高速軌道檢測圖像處理技術(shù)

■ 王昊

高速軌道檢測圖像處理是軌道檢測領域的一項重要技術(shù)，使用激光攝像式測量設備，通過圖像處理獲取鋼軌橫向、縱向位移變化。高速軌道檢測系統(tǒng)通過十幾年的發(fā)展較為成熟，國外最高檢測速度可達300 km/h左右。我國最新研發(fā)的高速軌道檢測系統(tǒng)經(jīng)過多項技術(shù)創(chuàng)新，最高檢測速度達到400 km/h，圖像處理技術(shù)克服了易受陽光干擾等缺點，達到國際先進水平。

1 基本方案及技術(shù)實現(xiàn)

高速軌道檢測系統(tǒng)采用機器視覺測量方式（激光攝像式）測量軌距、軌向、高低等。激光器和攝像機組成一個整體，線光源垂直于鋼軌縱向中心線，攝像機在結(jié)構(gòu)光照射下以一定角度攝取鋼軌圖像（見圖1）。

高速軌道檢測圖像處理系統(tǒng)是通過光學裝置與非接觸傳感器自動接受和處理一個真實物體圖像，以獲得所需信息。其工作過程分為圖像采集、圖像預處理（包括圖像直方圖均衡、邊緣增強、中值濾波、二值化、細化）、特征提取3部分。

（1）圖像采集（攝像）。是將攝像機信息傳入計算機存儲器的過程。數(shù)字圖像可用陣列法表示，M為列、N為行的灰度數(shù)字圖像表示為：

（2）直方圖均衡。在圖像處理中，常見的圖像缺陷是全幅圖像偏暗或偏亮，由于亮度范圍不夠或非線性等因素造成對比度不足，嚴重影響圖像視覺效果。如果圖像灰度值分為0～255級，兩物體的灰度差小于10級人眼就分辨不清2個物體，為定量分析需要對圖像像素灰度進行統(tǒng)計分析。以灰度值為橫坐標，以具有這一灰度的像素數(shù)為縱坐標做出統(tǒng)計圖（直方圖）。圖像處理中通常使用直方圖均衡方式提高圖像質(zhì)量。

（3）邊緣增強。通過對光帶邊緣的修正，使鋼軌輪廓線更加突出，有利于后續(xù)的圖像處理，并需要運用卷積計算。卷積可簡單看成是加權(quán)求和的過程，卷積使用的權(quán)用一個很小的矩陣標明，稱為卷積核。卷積核所覆蓋圖像區(qū)域的每個像素與對應的卷積核像素相乘，乘積之和即為區(qū)域中心像素的新值。卷積核中各元素稱為卷積系數(shù)，其大小、方向及排列次序決定卷積圖像效果。

（4）中值濾波。是一種非線性信號處理技術(shù)和比較有效抑制噪聲的方法。在一維形式下，中值濾波器是一個像素為奇數(shù)的滑動窗口，窗口正中像素的灰度值用窗口內(nèi)各像素灰度值的中值代替；在二維形式下，中值濾波器可用方窗或十字形等窗口，一個像素的灰度值被窗口內(nèi)包圍它的各像素值的中值取代。采用中值濾波是對均值濾波的一種改進，其優(yōu)勢是在濾波過程中不會產(chǎn)生新像素值，對脈沖式的灰度跳躍平滑效果較好。

圖1 攝像機攝取鋼軌圖像

（5）圖像二值化原理及方法。對于深度為8位的圖像，二值化的過程可表示為：

式中：T0——閾值；

f（x，y）——原始圖像；

g（x，y）——二值化處理后的輸出圖像。

在軌道檢測系統(tǒng)處理的一幅鋼軌斷面輪廓線上，各像素點的灰度值不盡相同，其高低取決于照明光源的光功率、攝像機光圈大小、曝光時間長短、鋼軌表面反射系數(shù)和是否是近軸光。理論上如果能使鋼軌斷面輪廓圖像清晰連續(xù)，灰度閾值取值越高抗干擾能力越強。實際上相關(guān)參數(shù)的取值是有限的，并受其他特性參數(shù)制約。如激光器的光功率受安全性、穩(wěn)定性制約，不可能無限制提高；攝像機的光圈受景深（視場范圍內(nèi)線性）影響，取值不宜過大；曝光時間受圖像拖尾、平均效應影響，取值不宜過長；新舊鋼軌、鋼軌踏面與側(cè)面反射特性差異較大?；谏鲜鲈?，圖像二值化的閾值設定不應該固定值，而是根據(jù)具體情況進行設定。

（6）圖像細化及質(zhì)心提取。圖像細化與圖像二值化一樣，在軌道檢測圖像處理中屬圖像預處理方法，目的是提取圖像“骨架”，將圖像中大于1個像素的線條寬度細化成1個像素寬度，形成“骨架”，這樣分析圖像比較容易，如提取圖像特征等。需要注意的是圖像細化算法必須建立在圖像二值化的基礎上。高速軌道檢測系統(tǒng)采集的圖像經(jīng)過二值化和細化處理后，基本可以得到鋼軌輪廓線的“骨架”圖像（見圖2）。這時圖像信息量被大大降低，再對圖像進行其他處理時，速度將大幅提高。

完成上述圖像預處理后，可根據(jù)攝像系統(tǒng)標定參數(shù)，結(jié)合鋼軌輪廓圖像進行像素-物理坐標的坐標變換，對圖像中鋼軌特征點（如鋼軌頂點、軌距點）進行提取。圖3為高速軌道檢測圖像處理系統(tǒng)實時檢測過程中的軟件界面圖像，圖中圓圈位置為實時提取的鋼軌軌距點。

2 抗陽光干擾技術(shù)

陽光干擾即在一定照射角度下，陽光直射或反射光對檢測系統(tǒng)傳感器造成影響，是軌道幾何檢測系統(tǒng)非接觸測量領域的難題。美國ENSCO、ImageMap，意大利MerMec等公司的軌道檢測系統(tǒng)也不同程度受陽光干擾影響，通常造成連續(xù)幾公里、幾十公里檢測結(jié)果無效，嚴重影響檢測質(zhì)量。在受陽光干擾時，美國ENSCO公司軌道檢測設備輸出的檢測波形見圖4。

針對陽光干擾問題，我國在圖像處理系統(tǒng)前端采用預防措施，如使用特殊波段光源及與其對應的窄帶濾光片；在軟件處理流程中增加抗陽光干擾算法（如圖像動態(tài)二值化等）。通過采取上述措施，圖像處理系統(tǒng)將圖像中的軌頭光帶與陽光干擾帶來的干擾信息盡可能區(qū)分開，同時將陽光干擾造成的曝光過度區(qū)域濾除。對陽光干擾情況下采集的圖像，運用動態(tài)二值化等改進圖像處理算法后的圖像處理效果見圖5。通過模式匹配等圖像算法可迅速找出軌頭光帶所在位置，獲取軌距點、鋼軌頂點等特征坐標值。

圖2 鋼軌輪廓線的“骨架”圖像

圖3 實時檢測過程中的軟件界面圖像

圖4 檢測波形圖

圖5 改進圖像處理算法后的圖像處理效果圖

高速軌道檢測圖像處理系統(tǒng)在京滬高速鐵路及其他線路上的試驗表明，該設備具有優(yōu)良的抗陽光干擾能力。通過與國外同類型檢測設備對比，陽光干擾對檢測設備影響時間降低90%以上，大大增加了系統(tǒng)檢測的有效性。

3 結(jié)束語

高速軌道檢測圖像處理技術(shù)的成功應用對我國軌道檢測領域具有重要意義，標志我國軌道檢測技術(shù)達到世界先進水平，保障了高速鐵路與既有提速干線軌道幾何狀態(tài)的周期檢測和安全運營。

[1]翁紹德，柴東明，徐旭宇. GJ-4型軌道檢查車的研制[R]. 北京：鐵道部科學研究院，1999

[2]翁紹德，高林奎，李志隆. 軌道檢查車的開發(fā)與發(fā)展[C]//中國鐵道科學技術(shù)的進步與發(fā)展. 北京：中國鐵道出版社，2000

[3]高林奎，翁紹德，張晨. 安全綜合檢測車研究[C]//中國鐵道科學技術(shù)的進步與發(fā)展. 北京：中國鐵道出版社，2000

[4]翁紹德，柴東明，魏世斌. 軌道狀態(tài)確認車檢測系統(tǒng)研制[R]. 北京：鐵道科學研究院，2003