CN104930972A - 盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法 - Google Patents

Abstract

一种盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法，采用基于机器视觉的非接触尺寸检测方法来检测含孔洞的和多条曲线组成的不规则密封垫断面。所述的非接触尺寸检测方法为CCD面阵检测法，包括以下步骤：获得数字图像、图像二值化处理、密封垫断面边缘识别、轮廓追踪及生成矢量化文件、物理标定、测量与标注、得到尺寸公差、判断密封垫断面是否合格。面阵CCD检测法直接将待测零件通过成像系统成像到CCD靶面上，通过图像处理和CCD像元尺寸换算的方法，计算工件的尺寸大小，并得到不规则度、圆度误差信息，进而判断密封垫尺寸是否在规范规定的公差允许范围内。相较于传统的接触式密封垫断面检测法，本发明具有省时、高效、准确的优点。

Description

盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法

技术领域

本发明属于隧道及地下工程工程领域，涉及盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法。

背景技术

根据地下工程防水规范《GB50108‐2008》规定，沟槽的净面积与密封垫的净面积之比在1～1.15之间，如果密封垫的净面积由于生产公差的原因而缩小，则会对防水性能影响较大。

密封垫间的张开量对于防水性能影响较大，如果密封垫生产中出现了较大的负公差，将直接影响到防水的效果。

在上海地铁盾构管片弹性橡胶密封垫(三元乙丙)生产工艺及产品标准(STB‐DQ‐010201)中明确规定了密封垫的生产公差控制范围：

表1 密封垫公差控制要求

从表1可以看出，标准中对于密封垫高度、顶面、腰部以及腿部的公差做出了细致的规定，尤其高度不允许出现负公差。

公差的定义也是完全出于可量测的角度，施工人员完全可以依靠卡尺对密封垫试件进行现场量测，来考核这些指标是否达到标准。另一方面，对于密封垫含孔洞的和多条曲线组成的不规则断面来讲，其净面积是依靠常规手段无法轻易得到的，而这个指标却是关系到防水效果的重要参数，因此必须在量测手段上得到突破。传统的接触式直径检测方法、往往采用精密量具进行，存在很大局限性，并且精确度不高。客观上需要设计一种基于机器视觉的非接触尺寸检测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法，可以大大提高检测准确性。

为达到以上目的，本发明采用以下解决方案：

一种盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法，采用基于机器视觉的非接触尺寸检测方法来检测含孔洞的和多条曲线组成的不规则密封垫断面。

进一步，所述的非接触尺寸检测方法为CCD面阵检测法，包括以下步骤：获得数字图像、图像二值化处理、密封垫断面边缘识别、轮廓追踪及生成矢量化文件、物理标定、测量与标注、得到尺寸公差、判断密封垫断面是否合格。

在所述获得数字图像的步骤中，选用LED光源，并采用控制光源亮度的控制器；将密封垫切成3～5mm的薄片，置于试验台架上，在充足光源照度的情况下拍摄获得密封垫断面图像。

在所述图像二值化处理步骤中，直接设置灰度峰值作为一个阈值，以便清晰得判别出图像中密封垫的边缘。

在所述密封垫断面边缘识别步骤中采用Laplace算子来提取边缘。

在轮廓追踪与生成矢量化文件步骤中，在获得边缘轮廓后，采用轮廓追踪技术依次将轮廓点的坐标记录成矢量文件，最后移交矢量化软件中进行几何测量与分析。

在所述测量与标注步骤中，通过matlab在测量分析之前，对像素所表达的几何意义进行物理标定；由于镜头畸变等原因将造成图像的失真，进而会影响局部的测量效果，都要对于摄像机、照相机进行镜头校正；若影响在公差测量的允许范围内，则无需进行校正。

在所述测量与标注步骤中，将实际识别的密封垫的图像按照标定系数换算成实际的尺寸，并将实际尺寸标注。

在所述测量与标注步骤中，对于孔洞信息需要采用形位公差的方式进行标注；为了确定各孔洞的位置与设计孔洞位置之间的形位公差，则需要定义一个基准点；定义外轮廓的面积矩中心即外轮廓的形心作为形位公差的基准点；各孔洞的基准点也同样处理。

在所述测量与标注步骤中，孔洞取“当量孔径”进行比较，当量孔径为：

$D=\sqrt{\frac{4S}{\mathrm{\π}}}$

式中，D为当量孔径，S为测量的孔洞面积。

换言之，本发明：一种盾构隧道管片弹性密封垫断面监测技术，采用基于机器视觉的非接触尺寸检测方法(如CCD面阵检测法)来检测含孔洞的和多条曲线组成的不规则密封垫断面。

利用数字图像进行测量的原理在于：CCD面阵的排列非常规则，因此获得的数字图像精度较高，可以将CCD阵列比喻成绘图的米格坐标纸，密封垫断面的影响投射在“坐标纸”上，通过获得的数字图像可以详细地得到试件的轮廓各点的精细坐标，进而对其几何量进行测量，得到十分精确的测量结果。

检测步骤包括：获得数字图像、图像二值化处理、密封垫断面边缘识别、轮廓追踪、生成矢量化文件、物理标定、测量与标注、得到尺寸公差、判断密封垫断面是否合格。

首先通过选用合适的光源拍照得到数字图像；

然后进行图像处理。拍照后，计算机可以获得图像函数。图像函数的函数值表示的是图像中各点处光的强度，称为强度或灰度，其为正实数，取值范围为0≤f(x，y)≤B。其中B表示一幅图像的最大亮度。然后对所得的图像函数进行二值化处理，即只取灰度的两个极端值，0和225。然后通过边缘检测局部算子法得到图像的边缘。

在获得边缘轮廓后，采用轮廓追踪技术依次将轮廓点的坐标记录成矢量文件，最后移交矢量化软件中进行几何测量与分析。

通过matlab对在测量分析之前必须对像素所表达的几何意义进行物理标定，一般情况下由于镜头畸变等原因将造成图像的失真，进而会影响局部的测量效果，都要对于摄像机、照相机进行镜头校正。但是若影响在公差测量的允许范围内，则无需进行校正。

标定模板如图3所示。

将实际识别的密封垫的图像按照标定系数换算成实际的尺寸，并将实际尺寸标注。

对于孔洞信息则需要采用形位公差的方式进行标注。

为了确定各孔洞的位置与设计孔洞位置之间的形位公差，则需要定义一个基准点。由于密封垫的截面积对于防水和压缩的影响是巨大的，因此定义外轮廓的面积矩中心即外轮廓的形心作为形位公差的基准点。

各孔洞的基准点也同样处理。孔洞取“当量孔径”进行比较，当量孔径为

$D=\sqrt{\frac{4S}{\mathrm{\π}}}$

式中，D为当量孔径，S为测量的孔洞面积。

最后计算得到密封垫尺寸公差，判断其是否满足密封垫公差控制要求。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

1)、有效地提高盾构隧道管片弹性密封垫断面检测的精度；

2)、而且操作简单，易于实现。

附图说明

图1为无接触密封垫断面检测方法原理图。

图2为本发明实施例CCD检测法流程示意图。

图3(a)为本发明实施例密封垫断面自然光照情况下密封垫拍摄效果图。

图3(b)为本发明实施例密封垫断面照度不足情况下密封垫拍摄效果图。

图3(c)为本发明实施例密封垫断面照度充足情况下密封垫拍摄效果图。

图4(a)为本发明实施例密封垫断面拍摄效果灰度直方图分析之一(Matlab)。

图4(b)为本发明实施例密封垫断面拍摄效果灰度直方图分析之二(Matlab)。

图4(c)为本发明实施例密封垫断面拍摄效果灰度直方图分析之三(Matlab)。

图5(a)为本发明实施例Sobel算子的检测结果图。

图5(b)为本发明实施例Laplace算子的检测结果图。

图5(c)为本发明实施例Kirsch算子的检测结果图。

图5(d)为本发明实施例Prewitt算子的检测结果图。

图6为本发明实施例标定板的识别结果图。

图7(a)为本发明实例断面1检测结果图。

图7(b)为本发明实例断面2检测结果图。

图7(c)为本发明实例断面3检测结果图。

具体实施方式

本发明采用面阵CCD法检测含孔洞的和多条曲线组成的不规则密封垫断面。面阵CCD检测法直接将待测零件通过成像系统成像到CCD靶面上，通过图像处理和CCD像元尺寸换算的方法，计算工件的尺寸大小，并得到不规则度、圆度误差信息，进而判断密封垫尺寸是否在规范规定的公差允许范围内。相较于传统的接触式密封垫断面检测法，面阵CCD检测法具有省时、高效、准确的优点。

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，根据凸透镜呈像原理，在充足的光源照射下，试件的像呈现在CCD感光元件上。CCD又称为电荷耦合器，是一种特殊的半导体材料。它是由许多单个感光二极管组成的阵列，整体呈正方形，然后像砌砖一样将这些感光二极管砌成阵列来组成可以输出一定解析度图像的CCD感光元件。它的成像原理是使用感光二极管将光线转换为电荷，当对焦完毕按下快门的时候，光线通过打开的快门透过试件射入在CCD感光元件上，感光二极管在接受光子的撞击后释放电子，所产生电子的数目与该感光二极管感应到的光成正比。当本次曝光结束之后，每个感光二极管上含有不同数量的电子，而在显示器上面看到的数码图像就是通过电子数量的多与少来进行表示和储存，然后控制电路从CCD中读取图像，进行红R、绿G和蓝B三原色合成，并且放大和将其数字化，这些数字信号被存入数码相机的缓存内，最后写入存储介质完成对密封垫断面的拍摄。通过获得的数字图像可以详细地得到试件的轮廓各点的精细坐标，进而对其几何量进行测量。

系统各组成部分及主要相关技术参数见表2。

表2数字图像测量系统的组成

组成部分	技术参数
		USB工业相机	分辨率2048×1536(300万像素)
镜头	25mm焦距1.4光圈
		视觉标定板	精度是1μm
便携式实验支架
		光源模拟控制器
光源
		图像处理软件

检测过程主要分成以下几个步骤：获得数字图像、图像二值化处理、密封垫断面边缘识别、轮廓追踪、生成矢量化文件、物理标定、测量与标注、得到尺寸公差、判断密封垫断面是否合格，如图2的方法流程框图所示。

运用USB工业相机获得数字图像，数字图像的成像质量关系到图像处理的结果，如果图像的边缘轮廓清晰则判别的效果将会误差较小，因此本系统特选用了LED光源，并采用了控制光源亮度的控制器。将密封垫切成3～5mm的薄片，置于试验台架上，在不同的光源照度的情况下拍摄的效果如图所示：可以看出在图3(a)情况即自然光下试件的边缘模糊，拍摄效果不好，软件将无法识别；图3(b)情况则是光源照度不足的情况，景深(密封垫的厚度)将直接干扰轮廓识别的效果；图3(c)情况为光源照度充足的情况，密封垫的断面边缘清晰，识别效果良好。

接着对图像进行二值化处理。图像按照空间坐标和明暗程度的连续性可以分为模拟图像和数字图像。模拟图像指空间坐标和明暗程度变化都是连续变化的，计算机无法直接处理的图像。数字图像是一种空间坐标和灰度不连续的、用离散的数字表示的图像。这样的图像才能被计算机所处理，数字图像处理指的就是用计算机对这样的数字图像进行处理，即采用计算机对图像进行信息加工。数字图像的基本单元叫做图像元素，简称像素。

对于普通静止的平面黑白图像所包含的信息首先表现为光的强度，它是随像素的空间坐标(x，y)而发生变化的，因此图像函数可以表示为：

I＝f(x,y)

图像函数在某一点的值常称为强度或灰度，它与图像在该点的亮度相对应，并用正实数表示，而且这个数值的大小是有限的，即0≤f(x，y)≤B。其中B表示一幅图像的最大亮度。

对于一幅密封垫断面的数值图像，要将其边缘识别出来，就需要采用图像分割技术。而在进行轮廓识别之前，一般先要对图像进行二值化处理：将图像上的所有像素点的灰度值只用两种可能，不为0就为255，也就是整个图像呈现出明显的黑白效果。

对图3(a)、图3(b)及图3(c)的照片进行灰度图转换后，对其灰度分布进行直方图分析，分别见图4(a)、图4(b)及图4(c)，可以看出：图4(a)的灰度集中在0-50之间，这说明图像非常灰暗，且没有明显的峰值，各点的灰度都极为接近；而图4(b)灰度分布较为广泛，但是却出现了两个峰值，这说明图像的景深将直接混淆后续的边缘判别结果，而图4(c)只有一个明显的峰值，说明边缘特征明显。在进行二值化处理时，直接设置峰值作为一个阈值，这样就可以清晰地判别出图像中密封垫的边缘了。

图像的边缘是处理图像中的应用到的最基本特征。所谓边缘(或边沿)是指其周围图像灰度有阶跃变化或屋顶变化的那些像素的集合。边缘广泛存在于物体与背景之间，物体与物体之间，基元与基元之间。因此，它是图像分割所依赖的重要特征。物体的边缘是由灰度性所反映的。经典的边缘提取方法是考察图像的每一个像素在某个领域内的灰度变化，利用边缘邻近一阶或二阶方向导数变化规律。用简单的方法检测边缘。这种方法称为边缘检测局部算子法。边缘的种类可以分为两种：一种称为阶跃性边缘，它两边的像素的灰度值有着显著的不同；另一种称为屋顶状边缘，它位于灰度值从增加到减少的变化转折点。边缘检测算子检查每个像素的领域并对灰度变化率进行量化，也包括方向的确定。大多数使用基于方向导数掩模求卷积的方法。

比较常用的边缘局部检测算子Sobel，Laplace，Kirsch，Prewitt，Hough，Robert算子等。图5为几种算子的检测结果。

其中Roberts算子运算简单，但是对噪声比较敏感。Sobel算子可以平滑噪声，但是检测精度不够。Prewitt算子对噪声有一定的抑制作用，但是检测出的边缘比较粗，检测精度不够。Krisch检测精度相对较高，但对噪声敏感。而Laplace算子的检测结果较好。本实施例采用Laplace算子来提取边缘。

在获得边缘轮廓后，采用轮廓追踪技术依次将轮廓点的坐标记录成矢量文件，最后移交矢量化软件中进行几何测量与分析。

在测量分析之前必须对像素所表达的几何意义进行物理标定，一般情况下由于镜头畸变等原因将造成图像的失真，进而会影响局部的测量效果，都要对于摄像机、照相机进行镜头校正。但是若影响在公差测量的允许范围内，则无需进行校正。

根据以上数值图像处理流程对于标定板图像进行处理，识别出格子的角点(图6)，由于标定板为高精度的雕版制作，精度为1μm。因此可以量取标定板各角点之间的距离。发现所有距离都在52或者53两者之间无规律的变化。并没有出现中间和边缘区域明显的差别，因此在本系统中不再对相机进行镜头校正。

由于标定板横向纵向角点之间的间距为1mm，因此此处可以认为52个像素代表1mm间距。那么本测试系统的标定系数：

$\frac{\mathrm{\Δh}}{\mathrm{Pixels}}=\frac{1\mathrm{mm}}{52}=0.0192\mathrm{mm}/\mathrm{pixel}$

理论最大测试误差：

$\frac{\mathrm{\ΔPixel}*\mathrm{\Δh}}{\mathrm{Pixels}}=\frac{(54-52)}{52}\×1\mathrm{mm}=0.0384\mathrm{mm}$

将实际识别的密封垫的图像按照标定系数换算成实际的尺寸，并将实际尺寸标注。

以上测量，仅仅表示了密封垫的高度、宽度等基本几何信息。而对于孔洞信息则需要采用形位公差的方式进行标注。为了确定各孔洞的位置与设计孔洞位置之间的形位公差，则需要定义一个基准点。由于密封垫的截面积对于防水和压缩的影响是巨大的，因此定义外轮廓的面积矩中心即外轮廓的形心作为形位公差的基准点。各孔洞的基准点也同样处理，形心定义公式：

$X=\frac{\∫\∫\mathrm{xdxdy}}{\∫\∫\mathrm{dxdy}},Y=\frac{\∫\∫\mathrm{ydxdy}}{\∫\∫\mathrm{dxdy}}$

得出X、Y分别为形心的横纵坐标，鉴于生产工艺所限，各孔洞已不再是严格的圆形，故此处特提出“当量孔径”的比较方法：

$D=\sqrt{\frac{4S}{\mathrm{\π}}}$

式中，D为当量孔径，S为测量的孔洞面积

通过以上步骤，数字图像处理技术可以精确地得到净面积以及孔位误差等参数，进而评价产品的生产质量。

实例：

以图7(a)、图7(b)及图7(c)及下列表3-5展现遴选的三种断面的密封垫运用本发明的方法进行检测的结果。

表3 三种断面面积检测结果

表4 三种断面轮廓尺寸检测结果

断面	高度(mm)	腰部宽度(mm)	顶面宽度(mm)	底部宽度(mm)
					断面1实测	16.62	35.87	22.84	32.03
断面1设计指标	16	36	23	33
					断面2实测	16.35	35.76	23.71	30.60
断面2设计指标	16	36	24	33
					断面3实测	17.65	35.87	30.74	32.03
断面3设计指标	16.5	35	30	32

表5 三种断面孔径测试结果

表6 3种断面孔位偏差测试结果

其中，由表6可知，全部孔位偏差都超标。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法，其特征在于：采用基于机器视觉的非接触尺寸检测方法来检测含孔洞的和多条曲线组成的不规则密封垫断面。

2.如权利要求1所述的盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法，其特征在于：所述的非接触尺寸检测方法为CCD面阵检测法，包括以下步骤：获得数字图像、图像二值化处理、密封垫断面边缘识别、轮廓追踪及生成矢量化文件、物理标定、测量与标注、得到尺寸公差、判断密封垫断面是否合格。

3.如权利要求2所述的盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法，其特征在于：在所述获得数字图像的步骤中，选用LED光源，并采用控制光源亮度的控制器；将密封垫切成3～5mm的薄片，置于试验台架上，在充足光源照度的情况下拍摄获得密封垫断面图像。

4.如权利要求2所述的盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法，其特征在于：在所述图像二值化处理步骤中，直接设置灰度峰值作为一个阈值，以便清晰得判别出图像中密封垫的边缘。

5.如权利要求2所述的盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法，其特征在于：在所述密封垫断面边缘识别步骤中采用Laplace算子来提取边缘。

6.如权利要求2所述的盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法，其特征在于：在轮廓追踪与生成矢量化文件步骤中，在获得边缘轮廓后，采用轮廓追踪技术依次将轮廓点的坐标记录成矢量文件，最后移交矢量化软件中进行几何测量与分析。

7.如权利要求2所述的盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法，其特征在于：在所述测量与标注步骤中，通过matlab在测量分析之前，对像素所表达的几何意义进行物理标定；由于镜头畸变等原因将造成图像的失真，进而会影响局部的测量效果，都要对于摄像机、照相机进行镜头校正；若影响在公差测量的允许范围内，则无需进行校正。

8.如权利要求2所述的盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法，其特征在于：在所述测量与标注步骤中，将实际识别的密封垫的图像按照标定系数换算成实际的尺寸，并将实际尺寸标注。

9.如权利要求2所述的盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法，其特征在于：在所述测量与标注步骤中，对于孔洞信息需要采用形位公差的方式进行标注；为了确定各孔洞的位置与设计孔洞位置之间的形位公差，则需要定义一个基准点；定义外轮廓的面积矩中心即外轮廓的形心作为形位公差的基准点；各孔洞的基准点也同样处理。

10.如权利要求2所述的盾构隧道管片弹性密封垫断面检测方法，其特征在于：在所述测量与标注步骤中，孔洞取“当量孔径”进行比较，当量孔径为：

$D=\sqrt{\frac{4S}{\mathrm{\π}}}$

式中，D为当量孔径，S为测量的孔洞面积。