基于雙目視覺(jué)技術(shù)的車(chē)輪接觸面損傷檢測(cè)方法

胡廣勝 王菁 董緒琪 尚軍營(yíng)

摘要 伴隨著我國(guó)高鐵鐵路的迅猛發(fā)展以及高速列車(chē)車(chē)速的不斷提升，高速列車(chē)的行車(chē)安全問(wèn)題也廣泛受到關(guān)注。其中車(chē)輪踏面對(duì)高速列車(chē)行進(jìn)中的安全問(wèn)題以及高速列車(chē)車(chē)速的提升都有關(guān)鍵影響，目前使用最廣泛的人工觀察安全檢測(cè)容易出現(xiàn)觀察不到位、漏檢以及耗時(shí)嚴(yán)重等問(wèn)題，已經(jīng)不能滿(mǎn)足目前我國(guó)高速列車(chē)迅速發(fā)展的現(xiàn)狀。而伴隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)人工視覺(jué)領(lǐng)域近年來(lái)也有較大突破與進(jìn)展，其中雙目視覺(jué)系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用于不同條件下的人工視覺(jué)系統(tǒng)中。利用雙側(cè)成像方法對(duì)車(chē)輪踏面進(jìn)行拍攝，根據(jù)拍攝圖像以及雙目視覺(jué)系統(tǒng)，重新構(gòu)建車(chē)輪踏面的三維立體信息，由此判斷踏面擦傷故障，且較之人工檢測(cè)可以全方位的對(duì)車(chē)輪踏面進(jìn)行檢測(cè)并且大幅度提升檢測(cè)效率。

【關(guān)鍵詞】雙目視覺(jué)系統(tǒng) 車(chē)輪踏面擦傷 檢測(cè)

1 引言

至2016年末我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程己達(dá)2 2萬(wàn)公里，較08年翻了近32倍，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到3 8萬(wàn)公里的運(yùn)營(yíng)里程。在高速鐵路迅速發(fā)展的同時(shí)，高速列車(chē)的安全檢測(cè)也成為重中之重，傳統(tǒng)的高速列車(chē)檢測(cè)方法為人工檢測(cè)，通過(guò)肉眼對(duì)每輛進(jìn)站列車(chē)或者新造列車(chē)進(jìn)行觀測(cè)，判斷其是否存在故障或者安全隱患。這種檢測(cè)方式存在著許多弊端：

（1）由于列車(chē)的結(jié)構(gòu)原因，許多部位人眼無(wú)法直接觀測(cè)到，導(dǎo)致列車(chē)許多部位無(wú)法檢測(cè);

（2）通過(guò)人眼觀測(cè)的方式長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，容易造成疲勞作業(yè)，對(duì)觀測(cè)結(jié)果精度產(chǎn)生影響，出現(xiàn)故障漏報(bào)的可能;

（3）這種傳統(tǒng)的檢測(cè)方式極為耗時(shí)，大幅度降低作業(yè)效率，提升人工成本。為避免傳統(tǒng)檢測(cè)方式的種種弊端，我們引入計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行高速列車(chē)的安全檢測(cè)。

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人工智能的發(fā)展，應(yīng)運(yùn)而生許多可用于實(shí)際生活生產(chǎn)的理論系統(tǒng)，其中雙目視覺(jué)系統(tǒng)就是模仿人眼成像并利用計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)而產(chǎn)生的一套可以讓計(jì)算機(jī)通過(guò)成對(duì)的二維圖像信息來(lái)認(rèn)知三維環(huán)境信息的系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)通過(guò)雙目視覺(jué)系統(tǒng)獲得了感知三維環(huán)境中物體集合信息（如形狀、位置、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等），以及進(jìn)一步對(duì)它們進(jìn)行描述、存儲(chǔ)以及識(shí)別的能力。通過(guò)這種能力，我們可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)車(chē)輪踏面進(jìn)行圖像采集，并對(duì)采集后的圖像進(jìn)行分析與計(jì)算，從而建立出車(chē)輪踏面的三維信息環(huán)境，根據(jù)踏面的三維信息中的高度信息來(lái)判斷踏面是否有擦傷故障，并在終端屏幕顯示故障圖像、故障信息以及存儲(chǔ)檢測(cè)報(bào)文，有檢測(cè)人員在終端進(jìn)行故障研判。通過(guò)該系統(tǒng)可以大幅度提升檢測(cè)人員的作業(yè)效率以及故障精度的提升。

2 車(chē)輪踏面擦傷故障

目前我國(guó)高速鐵路主要運(yùn)行車(chē)輛為動(dòng)車(chē)組，動(dòng)車(chē)組的主要構(gòu)成部分有：車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、車(chē)輛連接裝置、制動(dòng)裝置、車(chē)輛內(nèi)部設(shè)備、牽引傳動(dòng)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)。

其中轉(zhuǎn)向架為支撐車(chē)體并使之在軌道上運(yùn)行的裝置，也稱(chēng)為行走部分。轉(zhuǎn)向架的主要組成為：

（1）輪對(duì)軸箱裝置（軸箱與軸承裝置是聯(lián)系構(gòu)架和輪對(duì)的活動(dòng)關(guān)節(jié)）;

（2）彈性懸掛裝置（轉(zhuǎn)向架在輪對(duì)與構(gòu)架之間和構(gòu)架與車(chē)體之間，設(shè)置懸掛裝置）;

（3）構(gòu)架（轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)，把轉(zhuǎn)向架各零部件組成一個(gè)整體）;

（4）軸箱定位裝置（約束輪對(duì)與構(gòu)架之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)）;

（5）牽引裝置（車(chē)體與轉(zhuǎn)向架的連接裝置）：

（6）回轉(zhuǎn)阻尼裝置（抑制高速轉(zhuǎn)向架蛇形運(yùn)動(dòng)）;

（7）抗側(cè)滾裝置（抗側(cè)滾扭桿）;

（8）制動(dòng)裝置（復(fù)合制動(dòng)，即電制動(dòng)+空氣制動(dòng)）。

輪對(duì)為轉(zhuǎn)向架中重要的部件之一，又是影響車(chē)輛運(yùn)行安全的關(guān)鍵部件之一。輪對(duì)主要有車(chē)輪、車(chē)軸、制動(dòng)盤(pán)、齒輪箱等組成。動(dòng)車(chē)組車(chē)輪通常采用整體車(chē)輪，它包括踏面、輪緣、副板等部分。車(chē)輪與鋼軌的接觸面稱(chēng)為踏面。由于車(chē)輪在軌面上滑行，而把圓錐形踏面磨成一塊或數(shù)塊平面的現(xiàn)象叫做踏面擦傷。造成踏面擦傷的原因有：

（1）車(chē)輪材質(zhì)過(guò)軟;

（2）制動(dòng)力過(guò)大;

（3）制動(dòng)緩解不良;

（4）調(diào)車(chē)溜放時(shí)單方面使用鐵鞋;

（5）同一輪對(duì)兩輪直徑相差過(guò)大。

車(chē)輛經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后會(huì)產(chǎn)生踏面擦傷故障，列車(chē)在踏面擦傷的情況下運(yùn)行會(huì)引起車(chē)輛振動(dòng)過(guò)大、加速車(chē)輛震動(dòng)過(guò)大以及破壞鋼軌的現(xiàn)象。從而對(duì)車(chē)輛的行車(chē)安全造成隱患，且被破壞的鋼軌可能對(duì)其他行進(jìn)車(chē)輛造成安全隱患。所以對(duì)踏面的安全檢測(cè)極為重要。由于踏面本身的構(gòu)成結(jié)構(gòu)，其與車(chē)體之間空隙僅為18mm，

很難通過(guò)肉眼對(duì)踏面的全部部分進(jìn)行觀察，所以采用雙目視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)合外部硬件技術(shù)對(duì)踏面進(jìn)行計(jì)算機(jī)檢測(cè)。

3 雙目視覺(jué)故障檢測(cè)系統(tǒng)

3.1 雙目視覺(jué)系統(tǒng)概論及數(shù)學(xué)原理

雙目視覺(jué)又稱(chēng)雙目立體視覺(jué)，是基于視差原理，用同一被測(cè)物體的多幅圖像來(lái)獲取物體的三維幾何信息的方法。在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，雙目視覺(jué)一般由雙攝像機(jī)從不同角度同時(shí)獲取被測(cè)物體的兩幅數(shù)字圖像，或者由單攝像機(jī)在不同時(shí)刻從不同角度獲取被測(cè)物體的兩幅數(shù)字圖像，然后基于視差原理即可恢復(fù)出被測(cè)物體的三維幾何信息，重建被測(cè)物體的三維形狀與位置。從目前機(jī)器視覺(jué)理論的發(fā)展情況來(lái)看，雙目立體視覺(jué)在機(jī)器視覺(jué)研究中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

雙目立體視覺(jué)是基于視差原理測(cè)量被測(cè)物體的景深信息，由三角法原理進(jìn)行三維信息的獲取，即由兩個(gè)攝像機(jī)的圖像平面和被測(cè)物體平面三者構(gòu)成一個(gè)三角形。己知兩個(gè)攝像機(jī)之間的位置關(guān)系，便可以獲得兩攝像機(jī)公共視場(chǎng)內(nèi)物體的三維尺寸及空間物體特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

因此，只要我們通過(guò)計(jì)算機(jī)標(biāo)定技術(shù)獲得左右計(jì)算機(jī)內(nèi)參數(shù)/焦距fr，fi和空間點(diǎn)在左右攝像機(jī)中的圖像坐標(biāo)，就能夠重構(gòu)出被測(cè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。

3.2 雙目視覺(jué)故障檢測(cè)系統(tǒng)流程

雙目視覺(jué)系統(tǒng)先根據(jù)張定友標(biāo)定法進(jìn)行相機(jī)內(nèi)參標(biāo)定，再由硬件設(shè)備采集成對(duì)的踏面圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行校正、邊緣提取、特征匹配取得踏面視差圖（包含踏面三維環(huán)境信息）。在視差圖像上對(duì)踏面特征進(jìn)行檢測(cè)，識(shí)別是否存在擦傷故障，并向終端輸出故障信息，如圖2所示。具體步驟為：

（1）圖像獲取，有兩組攝像機(jī)分別對(duì)踏面進(jìn)行同時(shí)拍攝，從而獲取踏面的圖像對(duì);

（2）根據(jù)獲取的成對(duì)的踏面圖像經(jīng)過(guò)雙目視覺(jué)系統(tǒng)預(yù)處理生成踏面的視差圖像;

（3）在視差圖像上確定感興趣區(qū)域，其中感興趣的區(qū)域?yàn)檐?chē)輪損傷的區(qū)域;

（4）二值化處理，將視差圖像的感興趣區(qū)域和非感興趣區(qū)域進(jìn)行二值化處理，形成灰度值為O或255的分布圖效果，得到二值化圖像;

（5）實(shí)時(shí)判斷，系統(tǒng)根據(jù)得到的二值化圖像的形態(tài)學(xué)特征、擦傷的大小特征、邊緣特征，從每張?zhí)っ鎴D像中分析存在的擦傷;如系統(tǒng)認(rèn)定存在隱患，進(jìn)行報(bào)警，及時(shí)通知工作人員。

3.3 踏面擦傷故障識(shí)別

下面通過(guò)踏面擦傷故障實(shí)例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明其標(biāo)定、定位、和故障識(shí)別算法。

首先通過(guò)硬件設(shè)備拍攝標(biāo)定相機(jī)內(nèi)參用的棋盤(pán)格圖片。拍攝后的成對(duì)圖像如圖3所示。

通過(guò)張正友標(biāo)定法分別對(duì)左右攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算左右攝像機(jī)內(nèi)參，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)兩側(cè)攝像機(jī)的標(biāo)定結(jié)果（攝像機(jī)內(nèi)參）對(duì)含有踏面擦傷故障進(jìn)行檢測(cè)，確定故障區(qū)域。

圖5為自動(dòng)化硬件雙目攝像頭裝置拍攝到的踏面擦傷故障圖片，首先對(duì)圖片做預(yù)處理，使圖片內(nèi)容簡(jiǎn)化突出。圖6為對(duì)原圖像進(jìn)行預(yù)處理后的圖像。然后定位圖中的踏面大致區(qū)域，利用雙目視覺(jué)系統(tǒng)算法以及張正友標(biāo)定法計(jì)算得到的雙側(cè)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)對(duì)圖片進(jìn)行識(shí)別。計(jì)算出踏面平面上的距離差值，找出同一平面中高度略低于周邊的部位，根據(jù)其形狀和深度判定為踏面擦傷故障。

如圖7所示，經(jīng)過(guò)對(duì)原圖像進(jìn)行預(yù)處理后，圖像上的噪聲減少并突出了圖像中的踏面擦痕，經(jīng)過(guò)雙目視覺(jué)系統(tǒng)計(jì)算后，可以得出圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的高度信心，通過(guò)對(duì)高度信息的對(duì)比，找出該平面中不處于同一平面的高度位置，并計(jì)算其形狀與面積大小后最終確定踏面擦傷的位置與大小。

4 結(jié)論

在某些應(yīng)用場(chǎng)景，機(jī)器視覺(jué)比人類(lèi)的生理視覺(jué)更具優(yōu)勢(shì)，它更加準(zhǔn)確、客觀和穩(wěn)定。在有了成熟的圖像識(shí)別技術(shù)之后，加以人工智能的支持，計(jì)算機(jī)就可以自行對(duì)獲得的圖像、視頻信息進(jìn)行分析和判斷，發(fā)現(xiàn)異常情況直接報(bào)警，帶來(lái)了更高的效率和準(zhǔn)確度。本文利用硬件設(shè)備拍攝照片并利用雙目視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖片中的踏面擦傷故障進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)，相比于傳統(tǒng)的故障檢測(cè)方法，其優(yōu)點(diǎn)有：第一，大幅度提升工作效率與準(zhǔn)確率。第二，故障識(shí)別也增加了更多的圖像處理手段，增加算法的靈活性。因此，本文采用的基于雙目視覺(jué)技術(shù)的車(chē)輪踏面擦傷檢測(cè)故障識(shí)別方法，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性、靈活性、可靠性。幫助我們更好的完成更多的任務(wù)。

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