地鐵隧道表面裂縫智能視覺采集系統(tǒng)

方恩權(quán)，王耀東，袁敏正，朱力強(qiáng)，周偉

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地鐵隧道表面裂縫智能視覺采集系統(tǒng)

方恩權(quán)1，王耀東2，袁敏正1，朱力強(qiáng)2，周偉3

(1. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司 國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510335； 2. 北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044； 3. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

基于我國(guó)隧道裂縫檢測(cè)主要依靠人工檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)方式工作效率低、占用線路時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法滿足現(xiàn)代城市軌道交通檢測(cè)的需求。提出一種基于車載式多目高速線陣相機(jī)的地鐵隧道表面圖像采集系統(tǒng)，闡述其系統(tǒng)工作原理，并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各項(xiàng)硬件設(shè)備進(jìn)行選型，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成組裝和調(diào)試，基本實(shí)現(xiàn)線陣相機(jī)圖像采集的功能，并為后續(xù)的隧道表面圖像處理提供支持。

裂縫檢測(cè)；圖像采集；圖像處理；線陣相機(jī)

隨著國(guó)內(nèi)地鐵路線的快速發(fā)展，早期建設(shè)的地鐵隧道基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)進(jìn)入養(yǎng)護(hù)維修期，而新建成的地鐵隧道，也會(huì)誘發(fā)洞體形變并出現(xiàn)裂縫，影響隧道的正常使用，威脅行車安全。如果對(duì)地鐵隧道洞體出現(xiàn)的裂縫不及時(shí)預(yù)警與維護(hù)，會(huì)使隧道基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步被破壞，一旦發(fā)生事故，給生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失[1]。同時(shí)，表面裂縫可發(fā)展成具有破壞性的貫穿裂縫和深層裂縫，破壞結(jié)構(gòu)的整體性，從而帶來(lái)無(wú)法估量的危險(xiǎn)。所以進(jìn)行定期的裂縫檢測(cè)，并觀察重點(diǎn)裂縫的變化變得尤其重要。目前，我國(guó)隧道裂縫檢測(cè)主要依靠人工檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，技術(shù)人員在隧道內(nèi)緩慢移動(dòng)，用肉眼觀察裂縫，利用卡尺級(jí)裂縫寬度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，憑借人工經(jīng)驗(yàn)判斷裂縫的危害性，效率低下，而且檢測(cè)結(jié)果不客觀，人的主觀因素影響較大。這種以人工為主的檢測(cè)方式工作效率低、占用線路時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法滿足現(xiàn)代城市軌道交通檢測(cè)的需求。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于裂縫檢測(cè)已取得了一定的研究成果。日本、韓國(guó)、歐洲等國(guó)家較早的展開了機(jī)器視覺技術(shù)的研究。日本計(jì)測(cè)檢測(cè)株式會(huì)社推出了MIS & MMS隧道裂縫檢測(cè)系統(tǒng)[2]，其中MIS(Mobile Imaging Technology System)檢測(cè)系統(tǒng)由CCD相機(jī)、LED照明設(shè)備組成，檢測(cè)精度為0.2 mm；該設(shè)備功耗大、成本較高，只適用于公路隧道。韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)開發(fā)出了針對(duì)混凝土裂縫的移動(dòng)式檢測(cè)系統(tǒng)[3]，采用線陣CCD相機(jī)、光源、減震器及編碼器等，檢測(cè)速度為5 km/h，可識(shí)別0. 3 mm以上寬度的裂縫。西班牙Euroconsuh研制了隧道裂縫檢測(cè)設(shè)備Tunnelings[4]，該設(shè)備檢測(cè)速度最高為40 km/h，檢測(cè)精度為0.5 mm，一晚上檢測(cè)距離可達(dá)80 km。德國(guó)研制了基于GRP5000激光掃描技術(shù)的輕型隧道檢查車，國(guó)內(nèi)針對(duì)地鐵隧道裂縫圖像采集與檢測(cè)技術(shù)也有大量的研究，取得了一定成果。王睿等[5]提出了一套車載式高鐵隧道襯砌裂縫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，擬采用5臺(tái)Dalsa Piranha3系列相機(jī)，檢測(cè)精度為0.2 mm裂縫，檢測(cè)速度達(dá)13 km/h，照明采用LED燈，但是其車載系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，標(biāo)定模板誤差較大。吳曉軍等[6]采用9臺(tái)線陣CMOS工業(yè)相機(jī)和不間斷電源系統(tǒng)以及圖像采集分析軟件系統(tǒng)，構(gòu)成了一個(gè)裂縫快速檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最小檢測(cè)裂縫寬度0.3 mm，檢測(cè)線路長(zhǎng)度不少于10 km的目標(biāo)，且檢測(cè)寬度0.3 mm及以上的裂縫識(shí)別率可以達(dá)到90%左右。王平讓等[7?8]提出了基于幾何形狀因子分析的裂縫自動(dòng)識(shí)別算法、基于圖像局部網(wǎng)格特征的隧道襯砌裂縫自動(dòng)識(shí)別方法，開發(fā)出了針對(duì)山區(qū)隧道的隧道襯砌病害集成檢測(cè)車，可同時(shí)對(duì)裂縫、滲漏水以及空洞進(jìn)行檢測(cè)，裂縫檢測(cè)精度可達(dá)0.3 mm，檢測(cè)速度達(dá)到5 km/h。王華夏等[9?10]提出了一套隧道裂縫自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，初步達(dá)到檢測(cè)目標(biāo)，但速度、精度有限。現(xiàn)有的地鐵隧道裂縫采集系統(tǒng)由于器件選型不合理、各器件間配合不當(dāng)、隧道環(huán)境適應(yīng)性不好等因素，存在檢測(cè)車速度慢、效率低下、采集到的圖像精度不理想等問題，不利于后續(xù)圖像處理的進(jìn)行?？偟膩?lái)說(shuō)，地鐵隧道裂縫圖像采集與檢測(cè)技術(shù)仍處于發(fā)展階段，功能不夠全面，存在較多缺陷，有待進(jìn)一步研究和完善。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于車載式多目高速線陣相機(jī)的地鐵隧道圖像采集系統(tǒng)。

1 采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括采集裝置、照明系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、圖像信息處理系統(tǒng)。

利用多個(gè)高速線陣相機(jī)組成的視覺系統(tǒng)，配合強(qiáng)光光源，視野覆蓋整個(gè)隧道斷面，對(duì)地鐵隧道洞體表面進(jìn)行高速圖像采集。采集系統(tǒng)安裝于檢測(cè)車上，實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)式的圖像采集。

圖1 系統(tǒng)方案

2 硬件選型

硬件主要包括多臺(tái)線陣CCD相機(jī)、鏡頭、圖像采集卡、工控機(jī)、強(qiáng)光光源、電源、檢測(cè)車、速度傳感器等。線陣相機(jī)分布在以隧道中心為圓心的同心圓上，分別采集等長(zhǎng)隧道圓弧，視野覆蓋完整的隧道斷面。

2.1 CCD相機(jī)

在隧道襯砌裂縫圖像采集系統(tǒng)中，檢測(cè)車以較高速度運(yùn)行時(shí)，普通的面陣相機(jī)采集到的圖像可能會(huì)產(chǎn)生模糊、幻影或非連續(xù)采集等現(xiàn)象，且存在重合圖像，需要利用圖像拼接算法進(jìn)行后期處理，對(duì)海量圖像處理和裂縫自動(dòng)識(shí)別造成很大的障礙。

而線陣相機(jī)只有一行感光單元，當(dāng)需要獲得二維圖像時(shí)，只需將線陣相機(jī)與被拍攝物體做相對(duì)掃描運(yùn)動(dòng)，即可把每次探測(cè)到的結(jié)果銜接起來(lái)得到完整的隧道襯砌二維圖像。線陣相機(jī)工作頻率可達(dá)幾十兆赫茲，可實(shí)現(xiàn)隧道表面的逐行掃描采集，且圖像連續(xù)性好，在物體運(yùn)動(dòng)方向的檢測(cè)尺寸無(wú)限制，可直接形成整體的全景圖像。

地鐵隧道直徑設(shè)定為5.4 m，隧道截面近似為圓形輪廓，軌道板以上隧道的扇形弧長(zhǎng)為：

經(jīng)計(jì)算，扇形弧長(zhǎng)為12.72 m，考慮相機(jī)之間圖像的重疊，確定扇形弧長(zhǎng)為15. 00 m。要實(shí)現(xiàn)相機(jī)分辨率為0.2 mm，用1個(gè)像素點(diǎn)表示，理論上需要像素的個(gè)數(shù)E為：

采用Linear 8K線陣相機(jī)(水平/垂直分辨率：8 192像素；水平/垂直像素尺寸：7 μm×7 μm；最高線速率：80 kHz )，則需要相機(jī)數(shù)量為：

經(jīng)計(jì)算選用線陣相機(jī)數(shù)量為9.16臺(tái)，因此確定采用10臺(tái)8K相機(jī)及配套SOL2MEVCLFL圖像采集卡可以滿足采集要求。相機(jī)拍攝圖像之間重疊距離為(15?12.72)/(10?1)=0.25 m。

2.2 鏡頭選擇

光學(xué)鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)的窗口，在裂縫圖像采集系統(tǒng)中非常關(guān)鍵，相當(dāng)于人眼的晶狀體，如果沒有晶狀體，人眼將看不到任何物體，如果沒有鏡頭，那么相機(jī)將沒有清晰的圖像輸出。光學(xué)鏡頭質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響到成像質(zhì)量的好壞，合適的鏡頭可以保證光學(xué)系統(tǒng)透光性強(qiáng)、雜散光少、像面照度分布均勻、成像清晰、圖像幾何畸變小，對(duì)采集到清晰的隧道裂縫圖像功不可沒。

根據(jù)隧道實(shí)際情況確定鏡頭的設(shè)計(jì)視場(chǎng)，對(duì)于單臺(tái)相機(jī)的視野至少應(yīng)為：

經(jīng)計(jì)算，單臺(tái)相機(jī)的視野1.55 m(20%重疊)，選用ML-5540-62M35鏡頭(焦距55 mm，光圈范圍F4.0；芯片尺寸57.67 mm；相機(jī)實(shí)際視野：

式中：為鏡頭至物體距離；為相機(jī)芯片尺寸；為鏡頭焦距。

經(jīng)計(jì)算，鏡頭至物體距離=1.5 m。

2.3 圖像采集卡

圖像采集卡(Frame grabber)是圖像采集系統(tǒng)的核心部件，是連接圖像采集和圖像處理部分的橋梁，是將高速工業(yè)線陣相機(jī)獲取的圖像信號(hào)進(jìn)行采集和A/D轉(zhuǎn)換后，將圖像信號(hào)以數(shù)據(jù)文件的形式通過總線實(shí)時(shí)傳送并保存在電腦硬盤上的硬件設(shè)備。圖像采集卡通常由視頻輸入模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)序及采集控制模塊、總線控制模塊、相機(jī)控制模塊等組成。其滿足了隧道裂縫圖像采集系統(tǒng)在掃描整個(gè)隧道襯砌時(shí)海量數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)囊?，極大地減輕了CPU的工作壓力，留給CPU更多的時(shí)間對(duì)裂縫圖像進(jìn)行識(shí)別、處理和特征提取。圖像采集卡也具有相機(jī)觸發(fā)功能，通過相關(guān)軟件的操作可用圖像采集卡控制線陣相機(jī)采集圖像的精度和頻率。另外，圖像采集卡可對(duì)多通道輸出的信號(hào)進(jìn)行重新構(gòu)造，恢復(fù)原始圖像，應(yīng)用范圍廣泛。

系統(tǒng)所采用的圖像采集卡為SOL2MEVCLFL圖像采集卡，插槽為X4-PCIE插槽，采樣速率可達(dá)到85 MHz。

2.4 光源選擇

該移動(dòng)式便攜檢測(cè)車以一定的速度在地鐵隧道內(nèi)運(yùn)行，完成對(duì)隧道表面的圖像采集，而隧道內(nèi)環(huán)境惡劣，光照較暗且不均勻，因此可能導(dǎo)致進(jìn)入相機(jī)的光線不足，采集到的隧道表面圖像亮度、清晰度和分辨率低，達(dá)不到后續(xù)圖像處理的要求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)裂縫自動(dòng)識(shí)別。因此，需在該檢測(cè)系統(tǒng)中加入光源，以保證隧道表面成像清晰可見。

機(jī)器視覺系統(tǒng)中常用的光源有激光光源、LED光源、鹵素?zé)簟晒夤庠吹?。每種光源均有優(yōu)缺點(diǎn)，需結(jié)合實(shí)際使用環(huán)境對(duì)其進(jìn)行選擇。除此之外，光源設(shè)備的光強(qiáng)大小、照射角度、是否均勻等均會(huì)對(duì)隧道表面成像的分辨率造成一定的影響，因此，光源的安裝位置和角度也是選擇光源時(shí)需考慮的因素之一。

為保證在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，采集到的隧道裂縫圖像仍然清晰可見，本系統(tǒng)選擇了5只波長(zhǎng)為808 nm、最大功率為50 W，且可調(diào)節(jié)的特制激光光源。該光源主譜線功率大、不可見，有利于相機(jī)感光且不傷害人眼，而旁譜輝光可見，與相機(jī)的對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便快捷，可滿足圖像采集系統(tǒng)的成像需求。

2.5 定位系統(tǒng)

同步觸發(fā)采集：判斷是否進(jìn)入隧道，進(jìn)行定位。判斷當(dāng)前經(jīng)過的速度和位置，發(fā)送信息到信號(hào)同步控制器，信號(hào)同步控制器將信號(hào)發(fā)送各個(gè)相機(jī)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)模塊，同步觸發(fā)采集。

排除速度影響：CCD線陣相機(jī)采用外部觸發(fā)模式，并確保在不同的速度條件下，其觸發(fā)相機(jī)的脈沖也不同，也就是說(shuō)使相機(jī)能夠按照分辨率要求，每隔固定的距離進(jìn)行行掃描，從而消除因軌道檢測(cè)小車運(yùn)行速度的不同帶來(lái)的圖像采集失真或模糊。

記錄里程：通過在小車車輪安裝光電編碼器獲得里程脈沖，然后通過對(duì)脈沖信息的處理獲得里程信息。

2.6 圖像信息處理系統(tǒng)

圖像信息處理系統(tǒng)，包括主服務(wù)器，圖像采集分析軟件等。相機(jī)配套軟件Matrox Intellicam實(shí)時(shí)顯示相機(jī)采集到的圖像，用以相機(jī)對(duì)焦調(diào)試，以保證后續(xù)圖像采集獲得清晰的模擬隧道圖像，同時(shí)，通過pylon Viewer軟件調(diào)整相機(jī)采樣頻率、曝光時(shí)間、增益值、對(duì)比度等參數(shù)和光學(xué)鏡頭光圈大小和對(duì)焦旋鈕等，對(duì)相機(jī)成像效果進(jìn)行調(diào)整，直至軟件界面實(shí)時(shí)圖像清晰、邊界銳化，可供后續(xù)采集。取得最優(yōu)的對(duì)焦效果后，采用編寫的圖像采集MFC程序進(jìn)行圖像采集。

2.7 檢測(cè)車

檢測(cè)車是整個(gè)采集系統(tǒng)的載體，后期應(yīng)用于地鐵隧道。

黃色矩形代表檢測(cè)車，白色圓代表相機(jī)，青色圓代表光源。如圖2所示，圖中距離參數(shù)的單位 為mm。

隧道半徑2.7 m，檢測(cè)車尺寸為2 545 mm×3 565 mm，將10臺(tái)相機(jī)均勻分布在半徑為1.2 m的同心圓上，圓心與隧道中心重合，每臺(tái)相機(jī)負(fù)責(zé)采集以隧道中心為圓心的圖像。相機(jī)距隧道側(cè)壁1.5 m，5只光源均勻分布，每只光源照射角為110°，光源安裝在相機(jī)中間。為了便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整相機(jī)和光源的位置與角度，設(shè)計(jì)制作了可調(diào)式專用支架，安裝于檢測(cè)車尾部的車廂外側(cè)。

單位：mm

檢測(cè)車主要功能如下：

1) 為采集系統(tǒng)提供電力。10臺(tái)相機(jī)擬采用10臺(tái)工控機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)工控機(jī)功率600 W，5臺(tái)光源，每臺(tái)光源用電功率200 W，相機(jī)的功率很低，忽略不計(jì)，則系統(tǒng)總功率為7 000 W。

2) 檢測(cè)車速度控制系統(tǒng)與相機(jī)觸發(fā)同步配合。

3) 考慮相機(jī)拍攝的現(xiàn)場(chǎng)條件，檢測(cè)車后排懸掛可調(diào)節(jié)支架，保證相機(jī)完成拍攝。

可調(diào)節(jié)支架功能如下：

1) 靈活調(diào)節(jié)相機(jī)的拍攝角度和拍攝范圍，保證采集精度。

2) 帶有減震器，消除車身、相機(jī)震動(dòng)造成的影響，保證采集質(zhì)量。

3) 支架上有保護(hù)鏡頭的防護(hù)裝置，用時(shí)打開，不用關(guān)閉，保護(hù)相機(jī)的鏡頭?；谝陨嫌?jì)算理論，可設(shè)計(jì)出大型車載式隧道表面圖像采集方案，以三維仿真圖表示。后續(xù)，可按照此方案，進(jìn)行真實(shí)采集系統(tǒng)的安裝。

3　系統(tǒng)檢測(cè)原理

10臺(tái)線陣相機(jī)分布在以隧道中心為圓心的同心圓上，分別采集等長(zhǎng)隧道圓弧，視野覆蓋完整的隧道斷面。檢測(cè)車進(jìn)入隧道后，打開強(qiáng)光光源，為線陣相機(jī)拍攝準(zhǔn)備光源。光電編碼器與檢測(cè)車的輪子二者保持同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由緊定螺釘固定，光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，定位裝置獲取編碼器的脈沖信號(hào)，根據(jù)不同速度觸發(fā)不同的多路信號(hào)，通過數(shù)據(jù)總線傳送到信號(hào)同步器，信號(hào)同步控制器將信號(hào)發(fā)送各個(gè)相機(jī)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)模塊，同步觸發(fā)采集，完成線陣相機(jī)一行圖像數(shù)據(jù)的掃描。

線陣相機(jī)逐行掃描沿途經(jīng)過的被測(cè)隧道表面，采集到的線圖像數(shù)據(jù)通過cameralink總線接口傳送到圖像采集卡，在圖像采集卡中完成由線到圖的拼接，將整幅圖像發(fā)送到圖像信息處理系統(tǒng)的主服務(wù)器中。圖像信息處理系統(tǒng)的圖像采集分析軟件系統(tǒng)可以對(duì)相機(jī)成像效果進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整相機(jī)采樣頻率、曝光時(shí)間、增益值、對(duì)比度、每幅圖像的大小等參數(shù)。相機(jī)每采集一行數(shù)據(jù)后，采集系統(tǒng)進(jìn)行緩存，當(dāng)采集的行數(shù)達(dá)到設(shè)置的大小時(shí)，完成一幅圖像的采集，存儲(chǔ)到主服務(wù)器的存儲(chǔ)磁盤上，并記錄圖像的位置信息。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

本文中所述的大型車載式采集系統(tǒng)龐大，為了檢驗(yàn)圖像采集方案的可行性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了一個(gè)小型采集系統(tǒng)樣機(jī)，用于圖像采集功能的實(shí)現(xiàn)。本樣機(jī)采用2個(gè)相機(jī)及配套的光源進(jìn)行同步采集，并利用相同標(biāo)準(zhǔn)的大功率激光光源進(jìn)行補(bǔ)光，解決隧道內(nèi)部光線不足的問題。

4.1 采集系統(tǒng)搭建

設(shè)計(jì)并制特制支架，分別固定激光光源和相機(jī)，通過螺絲連接實(shí)現(xiàn)其與擋板在水平方向的移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)。

將線陣相機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，圖像采集卡安裝于主機(jī)插槽中，激光光源光纖與激光發(fā)射器等相連，簡(jiǎn)易采集系統(tǒng)搭建完成，鋼軌上可以沿著鋼軌前后移動(dòng)以及相對(duì)于墻面的前后移動(dòng)，相機(jī)可以在旋轉(zhuǎn)架上下移動(dòng)和左右移動(dòng)，調(diào)整相機(jī)的視角，達(dá)到靈活拍攝的效果。

4.2 模擬隧道圖像采集

搭建好完整的圖像采集系統(tǒng)后，調(diào)整線陣相機(jī)、鏡頭和特制光源的相對(duì)位置，保證激光光源與線陣相機(jī)的行感光單元對(duì)齊，并采用相機(jī)配套軟件Matrox Intellicam實(shí)時(shí)顯示相機(jī)采集到的圖像，用以相機(jī)對(duì)焦調(diào)試，以保證后續(xù)圖像采集獲得清晰的模擬隧道圖像，未對(duì)焦前相機(jī)成像模糊狀態(tài)如圖所示。同時(shí)，通過pylon Viewer軟件調(diào)整相機(jī)采樣頻率、曝光時(shí)間、增益值、對(duì)比度等參數(shù)和光學(xué)鏡頭光圈大小和對(duì)焦旋鈕等，對(duì)相機(jī)成像效果進(jìn)行調(diào)整，直至軟件界面實(shí)時(shí)圖像清晰、邊界銳化，可供后續(xù)采集，如圖3與圖4所示。

圖3 圖像實(shí)時(shí)顯示界面(未對(duì)焦)

圖4 圖像實(shí)時(shí)顯示界面(已對(duì)焦)

取得最優(yōu)的對(duì)焦效果后，采用編寫的圖像采集MFC程序進(jìn)行圖像采集。輸入數(shù)字并點(diǎn)擊“設(shè)置幀數(shù)”，即可選定此次采集過程所需圖片數(shù)目。點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)處理開始”，軟件界面實(shí)時(shí)顯示鏡頭采集到的隧道表面圖像。點(diǎn)擊“保存到內(nèi)存”，系統(tǒng)即從此刻開始保存所需幀數(shù)的隧道表面圖像。當(dāng)所需數(shù)目的圖片保存完畢后，會(huì)自動(dòng)彈出“內(nèi)存已滿”對(duì)話框。此時(shí)再點(diǎn)擊“從內(nèi)存保存到硬盤”，即自動(dòng)在硬盤中形成以時(shí)間命名的文件夾，將圖片保存在計(jì)算機(jī)硬盤中，保存完畢自動(dòng)彈出“從內(nèi)存保存到硬盤已滿”對(duì)話框。也可直接點(diǎn)擊“直接保存硬盤”，圖片將直接保存至計(jì)算機(jī)硬盤中。點(diǎn)擊“退出”，圖像采集軟件界面將自動(dòng)關(guān)閉。

完成采集系統(tǒng)的硬件搭建和調(diào)試配置后，手推采集系統(tǒng)小車運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，可完成對(duì)模擬隧道裂縫圖像的采集，圖5為模擬隧道采集到的裂縫圖像。

圖5 線陣相機(jī)系統(tǒng)采集到的圖像

為了測(cè)試本系統(tǒng)采集圖像的性能，在隧道仿真模型中，黏貼了多種隧道裂縫圖像，并利用線陣相機(jī)和手推小車移動(dòng)采集，同時(shí)利用所編制的軟件程序，采集保存裂縫圖像，如圖6所示。

在實(shí)驗(yàn)室模擬隧道環(huán)境中，對(duì)本系統(tǒng)的功能測(cè)試，線陣相機(jī)與線陣光源使用正常，整體采集系統(tǒng)硬件符合要求。對(duì)于相機(jī)參數(shù)軟件的調(diào)節(jié)滿足使用需求，圖像采集與圖像存儲(chǔ)程序使用正常。本系統(tǒng)所使用的線陣相機(jī)為L(zhǎng)inear 8KCL線陣相機(jī)，其水平/垂直分辨率：8 192像素；水平/垂直像素尺寸：7 μm×7 μm；最高線速率：80 kHz，鏡頭選用50 mm定焦鏡頭，成像距離1.5 m，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)隧道圖像的采集，可以達(dá)到0.2 mm/pixel的性能。在實(shí)驗(yàn)室模擬隧道環(huán)境中，為了驗(yàn)證圖像采集功能，將采集系統(tǒng)支架安裝于手推式檢測(cè)車上，安裝支架可以水平方向移動(dòng)，并保證相機(jī)到隧道表面距離為1.5 m，通過圖像采集的測(cè)試，線陣相機(jī)成像尺寸為1.6 m，由于相機(jī)分辨率為8 192像素，所以得到實(shí)驗(yàn)中每個(gè)像素代表實(shí)際距離約為0.195 mm，成像精度小于0.2 mm，所以圖像采集功能滿足需求。對(duì)于真實(shí)隧道的采集系統(tǒng)，需要保證相機(jī)到隧道表面的成像距離在1.5 m以內(nèi)，可以采集到0.2 mm/pixel分辨率的圖像。

圖6 線陣相機(jī)系統(tǒng)采集到的多種裂縫圖像

5 結(jié)論

1) 利用多個(gè)特制線陣激光光源，可以首尾相連拼接為一條光帶，對(duì)隧道斷面輪廓進(jìn)行強(qiáng)光照明，用于高速線陣相機(jī)的圖像采集。

2) 利用高速線陣相機(jī)可以分區(qū)域連續(xù)采集隧道表面圖像，配合大功率激光光源，實(shí)現(xiàn)隧道弱光環(huán)境的圖像采集。

3) 針對(duì)不同位置布局的高速線陣相機(jī)，根據(jù)理論計(jì)算公式，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的鏡頭參數(shù)、相機(jī)支架尺寸參數(shù)，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)大型車載式采集系統(tǒng)，或小型低速圖像采集系統(tǒng)。

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Intelligent vision acquisition system of subway tunnel surface crack image

FANG Enquan1, WANG Yaodong2, YUAN Minzheng1, ZHU Liqiang2, ZHOU Wei3

(1. Guangzhou Metro Group Co., Ltd, National Engineering Laboratory, Guangzhou 510335, China; 2. School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 3. School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Tunnel crack detection mainly depends on manual detection in our country. The detection method has low efficiency and long line time. It can not meet the demand of modern urban rail transit detection. This paper proposes a subway tunnel image acquisition system based on vehicle-mounted multicast high-speed linear array camera, expounds the working principle of the system, and conducts the selection of the system hardware. Finally, Hardware system and software system are completed assembly and debugged in the laboratory, which can support the following subway tunnel surface crack image processing.

crack detection; image acquisition; image processing; linear array camera

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.04.031

TP-391

A

1672 ? 7029(2019)04 ? 1074 ? 07

2018?05?30

科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB1200402)；中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(2017T001-B)

方恩權(quán)(1980?)，男，河南正陽(yáng)人，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，從事軌道交通土建工程技術(shù)研究與項(xiàng)目管理工作；E?mail：fangenquan@ gzmtr.com

(編輯 蔣學(xué)東)