基于機(jī)器視覺(jué)的車(chē)輪裂紋識(shí)別與提取

蒲富鵬，趙軍，安喆

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基于機(jī)器視覺(jué)的車(chē)輪裂紋識(shí)別與提取

蒲富鵬，趙軍，安喆

(蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

針對(duì)列車(chē)車(chē)輪輪緣及輪輞裂紋圖像特點(diǎn)，提出根據(jù)裂紋圖像特征結(jié)合Fisher法判別的車(chē)輪裂紋識(shí)別算法，同時(shí)針對(duì)圖像分割后提取出的圖像裂紋線斷裂不連續(xù)且不完整的問(wèn)題，提出交互式裂紋線點(diǎn)采集提取結(jié)合曲線擬合生成裂紋線的方法；算法首先在圖像預(yù)處理基礎(chǔ)上，利用局部統(tǒng)計(jì)可變閾值法分割圖像，用小面積閾值初篩去斑，結(jié)合形態(tài)學(xué)操作后，計(jì)算面積、平均寬度、外接矩形長(zhǎng)寬比和圓形度4個(gè)特征量，然后計(jì)算連續(xù)性篩選圖像中這些特征量的極值，再利用Fisher判別法對(duì)圖像中的裂紋進(jìn)行識(shí)別，并提取圖像裂紋線坐標(biāo)，用多項(xiàng)式最小二乘曲線擬合出完整裂紋線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文方法具有較好的魯棒性。

車(chē)輪裂紋；圖像處理；Fisher判別法；識(shí)別

隨著列車(chē)向高速度、大密度、重載方向發(fā)展，輪對(duì)故障相對(duì)逐漸增多，其中常見(jiàn)的車(chē)輪裂紋，有輪緣裂紋和輪輞裂紋等，即列車(chē)在小曲線半徑的彎道行駛時(shí)，由于輪緣過(guò)薄等因素，鋼軌與車(chē)輪輪緣接觸處產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，這種較大的接觸應(yīng)力超過(guò)材料本身的屈服極限，不僅造成輪緣表面產(chǎn)生明顯的塑性變形層，同時(shí)也使輪緣位置產(chǎn)生嚴(yán)重的異常磨耗和頂部碾堆。輪緣頂部碾堆部位作為應(yīng)力集中區(qū)，在隨后接觸載荷的作用下萌生裂紋并發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最終導(dǎo)致輪緣裂紋；輪輞部位受到的徑向拉應(yīng)力是疲勞裂紋的萌生應(yīng)力條件，在輻板孔位偏向輪緣時(shí)易發(fā)生裂紋萌生，尤其在長(zhǎng)坡道制動(dòng)時(shí)最易發(fā)生。其后在垂向和橫向機(jī)械載荷作用下輪輞處應(yīng)力接近疲勞極限，使得萌生裂紋逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致輪輞裂紋[1]。研究裂紋識(shí)別及提取算法，設(shè)計(jì)一種機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)檢測(cè)裝置，迅速、準(zhǔn)確地檢測(cè)車(chē)輪裂紋，對(duì)提高檢修質(zhì)量、效率、保障行車(chē)安全以及列車(chē)高速化和重載化的實(shí)現(xiàn)有重要意義。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在列車(chē)輪對(duì)缺陷檢測(cè)中現(xiàn)已得到許多應(yīng)用[2?4]，具有無(wú)損，快速，準(zhǔn)確的特點(diǎn)。高向東等[5]提出一種基于結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的車(chē)輛輪對(duì)踏面擦傷快速檢測(cè)方法，并建立了踏面擦傷數(shù)字矩陣，實(shí)現(xiàn)了輪對(duì)踏面擦傷最大深度及形狀的非接觸快速準(zhǔn)確檢測(cè)；楊雪榮等[6]提出了一種基于物理模型的計(jì)算機(jī)視覺(jué)輪對(duì)踏面擦傷檢測(cè)方法，利用CCD攝像機(jī)采集光條紋圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理后獲得踏面截面輪廓，檢測(cè)輪對(duì)踏面擦傷；Rainer等[7]用CCD相機(jī)對(duì)行進(jìn)中的車(chē)輪進(jìn)行圖像的攝取，通過(guò)圖像處理技術(shù)的理論和推導(dǎo)，最終計(jì)算求取一定精度的車(chē)輪磨耗數(shù)據(jù)；田麗麗等[8]針對(duì)貨車(chē)車(chē)輪踏面?zhèn)麚p檢測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了踏面?zhèn)麚p動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了剝離和擦傷的準(zhǔn)確定位。本文研究重點(diǎn)是輪對(duì)被沖洗除銹后，慢速運(yùn)行通過(guò)檢測(cè)區(qū)間時(shí)，對(duì)采集到的輪緣和輪輞圖像進(jìn)行裂紋篩選識(shí)別及提取研究。

1 裂紋識(shí)別及提取方法的提出

輪緣和輪輞處經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)周向條形結(jié)構(gòu)裂 紋[1]，如圖1所示，同時(shí)根據(jù)輪軸廠、段修檢修工藝[9]，輪緣、輪輞裂紋應(yīng)進(jìn)行旋修加工，若經(jīng)旋修無(wú)法消除，則應(yīng)更換車(chē)輪。利用機(jī)器視覺(jué)對(duì)車(chē)輪裂紋缺陷進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，從而代替人工檢查，在降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)還能提高準(zhǔn)確率及檢測(cè)效率，具有較好實(shí)際營(yíng)運(yùn)意義。

圖1 輪緣及輪輞裂紋

首先對(duì)輪緣及輪輞圖像進(jìn)行裂紋檢測(cè)，確定車(chē)輪上是否存在裂紋。然后在確定存在裂紋的車(chē)輪圖像上，采用數(shù)據(jù)點(diǎn)提取并進(jìn)行曲線擬合的方法，獲得完整裂紋線，方法流程如圖2所示。

圖2 方法的整體流程

2 裂紋圖像處理

2.1 基于局部統(tǒng)計(jì)的可變閾值分割

可變閾值處理是把一幅圖像分成不重疊的矩形，用于補(bǔ)償光照和反射的不均勻性，同時(shí)矩形要足夠小，使光照都近似是均勻的。用一幅圖像中每個(gè)點(diǎn)的一個(gè)鄰域內(nèi)像素的標(biāo)準(zhǔn)差和均值來(lái)進(jìn)行局部閾值處理，用于確定局部閾值非常有用，因?yàn)樗鼈兪蔷植繉?duì)比度和平均灰度的描述子，令和m表示一幅圖像中以坐標(biāo)(,)為中心鄰域所包含像素集合的標(biāo)準(zhǔn)差和均值。下面是可變局部閾值的通用形式：

式中：和是非負(fù)常數(shù)。

分割后的圖像如下計(jì)算：

2.2 圖像前處理過(guò)程

根據(jù)原裂紋圖像及直方圖，如圖3(a)所示，灰度要么集中于亮端，要么集中于暗端，即灰度分布不均勻，顯示了較低的對(duì)比度，利用模糊增強(qiáng)方 法[10]，進(jìn)行模糊濾波(3(b))，將原圖像灰度在整個(gè)灰度范圍上進(jìn)行擴(kuò)展，使其均勻地分布于整個(gè)灰度范圍上，以增強(qiáng)圖像對(duì)比度，將圖像中裂紋凸顯，然后用局部統(tǒng)計(jì)的可變閾值法分割圖像，獲得以裂紋為主要區(qū)域的二值圖像(3(c))。對(duì)圖像進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，用小面積閾值初篩去除部分斑點(diǎn)噪聲，即計(jì)算圖像中各連通域的面積特征量，以去除最大量斑點(diǎn)噪聲和保留完整裂紋區(qū)域?yàn)樵瓌t，設(shè)定幾個(gè)較小的面積初始閾值進(jìn)行篩選試驗(yàn)，通過(guò)幾次試驗(yàn)，確定了小面積閾值為5，最后利用小模板的形態(tài)學(xué)閉操作對(duì)裂紋區(qū)小間距斷裂部位進(jìn)行連接(3(d))，以便在處理后保留的裂紋線盡可能完整。

3 裂紋區(qū)域篩選

對(duì)于裂紋特征選取，洪漢玉等[11]將裂紋寬度、長(zhǎng)度和最小外接矩形的面積作為特征量；衛(wèi)軍等[12]對(duì)裂紋的長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行測(cè)量，并將其作為特征向量，王睿等[13]對(duì)裂紋進(jìn)行了比較全面的描述，包括面積、周長(zhǎng)、集中度和區(qū)域長(zhǎng)寬比等6項(xiàng)。本文最初綜合文獻(xiàn)中提出的裂紋特征量，對(duì)圖3(d)中的2組圖像進(jìn)行6特征量(面積、周長(zhǎng)、平均寬度、集中度、外接矩形長(zhǎng)寬比和圓形度)的提取與篩選，并得出了一致的結(jié)論：面積、集中度和圓形度篩選率較高，均達(dá)到93%以上；面積與周長(zhǎng)篩選效果相近，但面積篩選掉更多非裂紋區(qū)域；圓形度與集中度篩選效果相近，但圓形度篩選掉更多非裂紋區(qū)域；平均寬度和長(zhǎng)寬比平均篩選率分別為18.03%和80.37%，但篩選掉了面積、集中度、圓形度均沒(méi)有篩選掉的非裂紋區(qū)域，同時(shí)平均寬度篩選對(duì)裂紋區(qū)域做了較完整的保留。

根據(jù)以上結(jié)論同時(shí)考慮裂紋與非裂紋區(qū)域的差異性，提出通過(guò)提取以下4個(gè)特征對(duì)裂紋進(jìn)行 識(shí)別。

1) 面積，各連通域所占像素?cái)?shù)：

式中：為連通域像素?cái)?shù)。

2) 平均寬度，連通域平均寬度計(jì)算公 式為：

3) 外接矩形長(zhǎng)寬比；

圓形度，表示區(qū)域接近圓的程度，當(dāng)區(qū)域?yàn)閳A時(shí)，=1，定義式如下：

針對(duì)以上4個(gè)裂紋特征，對(duì)圖3(d)中各連通域(8連通)分別計(jì)算各特征量，其中圖3(d)左中各連通域特征量如表1所示，圖3(d)右中各連通域特征量如表2所示。

(a) 原圖及直方圖；(b) 模糊增強(qiáng)及直方圖；(c) 可變閾值分割；(d) 負(fù)片閉操作

圖3 圖像前處理

Fig. 3 Image preprocessing

表1 圖3(d)左各連通域特征量

表2 圖3(d)右各連通域特征量

應(yīng)用4個(gè)特征量，分別對(duì)圖3(d)中各連通域進(jìn)行篩選，如下：

針對(duì)每組圖像連通域集合，計(jì)算4組特征量(面積、平均寬度、長(zhǎng)寬比和圓形度)，即1組圖像會(huì)得到4組特征量，給出各自的初始估計(jì)閾值，以最大程度篩除非裂紋區(qū)域和盡可能完整保留裂紋區(qū)域?yàn)樵瓌t，根據(jù)以上確定好的篩選條件，通過(guò)多次篩選試驗(yàn)，確定出了各特征量閾值，分別為：

用各自的閾值進(jìn)行篩選，對(duì)應(yīng)篩選效果依次如圖4(a)，圖4(b)，圖4(c)和圖4 (d)所示。

圖3(d)左各連通域特征量篩選效果如圖4 所示。

(a) 面積篩選；(b) 寬度篩選；(c) 長(zhǎng)寬比篩選；(d) 圓形度篩選

對(duì)應(yīng)各特征量篩選率如表3所示。

表3 特征量篩選率

圖3(d)右各連通域特征量篩選效果如圖5 所示。

(a) 面積篩選；(b) 寬度篩選；(c) 長(zhǎng)寬比篩選；(d) 圓形度篩選

對(duì)應(yīng)各特征量篩選率如表4所示。

表4 特征量篩選率

從2組篩選效果圖和篩選率可以知道，面積和圓形度篩選率最高，均達(dá)到93%以上；平均寬度篩選率只有0.01%和36.04%，但較其他篩選相比，對(duì)裂紋區(qū)域做了較完整的保留；長(zhǎng)寬比篩選率分別為76.28%和84.45%，但篩選掉了面積、圓形度未能篩選掉的非裂紋區(qū)域。因此，綜合考慮各特征量的篩選特性，用4個(gè)特征量，即面積、平均寬度、外接矩形長(zhǎng)寬比和圓形度對(duì)圖像進(jìn)行連續(xù)性篩選，同時(shí)，在這里加入無(wú)裂紋圖像的篩選效果，方便比較。其中式(7)為連續(xù)篩選式，圖6為連續(xù)篩選效果。

式中：f為篩選前圖像連通域集合；等為篩選條件；f5為篩選后圖像中連通域；F為篩選后圖像中連通域集合。

從連續(xù)性篩選效果中可以看出，在有裂紋的圖像中，經(jīng)圖像前處理及篩選后留下了以裂紋為主要部分的區(qū)域，而在無(wú)裂紋圖像中，經(jīng)處理后留下了一些較小的斑點(diǎn)。同時(shí)，計(jì)算得到在裂紋圖像中4特征量的綜合篩選率分別為97.78%和99.64%，達(dá)到最大。

4 裂紋圖像識(shí)別

連續(xù)性篩選后的車(chē)輪二值圖像中，裂紋圖像和非裂紋圖像雖具有差異性，但如何識(shí)別出車(chē)輪部位是否存在裂紋，是問(wèn)題的關(guān)鍵。就表面裂紋的識(shí)別有相關(guān)學(xué)者做出研究Ohjk等[14]采用裂縫追蹤算法進(jìn)行裂紋識(shí)別；Fujita等[15]應(yīng)用Hessian矩陣的特征值和特征向量來(lái)判別結(jié)構(gòu)形狀以區(qū)分裂紋；Sinha等[16]提出一種統(tǒng)計(jì)過(guò)濾的識(shí)別算法，并對(duì)圖像分別通過(guò)canny邊緣檢測(cè)與Otsu閾值分割的結(jié)果進(jìn)行比較；Jahanshahi等[17]用深度信息對(duì)圖像進(jìn)行表面重建然后識(shí)別裂紋；本文利用提取的面積、平均寬度、外接矩形長(zhǎng)寬比和圓形度4個(gè)特征量，結(jié)合Fisher判別法進(jìn)行識(shí)別分類(lèi)，以確定圖像中是否存在裂紋。在4個(gè)特征量篩選后的圖像中，連通域較多，結(jié)合連續(xù)性篩選原則與篩選后裂紋與非裂紋二值圖像的差異性，分別計(jì)算每一副篩選后圖像各連通域的面積、平均寬度和長(zhǎng)寬比的最大值以及圓形度最小值，利用Fisher判別法進(jìn)行樣本訓(xùn)練與預(yù)測(cè)。

4.1 Fisher判別法

Fisher線性判別分析方法[18]的基本思想是通過(guò)對(duì)樣本的變換,將樣本投影到一條直線上且該直線的方向能使樣本的投影得到最佳區(qū)分,如圖7所示。也就是說(shuō)變換后的樣本類(lèi)別間離散度達(dá)到最高,類(lèi)內(nèi)的樣本離散度達(dá)到最低,從而提高各類(lèi)別之間的區(qū)分能力，同時(shí)Fisher法對(duì)原始數(shù)據(jù)分布并無(wú)特殊要求，非常適合事先不知道樣本分布的情況[19]。

圖7 Fisher判別

1) 計(jì)算2類(lèi)樣本均值向量1和2，求出2類(lèi)樣本類(lèi)內(nèi)離散度矩陣和總類(lèi)間離散度矩陣；

3) 對(duì)于未知樣本，計(jì)算它在*上的投影點(diǎn)，根據(jù)決策規(guī)則分類(lèi)。

4.2 樣本訓(xùn)練與分類(lèi)

對(duì)于200個(gè)有裂紋和無(wú)裂紋圖像樣本，經(jīng)圖像前處理和4特征量的連續(xù)性篩選后，先計(jì)算各樣品的4個(gè)特征量極值，然后，取70個(gè)有裂紋樣品和70個(gè)無(wú)裂紋樣本作為2類(lèi)訓(xùn)練集，余下60個(gè)樣本，即30個(gè)有裂紋樣本，30個(gè)無(wú)裂紋樣本作為測(cè)試數(shù)據(jù)集，分別進(jìn)行訓(xùn)練與測(cè)試。表5為60個(gè)測(cè)試樣本的測(cè)試結(jié)果。

表5 樣本測(cè)試結(jié)果

在60個(gè)測(cè)試樣品中，除了第37個(gè)和第57個(gè)給出了錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果，其余58個(gè)樣品的分類(lèi)均正確，分類(lèi)準(zhǔn)確率達(dá)到了96.7%，這也驗(yàn)證了所選擇的4個(gè)特征量極值作為分類(lèi)特征的有效性，同時(shí)也證明了將Fisher分類(lèi)器用于裂紋識(shí)別的高可 靠性。

5 裂紋線提取

5.1 擬合坐標(biāo)系(空間坐標(biāo)系)與圖像坐標(biāo)系

圖8(a)為空間坐標(biāo)系，即擬合坐標(biāo)系。將一幅圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，要求數(shù)字化坐標(biāo)和振幅。將坐標(biāo)數(shù)字化稱(chēng)為取樣，振幅數(shù)字化稱(chēng)為量化。取樣和量化的結(jié)果是一個(gè)實(shí)數(shù)矩陣，得到一幅有著行和列的圖像，大小為×，并顯示在約定的圖像坐標(biāo)系圖8(b)中，通常使用(,)而不是(,)來(lái)表示行與列。根據(jù)擬合坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系的異同，在擬合前進(jìn)行坐標(biāo)變換,如式(8)所示，擬合后進(jìn)行坐標(biāo)反變換，如式(9)所示。

式中：1和1為圖像坐標(biāo)；2和2為空間坐標(biāo)；

式中：3和3為空間坐標(biāo)；4和4為圖像坐標(biāo)。

(a) 空間坐標(biāo)系；(b) 圖像坐標(biāo)系

5.2 裂紋線擬合

在檢測(cè)到圖像存在裂紋后，進(jìn)行點(diǎn)采集裂紋線擬合，生成完整裂紋線，以便獲得裂紋的更詳細(xì)信息，擬合流程如圖9所示。

圖9 裂紋線擬合流程

1) 圖像讀取：在識(shí)別出圖像中存在裂紋后，重新讀取圖像；

2) 擬合點(diǎn)采集：在圖像讀取后，自動(dòng)彈出采集圖像，順著裂紋圖像，點(diǎn)擊操作進(jìn)行點(diǎn)采集，依次獲得擬合點(diǎn)。同時(shí)根據(jù)式(8)進(jìn)行圖像坐標(biāo)到擬合坐標(biāo)的變換，顯示于空間坐標(biāo)系中，如圖10(a)所示；

3) 裂紋線擬合：根據(jù)采集到的擬合點(diǎn)，利用多項(xiàng)式最小二乘法進(jìn)行擬合，獲得擬合裂紋線，如圖10(b)所示；

4) 標(biāo)記：根據(jù)式(9)進(jìn)行坐標(biāo)反變換，于圖像坐標(biāo)系中獲得二值圖像裂紋線，如圖10(c)所示，并在原圖上進(jìn)行標(biāo)記，檢驗(yàn)擬合效果，如圖10(d)所示。

(a) 擬合點(diǎn)；(b) 擬合線；(c) 二值裂紋線；(d) 標(biāo)記

采用MATLAB進(jìn)行界面操作，對(duì)上述算法進(jìn)行集成，直觀地進(jìn)行裂紋檢測(cè)與擬合，識(shí)別與擬合提取界面如圖11所示，界面左側(cè)為操作模塊，界面右側(cè)為顯示模塊。

圖11 裂紋檢測(cè)及擬合軟件界面

6 結(jié)論

1) 基于試驗(yàn)研究，提出裂紋自動(dòng)檢測(cè)的數(shù)字圖像處理流程，同時(shí)綜合文獻(xiàn)中已提出的裂紋特征，對(duì)裂紋識(shí)別特征進(jìn)行優(yōu)化，確定了最適宜于裂紋圖像識(shí)別的4個(gè)特征。

2) 針對(duì)篩選后的裂紋圖像與非裂紋圖像差異性，提出用4個(gè)特征量極值結(jié)合Fisher法進(jìn)行裂紋識(shí)別，達(dá)到裂紋檢測(cè)的目的，由于利用裂紋特征量進(jìn)行了連續(xù)性篩選，再利用判別器進(jìn)行分類(lèi)，較其他直接進(jìn)行裂紋與非裂紋識(shí)別，使得識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到96%以上。

3) 針對(duì)分割、篩選后的裂紋線斷裂不完整的問(wèn)題，提出擬合點(diǎn)采集的裂紋線提取方法，提取了完整裂紋線，為獲得裂紋的進(jìn)一步信息做好了準(zhǔn)備。

4) 針對(duì)本文所解決的2類(lèi)問(wèn)題，即裂紋的篩選識(shí)別與提取，對(duì)算法進(jìn)行集成，建立MATLAB界面操作系統(tǒng)，直觀地進(jìn)行裂紋檢測(cè)與擬合提取。

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(編輯 陽(yáng)麗霞)

Recognition and extraction of wheel cracks based on machine vision

PU Fupeng, ZHAO Jun, AN Zhe

(School of Mechanical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Based on the characteristics of train wheel cracks on flange and rim, this study proposed a wheel crack recognition algorithm combining features of cracks image with Fisher criterion. Simultaneously, aiming at the discontinuous and incomplete crack line of extraction after segmentation, a new interactive point acquisition algorithm of crack line extraction was proposed combining with curves fitting. This algorithm uses the image segmentation method based on local statistics variable threshold, which has a small area threshold filtering to remove speckle noises, combines the mathematical morphology operation, and calculates the respective four features in every image after image preprocessing. Then, the extremums of four features in the continuous filtering image was calculated, and the Fisher method was used to recognize the image. Meanwhile, the image crack line coordinates were extracted, and the whole crack line was extracted by polynomial least square curve fitting method. Experimental results showed that the method has general adaptability.

wheel cracks; image processing; Fisher criterion; recognition

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.08.027

U279.3

A

1672 ? 7029(2018)08 ? 2113 ? 10

2017?06?09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61462059)；甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(148RJZA054)

趙軍(1975?)，男，甘肅古浪人，教授，博士，從事計(jì)算機(jī)視覺(jué)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究；E?mail：zhaojun@mail.lzjtu.cn