基于2D-3D復(fù)合機(jī)器視覺的三維鋼軌表面缺陷檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、鐵路運(yùn)輸是現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系的主要方式之一，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。鋼軌作為鐵路軌道的重要組成部件，在列車高速運(yùn)行過程中，其表面缺陷部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，甚至導(dǎo)致斷軌，直接危害到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，如何在生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效且無損地檢出鋼軌表面缺陷，一直是相關(guān)學(xué)者及企業(yè)關(guān)注的重要研究課題。
　　現(xiàn)有的表面缺陷檢測(cè)技術(shù)存在精度差、效率低、可靠性不強(qiáng)、檢測(cè)缺陷種類有限、漏檢、過檢和對(duì)缺陷的描述不全面等不足，難以

2、應(yīng)用在立體、復(fù)雜、多曲面的鋼軌表面缺陷檢測(cè)領(lǐng)域。本文針對(duì)以上科學(xué)問題，提出了基于2D/3D復(fù)合機(jī)器視覺的三維鋼軌表面缺陷檢測(cè)技術(shù)，通過深入研究鋼軌表面缺陷特征、光學(xué)成像、圖像處理、特征提取、模式識(shí)別的規(guī)律和相關(guān)理論，解決了多曲面形廓鋼軌表面缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)、高質(zhì)量鋼軌表面圖像的采集、強(qiáng)噪聲影響下的圖像處理、2D/3D綜合缺陷特征的提取以及高識(shí)別率的三維缺陷檢出等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了鋼軌表面缺陷非接觸、快速、高精度、特征描述全面的自

3、動(dòng)化檢測(cè)。本文主要研究內(nèi)容與成果如下:
　　(1)基于鋼軌表面特性和光學(xué)成像模型的多曲面鋼軌表面圖像采集系統(tǒng)的開發(fā)及評(píng)價(jià)體系的建立。在研究鋼軌形廓特點(diǎn)、表面特性、表面缺陷特點(diǎn)和光學(xué)成像模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)了針對(duì)三維、復(fù)雜、多曲面鋼軌表面的圖像采集系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)六組雙目視覺相機(jī)組和異型截面LED組合光源，實(shí)現(xiàn)了鋼軌表面圖像的同步采集和均勻照明，并從采集圖像的完整性、精度和單幅圖像質(zhì)量等方面，建立了圖像采集系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)體系，保證了鋼軌

4、表面完整、高質(zhì)量缺陷圖像的采集;
　　(2)基于改進(jìn)Sobel算法的鋼軌表面強(qiáng)噪聲圖像的高效二維特征提取。通過對(duì)鋼軌表面缺陷的特征分析，制定了缺陷二維特征提取方案。采用基于小波變換的圖像降噪處理，有效降低了圖像采集和信號(hào)傳輸過程中由于曝光不均、光學(xué)系統(tǒng)聚焦模糊及機(jī)械抖動(dòng)等因素產(chǎn)生的噪聲影響。進(jìn)一步基于局部閾值變化的圖像初檢處理，判斷了圖像的可疑缺陷區(qū)域，并提出一種基于多方向算子模板的改進(jìn)Sobel算法，對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行精確分割，保證

5、了鋼軌表面缺陷圖像準(zhǔn)確、快速的二維特征提取;
　　(3)基于SGA-FI-TM的動(dòng)態(tài)特征點(diǎn)云三維缺陷特征的提取。缺陷二維特征缺乏對(duì)其區(qū)域深度信息的綜合描述，在研究雙目相機(jī)成像及線掃描相機(jī)標(biāo)定原理的基礎(chǔ)上，通過三維空間坐標(biāo)變換及視差原理對(duì)圖像缺陷區(qū)域進(jìn)行匹配，獲得了缺陷區(qū)域的特征點(diǎn)云。進(jìn)一步提出一種基于SGA-FI-TM的動(dòng)態(tài)特征點(diǎn)云三維特征提取方案，重構(gòu)出高精度的三維缺陷模型，提取了可反映缺陷深度信息的6維特征值，實(shí)現(xiàn)了鋼軌表面缺

6、陷信息的高效獲取及綜合表征;
　　(4)基于2D/3D特征信息的自適應(yīng)融合及SVM算法的高效缺陷分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用多特征自適應(yīng)權(quán)值融合技術(shù)，將提取的鋼軌表面缺陷2D/3D特征信息有效融合，融合后得到的特征信息作為缺陷分類系統(tǒng)的輸入?yún)⒘?，并在?duì)比不同模式識(shí)別方法分類效率和正確率的基礎(chǔ)上，采用SVM算法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜、高度非線性鋼軌表面缺陷的快速、準(zhǔn)確分類;
　　(5)建立了鋼軌表面缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了本文研究方法及理論的合理性