(shù)測量系統(tǒng)采用的是軟件型圖像處理系統(tǒng)，它采用的硬件是通用的、市 場量大，技術(shù)支持好。性能價(jià)格比高，并且可以很方便的更新其中的某一

44、個(gè)部件： 而通過軟件的編寫可以很好的開發(fā)出靈活適用的圖像處理算法，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行豐 富的處理，對分析的結(jié)果按要求反饋給控制系統(tǒng)以及與各個(gè)通信、控制、檢測部件進(jìn)行協(xié)調(diào)，有利于整個(gè)系統(tǒng)按規(guī)定協(xié)同工作；某個(gè)硬件的升級更換也可以很方便的 通過模塊化的軟件設(shè)計(jì)來保證其正常的工作。其硬件系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 3 所示。硬件系統(tǒng)由光源及其控制系統(tǒng)、光學(xué)鏡頭、CCD(電荷耦合器件，Char geCoupledDevice )攝像機(jī)、伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制卡、驅(qū)動(dòng) 器、圖像采集卡、光源、微機(jī)以及圖像與數(shù)據(jù)的輸出沒備等部分組成，具體硬件要 求及功能如 F:1光源及其數(shù)控系統(tǒng)：采用 7 個(gè)射燈光源分布在檢測

45、位置的背景處，通過控制 卡來限制和選擇射燈的開關(guān)，以便在視場中獲得均勻的光照，保證圖像具有一定的 對比度和亮度。2光學(xué)鏡頭：用于將目標(biāo)放大后聚焦在 CCD 光敏元件上，3CCD 攝像機(jī)：采用 CM-2 2IA 星光級黑白攝像機(jī)，有效象素 3 0 萬 5 12(H)X5 8 2 (v) 1,超低照度，保證了高質(zhì)量地將圖像轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號，4圖像采集卡：采用 0K_C30S 基于 PCI 總線的高速彩色/黑自圖像采 集卡，將 CCD 攝像機(jī)視頻圖像信號量化后采集到彩色圈像存儲(chǔ)體中，并配以相應(yīng) 的支撐軟件進(jìn)行預(yù)處理，支持某些圖像處理算法的硬件處理。主要技術(shù)性能及指標(biāo)：實(shí)時(shí)采集彩色和黑自圖像：視頻輸

46、入可為標(biāo)準(zhǔn) PAL、 NTSC 或 SECAM 制信號；六路復(fù)合視頻輸入選擇或三路 Y/C 輸入選擇；亮 度、對比度、色度、飽和度軟件可調(diào)；圖像采集顯示分辨率最大 7 6 8 X5 7 6; 具有圖形位屏蔽功能，可開窗采集：硬件完成輸入圖像比例縮小；具有硬件鏡像反 轉(zhuǎn)功能；支持 RGE32、RGE24、RGEl6、RGEl5、RGE8、Y UVl6、YUVl2、Yuv 9、黑白圖像 GRAY8等圖像格式；視頻 A/D 為 8bits ;可采集單場，單幀，間隔幾幀，連續(xù)相鄰幀的圖像，精確到場：一 路輔監(jiān)輸出。5主機(jī)：RPC 5 0 0 工控機(jī)，工業(yè) CPU 卡，內(nèi)存 2 5 6 id。負(fù)責(zé)對 圖

47、像進(jìn)行各種變換處理，完成輪對參數(shù)測量分析等運(yùn)算操作，并提供入機(jī)交互操作 環(huán)境。6打印機(jī)：采用 HPLaserJet6LPCL 打印機(jī)作為系統(tǒng)測量結(jié)果輸出，能夠輸出高質(zhì)量的圖表和文檔。7光源控制卡：普通 I/o 控制卡即可，能夠?qū)崿F(xiàn)兩路輸出，在采集輪對踏面 圖像時(shí)能夠控制其它 5個(gè)射燈關(guān)閉，當(dāng)全部檢測完之后自動(dòng)關(guān)閉所有射燈，在檢測 開始時(shí)使所有射燈光源全部打開。9中嗣農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)8其它輪對夾具、流水線控制等輔助控制系統(tǒng)。2、軟件系統(tǒng)輪對參數(shù)測量系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件和圖像測量系統(tǒng)兩部分組成，其中系 統(tǒng)軟件包括圖像采集卡接口軟件、光源控制卡驅(qū)動(dòng)程序軟件；圖

48、像測量分析軟件實(shí) 現(xiàn)了輪對參數(shù)檢測圖像平滑、分割以及對分割后的圖像邊緣點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，對測 量結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中并可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，能對測量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定分析得出準(zhǔn) 確的測量值，以及報(bào)表打印輸出等功能。圖像處理軟件主要由系統(tǒng)控制部分，圖像處理部分，檢測結(jié)果標(biāo)定，數(shù)據(jù)管理 四大部分組成，軟件模塊采用 Visualc+6.0 工具開發(fā)，數(shù)據(jù)源在 Ac cess 2 0 0 0 中建立，運(yùn)行在 Window 2 0 00 環(huán)境F，全中文操作界 面，系統(tǒng)操作簡單易學(xué)，方便用戶使用。1系統(tǒng)控制部分:a、 初始化：完成系統(tǒng)、圖像卡、控制卡及數(shù)據(jù)文件的初始化工作，在程序中 判斷其初始化的狀態(tài)。b、 圖像采集

49、卡操作：動(dòng)態(tài)采集并凍結(jié)一幅 8 位的灰度圖像，捕獲圖像到內(nèi) 存。2圖像處理部分；a、 圖像預(yù)處理：噪聲消除是圖像處理的關(guān)鍵。主要用到了灰度變換、空間域 濾波、中值濾波以及改進(jìn)的中值濾波方法。b、 圖像分割：圖像邊緣的精確定位是圖像處理的難點(diǎn)，也是本課題的主要部 分。根據(jù)輪對不同位置的圖像，綜合考慮了多種圖像分割技術(shù)，主要采用了閾值分割中 的迭代閩值和閥值插值方法、邊緣算子檢測方法以及基于形態(tài)學(xué)的斷點(diǎn)連接方法： 檢測后的圖像數(shù)據(jù)是二值的，給后續(xù)處理帶來了便利。c、 邊緣點(diǎn)的擬合連接：主要對分割后的圖像進(jìn)行邊緣的提取，這里采用了投 影法和邊界跟蹤的方法。3檢測結(jié)果標(biāo)定；采用了線性模型，利用最小二乘

50、法求得標(biāo)定系數(shù)。提高了圖 像的校正精度。4數(shù)據(jù)管理：把每一個(gè)輪對測量結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中，并且可以對數(shù)據(jù)庫中的 數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除、編輯、報(bào)表輸出等功能。2.3 圖像測量精度和誤差的分析及其措施計(jì)算機(jī)處理的并不是最初的輪對輸入圖像而是園系統(tǒng)特性限制而質(zhì)量降低了 的受噪聲干擾的圖像。 實(shí)際上，處理過程的每一步都會(huì)引入噪聲。在商精度圖像測量系統(tǒng)中，圖像采集、傳翰和數(shù)據(jù)的處理、分折是其處理過程 中的兩個(gè)主要任務(wù)。所有這些過程非常復(fù)雜，并且由于圖像測量系統(tǒng)是一個(gè)涉及到 光、電子、計(jì)算機(jī)和機(jī)械等多種器件的復(fù)雜系統(tǒng)，其各個(gè)環(huán)節(jié)都可能由于噪聲對精 度的干擾而使得測量出現(xiàn)大的偏差，甚至據(jù)此作出錯(cuò)誤的判斷和決策。如果不

51、對這 些影響精度的因素進(jìn)行分析并作出相應(yīng)的措施，那么這個(gè)系統(tǒng)是不能很好的運(yùn)作 的。前幾節(jié)已經(jīng)指出，一般的二維圖像測量系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、被測物件、光學(xué) 成像系統(tǒng)、圖 1O中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)像攝入器件和 計(jì)算機(jī)組成。因此，影響系統(tǒng)精度的因素主要有：照明系統(tǒng)。光學(xué)成像系統(tǒng)，cc D 攝像器件，圖像采集卡，軟件算法。這一節(jié)我們主要分析這些影響圖像測量精度 的因素和誤差，并介紹了一些減少或消除這種誤差影響的措旌，其中有些措施在后 續(xù)的章節(jié)中具體涉及。2.3，1 照明視場噪聲照明視場噪聲有兩類：類是隨時(shí)間而變化的隨機(jī)起伏噪聲，它由供電電源波 動(dòng)以及光溺本身發(fā)光的不穩(wěn)

52、定而產(chǎn)生；另類則是隨空間的起伏而變化，這種變化 主要因?yàn)檎彰飨到y(tǒng)光源本身不是真正點(diǎn)光源，而是一個(gè)具有不同發(fā)光強(qiáng)度的線或面 光源，以及照明光學(xué)系統(tǒng)的不完善（像差或調(diào)整不好）而引起的，即使采用柯拉照 明方式，也不可能使整個(gè)視場達(dá)到嚴(yán)格的均勻照明，特別是在測量大：件時(shí)尤其 明顯。在課題中。被測工件表面有相當(dāng)?shù)幕《?，其測量的目標(biāo)由于受到加工的影響 具有一定的深度，對光源的照明提出了更高的要求，不然造成陰影、視場照度不均 勻，會(huì)給測量的精度造成極大的損害。解決的一個(gè)方法為使用穩(wěn)定的光源，我們沒有象大多數(shù)情況下采用白熾燈從一 個(gè)或多個(gè)方向來照明，cf【沒有完全依賴于自然光，而是采用專門設(shè)計(jì)制作的數(shù) 控環(huán)行

53、照明光源.其光源比較穩(wěn)定，具有亮度適宜、照明均勻不閃爍、光線柔和、 成像清晰，無陰影和立體感強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以非常簡便的調(diào)節(jié)各個(gè)方向的發(fā)光二極管 的亮度。較好的解決了照明問題。另一個(gè)解決方法是采用軟件消除照明視場不均勻 性的影響，這樣可極大地降低對照明系統(tǒng)的要求，同時(shí)又不降低系統(tǒng)的測量精度。 在課題中，采用最小二乘擬合來消除這種線性系統(tǒng)誤差，設(shè)攝像機(jī)在位置 Z 時(shí)，線性系統(tǒng)誤差可表示為：g（i，z）2f（/，z）+azi+b:f2.I）式中雙 i，z ）為受干擾的灰瘦值，墳，z ）為理想灰度值。屯，墳先攝像 機(jī)在位置 Z 時(shí)有關(guān)的變量，ai+b :為線性變化項(xiàng)。在計(jì)算評價(jià)函數(shù)之前，可 用最小二乘線

54、性擬合消除這種干擾。2.3.2 光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)在數(shù)字圖像處理中扮演重要的角色。因?yàn)樗鼈儙缀蹩倳?huì)出現(xiàn)在圖 像處理系統(tǒng)的前端（有時(shí)候是兩端都有）。而最前端的數(shù)據(jù)采集對整個(gè)系統(tǒng)性能和 精度的影響是不言而喻的。光學(xué)系統(tǒng)對圖像產(chǎn)生兩個(gè)效應(yīng)：一是成像時(shí)的投影（關(guān) 系）以及由于衍射及透鏡的像差造成的像質(zhì) F 降（退化）。像質(zhì)下降源自：光的波 動(dòng)本質(zhì)；由于并不完美的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造而產(chǎn)生的像善。這是限制圖像質(zhì)量的 兩個(gè)因素。精心設(shè)計(jì)的透鏡可以使像差達(dá)到最小，盡管還不能完全消除它。衍射效 應(yīng)的產(chǎn)生是由于光的波動(dòng)本質(zhì)和透鏡的大小有隈。由于在圖像處理裝置中一般都采 用像差較小的高質(zhì)量光學(xué)組件，所以限制圖

55、像質(zhì)量的重要因素常常是衍射效應(yīng)。幾何畸變討論圖像點(diǎn)在圖像平面的位置問題。由于在設(shè)計(jì)、安裝鏡頭組成攝像 機(jī)光學(xué)系統(tǒng)中的不完善，必須考慮位置誤差。用下式表示：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)p = x+ dx（x，y） f Y =Y+dy(x,Y)(2?2)式中，x,Y 是不可觀測的無畸變圖像坐標(biāo)，X,Y 為畸變后的相應(yīng)坐標(biāo)。如 式（2.3）（2.4 ）表示沿著每個(gè)坐標(biāo)的位置誤差量，通常取決于點(diǎn)的位置。 為校正誤差/我們需要分析各種畸變根源以及在圖像平面中建立它們的數(shù)學(xué)模型。 這里，考慮三種畸變：徑向畸變引起給定圖像點(diǎn)從其理想位置向內(nèi)或外偏移，這種 畸變主要由鏡頭的徑向彎曲

56、曲線特性缺陷引起。偏心畸變是由于實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)存在 不同程度的不同心即偏心的影響。也就是說，鏡頭組的各光學(xué)中心不嚴(yán)格同心。 這種畸變具有徑向和切向畸變。薄棱鏡畸變由鏡頭設(shè)計(jì)、制造的缺陷以及攝像機(jī)的 裝配（如，鏡頭組之問圖像傳感器陣列的稍微傾斜）引起。這種畸變可通過附加一 薄棱鏡到光學(xué)系統(tǒng)中，引起徑向和切向畸變附加量而適當(dāng)建模。由成像系統(tǒng)引起的幾何畸變的校正有兩種方法；一種是預(yù)畸變法，這種方法是 采用與畸變相反的非線性掃描偏轉(zhuǎn)法，用來抵消預(yù)計(jì)的圖像畸變；另種是所謂的 后驗(yàn)校正法。這種方法是用多項(xiàng)式曲線在水平和垂直方向去擬合每一畸變的網(wǎng)線， 然后求得反變換的校正函數(shù)，用這個(gè)校正函數(shù)可校正畸變的圖像。

57、任何幾何失真都可以由非失真坐標(biāo)系（x，y ）變換到失真坐標(biāo)系 ex。， Y）的方程來定義。方程的般形式為：fx =hl（x，vlIY ）2（x，力。在透視畸變的情況下，變換是線性的，即IX=ax + by + ely =dx + ey +，（2.4）設(shè) f （x，y ）是無失真的原始圖像，g（x ，Y）是 f （x，y ）畸變的結(jié)果，這一失真的過程是已知的并且用函數(shù) h（x，y ）和 h2（x，y ）定義。于是有：g(x7,Y)二 fix,y)(2 5)這說明在圖像中本來應(yīng)該出現(xiàn)在象素(x,y )上的灰度值由于失真實(shí)際上卻 出現(xiàn)在(x ) y )上了。這種失真的復(fù)原問題實(shí)際上是映射變換問題。在

58、給定了 g(x， Y)、hi(x,y)、h2(x,y )的情況下，其復(fù)原處理可以如 下進(jìn)行：1對于 f (x,y )中的每一個(gè)點(diǎn)(M,y 0),找出在 g(x7,y 中相應(yīng)的位置氌 b) = (hl(xo,Y。人 h2() ,yo)j。由于 a 和 b不一定是整數(shù)，所以通常(a,”不會(huì)與 g(x ) y 中的任何點(diǎn)重合。2找出 g(x y )中與如”最靠近的點(diǎn)(。1， yl ),并且令 f(x o,y0)=g(xl yJ7)，也就是把 g(x ) Y 點(diǎn)的灰度值賦于 ff xo,y o),如此逐點(diǎn)作下去，直到整個(gè)圖像，則幾何畸變得到校正。3如果不采用第二種中的灰度值的代換方法，也可以采用內(nèi)插法

59、。這種方法是 假定(咖)點(diǎn)找到后，在 g(x ) y )中找出包含著札 b)的 4 個(gè)鄰近的數(shù)字點(diǎn)(xl，Yl7)、(xl + 1) Yl7)、12中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(XI7,Yl + l )、(xl + l ) yl + l )并且有：fz)S 口 Vx +ly 切 VY +取，y)中點(diǎn)(x0,y 0)的灰度值由 g(x),Y )中 4 個(gè)點(diǎn)肫灰度值聞 的某種內(nèi)插法來確定，以上討論的都是 g,hl,h2 知道的情況下幾何畸變的校 正方法。如果只知道 g,而 hl 和 h2 都不知道，但是若有類似規(guī)則的網(wǎng)格之類的 圖案可供利用，那么就有可能通過測量 g 中

60、的網(wǎng)格點(diǎn)的位置來決定失真變換的近似 值。實(shí)際上，不管是圖像點(diǎn)的桶形畸變（負(fù)徑向偏移，它導(dǎo)致外面的點(diǎn)擠在一起， 使比例因子減?。?，還是枕形畸變（正徑向偏移，它導(dǎo)致外面的點(diǎn)擴(kuò)展，使比例因 子增大），它們對處于四周的幽像點(diǎn)的影響是顯著的。我們采用的光學(xué)系統(tǒng)是精制 的，有非常高的制造和裝配精度，而測量的目標(biāo)通常位于圖像的中間，并且可以通 過系統(tǒng)的整體標(biāo)定來量化這種影響，所以并不特別需要在系統(tǒng)中作專門的幾何畸變 校正。2.3.3 面陣 CCD 攝像機(jī)CCD（電荷耦合器件）是一種額穎的固態(tài)集成像感器件，具有自掃描、線性 好、敏感、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。采用 CCD 并配合計(jì)算機(jī)圖像信息處理技術(shù)進(jìn)行尺寸 位置測量

61、，可使光學(xué)精密測量鉗去復(fù)雜的機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)其工藝適應(yīng)性和應(yīng)用 效果。雖然在現(xiàn)代傳感器中，暗電流、光響應(yīng)均、以及電荷轉(zhuǎn)移效率低等引起 的誤差相對較小和不重要，但利用 CCD 攝像機(jī)來進(jìn)行高精度測量，這些因素不能 不考慮。I、面陣 CCD 測量原理CCD 高精度、高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換器件，它可以將景物圖像通過輸入面上逐 點(diǎn)的光電信號轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和傳輸，在其輸出端產(chǎn)生一時(shí)序視頻信號，并經(jīng)末端監(jiān)視 器同步顯示出一幅幅可視圖像。由于其靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、操作 方便、易于推廣等一系列其它光電成像器件不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，二十多年來，CCD 技術(shù)已在高精度、高效率、非接觸在線檢測方面得到了廣泛應(yīng)_E

62、j。當(dāng)入射光在 CCD 像元上成像時(shí)。入射光被 CCD 像元吸收并產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的 光生電荷。在光積分期問.光生電荷被積累并存儲(chǔ)在彼此隔離的像元的勢阱中，每 個(gè)像元?jiǎng)葳逯兴e累的信號電荷數(shù)與照射在該像元面上的平均照度和光積分時(shí)間的 乘積成正比。在電荷轉(zhuǎn)移期間，光生電荷依次轉(zhuǎn)移至輸出區(qū)，通過復(fù)位脈沖的控 制，在輸出級形成視頻信號。每次積分的輸出波形代表目標(biāo)光圖像在 CCD 采樣方 向的瞬態(tài)強(qiáng)度的空間分布。由 CCD 輸出的模擬信號是一個(gè)個(gè)脈沖信號，這些隨時(shí) 間變化的脈沖信號與隨空間分布的光敏像元光強(qiáng)對應(yīng)，通過物距、像距關(guān)系及 cc D 輸出脈沖量的計(jì)算來檢測零件尺寸。2、 CCD 攝像機(jī)固定圖像噪

63、聲固定圖像噪聲是由于暗電流分布不均、各光敏元大小、間隔不等所引起的空間 分布噪聲。若用鏡頭蓋遮掉進(jìn)入 CCD 攝像機(jī)的所有光線，此時(shí)在監(jiān)視器上進(jìn)行觀 察，在屏幕上可以看到呈周期排列的粗直線條。圖樣不隨時(shí)間與空問變化，每次接 通 CCD 攝像機(jī)時(shí)的背景圖樣均褶同。從 13中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采集到的數(shù)據(jù) 看，其灰度等級最大與最小之差達(dá)到 ro 個(gè)灰度級。占總的 2 5 6 個(gè)灰度級的 4%0由于固定噪聲不隨時(shí)間、空間變化，所以只要檢測時(shí)分離出噪聲便可予以 清除。3、 CCD 像元光電響應(yīng)非均勻性光電響應(yīng)非均勻性表征面陣 CCD 攝像機(jī)各光敏元響應(yīng)的不一致性。

64、固態(tài)圖像 傳感器由離散的光敏象素組成。盡管現(xiàn)代傳感器芯片中像元之間的幾何精度很高， 但各個(gè)像元的響應(yīng)明顯存在不同。理想的情況應(yīng)是每個(gè)像元應(yīng)對光產(chǎn)生同樣的響 應(yīng)，并且其響應(yīng)不受落在其它像元光量的影響。然而實(shí)際的攝像機(jī)，對光的響應(yīng)各 像元互不相同，且一個(gè)像元的輸出不僅依賴于其本身入射照度，而且依賴于相鄰像 元的入射照度。實(shí)際上，由于充電飽和延遲充電會(huì)擴(kuò)展到鄰近象素。換句話說，一像元的輸出 可能被在其區(qū)域光的特殊分布及落在相鄰像元光量所影響。晌應(yīng)的不均勻性一般為 1%0 為了在測量中實(shí)現(xiàn)高精度，校正這個(gè)不足顯得非常重要。校正方法通常采用 測量和校正象素值之間的依賴于位置的線性關(guān)系VcWen 甜=aV

65、mc 略川 cd + b（2 7）式中，a 為放大倍數(shù)（增益），b 為附加常數(shù)（偏移）。4、CCD 像元光電響應(yīng)非線性光電響應(yīng)非線性表征了探測器光電轉(zhuǎn)換過釋中比例失調(diào)的缺陷。理想的探測器 在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的輸出電壓(或電流)應(yīng)與輸入曝光量成正比：V = K?E 或 1=K E(2 8)而實(shí)際器件一般不滿足上述關(guān)系，而且關(guān)系可能比較復(fù)雜。其校正的方法一般 采用查表變換法，過程也分成標(biāo)定和補(bǔ)償兩步。5、 CCD 攝像機(jī)制式轉(zhuǎn)換CCD 是空間離散的采樣結(jié)構(gòu)，而電視信號是連續(xù)的，所以攝像機(jī)電路需將 C CD 一行所有有效元產(chǎn)生的離散信號按一定的時(shí)鐘速率讀出，進(jìn)行平滑處理形成 行電視信號。后續(xù)的圖像卡又將一

66、行電視信號重新采樣，形成了離散平滑離散的過 程，圖像卡采樣的象素點(diǎn)與探測器的光敏元沒有確定的對應(yīng)關(guān)系，這必然帶來了失 真，特別是對水平高頻細(xì)節(jié)影響較大；同時(shí)也造成圖像卡內(nèi)像元尺寸難于計(jì)算，一 般只能由實(shí)驗(yàn)得到，給后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析帶來了不確超陛。攝像機(jī)讀出 CCD 信號時(shí)為 了提高響應(yīng)度。一般將相鄰兩行信號對應(yīng)相加，這也必然使垂直方向的分辨率大大 下降。如果測量中要求高的分辨率，貝 U 應(yīng)采用離散模式。即產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臅r(shí)序使 CCD 輸出信號不經(jīng)平滑處理直接按像元作 A/D 變換，并存入圖像卡。這樣圖像卡中的 象素與 CCD 光敏元一一對應(yīng)，可以盡可能保持高頻成分，而且圖像卡中的像元大 小與 CCD 光敏元大小致，給計(jì)算帶來了方便。6、 CCD 攝像機(jī)的自動(dòng)增益控制(AGC )和 g 校正攝像機(jī)內(nèi)部處理電路對測量的影響很大AGC(AutomaticGai nContrO1)電路是電視攝像機(jī)為了增大攝像動(dòng)態(tài)范圍不使電視信號太弱或 太強(qiáng)的一種典型方法其本質(zhì)是當(dāng)輸入靶面照度較低時(shí).CCD 響應(yīng)信號較弱，A GC 電路自動(dòng)將增益加大，使最終輸出信號不致太低：反之則自動(dòng)將 14!旦農(nóng)業(yè)壁研究生蘭業(yè)論文輪對