一种双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法技术

本发明专利技术公开一种双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法，属于铁路交通安全检测技术领域，用于解决现有技术难以实现铁轨及扣件异常检测的问题；本发明专利技术采用可见光摄像机和红外摄像机构成双光谱成像装置，对铁轨及扣件区域进行双光谱成像，分别获取铁轨及扣件纹理图像和红外热图像，采用纹理图像进行红外热图像中铁轨及扣件定位，采用背景模型比对进行扣件缺失、松动、断裂异常检测，共同使用纹理图像和红外热图像进行铁轨剥离、擦伤、波磨、裂纹检测；本发明专利技术可有效提升铁轨及扣件异常检测效率，保障轨道交通安全。

【技术实现步骤摘要】
一种双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法
本专利技术涉及铁轨交通安全检测
，特指一种双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法。
技术介绍
在铁路基础设施检测上，我国长期以人工和静态检测为主，养护费用高，强度高，安全性差，近年我国高速铁路迅猛发展，对铁路检测的自动化、实时性提出了更高的要求。国内外已有的铁轨及扣件检测技术为：基于线阵激光的连续扫描装置，如德国Sick公司；基于面阵图像传感器的计算机视觉检测装置，如美国ENSCO公司的VIS系统、德国AtlasElectronic公司开发的光电式轨道检测系统以及北京福斯达公司高速车载式轨道图像识别系统等。但两者的缺点在于检测速度较低，通用性不高，有时需要过多人工干预，而且不能在扣件丢失之前自动判断扣件是否产生松动并进行预警。经检索，专利Z.201210192641.2介绍一种基于红外热成像的铁路扣件松动高速探测系统与方法：利用红外摄像机获取扣件与钢轨的接触应力产生的红外热图像，通过红外热图像灰度值，判断扣件是否松动或缺失。但是，该方法存在以下缺点：1)采用面阵红外摄像机，采集图像数据量大、扣件区域成像难以对齐，且面阵红外摄像机的成像分辨率低、设备成本高；2)直接利用红外图像测量的温度值与最小、最大应力值对应的温度值做比较的检测方法，在实际应用中还存在着两个问题：首先，在不同的列车运行速度下，扣件所受到的挤压力大小不同，所产生的热量也不同，因此，这种方法难以适应不同速度条件下扣件松动检测需求；其次，该方法不能检测扣件裂纹异常，也没有检测铁轨异常。
技术实现思路
为了解决现有铁轨及扣件松动检测方法所存在的上述问题，本专利技术提供一种双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法。本专利技术技术方案是：一种双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法，其特征在于：采用可见光摄像机和红外摄像机构成双光谱成像装置，对铁轨及扣件区域进行双光谱成像，分别获取铁轨及扣件纹理图像和红外热图像，采用纹理图像进行红外热图像中铁轨及扣件定位，采用背景模型比对进行扣件缺失、松动、断裂异常检测，共同使用纹理图像和红外热图像进行铁轨剥离、擦伤、波磨、裂纹检测。所述可见光摄像机和红外摄像机可选用线阵摄像机或面阵摄像机，优选地，可见光摄像机和红外摄像机选用线阵摄像机，其中，可见光线阵摄像机的成像分辨率不低于1024像素，光谱感知范围为400nm～1000nm，红外线阵摄像机的成像分辨率不低于1024像素，红外线阵摄像机的温度灵敏度不低于0.5℃。所述可见光线阵摄像机和红外线阵摄像机位于铁轨正上方、光轴垂直于路面、成像切片垂直于铁轨纵向，拍摄视场覆盖铁轨及两侧扣件区域。所述线阵摄像机成像切片是指：线阵摄像机中线阵图像传感器中成像区域与镜头光心构成的平面。为保证拍摄的纹理图像和红外热图像是视场对齐的，可见光摄像机与红外摄像机通过同轴分光光路成像。所述同轴分光光路是指：可见光线阵摄像机的光轴与红外线阵摄像机的成像切片垂直，红外线阵摄像机的光轴与可见光线阵摄像机的成像切片垂直，可见光线阵摄像机的光心到红外线阵摄像机成像切片的距离与红外线阵摄像机的光心到可见光线阵摄像机成像切片的距离相等，并且两个摄像机的成像角度相同、光轴相交；在可见光线阵摄像机成像切片与红外摄像机成像切片的交线处，设置一个二向色镜；二向色镜的分光面与可见光线阵摄像机成像切片和红外线阵摄像机成像切片的交线相切、与可见光线阵摄像机和红外线阵摄像机的光轴成45度角，用于将入射光线分离为可见与近红外混合光、中远红外光；当可见光线阵摄像机位于二向色镜的透射光路、红外线阵摄像机位于二向色镜的反射光路时，选用透可见与近红外混合光、反射中远红外光的二向色镜；当可见光线阵摄像机位于二向色镜的反射光路、红外线阵摄像机位于二向色镜的透射光路时，选用反射可见与近红外混合光、透射中远红外光的二向色镜。优选地，在铁轨两侧扣件区域正上方各设置一个线光源，两个线光源的投射平面与可见光线阵摄像机的成像切片共面，为可见光线阵摄像机提供照明。在铁轨正上方设置一个面光源，面光源照射方向与铁轨纵向成a角度入射，面光源照射区域覆盖可见光线阵摄像机在铁轨上的成像区域，与可见光线阵摄像机构成暗场照明，用于铁轨损伤成像，a角度取值范围为10～90度。所述扣件上方的两个线光源与铁轨上方的面光源照射区域不重叠，以避免相互干扰。优选地，线光源与面光源为平行光光源。优选地，线光源和面光源选用相同波长的单波长或窄带光谱激光光源，光源波长范围为：400～1000nm，并在可见光线阵摄像机前端设置与线光源和面阵光源相同波长的窄带滤光片，用于滤除环境光干扰。优选地，线光源与面光源选用近红外光源，波长范围为：800～950nm。为实现对列车行驶过程中铁轨及扣件扫描成像，在列车车轮转轴上固定一个车轮编码器对车轮转动角度进行编码并产生脉冲触发信号，脉冲触发信号用于驱动可见光线阵摄像机和红外线阵摄像机对铁轨及扣件区域进行线阵成像扫描，获取铁轨及扣件区域纹理图像和红外热图像。在实际使用中，分别在列车底部、左右铁轨上方，各设置一套由可见光线阵摄像机和红外线阵摄像机构成的双光谱成像装置，对左右铁轨及其两侧扣件区域进行扫描成像。优选地，为在列车经过弯道时获取与铁轨长度一直的双光谱成像图像，在左右两侧车轮上各安装一个车轮转动编码器，分别驱动左右两侧双光谱成像装置。本专利技术方法进行铁轨表面异常检测方法是：步骤1：根据铁轨在纹理图像和红外热图像中成像位置，分割出铁轨表面纹理图像Iw和红外热图像Ig，Ig的大小为h1*w1，h1、w1的取值范围为：50～1000；步骤2：建立铁轨表面红外热图像背景模型把列车运行速度划分为n个等级L＝{l1,...,ln}，n的取值范围为1～500，根据列车运行速度等级n，建立n组列车运行过程中正常铁轨红外热图像背景模型其中，背景模型是由第i等级列车运行速度下拍摄的k帧正常铁轨表面红外热图像训练得到，背景模型由2个h1*w1维的矩阵组成，其中，中元素是k帧正常铁轨表面红外热图像像素在时域的均值，是k帧正常铁轨表面红外热图像像素在时域的方差；步骤3：进行铁轨表面温度异常检测输入当前列车运动速度v和铁轨表面红外热图像根据列车运行速度v计算速度等级lc，从背景模型中选取第lc个背景模型：执行背景差分操作，得到背景差分图像dg：式中，dg(x,y)是背景差分图像dg的第x行、y列像素，x、y是图像横、纵坐标，x取值范围为1～h1，y的取值范围1～w1；设置2幅标记图像F1g,图像大小为h1*w1，图像中元素初始值为0；当时，使F1(x,y)＝1；当时，使F2(x,y)＝1；其中，是检测阈值倍率系数，取值范围为0～100；对图像F1g,分别进行形态学滤波消除孤立噪声，并寻找图像F1g,中取值为1的连通域；当图像F1g或中存在面积大于T1的连通域时，判定铁轨表面存在异常，其中T1是检测阈值，取值范围为1～1000000000；步骤4：基于铁轨纹理图像进行铁轨表面异常检测对铁轨表面纹理图像进行二值化处理：将大于或等于阈值T2的像素置为1，小于阈值T2的像素置为0，得到二值化图像对二值化图像进行形态学滤波消除图像噪声，并寻找图像中取值为1的连通域；当图像中存在面积大于T2的连通区域时，判定铁轨表面存在异常，其中T2是检测阈值，取值范围为1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法，其特征是：采用可见光摄像机和红外摄像机构成双光谱成像装置，对铁轨及扣件区域进行双光谱成像，分别获取铁轨及扣件纹理图像和红外热图像，采用纹理图像进行红外热图像中铁轨及扣件定位，采用背景模型比对进行扣件缺失、松动、断裂异常检测，共同使用纹理图像和红外热图像进行铁轨剥离、擦伤、波磨、裂纹检测。

【技术特征摘要】
1.一种双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法，其特征是：采用可见光摄像机和红外摄像机构成双光谱成像装置，对铁轨及扣件区域进行双光谱成像，分别获取铁轨及扣件纹理图像和红外热图像，采用纹理图像进行红外热图像中铁轨及扣件定位，采用背景模型比对进行扣件缺失、松动、断裂异常检测，共同使用纹理图像和红外热图像进行铁轨剥离、擦伤、波磨、裂纹检测。2.根据权利要求1所述的双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法，其特征是：可见光摄像机和红外摄像机可选用线阵摄像机或面阵摄像机；优选地，可见光摄像机和红外摄像机选用线阵摄像机，其中，可见光线阵摄像机的成像分辨率不低于1024像素，光谱感知范围为400nm～1000nm，红外线阵摄像机的成像分辨率不低于1024像素，红外线阵摄像机的温度灵敏度不低于0.5℃；所述可见光线阵摄像机和红外线阵摄像机位于铁轨正上方、光轴垂直于路面、成像切片垂直于铁轨纵向，拍摄视场覆盖铁轨及两侧扣件区域；所述线阵摄像机成像切片是指：线阵摄像机中线阵图像传感器中成像区域与镜头光心构成的平面。3.根据权利要求1和2所述的双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法，其特征是：为保证拍摄纹理图像和红外热图像是视场对齐的，可见光摄像机与红外摄像机通过同轴分光光路成像；所述同轴分光光路是指：可见光线阵摄像机的光轴与红外线阵摄像机的成像切片垂直，红外线阵摄像机的光轴与可见光线阵摄像机的成像切片垂直，可见光线阵摄像机的光心到红外线阵摄像机成像切片的距离与红外线阵摄像机的光心到可见光线阵摄像机成像切片的距离相等，并且两个摄像机的成像角度相同、光轴相交；在可见光线阵摄像机成像切片与红外摄像机成像切片的交线处，设置一个二向色镜；二向色镜的分光面与可见光线阵摄像机成像切片与红外线阵摄像机成像切片的交线相切、与可见光线阵摄像机和红外线阵摄像机的光轴成45度角，用于将入射光线分离为可见与近红外混合光、中远红外光；当可见光线阵摄像机位于二向色镜的透射光路、红外线阵摄像机位于二向色镜的反射光路时，选用透可见与近红外混合光、反射中远红外光的二向色镜；当可见光线阵摄像机位于二向色镜的反射光路、红外线阵摄像机位于二向色镜的透射光路时，选用反射可见与近红外混合光、透射中远红外光的二向色镜。4.根据权利要求1～3所述的双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法，其特征是：在铁轨两侧扣件区域正上方各设置一个线光源，两个线光源的投射平面与可见光线阵摄像机的成像切片共面，为可见光线阵摄像机提供照明；在铁轨正上方设置一个面光源，面光源照射方向与铁轨纵向成a角度入射，面光源照射区域覆盖可见光线阵摄像机在铁轨上的成像区域，与可见光线阵摄像机构成暗场照明，用于铁轨损伤成像，a角度取值范围为10～90度；所述扣件上方的两个线光源与铁轨上方的面光源照射区域不重叠，以避免相互干扰；优选地，线光源与面光源为平行光光源；优选地，线光源和面光源选用相同波长的单波长或窄带光谱激光光源，光源波长范围为：400～1000nm，并在可见光线阵摄像机前端设置与线光源和面阵光源相同波长的窄带滤光片，用于滤除环境光干扰。5.根据权利要求4所述的双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法，其特征是：线光源与面光源选用近红外光源，波长范围为：800～950nm，并在可见光线阵摄像机前端设置与光源波长相同的近红外光窄带滤光片。6.根据权利要求2所述的双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法，其特征是：为实现对列车行驶过程中铁轨及扣件扫描成像，在列车车轮转轴上固定一个车轮编码器对车轮转动角度进行编码并产生脉冲触发信号，脉冲触发信号用于驱动可见光线阵摄像机和红外线阵摄像机对铁轨及扣件区域进行线阵成像扫描，获取铁轨及扣件区域纹理图像和红外热图像；在实际使用中，分别在列车底部、左右铁轨上方，各设置一套由可见光线阵摄像机和红外线阵摄像机构成的双光谱成像装置，对左右铁轨及其两侧扣件区域进行扫描成像；优选地，为在列车经过弯道时获取与铁轨长度一直的双光谱成像图像，在左右两侧车轮上各安装一个车轮转动编码器，分别驱动左右两侧双光谱成像装置。7.根据权利要求1～6所述的双光谱成像铁轨及扣件异常检测方法，其特征是：进行铁轨表面异常检测方法是：步骤1：根据铁轨在纹理图像和红外热图像中成像位置，分割出铁轨表面纹理图像Iw和红外热图像Ig，Ig的大小为h1*w1，h1、w1的取值范围为：50～1000；步骤2：建立铁轨表面红外热图像背景模型把列车运行速度划分为n个等级L＝{l1,...,ln}，n的取值范围为1～500，根据列车运行速度等级n，建立n组列车运行过程中正常铁轨红外热图像背景模型其中，背景模型是由第i等级列车运行速度下拍摄的k帧正常铁轨表面红外热图像训练得到，背景模型由2个h1*w1维的矩阵组成，其中，中元素是...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：成都精工华耀机械制造有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51