基于圖像技術(shù)的CRTSⅠ型軌道板切割拼接研究

宋坤駿 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 引言

高鐵作為長三角地區(qū)的城際客運鐵路線網(wǎng)的主骨架，其安全運營關(guān)系到人民生命財產(chǎn)安全，對經(jīng)濟社會健康發(fā)展具有重要意義。對軌道巡檢采集回的圖像數(shù)據(jù)的正確處理，其基礎(chǔ)是對原始數(shù)據(jù)的正確分割和拼接。

CRTS1 型軌道板按照板長可以分為5 扣件，6 扣件，8 扣件，9 扣件長，其中以8 扣件和6 扣件長最為常見。原始圖片數(shù)據(jù)隨車采集，其寬高固定，像素寬度為2048，像素高度為2087，原始圖片中可能出現(xiàn)軌道板間縫隙也可能不出現(xiàn)。（圖1 中原始圖片統(tǒng)一縮小至100×100 大小來展示。）圖1 中第1，2 列是下行線路1相機采集到的數(shù)據(jù)，第3 列是下行2 相機采集的數(shù)據(jù)。上行線路圖片數(shù)據(jù)是類似的，算法也相同。

切割、拼接完成的 5 扣件，6 扣件，8扣件長軌道板樣例圖片如圖2 所示（圖2 中完整軌道板圖片統(tǒng)一縮小至200×100 大小來展示。），圖 2 中第 1 第 2 列是1 相機采集的圖像拼接而成，第3 列是2 相機采集的圖像拼接而成。不同相機采集的圖像的拼接算法是相同的，切換相機時僅有2 個參數(shù)需要修改。

此外，原始數(shù)據(jù)中還包含道岔圖像，道岔沒有規(guī)律間隔，清晰明確的板縫，無法拼接成完整的軌道板，因而需要在切割前單獨提取，部分道岔樣例圖片如圖3 所示。

圖3 原始道岔圖片數(shù)據(jù)

2 處理流程

2.1 軌道板切割拼接算法

原始數(shù)據(jù)按照采集時第一張圖片的采集時間分為多個文件夾。原始數(shù)據(jù)拼接為完整軌道板的關(guān)鍵在于將圖中的板縫準(zhǔn)確地找出，而道岔段中不存在完整軌道板，因而運行切割拼接算法前將所有連續(xù)道岔段找出，將每一道岔段的末尾圖也就是下一非道岔段的起始圖中板縫y 坐標(biāo)作為算法的一個輸入?yún)?shù)。對每一非道岔段執(zhí)行以下算法，算法在matlab 環(huán)境中執(zhí)行。

（1）拼接多張原圖直到長度大于9扣件板長上限

（2）提取原圖感興趣區(qū)域為原圖某兩列之間的長條狀子圖

（3）將子圖二值化，分別在6,8,5,9扣件長度附近區(qū)域求區(qū)域內(nèi)二值圖行和

（4）優(yōu)先統(tǒng)計6,8 扣件附近區(qū)域行和小于閾值的行數(shù)

（5）6（8）扣件附近存在滿足條件的行且8（6）扣件附近不存在滿足條件的行，則板縫在 6（8）扣件長處

（6）若6 扣件和8 扣件附近均存在滿足條件的行，則比較6 扣件附近最黑行和8 扣件附近最黑行哪個行和更小，小者為板縫所在

（7）若還無法確定板縫，則在板長下限以后每一行找二值圖行和小于一定閾值的，認(rèn)為這種行中行和最小的行為板縫所在

（8）若還無法確定板縫，則在5,6,8,9扣件長附近找原圖行和最小行，比較四個最小值，其中最小者認(rèn)為是板縫所在。

運行上述算法后，每一非道岔段被分割為一塊塊完整的軌道板，但是算法無法保證100%的切割準(zhǔn)確率，由于軌道板的連續(xù)性，一塊板切錯會遞推地影響后續(xù)板的準(zhǔn)確性。100%準(zhǔn)確切割對于板號識別有重要意義，因為在完全正確切割的前提下，每一非道岔段中的板號無需識別，而可以根據(jù)該段初始板號計算得出。切割錯誤的類型包括板縫泛白，將框架板/引接線/導(dǎo)接線誤認(rèn)為板縫，遞推錯誤（因為上一張錯誤所以本張圖也錯誤）等（具體見圖4）。作者發(fā)現(xiàn)對于所有的切割錯誤類型可以用統(tǒng)一的補丁程序予以糾正，從而達成數(shù)據(jù)庫中圖片數(shù)據(jù)100%正確的要求。作者編寫的這個補丁程序?qū)τ诩m正過程中出現(xiàn)的板數(shù)增多或減少的情況具有很好的適應(yīng)性。它的原理在于，不論對于什么類型的錯誤，總能找出一塊起始板，其上板縫是切割正確的，后面跟著切錯的板都是遞推錯誤類型，因此可以手工讀出這一段連續(xù)出錯板的長度，輸入補丁程序中予以糾正。為了減少補丁程序的工作量，可以運用的技巧包括查錯時將1,2 相機拍攝的圖片左右拼合，方便根據(jù)一側(cè)有導(dǎo)接線/引接線而另一側(cè)無導(dǎo)接線/引接線等標(biāo)志物判斷錯誤板段的起始板號，還可以調(diào)節(jié)切割算法參數(shù)減少出錯板數(shù)。經(jīng)反復(fù)試驗，取合適的閾值能夠有效降低出錯板數(shù)。

綜上，通過先后運行軌道板切割拼接算法和補丁程序，就可以完成CRTS1型軌道板的100%正確分割。

圖4 切割錯誤類型，從左到右依次為：板縫泛白，框架板誤認(rèn)為板縫，引接線誤認(rèn)為板縫，遞推錯誤

3 結(jié)束語

本文綜合運用二值化等經(jīng)典圖像處理手段實現(xiàn)了CRTS1 型軌道板圖像的切割拼接，原算法準(zhǔn)確率在98%以上，通過補丁程序達到了100%準(zhǔn)確率。軌道板的完全正確分割有望應(yīng)用于工務(wù)的多種應(yīng)用場景中。