一种钢轨表面视觉检测方法和装置与流程

1.本发明属于钢轨探伤技术领域，尤其涉及一种钢轨表面视觉检测方法和装置。


背景技术：

2.目前机器视觉产品在轨道交通行业备受关注，用机器视觉自动巡检技术代替人工巡检已经逐渐形成一种趋势。
3.目前对钢轨表面缺陷检测市场上有2种设备，一种是轨道巡检仪器，一种是钢轨监视仪器。这两类仪器在应用中普遍存在受钢轨光带和轨距角磨耗影响而出现拍摄图像数据过曝、图像质量不清晰的问题，这种过曝现象会严重影响对钢轨表面的纹理和细小缺陷(鱼鳞纹或掉块)的精确检出和智能识别，对钢轨状态的真实情况监测带来不利影响。
4.专利号为202020618702.7的发明专利公开了一种用于巡检车的钢轨表面监视装置，包括分别获取两侧轨道视频数据的单侧监视模块，所述单侧监视模块包括设置于轨道上方的本体，所述本体其中一个固定面上设置有作用于轨道右上侧、正上方和左上侧三个方向的相机，所述固定面与轨道长度方向大致垂直，所述本体为以固定面的法向为拉伸厚度方向的空心立体结构，所述相机固定于本体内部，且本体朝向轨道表面的底面具有供相机光线穿过的监视窗。
5.上述专利一共采用了6个相机、6个光源去多个角度拍摄钢轨表面缺陷，其出发点是好的，但是其忽略了多个角度光源在实际使用中相机拍摄钢轨踏面、轨距角位置更加容易出现镜面反射而导致图像过曝的情况，无法做到钢轨表面纹理缺陷清晰拍照。
6.且现有技术中对钢轨表面图像拍摄方法普遍采用明场照明法、而这种方法优点在于拍摄的图片对比度很高、其对拍摄道床(漫反射)比较有利，但是也因为如此、在钢轨顶面和轨距角位置普遍产生图像过曝现象，这种现象不利于观察钢轨表面纹理特征和细小缺陷(鱼鳞纹或者掉块)，会极大增加图像识别算法难度、降低缺陷自动识别能力，从而影响铁路巡检设备自动化巡检的安全性和可靠性。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明的目的是提供一种钢轨表面视觉检测方法和装置，该方法可有效减少光源在钢轨顶面和轨距角的镜面反射光进入图像采集单元，以防止其采集的图像产生过曝现象。
8.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
9.一种钢轨表面视觉检测方法，包括光源和图像采集单元，采用如下步骤：
10.s1：将所述光源和所述图像采集单元安装于巡检车上，使所述图像采集单元的取景视野对准所述钢轨的顶面和内侧轨距角；
11.s2：调整所述光源的中心光轴和所述图像采集单元的光轴使两者处于同一平面，并使所述光源的中心光轴与所述图像采集单元的光轴的夹角为α角，所述α角的角度范围为10
°‑
60
°
；
12.s3：调整所述图像采集单元使其光轴与所述钢轨的纵截面的夹角为β角，所述β角的角度范围为10
°‑
75
°
，且同时保持所述光源和所述图像采集单元之间的相对位置和角度不变；
13.s4：调整所述图像采集单元使其光轴与所述钢轨的横截面的夹角为λ角，所述λ角的角度范围为-30
°‑3°
或者3
°‑
30
°
，且同时保持所述光源和所述图像采集单元之间的相对位置和角度不变、保持所述图像采集单元的光轴与所述钢轨纵截面的夹角不变。
14.根据本发明一实施例，s1中使所述图像采集单元的光轴对准所述钢轨顶面的中心位置。
15.根据本发明一实施例，s3中使所述光源的中心光轴与所述钢轨的上顶面不相交。
16.根据本发明一实施例，s1中将所述光源和所述图像采集单元安装于安装件上，再通过所述安装件安装于所述巡检车上；
17.s2中所述光源和所述图像采集单元在所述安装件上位置调整完成后，s3、s4中通过调整所述安装件的位置实现调整所述图像采集单元的位置。
18.根据本发明一实施例，包括s5，对所述图像采集单元除了对准所述钢轨的顶面和内侧轨距角的一面外，其余超过所述钢轨表面视野范围的区域均进行遮光处理。
19.基于相同的构思，本发明还提供一种钢轨表面视觉检测装置，包括：
20.安装件，设于巡检车上；
21.光源，安装于所述安装件上且照射范围覆盖钢轨的顶面、内侧轨距角及轨底；
22.图像采集单元，安装于所述安装件上且其取景视野中心范围对准所述钢轨的顶面和内侧轨距角；
23.所述光源的中心光轴和所述图像采集单元的光轴处于同一平面，且两者的夹角为α角，所述α角的角度范围为10
°‑
60
°
；
24.所述图像采集单元的光轴与所述钢轨的纵截面的夹角为β角，所述β角的角度范围为10
°‑
75
°
；
25.所述图像采集单元的光轴与所述钢轨的横截面的夹角为λ角，所述λ角的角度范围为-30
°‑3°
或者3
°‑
30
°
。
26.根据本发明一实施例，所述安装件为罩壳，所述光源和所述图像采集单元均设于所述罩壳内且安装于所述罩壳的同一侧面上，所述罩壳相对于所述钢轨的顶面和内侧轨距角的一面设有拍摄窗口、其余面均封闭。
27.根据本发明一实施例，所述拍摄窗口为透明亚克力板或者透明玻璃，并贴覆有滤光膜，所述拍摄窗口内侧还贴覆有加热装置。
28.根据本发明一实施例，所述图像采集单元为工业线扫相机。
29.根据本发明一实施例，所述光源为激光器。
30.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
31.本发明实施例中通过s2步骤避免大部分光源打在钢轨表面形成镜面反射；通过s3步骤对钢轨的顶面图像拍摄形成暗场照明，解决了钢轨顶面的图像过曝问题，更加有利于钢轨顶面掉块和裂纹等细小缺陷观察和检测；通过s4步骤解决了钢轨内侧轨距角的图像过曝问题，更加有利于对钢轨内侧轨距角鱼鳞纹、掉块、擦伤的观察和检测；通过s5步骤可实
现对外部光线的遮光处理，防止外部光线对图像采集模块产生的干扰。通过s1至s5步骤使得采集的整体图像更加清晰，大大提升了钢轨表面缺陷检出率。
附图说明
32.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
33.图1为本发明的一种钢轨表面视觉检测方法s2示意图；
34.图2为本发明的一种钢轨表面视觉检测方法s3示意图；
35.图3为本发明的一种钢轨表面视觉检测方法s4示意图；
36.图4为本发明的一种钢轨表面视觉检测装置整体示意图；
37.图5为本发明的一种钢轨表面视觉检测装置内部示意图。
38.附图标记说明：
39.1：光源；2：图像采集单元；3：罩壳；4：巡检车；5：拍摄窗口；6：拍摄缺口；7：激光发射电路板；8：开关电源及信号电路板。
具体实施方式
40.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
41.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
42.实施例1
43.参看图1至3，本发明的核心是提供一种钢轨表面视觉检测方法，用于钢轨顶面和内侧轨距角的表面缺陷检测，包括光源1和图像采集单元2，具体采用如下步骤实现：
44.s1：首先将光源1和图像采集单元2安装于巡检车4上，使图像采集单元2的取景视野对准钢轨的顶面和内侧轨距角，以便图像采集单元2可以采集到钢轨的顶面和内侧轨距角的图像。
45.具体的，将光源1和图像采集单元2安装于安装件上，再通过安装件安装于巡检车4上。且安装时使图像采集单元2的光轴对准钢轨顶面的中心位置。
46.本实施例中光源1为激光器，图像采集单元2为相机。
47.s2：参看图2，调整光源1的中心光轴和图像采集单元2的光轴使两者处于同一平面，并使光源1的中心光轴与图像采集单元2的光轴的夹角为α角，α角的角度范围为10
°‑
60
°
，使得可避免大部分光源1打在钢轨表面形成镜面反射，以防图像采集单元2接收到过量的光线而产生过曝现象。
48.s3：参看图3，调整图像采集单元2使其光轴与钢轨的纵截面的夹角为β角，β角的角度范围为10
°‑
75
°
，且同时保持光源1和图像采集单元2之间的相对位置和角度不变，具体可通过调整安装件的位置实现调整图像采集单元2的位置，实现图像采集单元2在调整过程中保持与光源1的相对位置和角度不变。
49.通过该步骤使得钢轨的顶面图像拍摄形成暗场照明，进一步解决了钢轨顶面的图
像过曝问题，更加有利于钢轨顶面掉块和裂纹等细小缺陷观察和检测。
50.进一步的，在调整图像采集单元2时，同时调整光源1使其中心光轴与钢轨的上顶面不相交，进一步减小照射到钢轨顶面的光量。
51.s4：参看图4，调整图像采集单元2使其光轴与钢轨的横截面的夹角为λ角，λ角的角度范围为-30
°‑3°
或者3
°‑
30
°
，且同时保持光源1和图像采集单元2之间的相对位置和角度不变、保持图像采集单元2的光轴与钢轨纵截面的夹角不变，具体可通过调整安装件的位置实现调整图像采集单元2的位置，实现图像采集单元2在调整过程中保持与光源1的相对位置和角度不变。
52.通过该步骤解决了钢轨内侧轨距角的图像过曝问题，更加有利于对钢轨内侧轨距角鱼鳞纹、掉块、擦伤的观察和检测。
53.s5：对图像采集单元2除了对准钢轨的顶面和内侧轨距角的一面外，其余超过钢轨表面视野范围的区域均进行遮光处理，可实现对外部光线的遮光处理，防止外部光线对图像采集模块产生的干扰。
54.通过s1至s5步骤使得采集的整体图像更加清晰，大大提升了钢轨表面缺陷检出率，可极大提升机器视觉算法准确率、提高钢轨状态检测的可靠性。
55.实施例2
56.参看图4、5，本发明的另一核心是提供一种钢轨表面视觉检测装置，包括安装件、光源1和图像采集单元2。
57.安装件设于巡检车4上，光源1和图像采集单元2均安装在安装件上，且光源1照射范围覆盖钢轨的顶面、内侧轨距角及轨底、图像采集单元2的取景视野中心范围对准钢轨的顶面和内侧轨距角。
58.具体的，光源1的中心光轴和图像采集单元2的光轴处于同一平面，且两者的夹角为α角，α角的角度范围为10
°‑
60
°
。使得可避免大部分光源1打在钢轨表面形成镜面反射，以防图像采集单元2接收到过量的光线而产生过曝现象。
59.图像采集单元2的光轴与钢轨的纵截面的夹角为β角，β角的角度范围为10
°‑
75
°
。使得钢轨的顶面图像拍摄形成暗场照明，进一步解决了钢轨顶面的图像过曝问题，更加有利于钢轨顶面掉块和裂纹等细小缺陷观察和检测。
60.图像采集单元2的光轴与钢轨的横截面的夹角为λ角，λ角的角度范围为-30
°‑3°
或者3
°‑
30
°
。使得可解决了钢轨内侧轨距角的图像过曝问题，更加有利于对钢轨内侧轨距角鱼鳞纹、掉块、擦伤的观察和检测。
61.本实施例中，图像采集单元2为工业线扫相机、光源1为激光器，在其它实施例中图像采集单元2、光源1也可以为其它种类，此处不作限制。
62.具体的，安装件为罩壳3，光源1和图像采集单元2均设于罩壳3内且安装于罩壳3的同一侧面上，罩壳3相对于钢轨的顶面和内侧轨距角的一面设有拍摄窗口5、其余面均封闭。拍摄窗口5为透明亚克力板或者透明玻璃，并贴覆有滤光膜，拍摄窗口内侧还贴覆有加热装置，加热装置可以为半导体加热片等等，防止内外部温差生成雾水。通过罩壳3可实现光源1和图像采集单元2的防水防尘。罩壳3内还设有激光发射电路板7、开关电源及信号电路板8。巡检车4的车底底盘上相对于罩壳3拍摄窗口5的位置设有拍摄缺口6。
63.且通过罩壳3可实现图像采集单元2对外部光线的遮光，图像采集单元2除了对准
钢轨的顶面和内侧轨距角的一面外，其余面均通过罩壳3进行遮光处理，可实现对外部光线的遮光处理，防止外部光线对图像采集模块产生的干扰。通过罩壳3既可以对室外光线做到极致的抗干扰、也为雨天作业尽可能的规避了雨水、尘土、污渍的侵袭效果。
64.本钢轨表面视觉检测装置采集的整体图像清晰度高，使得钢轨表面缺陷检出率高，可极大提升机器视觉算法准确率、提高钢轨状态检测的可靠性。且本装置体积小、质量轻、成本低、普遍适合铁路巡检车使用。
65.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。