重軌視覺檢測系統(tǒng)的攝像機(jī)成像角度優(yōu)化

黃前德，孔建益，劉源泂，劉 釗，王興東

HUANG Qian-de, KONG Jian-yi, LIU Yuan-jiong, LIU Zhao, WANG Xing-dong

（武漢科技大學(xué) 冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430081）

0 引言

重軌在我國高速鐵路的快速發(fā)展中扮演著不可或缺的角色，其質(zhì)量是保障鐵路安全運(yùn)輸?shù)谋匾獥l件。重軌的生產(chǎn)過程中除了對材質(zhì)、加工工藝、幾何尺寸等有嚴(yán)格要求外，其表面質(zhì)量缺陷（如軋疤、夾雜、線紋等）也是非常重要的技術(shù)指標(biāo)[1]。

當(dāng)前重軌表面缺陷的視覺檢測方法已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)。國外，加拿大NDT公司開發(fā)的重軌質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)和奧地利NextSense公司開發(fā)的表面缺陷及輪廓檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重軌表面三維檢測。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，重慶大學(xué)的葉蘇茹、謝志江、歐陽奇等人[2～4]在熱態(tài)重軌輻射特性、光源及攝像機(jī)選型、圖像處理以及缺陷識別提取等方面做出大量的工作；北京科技大學(xué)的徐科[5]以及四川大學(xué)的張朝勇[6]等人在普通視覺檢測方案的基礎(chǔ)上加入激光線光源，通過結(jié)構(gòu)光三維視覺原理實(shí)現(xiàn)了鋼軌表面缺陷三維檢測方法。

大量的研究均集中于檢測系統(tǒng)中設(shè)備的選型等問題和圖像處理算法等方面。然而在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，成像位姿很大程度地影響著所拍攝圖像的品質(zhì)，并且一幅高質(zhì)量的圖像是后續(xù)缺陷能夠檢出的先決條件。本文將攝像機(jī)成像角度作為重點(diǎn)研究對象，通過構(gòu)建優(yōu)化策略和圖像評價，得到重軌表面視覺檢測系統(tǒng)的攝像機(jī)最佳成像角度。

1 重軌表面檢測區(qū)域分割

重軌的表面十分復(fù)雜，由多曲面多平面組合而成。根據(jù)重軌生產(chǎn)企業(yè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，重軌的表面缺陷主要集中在重軌表面的轉(zhuǎn)折連接弧面上，尤其以軌腰的上下腰面處最為突出，其次為表面精度和質(zhì)量要求較高的底面和踏面[1,4,7]。針對這種情況，在滿足性能并節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，視覺檢測系統(tǒng)通常采用6個攝像機(jī)環(huán)繞配置，如圖1所示。攝像機(jī)4和攝像機(jī)1分別拍攝軌頭踏面和軌底底面，這兩個面變化平緩，比較容易拍攝。攝像機(jī)2和攝像機(jī)6拍攝軌頭側(cè)面、軌頭底面以及部分軌腰腹面，攝像機(jī)3和攝像機(jī)5拍攝軌底側(cè)面、軌底頂面以及部分軌腰腹面，這幾處位置轉(zhuǎn)折面轉(zhuǎn)角大，曲面變化復(fù)雜，所需景深大，對成像效果提出較高的要求。

圖1 重軌表面檢測攝像機(jī)環(huán)繞布置圖

2 攝像機(jī)成像角度優(yōu)化

2.1 角度優(yōu)化方向

本文中為了便于觀察和計(jì)算，將重軌截面放正，如圖2所示，由于重軌截面基于中線OO'對稱，則選攝像機(jī)2和攝像機(jī)5的成像角度為代表進(jìn)行優(yōu)化。本文中優(yōu)化時忽略鏡頭視場角和自身變形率的影響，并以攝像機(jī)光軸代表拍攝方向。

圖2 相機(jī)2與相機(jī)5成像角度示意

攝像機(jī)光軸的角度變化對視場中物體的呈現(xiàn)有較大的影響，尤其是如攝像機(jī)2和攝像機(jī)5視場中轉(zhuǎn)折較大的弧面。通過總結(jié)，攝像機(jī)光軸的角度優(yōu)化遵循以下三個方向：

1）有效視場最大化方向，即指在攝像機(jī)拍攝視場內(nèi)，重軌表面被拍攝區(qū)域的有效像素面積應(yīng)最大。如圖2，攝像機(jī)2的視場中，重軌表面拍攝區(qū)域最外端分別為A與B ，令A(yù)B連線與重軌截面對稱軸OO'夾角為2β ，攝像機(jī)光軸與OO'夾角為2α ，定義有效視場占比為有效像素的實(shí)際占用面積與理論最大占用面積的比值，則有效視場占比表示為

2）區(qū)域均勻化方向，即指攝像機(jī)光軸與拍攝區(qū)域的局部區(qū)域盡可能垂直。本文中使用攝像機(jī)光軸與曲面的最小夾角minθ 來度量該垂直程度，即將重軌拍攝區(qū)域的輪廓分割成小段微元 1lΔ 、2lΔ …nlΔ ，每段微元與攝像機(jī)光軸的所夾銳角為 θ1、 θ2… θn，minθ 是其中的最小值。因此，minθ 代表了該攝像機(jī)光軸與重軌表面局部區(qū)域夾角的最壞估計(jì)，調(diào)整攝像機(jī)光軸與重軌截面對稱軸OO'的夾角α使得minθ 最大，這樣能夠避免出現(xiàn)局部畸變過大，平均照顧視場中的每個區(qū)域。

3）最小景深方向。攝像機(jī)選用鏡頭時需要考慮景深的問題，尤其對于重軌表面這樣彎折大的曲面形狀，再加上重軌運(yùn)動狀態(tài)下的振動問題，景深如果不夠則會導(dǎo)致圖像模糊[8]。不同的攝像機(jī)光軸角度需要不同的景深，對于選取鏡頭有實(shí)際指導(dǎo)意義。鏡頭景深的圖示如圖3所示，其計(jì)算公式如式(1)所示。

圖3 鏡頭景深示意圖

景深：

式中δ為容許彌散圓直徑，f為鏡頭焦距，F(xiàn)為鏡頭光圈，L為拍攝距離。

2.2 角度優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)上述優(yōu)化策略，以60Kg規(guī)格的重軌為對象，優(yōu)化的結(jié)果分別如表1、表2所示。同時并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果構(gòu)建相應(yīng)角度的圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行圖像拍攝，該系統(tǒng)采用DH-HV5051UM-M面陣相機(jī)和Computar H0514-MP2鏡頭，最大分辨率2592×1944pixels，焦距為5mm，光圈調(diào)節(jié)范圍為F/1.4至F/16，拍攝距離為270mm，容許彌散圓直徑取0.011mm，取光圈F/4，求得景深LΔ =322mm。

表1 攝像機(jī)2的成像角度優(yōu)化結(jié)果

表2 攝像機(jī)5的成像角度優(yōu)化結(jié)果

由結(jié)果可見，系統(tǒng)的景深是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求的，攝像機(jī)2的各優(yōu)化策略結(jié)果差異較大，這是與攝像機(jī)2所拍攝區(qū)域的折彎變化較為劇烈有關(guān)，則2α 的取值需要通過圖像質(zhì)量評價才能確定。而攝像機(jī)5的各優(yōu)化策略結(jié)果和實(shí)際圖像均很相近，說明5α 取在48°是十分理想的。

3 優(yōu)化結(jié)果的圖像質(zhì)量評價

3.1 圖像質(zhì)量評價的一般方法

圖像清晰度評價函數(shù)是衡量數(shù)字圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)。現(xiàn)有的圖像清晰度評價方法一般建立在圖像邊緣或信息熵的統(tǒng)計(jì)信息基礎(chǔ)上，即是圖像細(xì)節(jié)保留的越多，圖像灰度的變化越敏銳、越劇烈，則圖像越清晰，可辨識程度越高。基于這類思想，常見的圖像清晰度評價函數(shù)主要包括梯度函數(shù)、頻譜函數(shù)和熵函數(shù)等[9,10]。

3.2 重軌表面圖像的綜合性評價方法

重軌的表面情況復(fù)雜，單一的評價函數(shù)不足以評價其表面圖像的質(zhì)量。因此，本文利用HALCON軟件平臺，根據(jù)重軌的幾何特征，同時參考圖像的灰度直方圖特征、跡線灰度特征、灰度均值等信息[11]，并使用梯度函數(shù)中的灰度方差函數(shù)以及熵函數(shù)計(jì)算結(jié)果共同組成關(guān)于重軌表面圖像的綜合性評價方法。

灰度方差函數(shù)：

其中I是當(dāng)前圖像，μ定義為I的灰度平均值：

熵函數(shù)：

對于一幅圖像，其圖像熵H(I)定義為：

根據(jù)香農(nóng)信息理論，當(dāng)其圖像能量E(I)一定時，圖像熵E(I)越大，則圖像越清晰。

4 角度優(yōu)化結(jié)果評價

將攝像機(jī)2以其光軸與重軌截面對稱線OO'夾角分別為75°、65°、56°拍攝的圖片依次導(dǎo)入評價系統(tǒng)中，同時并根據(jù)式(2)～式(4)計(jì)算出該圖的灰度平均值、灰度方差和圖像熵。其結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 光軸為75°時圖片評價結(jié)果

圖5 光軸為65°時圖片評價結(jié)果

圖6 光軸為56°時圖片評價結(jié)果

從評價結(jié)果可以看出，此三幅圖像的灰度方差和圖像熵的計(jì)算結(jié)果均相差不大，可見在此三種角度下攝像機(jī)的成像細(xì)節(jié)都很清楚，說明攝像機(jī)的分辨率、景深、對焦等都符合成像要求。結(jié)合灰度平均值、圖像的幾何信息以及灰度跡線特征來看，攝像機(jī)以75°拍攝時軌頭側(cè)面及軌頭底面的灰度值不足，導(dǎo)致整體灰度平均值偏低，并且圖像中軌頭側(cè)面被過度拉伸而軌頭底面則被嚴(yán)重壓縮，存在嚴(yán)重的失真。攝像機(jī)以65°和56°拍攝時，整體灰度平均值均較高，灰度方差和圖像熵也比較接近，但在縱向（沿圖中輪廓線）方向上，攝像機(jī)以65°拍攝圖像中軌頭側(cè)面占210個像素，軌頭底面占143個像素，而攝像機(jī)以56°拍攝圖像中軌頭側(cè)面占171個像素，軌頭底面占168個像素。相比之下，以56°拍攝的圖像中對軌頭底面展現(xiàn)的像素更多，且軌頭側(cè)面與底面寬度之比更符合實(shí)際情況，所以56°更優(yōu)。

通過以上分析，在滿足景深、拍攝分辨率、對焦準(zhǔn)確的條件下，攝像機(jī)2的光軸與重軌截面對稱線OO'夾角為56°時拍攝的圖像最佳，圖中灰度分布均勻，畸變小，各結(jié)構(gòu)分布合理，能夠均衡地表現(xiàn)出各個局部區(qū)域的圖像細(xì)節(jié)。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合重軌的表面輪廓特點(diǎn)和缺陷分布的重點(diǎn)區(qū)域，對攝像機(jī)的拍攝角度進(jìn)行研究，得出各攝像機(jī)的最佳成像角度。同時整理出所有重軌型號對應(yīng)的各攝像機(jī)最佳成像角度數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為臥倒?fàn)顟B(tài)，且定義攝像機(jī)成像角度為以重軌截面坐標(biāo)系中以X正軸為起點(diǎn)逆時針旋轉(zhuǎn)的角度，所得數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 全部重軌型號的攝像機(jī)最佳成像角度（臥倒?fàn)顟B(tài)）

本次研究得出的數(shù)據(jù)為重軌表面視覺檢測系統(tǒng)的成像裝置布置提供了理論依據(jù)，也為能夠適應(yīng)于多型號重軌軋制線的視覺檢測裝置的設(shè)計(jì)提供了研究方向，具有重要的意義。

[1] 謝長貴,謝志江.熱態(tài)重軌表面缺陷機(jī)器視覺檢測的關(guān)鍵技術(shù)[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2013,36(10)：16-21.

[2] 葉如蘇,胡治民,歐陽奇,等.基于機(jī)器視覺的重軌表面缺陷檢測系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代制造工程,2007,89-93.

[3] 王玉梅,謝志江,王翔,等.基于機(jī)器視覺的高速重軌表面質(zhì)量在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)[J].機(jī)械與電子, 2008,(8)：47-49.

[4] 謝志江,陳濤,楚紅雨,等.熱態(tài)重軌表面缺陷在線檢測方法及關(guān)鍵技術(shù)[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2012,35(3)：15-19.

[5] 徐科,楊朝霖,周鵬,等.基于激光線光源的鋼軌表面缺陷三維檢測方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報,2010,46(8)：1-5.

[6] 張朝勇,蘇真?zhèn)?喬麗,等.一種基于LED和線激光的鋼軌表面缺陷檢測系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(36)：9877-9880.

[7] 謝志江,米曾真,陳濤,等.熱態(tài)重軌表面缺陷檢測技術(shù)[J].計(jì)量學(xué)報,2013,34(1)：1-6.

[8] 韓芳芳,段發(fā)階,王凱,等.機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)中相機(jī)景深問題的研究與建模[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2010,23(12)：1744-1747.

[9] 李峰.數(shù)字圖像質(zhì)量檢測技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].江蘇：江蘇大學(xué), 2005.

[10] 陳亮,李衛(wèi)軍,諶琛,等.數(shù)字圖像清晰度評價函數(shù)的通用評價能力研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2013,49(14)：152-155.

[11] 劉源泂.基于機(jī)器視覺的鋼板表面成像優(yōu)化與三維檢測關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：武漢科技大學(xué),2011.