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1、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文基于圖像處理的列車輪對參數(shù)檢測方法的研究及系統(tǒng)設(shè)計姓名：張紅波申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)指導(dǎo)教師：葉海建20040501中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文摘要摘要列車輪對作為重要的可互換行走部件，對列車安全亍駛起著關(guān)鍵性的作用。 目前，我國列車輪對的參數(shù)檢測仍停留在手工測量階段，技術(shù)落后、工作效率低。 而日本、美國等國在輪對自動檢測方面進(jìn)行了大量的研究，并研制出各種類型的檢 測裝置，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域的巨大進(jìn)步和市場的 開放，給計算機(jī)控制技術(shù)、信息技術(shù)在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了前所未有的機(jī)遇。本文介紹了一種應(yīng)用 CCD（ChargeCouple

2、Device 的縮 寫，稱為電荷耦合器件）圖像測量技術(shù)實現(xiàn)列車輪對外形尺寸非接觸檢測的方法， 并在此基礎(chǔ)上完成了 列車輪對參數(shù)檢測裝置”軟件系統(tǒng)的研制。本文闡明了型像的 分通道自動采集過程，以及對采集到的原始圖像進(jìn)彳 J：預(yù)處理過程，逃劍圖像去 噪聲的目標(biāo)，本課題采用了閾值分割中迭代閥值和閩值插值相結(jié)合的方法.Sob el 算 r、LoG 算子邊緣檢測算法，基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的膨脹運算子進(jìn)行邊緣斷點 連接以及目標(biāo)提取中的投影法和邊緣跟蹤方法，使得提取輪對圖像邊緣達(dá)到測量精度的要求。對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定時，采抖 J 了非線性模型提高了幽像的測量精度。同 時對測量結(jié)果的精度進(jìn)行了試驗驗證和分析，滿足測量的要

3、求。本課題軟 fl。存 Windows 2 0 00 系統(tǒng)上開發(fā)，實現(xiàn)了基于圖像處理 技術(shù)的輪對參數(shù)檢測，完成了預(yù)期的 H 標(biāo)，各項功能都滿足了系統(tǒng)要求，軟件的穩(wěn) 定性也得到了測試。關(guān)鍵詞：輪對，北接觸檢測，圖像處理，圖像分析AbstractTralnwheelsetlstheodeofmostlmportantlnterchangeablecomponentslntheveh lcle，playskeyrolelnsafetyofrallwaytr ansportatlon，butlnourcountry，thewheellsstlllmeasureduslnghandsleadlnglow

4、efflcencylndevelopedcountrlessuchasU S，Japan.AdvancedresearchhasbeendoneandmanyMeasurementEqulpmentshasbeende veloped，thushlghefflclencyandeconoml cs.Wlththedevelopmentofthelndustrlalcontroltechnologyandlnformatlontechn ology，RallwaytransportmeetsGreatchal lenges.Thlspapermalnlylntroducedannon conta

5、ctmeasurementofwheelsetdlmenslonsuslngCCDlmagemeasurlngtechnlqueAndsofn linearitymodel,andimpovemeasurementprecisionFinally,measurementresultprecisionpassestrialvalidatationandanalysis,andmeetrequestofmeasurement.SoftwareofthisprojectdevelopmentontheWindows2000,wheelsetparametermeasurementbasedOnima

6、geprocessinghasrealized,allfunctionsalsomeetsystemrequestandstabilizationofSOftwarehastesedt wars temoft rainwheetparameterme asugdevicehasbearchedThi spapef iesimageoltautomatcal1 ypofmu1 ti cels ,andprproolopa mei vea tid LoGea tos ofoion.owswilodcombgmentan,edgelr basnalimaged erimagentrprooduhig

7、 y,usngboundgedei nkinnmethhismeemetpd izatngimagenwiththctionopgmethodusedonmathematicdarytrackidinedgehod,meae cisiononproceolSobgdea tinganalmodprooldistillprsurementodemand.Ins sing,thio cesf whes j7ss paps .Thelset emsght witaneradoptKeywords:wheelset,non contactinspect,imageprocessing,imageana

8、lysis獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已 發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中國農(nóng)業(yè)大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或 證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本課題所做的任何貢獻(xiàn)均在論文中作 了明確的說明，并表示了感謝。研究生簽名：弓&紅 3 良時間：加繹 g 月曰關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保 留送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱，可以采用影印、縮印或掃描 等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。同意中國農(nóng)業(yè)大學(xué)可

9、阻用不同方式在不同媒體上 發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。研究生簽名：旁長寶工 s 蓖時間：銣移降婦日導(dǎo)師簽名口 1 滔建時間：7 卯夠 月同中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文緒論第一章緒論1.1 研究輪對幾何參數(shù)自動測量系統(tǒng)的意義作為列車行走部件的車輪，在行駛中要受到撞擊、循環(huán)應(yīng)力、摩擦、高低溫等 作用的影響，岡此磨損、裂紋、剝離等損壞現(xiàn)象十分常見。長期 H 來，我國鐵路處 于低裝備率、高使用率、高強(qiáng)度運輸狀態(tài)。就拿 2 0 0 0 年來說，我國鐵路貨物周 轉(zhuǎn)量為 1 15 4 9 噸/公里，僅次于俄羅斯和美國一級鐵路，居世界第三位，旅客周轉(zhuǎn)量 3 14 8 億人/公里，遠(yuǎn)高于俄羅斯、日本和其它

10、國家，居世界第仿。從 機(jī)車單位功率生產(chǎn)率來看，我國機(jī)車的單位功率負(fù)荷率居世界之首。隨著運量密度 的提高，輪軌磨耗更加嚴(yán)重.80 年代末全國列車車輪每年光磨損報廢的就達(dá) 13 萬對。還有車輪輪網(wǎng)發(fā)，E 裂紋等其它故障，比如上海車輛段經(jīng)過對 1 9 9 82 0 0 0 年該段發(fā)生故障的統(tǒng)計，該段在這 4年p 批檢輪網(wǎng)裂紋 7 8 起，發(fā)生貨車車輪踏面裂紋缺損 10 件。這些有缺陷的車輪若不被及時檢禽出來并進(jìn)行處 理，將給列車行駛安全帶來嚴(yán)重威脅。由此可見，在機(jī)車運用和檢修中，機(jī)車走行 部件尤其是機(jī)車輪對的檢修和檢查是十分重要的，也是鐵路部門一直密切關(guān)注和不 斷研究改進(jìn)的課題。紅機(jī)乍輪對檢測中，衡

11、量輪對是否合格的指標(biāo)有輪緣磨耗、踏面磨耗、踏面擦 傷等。通過檢洲，司以及時了解輪對的磨損情況，以便采取適當(dāng)措施保證車輛運行 的安全和平穩(wěn)。悶前，我國列車輪對的檢測還停留在手T 階段，測量精度不高，操作條件 差、勞動量大、勞動效率低，測量數(shù)據(jù)存儲和二次處理很不方便。在測量中，人為 因素造成的隨機(jī)誤差很難掌握。因此，為了提高效率以適應(yīng)高速列車及車組轉(zhuǎn)向架 自動檢測的要求，研究一種高精度、高可靠眭的 rl 動檢測機(jī)車輪對各種參數(shù)的 系統(tǒng)是, 十分必要的，具有很大的實用價值。1.2 國內(nèi)外關(guān)于輪對參數(shù)測量技術(shù)的現(xiàn)狀車輪外形幾何參數(shù)的測量方法主要有兩種：一種是列車在檢修時進(jìn)行的測量， 稱之為靜態(tài)檢測法；

12、另一種是列車在運行時進(jìn)行的測量，稱之為動態(tài)檢測法。12. 1 靜態(tài)檢測技術(shù)1、芬蘭車輪外形測量儀 111該測量儀是在 90 年代初研制成功的。可以測繪輪對的外形并將測得的數(shù)據(jù)與 存儲的參數(shù)數(shù)據(jù)比較，進(jìn)而計算出車輪外形參數(shù)并對近限或超限輪對發(fā)出指令。這 個儀器能在 3 秒的時間內(nèi)測量出 1000 個點。每 2 點的間隔僅有 O. 10mm。2測量裝置用永磁鐵安裝在車輪上，包括齒輪和齒條的測量架可在車輪踏面上移動， 傳感器和直線型滑桿負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并傳給控制裝置。計算機(jī)程序把車輪外形放大 3 倍、4 倍或 1O 倍，并以圖像或數(shù)字形式顯示出來，另外還可以直接從控制裝置或 從計算機(jī)繪出車輪形狀或打印測

13、量結(jié)果。第25卷第2期2008年2月公路交通科技Jour nal of Highway and T ran sportati on Research and Developme ntV ol 125 N o 12Feb 12008文章編號:1002O0268(2008 02O0064005收稿日期:2006O10O17基金項目：交通部西部交通建設(shè)科技資助項目(200431800054作者簡介:孫波成(1964-,男,湖北孝感人,工學(xué)博士,研究方向為圖像處理1(su nboch 1631com路面裂縫圖像處理算法研究孫波成1,邱延峻(11西南交通大學(xué)峨眉校區(qū),四川 峨眉山614202; 21西南

14、交通大學(xué)土木學(xué)院,四川成都610031摘要:為了避免傳統(tǒng)人工視覺裂縫檢測方法的耗力、耗時、不精確、影響交 通、危險、，提出了一種新的基于圖像處理技術(shù)的路面裂縫類病害自動識別算法。:,在這個窗口中確定9種不同的掩膜模板,采用最大類間、類內(nèi)距離準(zhǔn)則對圖像進(jìn)行 閾值分割,研究,和R obis on等常用的平滑模板相比,。在對平滑后的圖像進(jìn)行分割 當(dāng)中,和H ough變換、，結(jié)果表明了該算法在精度、速度和可靠性方面具有一定的 優(yōu)勢。關(guān)鍵詞:道路工程；路面裂縫；閾值分割中圖分類號：TP391141; U4161217文獻(xiàn)標(biāo)識碼:APaveme nt Crack Disea se s Recog niti

15、 on Ba sed on Image Proce ssing AlgorithmS UN BoOcheng 1,QI U Y anOju n2(11Emei Branch of S outhwest Jiaotong University , Emeishan S ichuan 614202, China ;21School of Civil Engineering , S outhwest Jiaotong University , Che ngdu S ichuan 610031, ChinaAbstract :C onven ti onal visual and manual road

16、 crack detect ion method is laborOconsuming , nonOprecise , dangerous ,costly and als o it can affect transportation 1T o av oidthese shortco mings , an automatic road crack detect ion alg orithm based on image processwas presented 1It includes tw o steps :firstly , using nine different tem plates i

17、n a 5X5w in dow tosm ooth and enhance no ise paveme nt image ; sec on dly , based on threshold segme ntati onmethod , adopti ng criteri on of maximum class dista nee to segment processed image andextract crack character 1In the end , the foreg oing sm ooth1O因and segme ntati on alg orithm on 200pavem

18、e nt crack images were tested 1C om pari ng with otheraccustomed tem plates , the images are enhan ced and the crack edge is protected IFurther com paring with segme ntatio n methods of H ough trans form and mathematic m orphology , the presentedmethod shows definite advantage in precision , process

19、 ing speed and reliability 1K ey words :road engineering ; crack identification ; image processing ; pavement crack ;threshold segmentation 0引言疲勞開裂和車轍是瀝青路面最主要的破損形式，根據(jù)交通部高速公路養(yǎng)護(hù)質(zhì) 量檢測方法（試行之規(guī)定,需要定期對高速公路路面狀況進(jìn)行調(diào)查，以便制訂相應(yīng) 的維護(hù)策略，其中重要的一項指標(biāo)是路面裂縫。而且準(zhǔn)確的裂縫信息也是路面管理信息系統(tǒng)的需要。傳統(tǒng)的基于人工視覺檢測裂縫的方法愈來愈不能適應(yīng)高速公路發(fā)展的要 求,主要是速度慢，個

20、人主觀程度大，而且花費高，危險還影響正常交通。計算機(jī)高性 能處理器、大容量存儲器及圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，使得路面裂縫的自動檢測與 識別技術(shù)成為可但對于采集到的路面圖像，由于采集工具的不同，路面材料的影響，使圖像包含大量的噪音而對路面圖像裂縫的識別研究主要集中在圖像增強(qiáng)和裂縫目標(biāo)的分割。文獻(xiàn)2采用路面圖像直方圖均衡化來增強(qiáng)圖像；文獻(xiàn)3運用加權(quán)鄰域平均法來平滑路面圖 像；文獻(xiàn)4則采用了中值濾波。在圖像分割方面，大多采用圖像全局信息（如整幅圖 像的灰度直方圖和局部閾值（把原始圖像分為幾個小的子圖像來求出最優(yōu)分割閾值24。也有其他的路面圖像分割算法，如文獻(xiàn)采用了基于樣本空間的圖像分割算法。本文參考上

21、述路面圖像裂縫識別的各種算法，根據(jù)道路圖像自身的特點，法,類 間、提取圖像上的裂縫特征。1圖像增強(qiáng)圖像增強(qiáng)是相對圖像識別、圖像理解而言的一種前期處理，目的是采用一系列方法改善圖像的效果或?qū)D像轉(zhuǎn)換成一種更適合人或計算機(jī)進(jìn)行分析處理的形式，主要是指按需要對圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q突出某些有用的信息或削弱無用的信息，如改善圖像的對比度、去除噪音或強(qiáng)調(diào)邊緣的處理等。圖像增強(qiáng)的方法一般分為空間域和變換域兩大類，常用的圖像增強(qiáng)方法有空間 域單點增強(qiáng)、圖像平滑、圖像銳化、圖像濾波等6。111空域濾波圖1圈積運算方法Fig 11 Loop product alg orithm在一幅數(shù)字圖像中，相鄰區(qū)域的變化大于區(qū)

22、域內(nèi)部的變化，同一區(qū)域內(nèi)部中間像素的變化小于邊緣像素的變化。為了減少和消 除圖像中的噪音，改善圖像的質(zhì)量，抽取圖像的線形特征，目前空域濾波采用最多的是小區(qū)域模板卷積的方法（圖1。具體計算時，實現(xiàn)將模板中心和圖像中待處理的某 像素點重合，并將模板各元素與模板下各自的對應(yīng)像素值相乘，最后將模板輸出響應(yīng)（上步計算出的模板各元素乘積之和 作為當(dāng)前模板中心所在像素 的灰度值。為了更好地突出圖像線形特征的方向性，通常的做法是對上述單模板進(jìn)行擴(kuò)展 構(gòu)造8個方向的模板。通常，對圖像中的一個像素，它共有8個相鄰點，因此從該點 出發(fā)具有8個方向?？梢允孪葮?gòu)造8個不同方向、大小為3X3的模板,如圖2所示L那無曲薛*

23、藝摩田巨坯需羋決旳汕3T得斗巔弱倖鞫緋卻叩鬱藉輕加皿掾風(fēng)妊圭工獅窖冉岳音專理工笹海圖2模板方向定義圖Fig 12 T em plate directi on defi niti on將這8個模板依次作用于同一圖像窗口。對于每一個模板,將圖像窗口內(nèi)各像素的灰度值分別與模板對應(yīng)位置的元素相乘 加求和,記為C i ,其中i =0, 1,。,則圖像窗口中心像素的輸出值為,再累1g (m , n =max (C 1。(1常用的有3種，即R obis on模板、Prewitt模板和K irsch。例如R obis模板的:M 0=121000-1-2, M 1= 2101010-1,M 2=10-12-21

24、0-, M 3=0-1-210-1210,M 4=-1-2-100012,M 5=-2-10-10101, M 6=-101-202-1,M 7=012-101-2-1。112掩膜平滑法圖像中存在這樣一個基本事實：同一區(qū)域內(nèi)部的像素之間灰度變化平緩，起伏較 小,統(tǒng)計方差??；在區(qū)域邊緣，像素之間灰度值的起伏變化大，統(tǒng)計方差大。掩膜平 滑的目的在于進(jìn)行濾波操作的同時，盡可能不破壞區(qū)域邊緣的細(xì)節(jié)。此方法在對路 面圖像進(jìn)行增強(qiáng)時，既可以去除圖像噪音，又能較好地保護(hù)裂縫的邊緣56第2期孫波成,等:路面裂縫圖像處理算法研究細(xì)節(jié)。本文以一個55的窗口為基準(zhǔn),中心位置為（j , k ,在這個窗口中確定9種不同

25、的掩膜模板，如圖3所JJJI兒如屮WKJ#碎尸“嚴(yán)如L|VU!bUfllLq&r&joba&uiIJJGiuqn?(Li*iCCUILOJrccjjpjo uuq luipLUJHifo (cpuojoKA1的何點/4nLGUfu pdnibwcma ps pccu qcxjotxq1rpn? pip cicrGUC nuq ccouou憐制cujcpuc uqjobcq cmw也w ?w：p悅yqguccq Lcacncp p呢pwui-0GIU己鼻找tX oiiiEnibou(!QjupjiiJUOnt GQnuul|JS pc j?科!JJ uj&nusq nsiu丄口I屮MpCJZCI

26、禺甲o(hù)uc OLUJ02I屮巾山9蟲屮CLCJJ9U會盟p|G CCUDboUGUR ftJ QJC A =值化固像(e)Roberts 算子提取得到的邊緣 固 14 踏面圖像處理效果圈用數(shù)碼相機(jī)實現(xiàn)輪對踏面尺寸的非接觸測量是可行的，對輪緣高度、輪緣厚度 及踏面磨耗的37-401G U X ingOyu , DONG Qiao , NI FuOjia nResearch on CrackProgressi on of C ontinu ously Rei n forced C on crete Paveme nt J1Jo urnal ofHighway and T ran sportatio

27、 n Research and De 2velopme nt , 2007, 24(6 :37-4018動態(tài)檢測自動優(yōu)程度高，不占車輛周轉(zhuǎn)時間，便于存儲信息資料，近 2 0 年來 受到各國的重視。對車輪外形參數(shù)施以動態(tài)檢測.可以隨車測量或地面測量。隨車測量就是 在機(jī)車車輛上安裝中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文緒論車輪外形參數(shù)的測量系統(tǒng)，雖然能夠做到實時監(jiān)控，但需要為所有的車輪都安 裝傳感器，不經(jīng)濟(jì)也沒有必要。據(jù)資料介紹，目前僅有日本鐵路對新干線電動車組開發(fā)試用了隨 車式車輪磨耗形狀檢測裝置。地面測量就是在線路上固定安裝車輪外形參數(shù)的測量系統(tǒng)對于大 量正在運用的機(jī)車車輛而言，這種地面式動態(tài)測量設(shè)備最為

28、理想。下面主要介紹幾種典型的地面 式檢測裝置。1、俄羅斯輪對參數(shù)自動化檢測裝置俄羅斯在 9 0 年代中期采用超聲遙測方法研制成功輪對參數(shù)自動化檢測裝置。 當(dāng)機(jī)車車輛以不大于 5km/h 的速度運行時，遙測傳感器組可測出距車輪各個特征表面的 距離，經(jīng)分析處理后，可得出車輪直徑、輪緣厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等參數(shù)。其測量誤差分別 為：輪徑誤差不大于tmm，輪緣厚度誤差不大于 o 5mm，踏面磨耗誤差不大于 o .30ra m。整套測量裝置由傳感器組、地面測量單元、數(shù)據(jù)傳輸線路、操作控制單元 u#l -部設(shè)備等組成。多通道的傳感器組利用卡座緊固在軌底上，其作用是將車輪的機(jī)械參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號：地面測量

29、單元完成傳 感器信息的收集和模數(shù)轉(zhuǎn)換等工作，并通過雙線數(shù)據(jù)傳輸線路與操縱控制單元連接，傳感器組與 地面測量單元之間的距離可達(dá)到 2 0m ;操縱控制單元包括主機(jī)、顯示器、鍵盤和供電組件等設(shè) 備。主機(jī)負(fù)責(zé)處理由地面單元傳送的數(shù)據(jù)，并將被檢測車輪的輪廓外形變換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，以便 觀察和獲得車輪的磨耗狀態(tài)，所得的信息資料可以清晰地呈現(xiàn)在顯示器上，地面測量單元與操縱 控制單元之間的距離可達(dá)到 5 0 0 m ;外部設(shè)備包括中央計算機(jī)和打印機(jī)等，中央計算機(jī)可動態(tài) 管理和集中檢查全部車輪的外形數(shù)據(jù)，打印#LE，f J 可將檢測結(jié)果文件化。整套裝置由交流 2 2 0V 電源供電，所需功率小于 2 0 0W

30、。它可在車輪運動的工況下測出車輪的外形輪廓，然后將該踏面外 形同存儲的標(biāo)準(zhǔn)踏面外形進(jìn)行比較，得到有關(guān)車輪磨耗的數(shù)據(jù)信息，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該裝置具 有很高的穩(wěn)定性，可以保證車輪外形參數(shù)測量所必需的精度。全部檢測作業(yè)均自動完成，無須操 作人員的干預(yù)。2、羅馬尼弧車輪外形磨耗自動檢測裝置 pJI羅馬尼弧鐵路在 90 年代初研制成功車輪外形磨耗自動檢測裝置。檢測過程是 利用采集圖像的閉環(huán)系統(tǒng)和數(shù)字處理的視頻測量系統(tǒng)來記錄列車車輪的外形圖像并在通過 微機(jī)確定車軸序號的同時，直接在圖像上進(jìn)行測量，然后打印和處理影響運行安全的危險情況。 裝置由測量和控制單元、CCD 攝像單元、連續(xù)縫隙光照單元、車輪導(dǎo)向單

31、元、圖像采集單元、 微機(jī)單元以及數(shù)據(jù)傳輸單元組成。當(dāng)機(jī)車車輛以限定速度（V 10km/h）運行時，安裝在軌道 上的檢測設(shè)備可捕捉所有車輪的外形輪廓，通過計算機(jī)程序的處理和分析，可以得出車輪外形的磨耗參 數(shù)并做出判斷和進(jìn)行處理。經(jīng)常使用該自動檢測裝置監(jiān)測車輪外形的磨耗狀況，可以防止車輪在 2 次定期修理期間各種缺陷的產(chǎn)生，同時還可以為診斷車輪技術(shù)狀態(tài)，預(yù)測車輪使用壽命提供詳 盡的信息資料。3、德國輪對自動診斷裝置德國鐵路與 80 年代末期研制成功輪對自動診斷裝置。其主要功能就是當(dāng)列車 以小于 5krn/h的速度運行時，自動測量車輪斷面的幾何參數(shù)。該裝置的工作原理是；將縫隙 光帶以規(guī)定角度投射到車

32、輪上形成可辨認(rèn)的輪廓，同時用攝像機(jī)在對應(yīng)角度捕捉反射的光束。車 輪圖像是通過布置于每根鋼軌上的 4 個半導(dǎo)體攝像機(jī)拍攝的，這樣能夠覆蓋被測車輪的 4 個斷 面，經(jīng)分析處理后便可計算出輪緣厚度、踏面磨耗和車輪內(nèi)距等參數(shù)。該設(shè)備由中央計算機(jī)控制， 所有的測量數(shù)據(jù)都存儲在計算機(jī)文件庫內(nèi)，以便隨時掌握輪對的工作經(jīng)歷。整套裝置安裝在漢堡 機(jī)務(wù)段的綜合檢查車間內(nèi)，可實現(xiàn)非接觸動態(tài)檢測。為了校準(zhǔn)診斷設(shè)備和快速檢驗設(shè)備功能。裝 置采角標(biāo)準(zhǔn)輪對來確定測量缺陷和浸 4 量誤差。4中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文緒詮4、美國車輪自動檢測系統(tǒng)美國 Loram 公司于 90 年代中期研制成功 2 種型式的車輪自動檢測系統(tǒng)，

33、低速檢測型和高速檢測型。低速檢測型可在列車運行速度不超過 8km/h 的情況下輸出圖像、 圖表和統(tǒng)計數(shù)據(jù)：高速檢測型可在列車運行速度不超過 72km/h 情況下打印出測量數(shù)據(jù)和報告。 現(xiàn)場試驗表明，該套系統(tǒng)可以自動測量列車的通過速度，具有連續(xù)圖像采集、連續(xù)數(shù)據(jù)處理和車輪計 數(shù)等功能，可測量輪緣厚度、踏面磨耗和車輪直徑等參數(shù)，同時在精確度以及方便性和安全性等 方面，均能滿足使用要求。5、我國關(guān)于車輪參數(shù)的動態(tài)自動檢測近年來，我國鐵路工作者在車輪參數(shù)的動態(tài)自動檢測方面也做了大量的工作和 相關(guān)的研究，根據(jù)收集的資料，目前仍無臺完整實用的測量裝置。其中以北方交通大學(xué)和 鄭州鐵路局聯(lián)合研制的車輪扁疤和擦

34、傷檢測裝置較為成功 llq,其測量原理是根據(jù)因扁疤擦傷 引起的車輪振動變化來計算扁疤擦傷的程度。如圖 15 所示該裝置由兩套四連桿機(jī)構(gòu)和相對應(yīng)的位移傳感器組成，四連桿機(jī)構(gòu)固定在鋼軌上，構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)。位移傳感器通過支座固定在構(gòu) 成平行四邊形機(jī)構(gòu)邊的鋼軌上。該裝置在列車運動中能定量測量列車車輪踏面磨損及擦傷。圖 15 列車車輪踏面擦傷及磨損動態(tài)測量裝置輪對外形尺寸檢測技術(shù)在經(jīng)歷了 3 0 多年的發(fā)展后已日趨成熟，從直接接觸測 量的接觸式檢測到利用光學(xué)圖像測量技術(shù)的非接觸式檢測：從便攜式的靜態(tài)檢測到在線動態(tài) 檢測，形成了各具特色、原理各異的多種檢測技術(shù)。其中，咀 CCD 圖像測量技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)

35、的 檢測裝置具有檢測1速度快、精度高、自動化程度高、能實現(xiàn)車輪外形尺寸的非接觸在線動態(tài)檢測 等特點，日益受到國內(nèi)外的 r 泛關(guān)注，引領(lǐng)著車輪外形尺寸非接觸式在線動態(tài)檢測的方向。國外利用 CCD 圖像測量技術(shù)成功地開發(fā)出了用于檢測車輪外形尺寸的自動化 檢測裝置，但是造價昂貴，很難在國內(nèi)推廣。國內(nèi)也作了相關(guān)的研究而且也試制出樣機(jī)， 但是沒有得到推廣應(yīng) J；J。利用先進(jìn)的 CCD 圖像測量技術(shù)開發(fā)高精度、自動化的輪對在線動態(tài)檢測裝 置，必將推動國內(nèi)輪對自動檢測技術(shù)的發(fā)展，改變我國落后的檢測現(xiàn)狀，保證機(jī)車的安全運 行，加速鐵路的現(xiàn)代化建設(shè)。順應(yīng)鐵路的高速、重載、高密度運行發(fā)展方向。同時也為機(jī)車其它部

36、件的外形尺寸檢測提供了可借鑒的經(jīng)驗。5中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文緒論?4f.1.3 本課題的研究內(nèi)容針對我國目前在列車輪對檢測技術(shù)方面存在的問題以及北京雙橋車輛段的需 要，本文對基于圖像處理的列車輪對非接觸檢測方法進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容如 下：(1) 基于圖像處理輪對參數(shù)檢測軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計，并分析系統(tǒng)的性能及 影響圖像測量的精度和誤差因素。(2) 如何實現(xiàn)多個參數(shù)圖像的分通道自動采集過程。(3) 圖像去噪的研究，必須保證在處理過程中，盡可能不丟失邊緣的前提下 達(dá)到去除噪聲的目標(biāo)。(4) 重點研究如何從圖像中分割井提取出所需邊緣，分析適合分割輪對參數(shù) 圖像所要用到的方法，要求提取的邊緣能夠

37、達(dá)到測量精度要求。(5) 研究一種標(biāo)定模型，能夠保證測量結(jié)果滿足精度要求。本課題要求在 Windows 2 0 00 系統(tǒng)上開發(fā)，軟件實現(xiàn)工具為 Visu alc+6. 0 和 Acess2000o6中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計第二章輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計本章首先介紹輪對幾何參數(shù)的定義，明確有關(guān)的測量參數(shù)；然后對本系統(tǒng)的總 體設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。2.1 圖像測量技術(shù)的原理圖像測量”是當(dāng)測量被測對象時，把圖像當(dāng)作檢測和傳遞信息的手段或載體麗 加以利用的測量方法，最終目的是提取圖像的特征信號。圖像測量技術(shù)是近年來測 量領(lǐng)域中形成并發(fā)展起來的新型技術(shù)，它是以現(xiàn)代

38、光學(xué)為基礎(chǔ)。融光電子學(xué)、激光 技術(shù)、計算機(jī)圖像學(xué)、信息處理、計算機(jī)視覺、機(jī)械、自動化控制等科學(xué)技術(shù)為一 體的現(xiàn)代測量技術(shù)，組成了光、機(jī)、電、算綜合的測埯系統(tǒng)。它廣泛應(yīng)用于幾何量 的尺寸測量、航空等遙感測量，精密復(fù)雜零件的微尺寸測量和外觀檢測以及光波干 涉圖，應(yīng)力應(yīng)變場狀態(tài)分布圖等和圖像有關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域中。圖像測量的主要目的就 是正確地測量和處理圖像。圖像鍘量系統(tǒng)的測量原理是通過處理被測物體圖像的邊緣而獲得物體的幾阿參 數(shù)。高精度圖像測量系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、CCD 攝像機(jī)、圖像處理系 統(tǒng)、計算機(jī)及其外設(shè)五大部分紺成。它主要應(yīng)用幽像測量技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，把被 測工件的圖像當(dāng)作檢測和傳遞信息

39、的載體。由光學(xué)測量系統(tǒng)、圖像輸入設(shè)備和計算 機(jī)，在線非接觸式地獲取大量的被測工件的原始圖像，應(yīng)用邊緣檢測算子對原始圖 像進(jìn)行處理。檢測赴圖像的邊緣點數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得物體的幾何參 數(shù)。并根據(jù)測量數(shù)學(xué)模型和測量要求，計算處理得到物件指定尺寸的測量結(jié)果，并 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)樣塊零件對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，從而獲取高精度的測量結(jié)果。2.2 測量系統(tǒng)的設(shè)計2.2, 1 輪對幾何參數(shù)的定義 I、 ：六玄一一J1B J、姻J 爿二曠1 iij龠器、-LL L 掣 t!Lk 歲蛐，f 囂汀割剝飛剽蚓圳鹺圈 2 1 輪對幾何參數(shù)的定義 7圖 2 II 處放大田中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計

40、輪對幾何參數(shù)包括車軸直徑尺寸和車輪有關(guān)尺寸：如圖 21 為輪對兒何參數(shù)的定義，圖22 為圖 21 中 I 處放大圖：1、車軸直徑尺寸目前。我國列車普遍采用滾動軸承車軸車輛段檢修的輪對中絕大多數(shù)是滾動 軸承車軸。車軸的輪座部分與車輪的輪轂采用過盈配合，由于輪對的長期使用和檢 修使輪座部分的軸徑尺寸發(fā)生變化.同時，軸中央的尺寸也因檢修過程的清洗、打 磨等原因受到影響。因此，我國鐵路部門在輪對的檢修規(guī)程中對軸中央直徑（軸身 直徑）和輪座直徑的檢查作了明確的規(guī)定。2、車輪尺寸參數(shù)本課題主要研究磨耗型的踏面，如圖 22 所示，圖中曲線 1 表示輪網(wǎng)原形輪廓線.曲線 2 表示輪網(wǎng)磨耗后輪廓線的一種形式。車

41、輪有關(guān)尺寸參數(shù)包括：1輪緣厚度 A:指從踏面距輪網(wǎng)內(nèi)側(cè) 70 mm，再向上 12 mm 處到輪網(wǎng)內(nèi)測 的水平距離。輪緣厚度與走行穩(wěn)定性關(guān)系很大，厚度越大，輪緣游間越小，對軌道 的方向不平順反映敏感；輪緣游間過大，容易使輪對產(chǎn)生過大的橫向振動，影響走 行平穩(wěn)住。2踏面磨耗 E:指運用后輪對踏面上距輪網(wǎng)內(nèi)側(cè)面 7 0 mm 處與標(biāo)準(zhǔn)踏面之間 的垂直距離差。輪網(wǎng)厚度 c:指從踏面上距輪網(wǎng)內(nèi)側(cè)面 7 0 mm 處到輪網(wǎng)內(nèi)側(cè)倒 角處的存之距離，4車輪直徑：指從踏面上距輪網(wǎng)內(nèi)側(cè)面 7 0 mm 處的車輪直徑，在輪對檢修 中，左右輪徑差至關(guān)重要，左右輪徑無差別時，輪對在左右等分的輪緣游間情況下 滾動，對軌道

42、的方向不平順反映不敏感；實際運用中的左右輪徑差將使輪緣接觸經(jīng) 常接近臨界值，輪對即產(chǎn)生沖角而滾動，這不僅使脫軌安全性能低下，而且使曲線 通過性能降低。5輪網(wǎng)寬度 D:指輪網(wǎng)內(nèi)外側(cè)間的水平距離。6輪對內(nèi)側(cè)距：指同一輪對兩個輪網(wǎng)內(nèi)側(cè)間的水平距離，測量過程中需要對輪 對的三個等分處分別測量，并求出 f 旬側(cè)距最大差。車輪內(nèi)側(cè)距參數(shù)直接關(guān)系到輪 對是否順利通過道岔，是安全性方面必須規(guī)定的尺寸。2.2.2 測量系統(tǒng)的組成圖 2，輪對參數(shù)測量系純 8中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)由硬件環(huán)境和軟件系統(tǒng)組成。硬件環(huán)境一般分為兩大類型。市場上圖像處 理的硬件多種多樣，價格相差極為懸

43、殊，從總體上看也大致對應(yīng)分為兩類：一是在 計算機(jī)主板的 PCI 插槽中插入一個采集卡，該卡有刷新圖像存儲器等專用硬件， 面圖像進(jìn)一步處理、分析、計算、判斷等工作則由計算機(jī)軟件來完成，這種類型可 簡稱為軟件型圖像處理系統(tǒng)， 其處理速度完全取決于計算機(jī) CPU 的運算速度和圖 像卡采集速度，另一類是利用專用硬件圖像處理，而主機(jī)僅作為發(fā)布命令及進(jìn)行小 部分處理，圖像硬件處理可以脫機(jī)進(jìn)行。此專用硬件稱為圖像計算機(jī)，因此這一類 可稱為圖像計算機(jī)型圖像處理系統(tǒng)。1、硬件系統(tǒng)輪對參數(shù)測量系統(tǒng)采用的是軟件型圖像處理系統(tǒng)，它采用的硬件是通用的、市 場量大，技術(shù)支持好。性能價格比高，并且可以很方便的更新其中的某一

44、個部件： 而通過軟件的編寫可以很好的開發(fā)出靈活適用的圖像處理算法，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行豐 富的處理，對分析的結(jié)果按要求反饋給控制系統(tǒng)以及與各個通信、控制、檢測部件進(jìn)行協(xié)調(diào)，有利于整個系統(tǒng)按規(guī)定協(xié)同工作；某個硬件的升級更換也可以很方便的 通過模塊化的軟件設(shè)計來保證其正常的工作。其硬件系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 3 所示。硬件系統(tǒng)由光源及其控制系統(tǒng)、光學(xué)鏡頭、CCD(電荷耦合器件，Char geCoupledDevice )攝像機(jī)、伺服電機(jī)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制卡、驅(qū)動 器、圖像采集卡、光源、微機(jī)以及圖像與數(shù)據(jù)的輸出沒備等部分組成，具體硬件要 求及功能如 F:1光源及其數(shù)控系統(tǒng)：采用 7 個射燈光源分布在檢測

45、位置的背景處，通過控制 卡來限制和選擇射燈的開關(guān)，以便在視場中獲得均勻的光照，保證圖像具有一定的 對比度和亮度。2光學(xué)鏡頭：用于將目標(biāo)放大后聚焦在 CCD 光敏元件上，3CCD 攝像機(jī)：采用 CM-2 2IA 星光級黑白攝像機(jī)，有效象素 3 0 萬 5 12(H)X5 8 2 (v) 1,超低照度，保證了高質(zhì)量地將圖像轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號，4圖像采集卡：采用 0K_C30S 基于 PCI 總線的高速彩色/黑自圖像采 集卡，將 CCD 攝像機(jī)視頻圖像信號量化后采集到彩色圈像存儲體中，并配以相應(yīng) 的支撐軟件進(jìn)行預(yù)處理，支持某些圖像處理算法的硬件處理。主要技術(shù)性能及指標(biāo)：實時采集彩色和黑自圖像：視頻輸

46、入可為標(biāo)準(zhǔn) PAL、 NTSC 或 SECAM 制信號；六路復(fù)合視頻輸入選擇或三路 Y/C 輸入選擇；亮 度、對比度、色度、飽和度軟件可調(diào)；圖像采集顯示分辨率最大 7 6 8 X5 7 6; 具有圖形位屏蔽功能，可開窗采集：硬件完成輸入圖像比例縮??；具有硬件鏡像反 轉(zhuǎn)功能；支持 RGE32、RGE24、RGEl6、RGEl5、RGE8、Y UVl6、YUVl2、Yuv 9、黑白圖像 GRAY8等圖像格式；視頻 A/D 為 8bits ;可采集單場，單幀，間隔幾幀，連續(xù)相鄰幀的圖像，精確到場：一 路輔監(jiān)輸出。5主機(jī)：RPC 5 0 0 工控機(jī)，工業(yè) CPU 卡，內(nèi)存 2 5 6 id。負(fù)責(zé)對 圖

47、像進(jìn)行各種變換處理，完成輪對參數(shù)測量分析等運算操作，并提供入機(jī)交互操作 環(huán)境。6打印機(jī)：采用 HPLaserJet6LPCL 打印機(jī)作為系統(tǒng)測量結(jié)果輸出，能夠輸出高質(zhì)量的圖表和文檔。7光源控制卡：普通 I/o 控制卡即可，能夠?qū)崿F(xiàn)兩路輸出，在采集輪對踏面 圖像時能夠控制其它 5個射燈關(guān)閉，當(dāng)全部檢測完之后自動關(guān)閉所有射燈，在檢測 開始時使所有射燈光源全部打開。9中嗣農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計8其它輪對夾具、流水線控制等輔助控制系統(tǒng)。2、軟件系統(tǒng)輪對參數(shù)測量系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件和圖像測量系統(tǒng)兩部分組成，其中系 統(tǒng)軟件包括圖像采集卡接口軟件、光源控制卡驅(qū)動程序軟件；圖

48、像測量分析軟件實 現(xiàn)了輪對參數(shù)檢測圖像平滑、分割以及對分割后的圖像邊緣點進(jìn)行曲線擬合，對測 量結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中并可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，能對測量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定分析得出準(zhǔn) 確的測量值，以及報表打印輸出等功能。圖像處理軟件主要由系統(tǒng)控制部分，圖像處理部分，檢測結(jié)果標(biāo)定，數(shù)據(jù)管理 四大部分組成，軟件模塊采用 Visualc+6.0 工具開發(fā)，數(shù)據(jù)源在 Ac cess 2 0 0 0 中建立，運行在 Window 2 0 00 環(huán)境F，全中文操作界 面，系統(tǒng)操作簡單易學(xué)，方便用戶使用。1系統(tǒng)控制部分:a、 初始化：完成系統(tǒng)、圖像卡、控制卡及數(shù)據(jù)文件的初始化工作，在程序中 判斷其初始化的狀態(tài)。b、 圖像采集

49、卡操作：動態(tài)采集并凍結(jié)一幅 8 位的灰度圖像，捕獲圖像到內(nèi) 存。2圖像處理部分；a、 圖像預(yù)處理：噪聲消除是圖像處理的關(guān)鍵。主要用到了灰度變換、空間域 濾波、中值濾波以及改進(jìn)的中值濾波方法。b、 圖像分割：圖像邊緣的精確定位是圖像處理的難點，也是本課題的主要部 分。根據(jù)輪對不同位置的圖像，綜合考慮了多種圖像分割技術(shù)，主要采用了閾值分割中 的迭代閩值和閥值插值方法、邊緣算子檢測方法以及基于形態(tài)學(xué)的斷點連接方法： 檢測后的圖像數(shù)據(jù)是二值的，給后續(xù)處理帶來了便利。c、 邊緣點的擬合連接：主要對分割后的圖像進(jìn)行邊緣的提取，這里采用了投 影法和邊界跟蹤的方法。3檢測結(jié)果標(biāo)定；采用了線性模型，利用最小二乘

50、法求得標(biāo)定系數(shù)。提高了圖 像的校正精度。4數(shù)據(jù)管理：把每一個輪對測量結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中，并且可以對數(shù)據(jù)庫中的 數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除、編輯、報表輸出等功能。2.3 圖像測量精度和誤差的分析及其措施計算機(jī)處理的并不是最初的輪對輸入圖像而是園系統(tǒng)特性限制而質(zhì)量降低了 的受噪聲干擾的圖像。 實際上，處理過程的每一步都會引入噪聲。在商精度圖像測量系統(tǒng)中，圖像采集、傳翰和數(shù)據(jù)的處理、分折是其處理過程 中的兩個主要任務(wù)。所有這些過程非常復(fù)雜，并且由于圖像測量系統(tǒng)是一個涉及到 光、電子、計算機(jī)和機(jī)械等多種器件的復(fù)雜系統(tǒng)，其各個環(huán)節(jié)都可能由于噪聲對精 度的干擾而使得測量出現(xiàn)大的偏差，甚至據(jù)此作出錯誤的判斷和決策。如果不

51、對這 些影響精度的因素進(jìn)行分析并作出相應(yīng)的措施，那么這個系統(tǒng)是不能很好的運作 的。前幾節(jié)已經(jīng)指出，一般的二維圖像測量系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、被測物件、光學(xué) 成像系統(tǒng)、圖 1O中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計像攝入器件和 計算機(jī)組成。因此，影響系統(tǒng)精度的因素主要有：照明系統(tǒng)。光學(xué)成像系統(tǒng)，cc D 攝像器件，圖像采集卡，軟件算法。這一節(jié)我們主要分析這些影響圖像測量精度 的因素和誤差，并介紹了一些減少或消除這種誤差影響的措旌，其中有些措施在后 續(xù)的章節(jié)中具體涉及。2.3，1 照明視場噪聲照明視場噪聲有兩類：類是隨時間而變化的隨機(jī)起伏噪聲，它由供電電源波 動以及光溺本身發(fā)光的不穩(wěn)

52、定而產(chǎn)生；另類則是隨空間的起伏而變化，這種變化 主要因為照明系統(tǒng)光源本身不是真正點光源，而是一個具有不同發(fā)光強(qiáng)度的線或面 光源，以及照明光學(xué)系統(tǒng)的不完善（像差或調(diào)整不好）而引起的，即使采用柯拉照 明方式，也不可能使整個視場達(dá)到嚴(yán)格的均勻照明，特別是在測量大：件時尤其 明顯。在課題中。被測工件表面有相當(dāng)?shù)幕《龋錅y量的目標(biāo)由于受到加工的影響 具有一定的深度，對光源的照明提出了更高的要求，不然造成陰影、視場照度不均 勻，會給測量的精度造成極大的損害。解決的一個方法為使用穩(wěn)定的光源，我們沒有象大多數(shù)情況下采用白熾燈從一 個或多個方向來照明，cf【沒有完全依賴于自然光，而是采用專門設(shè)計制作的數(shù) 控環(huán)行

53、照明光源.其光源比較穩(wěn)定，具有亮度適宜、照明均勻不閃爍、光線柔和、 成像清晰，無陰影和立體感強(qiáng)的優(yōu)點，可以非常簡便的調(diào)節(jié)各個方向的發(fā)光二極管 的亮度。較好的解決了照明問題。另一個解決方法是采用軟件消除照明視場不均勻 性的影響，這樣可極大地降低對照明系統(tǒng)的要求，同時又不降低系統(tǒng)的測量精度。 在課題中，采用最小二乘擬合來消除這種線性系統(tǒng)誤差，設(shè)攝像機(jī)在位置 Z 時，線性系統(tǒng)誤差可表示為：g（i，z）2f（/，z）+azi+b:f2.I）式中雙 i，z ）為受干擾的灰瘦值，墳，z ）為理想灰度值。屯，墳先攝像 機(jī)在位置 Z 時有關(guān)的變量，ai+b :為線性變化項。在計算評價函數(shù)之前，可 用最小二乘線

54、性擬合消除這種干擾。2.3.2 光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)在數(shù)字圖像處理中扮演重要的角色。因為它們幾乎總會出現(xiàn)在圖 像處理系統(tǒng)的前端（有時候是兩端都有）。而最前端的數(shù)據(jù)采集對整個系統(tǒng)性能和 精度的影響是不言而喻的。光學(xué)系統(tǒng)對圖像產(chǎn)生兩個效應(yīng)：一是成像時的投影（關(guān) 系）以及由于衍射及透鏡的像差造成的像質(zhì) F 降（退化）。像質(zhì)下降源自：光的波 動本質(zhì)；由于并不完美的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和制造而產(chǎn)生的像善。這是限制圖像質(zhì)量的 兩個因素。精心設(shè)計的透鏡可以使像差達(dá)到最小，盡管還不能完全消除它。衍射效 應(yīng)的產(chǎn)生是由于光的波動本質(zhì)和透鏡的大小有隈。由于在圖像處理裝置中一般都采 用像差較小的高質(zhì)量光學(xué)組件，所以限制圖

55、像質(zhì)量的重要因素常常是衍射效應(yīng)。幾何畸變討論圖像點在圖像平面的位置問題。由于在設(shè)計、安裝鏡頭組成攝像 機(jī)光學(xué)系統(tǒng)中的不完善，必須考慮位置誤差。用下式表示：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計p = x+ dx（x，y） f Y =Y+dy(x,Y)(2?2)式中，x,Y 是不可觀測的無畸變圖像坐標(biāo)，X,Y 為畸變后的相應(yīng)坐標(biāo)。如 式（2.3）（2.4 ）表示沿著每個坐標(biāo)的位置誤差量，通常取決于點的位置。 為校正誤差/我們需要分析各種畸變根源以及在圖像平面中建立它們的數(shù)學(xué)模型。 這里，考慮三種畸變：徑向畸變引起給定圖像點從其理想位置向內(nèi)或外偏移，這種 畸變主要由鏡頭的徑向彎曲

56、曲線特性缺陷引起。偏心畸變是由于實際光學(xué)系統(tǒng)存在 不同程度的不同心即偏心的影響。也就是說，鏡頭組的各光學(xué)中心不嚴(yán)格同心。 這種畸變具有徑向和切向畸變。薄棱鏡畸變由鏡頭設(shè)計、制造的缺陷以及攝像機(jī)的 裝配（如，鏡頭組之問圖像傳感器陣列的稍微傾斜）引起。這種畸變可通過附加一 薄棱鏡到光學(xué)系統(tǒng)中，引起徑向和切向畸變附加量而適當(dāng)建模。由成像系統(tǒng)引起的幾何畸變的校正有兩種方法；一種是預(yù)畸變法，這種方法是 采用與畸變相反的非線性掃描偏轉(zhuǎn)法，用來抵消預(yù)計的圖像畸變；另種是所謂的 后驗校正法。這種方法是用多項式曲線在水平和垂直方向去擬合每一畸變的網(wǎng)線， 然后求得反變換的校正函數(shù)，用這個校正函數(shù)可校正畸變的圖像。

57、任何幾何失真都可以由非失真坐標(biāo)系（x，y ）變換到失真坐標(biāo)系 ex。， Y）的方程來定義。方程的般形式為：fx =hl（x，vlIY ）2（x，力。在透視畸變的情況下，變換是線性的，即IX=ax + by + ely =dx + ey +，（2.4）設(shè) f （x，y ）是無失真的原始圖像，g（x ，Y）是 f （x，y ）畸變的結(jié)果，這一失真的過程是已知的并且用函數(shù) h（x，y ）和 h2（x，y ）定義。于是有：g(x7,Y)二 fix,y)(2 5)這說明在圖像中本來應(yīng)該出現(xiàn)在象素(x,y )上的灰度值由于失真實際上卻 出現(xiàn)在(x ) y )上了。這種失真的復(fù)原問題實際上是映射變換問題。在

58、給定了 g(x， Y)、hi(x,y)、h2(x,y )的情況下，其復(fù)原處理可以如 下進(jìn)行：1對于 f (x,y )中的每一個點(M,y 0),找出在 g(x7,y 中相應(yīng)的位置氌 b) = (hl(xo,Y。人 h2() ,yo)j。由于 a 和 b不一定是整數(shù)，所以通常(a,”不會與 g(x ) y 中的任何點重合。2找出 g(x y )中與如”最靠近的點(。1， yl ),并且令 f(x o,y0)=g(xl yJ7)，也就是把 g(x ) Y 點的灰度值賦于 ff xo,y o),如此逐點作下去，直到整個圖像，則幾何畸變得到校正。3如果不采用第二種中的灰度值的代換方法，也可以采用內(nèi)插法

59、。這種方法是 假定(咖)點找到后，在 g(x ) y )中找出包含著札 b)的 4 個鄰近的數(shù)字點(xl，Yl7)、(xl + 1) Yl7)、12中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計(XI7,Yl + l )、(xl + l ) yl + l )并且有：fz)S 口 Vx +ly 切 VY +取，y)中點(x0,y 0)的灰度值由 g(x),Y )中 4 個點肫灰度值聞 的某種內(nèi)插法來確定，以上討論的都是 g,hl,h2 知道的情況下幾何畸變的校 正方法。如果只知道 g,而 hl 和 h2 都不知道，但是若有類似規(guī)則的網(wǎng)格之類的 圖案可供利用，那么就有可能通過測量 g 中

60、的網(wǎng)格點的位置來決定失真變換的近似 值。實際上，不管是圖像點的桶形畸變（負(fù)徑向偏移，它導(dǎo)致外面的點擠在一起， 使比例因子減?。?，還是枕形畸變（正徑向偏移，它導(dǎo)致外面的點擴(kuò)展，使比例因 子增大），它們對處于四周的幽像點的影響是顯著的。我們采用的光學(xué)系統(tǒng)是精制 的，有非常高的制造和裝配精度，而測量的目標(biāo)通常位于圖像的中間，并且可以通 過系統(tǒng)的整體標(biāo)定來量化這種影響，所以并不特別需要在系統(tǒng)中作專門的幾何畸變 校正。2.3.3 面陣 CCD 攝像機(jī)CCD（電荷耦合器件）是一種額穎的固態(tài)集成像感器件，具有自掃描、線性 好、敏感、分辨率高等優(yōu)點。采用 CCD 并配合計算機(jī)圖像信息處理技術(shù)進(jìn)行尺寸 位置測量

61、，可使光學(xué)精密測量鉗去復(fù)雜的機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)其工藝適應(yīng)性和應(yīng)用 效果。雖然在現(xiàn)代傳感器中，暗電流、光響應(yīng)均、以及電荷轉(zhuǎn)移效率低等引起 的誤差相對較小和不重要，但利用 CCD 攝像機(jī)來進(jìn)行高精度測量，這些因素不能 不考慮。I、面陣 CCD 測量原理CCD 高精度、高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換器件，它可以將景物圖像通過輸入面上逐 點的光電信號轉(zhuǎn)換、儲存和傳輸，在其輸出端產(chǎn)生一時序視頻信號，并經(jīng)末端監(jiān)視 器同步顯示出一幅幅可視圖像。由于其靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、操作 方便、易于推廣等一系列其它光電成像器件不能比擬的優(yōu)點，二十多年來，CCD 技術(shù)已在高精度、高效率、非接觸在線檢測方面得到了廣泛應(yīng)_E

62、j。當(dāng)入射光在 CCD 像元上成像時。入射光被 CCD 像元吸收并產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的 光生電荷。在光積分期問.光生電荷被積累并存儲在彼此隔離的像元的勢阱中，每 個像元勢阱中所積累的信號電荷數(shù)與照射在該像元面上的平均照度和光積分時間的 乘積成正比。在電荷轉(zhuǎn)移期間，光生電荷依次轉(zhuǎn)移至輸出區(qū)，通過復(fù)位脈沖的控 制，在輸出級形成視頻信號。每次積分的輸出波形代表目標(biāo)光圖像在 CCD 采樣方 向的瞬態(tài)強(qiáng)度的空間分布。由 CCD 輸出的模擬信號是一個個脈沖信號，這些隨時 間變化的脈沖信號與隨空間分布的光敏像元光強(qiáng)對應(yīng)，通過物距、像距關(guān)系及 cc D 輸出脈沖量的計算來檢測零件尺寸。2、 CCD 攝像機(jī)固定圖像噪

63、聲固定圖像噪聲是由于暗電流分布不均、各光敏元大小、間隔不等所引起的空間 分布噪聲。若用鏡頭蓋遮掉進(jìn)入 CCD 攝像機(jī)的所有光線，此時在監(jiān)視器上進(jìn)行觀 察，在屏幕上可以看到呈周期排列的粗直線條。圖樣不隨時間與空問變化，每次接 通 CCD 攝像機(jī)時的背景圖樣均褶同。從 13中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)論文輪對參數(shù)圖像測量分析系統(tǒng)的設(shè)計采集到的數(shù)據(jù) 看，其灰度等級最大與最小之差達(dá)到 ro 個灰度級。占總的 2 5 6 個灰度級的 4%0由于固定噪聲不隨時間、空間變化，所以只要檢測時分離出噪聲便可予以 清除。3、 CCD 像元光電響應(yīng)非均勻性光電響應(yīng)非均勻性表征面陣 CCD 攝像機(jī)各光敏元響應(yīng)的不一致性。

64、固態(tài)圖像 傳感器由離散的光敏象素組成。盡管現(xiàn)代傳感器芯片中像元之間的幾何精度很高， 但各個像元的響應(yīng)明顯存在不同。理想的情況應(yīng)是每個像元應(yīng)對光產(chǎn)生同樣的響 應(yīng)，并且其響應(yīng)不受落在其它像元光量的影響。然而實際的攝像機(jī)，對光的響應(yīng)各 像元互不相同，且一個像元的輸出不僅依賴于其本身入射照度，而且依賴于相鄰像 元的入射照度。實際上，由于充電飽和延遲充電會擴(kuò)展到鄰近象素。換句話說，一像元的輸出 可能被在其區(qū)域光的特殊分布及落在相鄰像元光量所影響。晌應(yīng)的不均勻性一般為 1%0 為了在測量中實現(xiàn)高精度，校正這個不足顯得非常重要。校正方法通常采用 測量和校正象素值之間的依賴于位置的線性關(guān)系VcWen 甜=aV

65、mc 略川 cd + b（2 7）式中，a 為放大倍數(shù)（增益），b 為附加常數(shù)（偏移）。4、CCD 像元光電響應(yīng)非線性光電響應(yīng)非線性表征了探測器光電轉(zhuǎn)換過釋中比例失調(diào)的缺陷。理想的探測器 在動態(tài)范圍內(nèi)的輸出電壓(或電流)應(yīng)與輸入曝光量成正比：V = K?E 或 1=K E(2 8)而實際器件一般不滿足上述關(guān)系，而且關(guān)系可能比較復(fù)雜。其校正的方法一般 采用查表變換法，過程也分成標(biāo)定和補(bǔ)償兩步。5、 CCD 攝像機(jī)制式轉(zhuǎn)換CCD 是空間離散的采樣結(jié)構(gòu)，而電視信號是連續(xù)的，所以攝像機(jī)電路需將 C CD 一行所有有效元產(chǎn)生的離散信號按一定的時鐘速率讀出，進(jìn)行平滑處理形成 行電視信號。后續(xù)的圖像卡又將一

66、行電視信號重新采樣，形成了離散平滑離散的過 程，圖像卡采樣的象素點與探測器的光敏元沒有確定的對應(yīng)關(guān)系，這必然帶來了失 真，特別是對水平高頻細(xì)節(jié)影響較大；同時也造成圖像卡內(nèi)像元尺寸難于計算，一 般只能由實驗得到，給后續(xù)統(tǒng)計分析帶來了不確超陛。攝像機(jī)讀出 CCD 信號時為 了提高響應(yīng)度。一般將相鄰兩行信號對應(yīng)相加，這也必然使垂直方向的分辨率大大 下降。如果測量中要求高的分辨率，貝 U 應(yīng)采用離散模式。即產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臅r序使 CCD 輸出信號不經(jīng)平滑處理直接按像元作 A/D 變換，并存入圖像卡。這樣圖像卡中的 象素與 CCD 光敏元一一對應(yīng)，可以盡可能保持高頻成分，而且圖像卡中的像元大 小與 CCD 光敏元大小致，給計算帶來了方便。6、 CCD 攝像機(jī)的自動增益控制(AGC )和 g 校正攝像機(jī)內(nèi)部處理電路對測量的影響很大AGC(AutomaticGai nContrO1)電路是電視攝像機(jī)為了增大攝像動態(tài)范圍不使電視信號太弱或 太強(qiáng)的一種典型方法其本質(zhì)是當(dāng)輸入靶面照度較低時.CCD 響應(yīng)信號較弱，A GC 電路自動將增益加大，使最終輸出信號不致太低：反之則自動將 14!旦農(nóng)業(yè)壁研究生蘭業(yè)論文輪對