一种360°踏面图像检测系统及其检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及列车图像采集技术领域，特别是一种360°踏面图像检测系统及其检 测方法。
【背景技术】
[0002] 在交通日益发达的今天，铁路运营里程不断扩大，年客运量飞速增长，促使我国成 为铁路运营大国。随着其运营速度的不断提高，且覆盖面广、载客量大，铁路已成为国民主 要交通运输工具之一。列车轮对是列车运行部件中重要的部分，轮对的工作状态将会直接 影响到货车的运行速度和安全，轮对出现问题会造成难以想象的后果，列车维修人员必须 及时检测轮对状态，及时发现轮对问题，更换超限轮对，从而避免货车事故的发生。轮对最 重要的一个状态参数就是踏面损伤，踏面损伤大小对车轮寿命影响最大。传统的车轮踏面 损伤检测方法是人工手动检测，人工检测不仅存在效率低、精度低、劳动强度高等缺陷，而 且检测过程不可避免会引入测量者人为因素，直接影响检测精度和可靠性，因此迫切需要 动态检测车轮踏面损伤的设备，实时获取车轮踏面参数，实现实时监测车轮状态的目标。目 前国内外在车轮踏面损伤检测与识别算法方面研究较多，大多是按照图像预处理、损伤定 位和检测等算法步骤进行。
[0003]目前针对车轮踏面损伤检测与识别已经采用的图像预处理方法有：图像裁剪、图 像增强、平滑去噪、图像分割等方法（谢子方.基于机器视觉的列车轮对踏面擦伤检测技术 研究.广东工业大学.2007 ;宋志明.列车车轮踏面擦伤图像检测算法研究.硕士学位论 文.2012, 5 ;戴冲，姜向东.车轮踏面擦伤检测[J].仪器仪表用户.2007, 14(5) :95-96)。
[0004] 图像裁剪：图像预处理首先对图像裁减运算，获得擦伤实测区域部分图像。裁剪后 大大消减了图像的冗余信息，减少了图像处理运算量。
[0005] 图像增强：常用方法有空域增强法、频域增强法、小波变换增强法。
[0006] 平滑去噪：滤除干扰噪声，常用方法有：高斯平滑、中值滤波、均值滤波等。
[0007]图像分割：常用区域分割与边缘提取方法，将待检测目标检测出来。
[0008] 目前针对车轮踏面损伤检测与识别已经采用的损伤定位方法有：
[0009] (1)基于踏面边缘线扫描搜索的擦伤定位方法（田丽丽，方宗德，赵勇.铁路货车 车轮踏面伤损检测中剥离与擦伤定位方法[J]，铁道学报，2009, 31 (5) :31-36)，算法如下：
[0010] 1、根据得到的踏面边缘线，从左到右依次平移一个像素，每次平移得到一条扫描 线，最终得到覆盖踏面区域的所有扫描线；
[0011] 2、标示扫描线上跳变点；
[0012] 3、统计扫描线上相邻跳变点之间的像素数目，找出擦伤线；
[0013] 4、返回2,直到覆盖踏面的所有扫描线均已处理，结束循环。
[0014] (2)基于灰度矩的亚像素边缘定位法（谢子方.基于机器视觉的列车轮对踏面擦 伤检测技术研究.广东工业大学.2007);
[0015] (3)基于特征点水平投影的裁剪法（宋志明.列车车轮踏面擦伤图像检测算法研 究.硕士学位论文.2012, 5 ;高向东，谢子方，赵传敏.基于结构光视觉传感的轮对踏面擦 伤快速检测[J].铁道学报，2008, 30(2) :23-27);
[0016] (4)基于小波信号定位（戴冲，姜向东.车轮踏面擦伤检测[J].仪器仪表用 户?2007, 14(5) : 95-96)等方法。
[0017] 目前针对车轮踏面损伤检测与识别已经采用的损伤检测方法有：
[0018] 目前国内外车轮踏面检测方法主要分为两类：静态检测和动态检测。静态检测是 指在列车静止（如检修）时进行的检测。该法检测精度高，但占用机车车辆的周转时间， 且过程复杂（检修时，机车车辆需解体）。动态检测是指在机车行进时进行的测量。该法 与静态检测同步发展，自动化程度高，不占用机车车辆的周转时间，效率高。具体方法分 类为详见文献（张渝、王黎、高晓蓉。国内外车轮踏面检测技术综述[J].机车车辆工艺， 2002(1) : 1-4)。
[0019] 轮对踏面擦伤检测实际上是对提取特征后的图像进行识别，进一步获取该特征所 反映的实体信息一即擦伤的面积和深度（黄熙.基于图像处理与机器视觉的车辆轮对踏面 检测技术研究.中南大学.2002)。常用的方法有：
[0020] (1)激光位移传感器法：此方法主要使用了先进激光位移传感技术，通过激光传 感器往复扫描踏面，生成踏面数字矩阵，再对矩阵进行分析、处理得到车轮踏面的擦伤情 况。对踏面数据依次进行实际偏差获取、插值和对准、滤波去噪、擦伤区域分割，最后显示得 到三维立体的擦伤区域图；
[0021] (2)图像检测法：通过高速数码摄像头获取车轮的图像，再由计算机进行图像还 原或边缘提取等数据处理，然后通过与标准轮缘几何尺寸进行比对，测出车轮的擦伤大小。 高速摄像头的安装方式有车载和地面安装两种，因此具体的数据处理过程也有所差异；
[0022] (3)利用激光检测踏面擦伤法：利用激光在粗糙表面上的散射特性，通过光电传 感器接收反射回来的激光光强度变化，将其转换成电流或电压信号，再通过数字信号处理， 得到踏面的表面粗糙度参数，来检测踏面擦伤情况（王伟强.城轨车辆车轮踏面擦伤检测 技术的研究.硕士学位论文；吴开华.车辆轮对踏面缺陷的光电检测方法研究[J].光学技 术，2005, 31(3) : 465-467);
[0023] (4)基于机器视觉的擦伤测量法，通过建立擦伤数据矩阵摄像机标定和畸变校正， 得到踏面深度实际值（谢子方.基于机器视觉的列车轮对踏面擦伤检测技术研究.广东工 业大学.2007);
[0024] (5)基于振动信号的检测方法，通过小波分析，对列车运行中踏面与轨道产生的振 动检测数据进行算法研究处理，数据处理中采用小波包分解重构的方法对信号滤波，利用 直方图的特性得到擦伤信号的阈值，最后经过剔除邻近轮干扰等处理，最终检测出擦伤信 号（马莉，傅八路，王泽勇，王黎，杨凯.列车车轮踏面擦伤信号处理算法研究[J].铁道技 术监督?2008, 11，37(3) :5-7)。
【发明内容】
[0025] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种能实现动态测量列车轮对状态 目标，实时获取轮对踏面参数，极大减少人工测量带来的误差，提高检测车轮状态效率的 360°踏面图像检测系统及其检测方法。
[0026] 本发明的目的通过以下技术方案实现。
[0027] -种360°踏面图像检测系统，包括相机、光源、车轮传感器和处理单元，所述的处 理单元包括踏面损伤检测与识别系统和360°踏面图像拼接系统，所述的相机和光源安装 在轨道的一侧，所述的相机与轨道之间的距离小于、大于或等于光源与轨道之间的距离，所 述的相机和光源封装在密闭的盒子里，所述的车轮传感器传递触发信号至相机和光源，所 述的相机将图像信息传递至踏面损伤检测与识别系统和360°踏面图像拼接系统。
[0028] 进一步的，所述的相机和光源设有多个，且一一对应设置；所述的多个相机等距离 分布。或者，所述的相机设有多个，所述的光源呈区域分布且与所述的全部相机取景区域吻 合。
[0029] 进一步的，所述的相机设有5个，所述的光源设有5个，每个相机之间的距离为 600mm〇
[0030] 进一步的，所述的相机为工业C⑶相机，所述的光源为LED闪光光源。
[0031] 同时，本发明还公开了一种360°踏面图像检测方法，步骤包括：
[0032] 1)图像采集：工业CCD相机、LED闪光光源接收外触发信号完成车轮踏面图像采 集，每台工业CCD相机拍两幅，5台工业CCD相机将每个车轮拍的十幅采集图像送到踏面损 伤检测与识别系统和360°踏面图像拼接系统，之后同时执行步骤2)和步骤3);
[0033] 2)踏面损伤检测与识别系统对采集到的车轮踏面图像进行处理，步骤包括：
[0034] 第1步：图像预处理，确定踏面图像显著性区域，对图像进行裁剪；然后对裁剪后 的图像进行矫正处理，矫正为矩形形式的踏面图像；采用图像水平投影、垂直投影方法完成 踏面图像精确区域提取；
[0035] 第2步：车轮踏面损伤粗定位，采用大津法求取灰度阈值，然后进行二值化，最后 进行边缘检测和形态学处理得到损伤区域位置；
[0036] 第3步：车轮踏面损伤检测与识别，采用图像模板匹配和特征提取算法实现踏面 损伤类别自动识别；
[0037] 第4步：报警，通过计算损伤区域