基于图像的轨头断面轮廓尺寸合格性检测方法与流程

本发明涉及轨头断面轮廓尺寸合格性检测方法，尤其涉及一种基于图像的轨头(60kg/m)断面轮廓尺寸合格性检测方法。

背景技术：

钢轨断面轮廓尺寸合格性检测是无缝钢轨焊接生产线上重要环节，是保障钢轨质量的重要手段。检测内容主要包括钢轨断面对称性、轨高、轨头宽度、轨冠饱满度和轨腰厚度参数。

目前我国在焊接生产线上主要使用检查样板，对轨头断面轮廓尺寸进行合格性检测，根据需要检测的参数，使用检测样板逐支进行卡量，利用样板自身轮廓线，对钢轨相应部位的横断面轮廓线进行拟合检查，这种标准样板检测法存在检测自动化程度低、操作不方便、效率低，精度不高以及没有量化结果不便于数据保存的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于图像的轨头(60kg/m)断面轮廓尺寸合格性检测方法，旨在解决现有技术存在检测自动化程度低、操作不方便、效率低，精度不高以及没有量化结果不便于数据保存的问题。本发明方法包括以下步骤：

1)钢轨断面图像预处理，具体包括下述步骤：

(1.1)对采集的目标图像进行中值滤波，降低噪声干扰；

(1.2)采用最大类间方差法对滤波后图像进行阈值分割，得到轨头二值图像；

2)扫描法确定轨头左下端点和右下端点，具体包括下述步骤：

(2.1)对第1)步得到的轨头二值图像，采用扫描法，首先，以图像左上角为起点，自左向右进行扫描，沿图像y轴方向遍历所有水平线，获取轨头轮廓左边缘点集pl；其次，以图像右上角为起点，自右向左进行扫描，沿图像y轴方向遍历所有水平线，获取轨头轮廓右边缘点集pr；

(2.2)分别利用轨头左下和右下端点处夹角已知，以及两直线相交于端点的特点，首先，从轨头轮廓左边缘点集中分离出两个左边缘子集pll子集和p左颚子集，其次，从轨头轮廓右边缘点集中分离出两个右边缘子集prr子集和p右颚子集；

(2.3)采用最小二乘直线拟合法，得到轨头左下端点，首先，分别对pll和p左颚子集中所有点进行最小二乘直线拟合，其次，分别计算参与拟合的点到拟合直线的距离，按照距离从大到小排序，从pll和p左颚中去除一定比例的最远点集，最后，对pll和p左颚中剩余点集再次进行最小二乘直线拟合得到直线ll和l左颚；

(2.4)采用与步骤(2.3)相同的方法，分别处理prr和p右颚两个子集，得到直线lr和l右颚；

(2.5)计算直线ll和直线l左颚的交点得到轨头左下端点pl；

(2.6)计算直线lr和直线l右颚的交点得到轨头右下端点pr；

3)确定轨头上宽度测量区域，具体包括下述步骤：

(3.1)利用步骤2)得到的pl和pr，过点pl和pr以指向pr方向为正方向建立x轴；以pl和pr的中心为原点，过plpr的中心，以垂直向上方向为正向，建立为y轴；

(3.2)将步骤(3.1)得到的x轴沿y轴正方向分别平移22.00mm和34.20mm,得到两条直线，它们通过轨头左右边缘的区域wh，即为轨头上宽度测量区域，wh内轨头边缘点集记为ph；

4)确定轨头轨冠点测量区域，具体包括下述步骤：

(4.1)将第3)步得到的x轴沿y轴正方向平移36.00mm，所得直线通过轨头边缘与轨头顶部边缘组成的区域wv；

(4.2)wv内的所有边缘点定义为轨冠边缘点集，记为pv；

5)确定轨头测量上宽度数据点及轨冠点，具体包括下述步骤：

(5.1)对第3)步和第4)步得到的点集ph和pv去除奇异点，ph包括左轨头上宽度边缘点集phl和右轨头上宽度边缘点集phr，pv包括左轨冠区域边缘点集pvl和右轨冠区域边缘点集pvr；

(5.2)确定轨头上宽度测量的左边数据点，首先，在左轨头上宽度边缘点集phl中，按照顺序选取第二个点作为当前备选点pi，选取pi前点后点pi-1、pi+1，过这三个点确定一个圆，其圆心是oi；其次，过圆心oi分别作向量并计算数量积di和di+1，其中di＝vi-1·vi、di+1＝vi·vi+1；最后，对di和di+1的值进行判断，若不满足di≠0且di+1＝0或者di＝0且di+1≠0，则从phl中选取下一个点作为备选点，直至di和di+1的值满足判断条件为止，则当前备选点pi是直线与圆弧的转折点，即为轨头上宽度测量的左边数据点b(xb,yb)；

(5.3)采用与步骤(5.2)相同的方法，确定右轨头上宽度边缘点集phr中测量上轨宽的右边数据点b'(x'b,y'b)；

(5.4)确定轨头上宽度测量的左边轨冠数据点，首先，在左轨冠区域边缘点集pvl中，按照顺序选取第二个点作为当前备选点pi，其次，采用与步骤(5.2)相同的方法计算得到圆心向量数量积di+1，最后，对di+1的值进行判断，若di+1＞0，则点pi在轮廓边缘圆弧上，从phl中选取下一个点作为备选点，继续计算di+1的值，直至满足di+1＜0为止，此时pi是圆弧与圆弧的转折点，即为左边轨冠数据点a(xa,ya)；

(5.5)采用与步骤(5.4)相同的方法，确定右轨冠区域边缘点集pvr中右边轨冠数据点a'(x'a,y'a)；

(5.6)轨头上宽度合格检测，利用测量轨头上宽度的左右数据点b和b'，计算点b到b'的距离du，轨头上宽度标准尺寸为73.00mm，其误差为±0.50mm；若测得上轨宽du在72.50mm至73.50mm范围内，则轨头上轨宽合格，否则轨头上轨宽不合格；

6)确定轨冠饱满度检测区域，具体包括下述步骤：

(6.1)以的轨头顶部边缘作为饱满度合格检测左边区域；

(6.2)以的轨头顶部边缘作为饱满度合格检测右边区域；

(6.3)将步骤(6.1)和(6.2)得到的左、右区域组成饱满度合格检测区w,w内点集记为pt；

7)轨冠饱满度合格检测，具体包括下述步骤：

(7.1)将第3)步得到的x轴沿y轴正方向平移22.15mm，得到一条基准直线l；

(7.2)对第6)步得到的点集pt进行奇异点去除；

(7.3)对pt去除奇异后的剩余点，计算各点到基准直线l的距离dci，并取平均值dave，轨头饱满度标准值14.20mm，其误差为-0.50mm至+0.60mm，若dave在13.70mm至14.80mm范围内，则轨冠饱满度合格，否则轨冠饱满度不合格。

本发明的优点是：采用最小二乘直线拟合法去除奇异点，提高边缘定位精度，采用圆心向量法选取控制点，提高轨冠定位精度，采用图像处理方法对轨头断面轮廓尺寸进行无损和无接触检测。该发明具有自动化程度高、操作方便、效率高、精度高以及量化的检测结果便于保存的特点。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

图2为轮廓区域示意图，图中为轨冠点轮廓区wv,为轨头上宽度测量轮廓区wh。

图3为轨冠饱满度检测区示意图，图中为轨冠饱满度检测区w。

具体实施方式

本发明采用如图1所示的基于图像的轨头断面合格检测方法，实现钢轨图像几何尺寸轨冠饱满度测量，其具体实施步骤如下：

1.钢轨断面图像预处理，具体包括下述步骤：

(1.1)对采集的目标图像进行中值滤波，降低噪声干扰；

(1.2)采用最大类间方差法对滤波后图像进行阈值分割，得到轨头二值图像。

2.扫描法确定轨头左下端点和右下端点，具体包括下述步骤：

(2.1)对第1步得到的轨头二值图像，采用扫描法，首先，以图像左上角为起点，自左向右进行扫描，沿图像y轴方向遍历所有水平线，获取轨头轮廓左边缘点集pl；其次，以图像右上角为起点，自右向左进行扫描，沿图像y轴方向遍历所有水平线，获取轨头轮廓右边缘点集pr；

(2.2)分别利用轨头左下和右下端点处夹角已知，以及两直线相交于端点的特点，首先，从轨头轮廓左边缘点集中分离出两个左边缘子集pll子集和p左颚子集，其次，从轨头轮廓右边缘点集中分离出两个右边缘子集prr子集和p右颚子集；

需要说明的是，本发明实施例中，左边界直线ll与左颚直线l右颚夹角范围可以为θ∈[75°,77°]；

(2.3)采用最小二乘直线拟合法，得到轨头左下端点，首先，分别对pll和p左颚子集中所有点进行最小二乘直线拟合，其次，分别计算参与拟合的点到拟合直线的距离，按照距离从大到小排序，从pll和p左颚中去除一定比例的最远点集，最后，对pll和p左颚中剩余点集再次进行最小二乘直线拟合得到直线ll和l左颚；

最小二乘法直线拟合公式如下：

假设左边缘子集pll有n个数据点，坐标分别为(xi,yi)，其中i＝1,...,n，采用最小二乘拟合方法可得左边缘直线ll，其方程为

y＝kx+b

其中k和b的计算公式分别为和同理可以计算得到左颚边缘直线方程l左颚；

需要说明的是，本发明实施例中，计算每个参与直线拟合的边缘点到拟合直线的距离，按照距离从大到小的顺序，去除前1/4的点；

(2.4)采用与步骤(2.3)相同的方法，分别处理prr和p右颚两个子集，得到直线lr和l右颚；

(2.5)计算直线ll和直线l左颚的交点得到轨头左下端点pl；

(2.6)计算直线lr和直线l右颚的交点得到轨头右下端点pr；

3.确定轨头上宽度测量区，具体包括下述步骤：

(3.1)利用第2步得到的pl和pr，过点pl和pr以指向pr方向为正方向建立x轴；以pl和pr的中心为原点，过plpr的中心，以垂直向上方向为正向，建立为y轴；

(3.2)将步骤(3.1)得到的x轴沿y轴正方向分别平移22.00mm和34.20mm,得到两条直线，它们通过轨头左右边缘的区域wh，即为轨头上宽度测量区域，wh内轨头边缘点集记为ph；

4.确定轨头轨冠点测量区，具体包括下述步骤：

(4.1)将第3步得到的x轴沿y轴正方向平移36.00mm，所得直线通过轨头边缘与轨头顶部边缘组成的区域wv；

(4.2)wv内的所有边缘点定义为轨冠边缘点集，记为pv；

5.确定轨头测量上宽度数据点及轨冠点，具体包括下述步骤：

(5.1)对第3步和第4步得到的点集ph和pv去除奇异点，ph包括左轨头上宽度边缘点集phl和右轨头上宽度边缘点集phr，pv包括左轨冠区域边缘点集pvl和右轨冠区域边缘点集pvr；

(5.2)确定轨头上宽度测量的左边数据点，首先，在左轨头上宽度边缘点集phl中，按照顺序选取第二个点作为当前备选点pi，选取pi前点后点pi-1、pi+1，过这三个点确定一个圆，其圆心是oi；其次，过圆心oi分别作向量并计算数量积di和di+1，其中di＝vi-1·vi、di+1＝vi·vi+1；最后，对di和di+1的值进行判断，若不满足di≠0且di+1＝0或者di＝0且di+1≠0，则从phl中选取下一个点作为备选点，直至di和di+1的值满足判断条件为止，则当前备选点pi是直线与圆弧的转折点，即为轨头上宽度测量的左边数据点b(xb,yb)；

最小二乘法圆拟合公式如下：

假设左边缘点集phl有n(n＞3)个数据点，坐标分别为(xi,yi)，其中i＝1,...,n，采用最小二乘圆拟合，设圆心为(a,b)，半径为r，则圆方程为：

(x-a)²+(y-b)²＝r²

最小二乘法圆拟合的原理是寻找一个圆使得边缘点集(xi,yi)到该圆误差平方和f的值最小；

将上式变换为：

式中，u＝-2a,v＝-2b,w＝a²+b²-r²。根据多元函数的极值条件可得：

其中，矩阵a,b分别为

可以得出u,v,w的值，进而得到拟合圆的参数为

(5.3)采用与步骤(5.2)相同的方法，确定右轨头上宽度边缘点集phr中测量上轨宽度的右边数据点b'(x'b,y'b)；

(5.4)确定轨头上宽度测量的左边轨冠数据点，首先，在左轨冠区域边缘点集pvl中，按照顺序选取第二个点作为当前备选点pi，其次，采用与步骤(5.2)相同的方法计算得到圆心向量数量积di+1，最后，对di+1的值进行判断，若di+1＞0，则点pi在轮廓边缘圆弧上，从phl中选取下一个点作为备选点，继续计算di+1的值，直至满足di+1＜0为止，此时pi是圆弧与圆弧的转折点，即为左边轨冠数据点a(xa,ya)；

(5.5)采用与步骤(5.4)相同的方法，确定右轨冠区域边缘点集pvr中右边轨冠数据点a'(x'a,y'a)；

(5.6)轨头上宽度合格检测，利用测量轨头上宽度的左右数据点b和b'，计算点b到b'的距离du，轨头上宽度标准尺寸为73.00mm，其误差为±0.50mm；若测得上轨宽du在72.50mm至73.50mm范围内，则轨头上轨宽合格，否则轨头上轨宽不合格；

6.确定轨冠饱满度检测区域，具体包括下述步骤：

(6.1)以的轨头顶部边缘作为饱满度合格检测左边区域；

(6.2)以的轨头顶部边缘作为饱满度合格检测右边区域；

(6.3)将步骤(6.1)和(6.2)得到的左、右区域组成饱满度合格检测区w,w内点集记为pt；

7.轨冠饱满度合格检测，具体包括下述步骤：

(7.1)将第3步得到的x轴沿y轴正方向平移22.15mm，得到一条基准直线l(y＝22.15)；

(7.2)对第6步得到的点集pt进行奇异点去除；

(7.3)对pt去除奇异后的剩余点，计算各点到基准直线l的距离dci，并取平均值dave，轨头饱满度标准值14.20mm，其误差为-0.50mm至+0.60mm，若dave在13.70mm至14.80mm范围内，则轨冠饱满度合格，否则轨冠饱满度不合格。