CN102749336B - 一种基于结构光的表面缺陷高速检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构光的表面缺陷高速检测系统，包括：光轴与待测表面成俯角的高速相机，光平面与高速相机光轴形成大于等于90°夹角的结构光源，遮光板以及图像处理器；利用上述检测系统检测表面缺陷，主要是通过像素点做差判断是否存在缺陷，对无缺陷的位置所对应的像素点进行拟合后通过计算偏差进而计算缺陷的大小，最终将光带部分整合到一幅图像中。本发明的有益之处在于：装置结构设计合理，解决了车体震动带来的影响问题；图像处理方法简洁，安装检测系统的检测车的速度可达300km/h，可实现对高铁铁轨表面、公路路面、跑道表面缺陷在线检测，同时可实现1mm以下缺陷检测，检测结果呈现在一幅图像中，观察方便。

Description

一种基于结构光的表面缺陷高速检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测系统及其检测方法，具体涉及一种基于结构光的用于检测平整表面上的缺陷的高速检测系统及其检测方法。

背景技术

对于一些具有平整表面的物体，人们往往不希望其存在有表面缺陷，例如公路路面、铁轨表面、飞机跑道表面等，当其有表面缺陷时，需要及时检出，并作相应的处理。

对于公路路面、铁轨表面、飞机跑道表面的缺陷，传统的检测方法是人工测量和确认，因其需要耗费大量的人力、物力和时间，而且检测数据不够精准，给道路的维修、养护带来了极大的不便。随着公路、铁路与民航的快速发展，道路路面缺陷的自动检测越来越受到重视。要求有高速的实时检测技术，在不影响正常交通的情况下进行快速高效的公路路面车辙、裂缝、沟槽和铁轨表面缺陷等参数的智能检测。公路路面和铁轨表面上的上述缺陷不仅引起车体颠簸，导致人体感觉不舒服，而且会加速公路和铁路的损坏，甚至引起交通事故，所以快速检测出道路和铁轨的缺陷情况从而为道路和铁轨维修、养护提供准确的状况分析指标是非常重要的。

目前存在很多的交通路面缺陷检测系统，例如，加速度传感器计算修正的惯性基准激光断面仪利用加速度传感器来减小车体震动对检测道路缺陷造成的影响，但其仍存在一定的问题：由于使用传感器获得车体的震动参数，一方面传感器自身存在有仪器误差，另一方面传感器与图像不能完全同步，也存在有误差，所以利用加速度传感器并不能完全解决车体震动对检测结果带来的影响问题。如何很好的克服车体震动带来的影响、使测量更加准确，是目前检测路面缺陷亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处，提供一种结构设计合理、使用方便、测量精度高的基于结构光的表面缺陷检测系统及其检测方法，尤其适合公路路面以及铁轨表面的缺陷的检测。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于结构光的表面缺陷高速检测系统，其特征在于，包括：

光轴与待测表面形成俯角的高速相机，

光平面与高速相机光轴形成大于等于90°夹角的结构光源，

设置在前述高速相机与结构光源外围的遮光板，

接收并处理前述高速相机传来的图像信息的处理器；

前述高速相机与结构光源相对位置固定不变，高速相机的成像视场完全覆盖结构光源在待测表面上的投影。

前述的基于结构光的表面缺陷高速检测系统，其特征在于，前述高速相机与结构光源固定在同一个支架上。

前述的基于结构光的表面缺陷高速检测系统，其特征在于，前述高速相机的成像视场可设置。

利用前述的检测系统检测表面缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（一）、安装检测系统，同时调整检测系统与待测表面的位置关系；

（二）、启动检测系统，由高速相机采集待测表面的图像信息；

（三）、处理器接收并处理前述高速相机传来的图像信息；

（四）、获得效果图。

前述获得效果图的方法为：将每幅图像中的光带部分提取出来，按照顺序拼接成一幅图像，并将待测表面的缺陷部分用不同于背景的颜色表示出来。

前述的检测路面缺陷的方法，其特征在于，前述处理器处理图像信息的方法包括以下步骤：

（1）判断图像中待测表面是否存在缺陷：利用canny边缘检测的方法得到结构光源投影的上下单像素边缘，同时设定一个固定的阈值，将图像中的像素点a与其之前的像素点b做差，当差值大于固定的阈值时，判断像素点a处存在缺陷；图像中的每个像素点都使用同样的方法做差。

（2）计算表面缺陷的大小：根据前述判断出的有缺陷的位置，将无缺陷的位置对应的像素点进行拟合，得到一条直线，假设拟合点的像素位置为P(x,y)，实际测量点的像素位置为Q(x,y),结构光源的光平面与待测表面的夹角是固定的为θ，则得到偏差R的计算公式：

R(x,y)=Q(x,y)-P(x,y)                            （1）

进而可以得到表面缺陷的深度D的计算公式：

D=R(x,y)*tanθ                                  （2）

前述的检测表面缺陷的方法，其特征在于，前述做差的两个像素点之间间隔3至10个像素点。

本发明的有益之处在于：高速相机与结构光源固定在同一支架上，在整个检测过程中，尤其是安装于检测车上进行公路表面、铁轨表面、跑道表面缺陷检测时即使车体有震动，两者始终同时上下和左右移动、保持相对静止，结合检测方法解决了检测车车体震动带来的误差问题；采用遮光板遮挡高速相机和结构光源外部的干扰光线，因为不同的亮度，会造成图像中线光的RGB值变化，产生误差，遮挡外部的干扰光线以后就避免了由外部光线带来的检测误差；本发明所采用的检测方法是根据图片中投影的信息来计算缺陷的深度的，将检测车车体震动的因素排除在外，克服了车体震动带来的影响，同时由于图像处理方法简洁，安装检测系统的检测车的速度可达300km/h，可实现对高铁铁轨表面、公路路面、跑道表面缺陷在线检测，同时还可实现1mm以下缺陷检测，检测结果呈现在一幅图像中，观察方便。

附图说明

图1是本发明的检测系统的一个具体实施例的装置布局侧视图；

图2是本发明的检测系统中高速相机成像区域与结构光源投影示意图；

图中附图标记含义：1-高速相机，2-结构光源，3-待测表面，4-支架，5-投影，6-成像视场，箭头方向代表检测车行驶方向。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做具体的介绍。

参照图1和图2，本发明的基于结构光的表面缺陷高速检测系统，包括：高速相机1、结构光源2、设置在高速相机1与结构光源2外围的遮光板（未图示）、以及接收并处理高速相机1传来的图像信息的处理器（未图示）。

其中，高速相机1的光轴与待测表面3形成俯角；结构光源2设置在高速相机1的前方，并且结构光源2的光平面与高速相机1光轴形成大于等于90°夹角。考虑到检测系统安装到不同的检测车上以后，高速相机1与结构光源2到待测表面3的距离会有所变化，所以要适当调整光平面与高速相机1光轴之间的夹角，并始终保持夹角大于等于90°，使得结构光源2在待测表面3上的投影5在高速相机1的成像视场6内，也就是说，要保证高速相机1的成像视场6完全覆盖结构光源2在待测表面3上的投影5。调整好光平面与高速相机1光轴之间的夹角以后，二者的相对位置便固定不再变化，始终保持相对静止的状态。为了方便处理器分析、处理高速相机1采集的图像信息，投影5在图像中呈现为水平状态，方便处理器对图像进行行扫描的同时，大大提高了图像处理的速度。

另外，由于高速相机1和结构光源2外部的光线强度有可能随时发生变化，会对结构光源2的光亮度产生影响，进而会造成图像中线光的RGB值变化，产生误差，所以在高速相机1与结构光源2外围还设置有遮光板，遮挡外部的干扰光线以后就避免了由外部光线带来的检测误差。

作为一种优选的方案，高速相机1与结构光源2固定在同一个支架4上面，与支架4成为一个整体，再将支架4固定安装在检测车（未图示）上即可，操作方便。高速相机1与结构光源2在支架4上的角度可以调整，角度确定以后可稳固的安装在支架4上，即使检测车车体震动，二者始终保持相对静止，解决了车体震动造成高速相机1与结构光源2移动不同步的问题。

作为一种优选的方案，高速相机1的成像视场6可设置。成像视场6可设置，无需采集结构光源2在投影5以外的图像，这样一来，投影5所对应的像素点在整幅图像中所占比例增加，大大提高了处理器处理图像的速度，有利于检测系统实现快速、高效检测。

下面以将上述检测系统应用在公路以及轨道的表面缺陷检测上为例，详细介绍检测表面缺陷的方法。

该方法主要包括以下步骤：

（一）、安装检测系统，同时调整检测系统与待测表面的位置关系；

（二）、启动检测系统，由高速相机采集待测表面的图像信息；

（三）、处理器接收并处理上述高速相机传来的图像信息；

（四）、获得效果图。

详细叙述如下：

首先，将安装有高速相机和结构光源的支架安装到检测车上，沿着检测车行驶的方向结构光源与高速相机相对一前一后设置。根据高速相机、结构光源到待测路面的距离适当调整高速相机光轴与结构光源光平面的夹角，在保证夹角大于等于90°的前提下，使得结构光源在待测路面上的投影在高速相机的成像视场内，也就是说，要保证高速相机的成像视场完全覆盖结构光源在路面上的投影。

调整好高速相机、结构光源与待测路面三者的位置关系、以及高速相机的成像视场以后，在高速相机与结构光源的外围安装上遮光板。

然后，启动检测系统。随着检测车向前行驶，高速相机实时采集路面图片信息。

处理器实时接收并处理高速相机传来的图像信息。处理过程包括以下步骤：

第一步：判断图像中待测路面是否存在缺陷。

利用canny边缘检测的方法得到结构光源投影的上下单像素边缘，同时设定一个固定的阈值，将图像中的像素点a与其之前的像素点b做差，当差值大于固定的阈值时，判断像素点a处存在缺陷；图像中的每个像素点都使用同样的方法做差。

作为一种优选的方案，做差的两个像素点之间间隔3至10个像素点。若做差的两个像素点之间的间隔太小，图像中路面缺陷对应的像素点很可能是平滑的突变，不能做出准确的判断；若做差的两个像素点之间的间隔太大，对于本来无缺陷的位置，两个像素点的差值也有可能超出所设定的固定的阈值，导致被误判为有缺陷。所以，在本发明的方法中，做差的两个像素点之间的间隔定为3至10个像素点，可避免上述误判情况的发生。

当本发明的检测系统用于检测公路的路面、飞机跑道的表面缺陷时，由于路面缺陷尺寸相对较大，做差的两个像素点之间的间隔可以大一点，接近10个像素点。

当本发明的检测系统用于检测铁轨表面的缺陷时，由于铁轨表面的缺陷相对较小，做差的两个像素点之间的间隔可以小一点，接近3个像素点。

第二步：计算路面缺陷的大小。

根据第一步判断出的有缺陷的位置，将无缺陷的位置对应的像素点进行拟合，得到一条直线，假设拟合点的像素位置为P(x,y)，实际测量点的像素位置为Q(x,y),结构光源的光平面与路面的夹角是固定的为θ，则得到偏差R的计算公式：

R(x,y)=Q(x,y)-P(x,y)                （1）

进而可以得到路面缺陷的深度D的计算公式：

D=R(x,y)*tan θ                     （2）

由公式（2）便可以得到路面缺陷的相关信息。

最后，将路面缺陷情况以图像的形式反映出来，即生成效果图。具体方法为：将每幅图像中的光带部分提取出来，按照顺序拼接成一幅图像，并将路面的缺陷部分用不同于背景的颜色表示出来。检测结果一目了然，观察起来十分方便。

需要说明的是，在上述实施例中，仅介绍了本发明的检测系统及检测方法在检测公路以及轨道的表面缺陷上的应用，但是，本行业的技术人员应当了解，其应用的范围并不局限于此。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入到本发明要求保护的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种基于结构光的表面缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(一)、安装检测系统，同时调整检测系统与待测表面的位置关系；

检测系统为基于结构光的表面缺陷高速检测系统，包括：光轴与待测表面形成俯角的高速相机，光平面与高速相机光轴形成大于等于90°夹角的结构光源，设置在上述高速相机与结构光源外围的遮光板，接收并处理上述高速相机传来的图像信息的处理器；

上述高速相机与结构光源相对位置固定不变，高速相机的成像视场完全覆盖结构光源在待测表面上的投影；上述高速相机与结构光源固定在同一个支架上并且上述高速相机的成像视场可设置；

(二)、启动检测系统，由高速相机采集待测表面的图像信息；

(三)、处理器接收并处理上述高速相机传来的图像信息；

处理器处理图像信息的方法包括以下子步骤：

(1)判断图像中待测表面是否存在缺陷：利用canny边缘检测的方法得到结构光源投影的上下单像素边缘，同时设定一个固定的阈值，将图像中的像素点a与其之前的像素点b做差，当差值大于固定的阈值时，判断像素点a处存在缺陷；图像中的每个像素点都使用同样的方法做差；

(2)计算表面缺陷的大小：根据上述判断出的有缺陷的位置，将无缺陷的位置对应的像素点进行拟合，得到一条直线，假设拟合点的像素位置为P(x,y)，实际测量点的像素位置为Q(x,y),结构光源的光平面与待测表面的夹角是固定的为θ，则得到偏差R的计算公式：

R(x,y)＝Q(x,y)-P(x,y)    (1)

进而可以得到表面缺陷的深度D的计算公式：

D＝R(x,y)*tanθ    (2)

(四)、获得效果图；

上述获得效果图的方法为：将每幅图像中的光带部分提取出来，按照顺序拼接成一幅图像，并将待测表面的缺陷部分用不同于背景的颜色表示出来。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，上述做差的两个像素点之间间隔3至10个像素点。