CN108615233A - 一种吊弦图像处理方法、基于线阵相机的吊弦抓拍系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种吊弦图像处理方法、基于线阵相机的吊弦抓拍系统。所述方法包括获取吊弦图像；对吊弦图像进行预处理；利用GABOR滤波器组对吊弦图像进行GABOR变换；对吊弦图像进行动态二值化处理；计算二值化后的图中白色点的面积，如果面积大于预定阈值,判断为吊弦。所述系统包括线阵天线及服务器。本发明能够获取隧道表面清晰图像，检测效率高、可靠性好并且节省人力。

Description

一种吊弦图像处理方法、基于线阵相机的吊弦抓拍系统

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，特别是一种吊弦图像处理方法、基于线阵相机的吊弦抓拍系统。

背景技术

吊弦是接触网重要组成部件之一，接触线通过吊弦挂在承力索上，调节吊弦的长度可以保证接触悬挂的结构高度和接触线距轨面的工作高度，增加了接触线的悬挂点，提高电力机车受电弓的取流质量。近年来，高铁接触网在运行过程中，存在整体吊弦断裂、散股、不受力等现象，直接影响行车安全，因此，能否高质量的抓拍到吊弦，是分析吊弦工作状态的前提。

目前，市面上没有较好的实时吊弦抓拍方法，已有的方法存在如下的缺点：(1)实时性差；(2)抓拍漏检率高。

另外，作为轨道交通关键基础设施的隧道，在投入运营的过程中，可能出现衬砌开裂、管片裂缝、错台、隧道渗漏等问题并且还可能出现周围土体空洞、地铁隧道整体沉降等问题。在地铁网络运营过程中，如果隧道结构及周围土层出现这些问题，隧道在地铁列车的载荷和振动作用下就会产生变形开裂等现象，影响地铁运行安全。因此，快速有效地检测出隧道裂缝是保证隧道运行安全的重要环节。

目前，国内地铁隧道验收及运营过程中，隧道表面裂缝检测主要靠人工巡检。人工巡检效率低，可靠性差，容易漏检，并且对裂缝等级的判定靠经验。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种吊弦图像处理方法及基于线阵相机的吊弦抓拍系统。

所述方法包括如下步骤：

步骤一：获取吊弦图像；

步骤二：对吊弦图像进行预处理；

步骤三：利用GABOR滤波器组对吊弦图像进行GABOR变换；

步骤四：对吊弦图像进行动态二值化处理；

步骤五：计算二值化后的图中白色点的面积，如果面积大于预定阈值,判断为吊弦。

进一步的，步骤三中，GABOR滤波器组采用如下公式：

G（x,y）=s（x,y）* w（x,y）。

其中（x,y）表示吊弦图像中各个像素点的坐标，s（x,y）为正弦函数，w（x,y）为高斯函数。

进一步的，步骤四中，动态二值化采用OTSU算法。

进一步的，步骤五中所述的预定值取值范围为0.8~0.9。

进一步的，步骤一中，获取的吊弦图像具有10帧.

所述系统包括线阵相机及Y与线阵相机通信连接的服务器端。

所述线阵相机包括一个圆环形底座及若干成像单元、信号传输模块；所述圆环形底座外圆周表面具有若干连续的切面，每个成像单元设置于一个切面上；所述成像单元包括工业相机、所述工业相机镜头朝向外侧，且焦点位于圆环形底座直径的延长线上；所述工业相机与信号传输模块连接；所述信号传输模块能够与服务器端进行数据传输。

所述服务器端包含图像处理单元、显示单元、信号传输单元，用于接收线阵天线输出来的图像，并用于对线阵相机所采集的图像进行上述的图像处理方法的处理，并显示图像。

进一步的，所述工业相机前方一侧设置一个旋转底座，旋转底座上活动固定有光源部分，所述光源部分包含两个对称设置、平行放置的单元，各个单元结构一样，具体为：包含一个腔体，所述腔体内部沿着工业相机的取向方向依次设置LED灯、菲涅尔透镜、透光玻璃；各个单元能够以位于切面上的切线为旋转轴进行旋转。

进一步的，各个工业相机的焦点所在直径与相邻的工业相机的焦点所在直径的夹角为38°。

进一步的，光源部分两个单元相邻面的对面均设计有散热装置，所述散热装置包括风扇及垂直于该面的散热片列。

进一步的，光源部分两个单元的腔体一侧设置用于显示光源部分旋转角度的刻度指示针。

本发明的有益效果为：

1.抓拍流程运行时间低于0.1毫秒，满足实际的实时要求。

2.吊弦抓拍的漏检率低于1%，远高于目前已有的吊弦抓拍方法

3.采用高频拍照工业CCD相机获取隧道表面清晰图像，可满足行车速度在30km/h以上。

4.能够对隧道表面的裂缝进行自动化检测，检测效率高、可靠性好并且节省人力。

5.线阵天线可安装于检测车辆上，服务器安装于检测车辆内部。这里所说的检测车辆可以是汽车，也可以是列车。

附图说明

图1为本发明所述系统示意图图。

图2为本线阵天线的侧视图。

图3为成像单元角度示意图。

图4位光源部分及散热装置的剖面图。

图5为防水透气阀及刻度指示针的设置位置示意图。

图6为图像处理方法流程图。

图中：1.圆环形底座，2、成像单元，3.工业相机，4.旋转底座，5. 光源部分，6.LED灯，7.菲涅尔透镜，8.透光玻璃，9.防水透气阀，10. 风扇，11.刻度指示针，12.发光单元。

具体实施方式

下面对图像处理方法及系统分别进行说明。

一：吊弦图像处理方法

如图6所示，该方法包括如下步骤：

步骤一：获取吊弦图像。

吊弦图像可通过后面所述的线阵相机采集，其中线阵相机的宽度为1024，为了能实时抓拍吊弦，本实施例只需要采用N=10帧图像，整个吊弦流程计算时间不超过0.1毫秒，满足实际的实时要求。

步骤二：对吊弦图像进行预处理。

采用图像缩放和均值滤波方式对原始10帧吊弦数据进行预处理。

步骤三：利用GABOR滤波器组对吊弦图像进行GABOR变换。

GABOR是一种生物启发式的特征，本身模拟生物视觉系统。GABOR变换是通过多尺度多方向GABOR滤波器组对图像滤波后得到的形状信息。GABOR滤波器组在图像处理中使用广泛，主要目的是提取图像的不同尺度不同方向的轮廓细节，在本发明中，尺度选择3个，方向选择8个。同时GABOR滤波器本身是加窗傅立叶变换，为了加快计算速度，本发明先把图像变换到频域，与GABOR核做卷积，然后变换回时域得到轮廓信息。GABOR滤波器组采用如下公式：

G（x,y）=s（x,y）* w（x,y）;

其中（x,y）表示吊弦图像中各个像素点的坐标，s（x,y）为正弦函数，w（x,y）为高斯函数。

步骤四：对吊弦图像进行动态二值化处理。

本实施例的动态二值化优选采用OTSU算法，也称最大类间差法，是一种现有的算法，计算简单。该算法按图像的灰度特性,将图像分成背景和前景两部分。因方差是灰度分布均匀性的一种度量,背景和前景之间的类间方差越大,说明构成图像的两部分的差别越大。

步骤五：计算二值化后的图中白色点的面积，如果面积大于预定阈值,判断为吊弦。

本实施例中预定阈值优选取值范围为0.8~0.9，当面积大于预定阈值,判断为吊弦。优选的，取值为0.8，能满足吊弦抓拍的漏检率低于1%，远高于目前已有的吊弦抓拍方法。

二：基于线阵相机的吊弦抓拍系统

如图1所示，本系统包括一个线阵相机及与与线阵相机通信连接的服务器端。

所述服务器端包含图像处理单元、显示单元、信号传输单元，用于接收线阵天线输出来的图像，并用于对线阵相机所采集的图像进行前述的图像处理方法的处理，并显示图像。服务器端可采用电脑。图像处理单元可通过软件编程实现计算过程，信号传输单元可采用现有的有线、无线传输模块。

本发明所述线阵天线包含一个圆环形底座1，及若干成像单元2，所述圆环形底座1外圆周表面具有若干连续的切面，每个成像单元2设置于一个切面上；所述成像单元2包括工业相机3、所述工业相机3镜头朝向外侧，且焦点位于圆环形底座1直径的延长线上。优选的，本实施例设置有7个成像单元2。更优选的，如图4所示，工业相机3的焦点所在直径与相邻的工业相机3的焦点所在直径的夹角为38°。这种设计能保证每个相邻相机的视场在2.2米以上都具有有效的重叠部分，整体视场角278°。

由于隧道内光线不足，满足不了相机采集图像的光照强度要求，需要提供补偿光源。为了达到该目的，所述工业相机3前方一侧设置一个旋转底座4，旋转底座4上活动固定有光源部分5，所述光源部分5包含两个对称设置、平行放置的发光单元12，各个发光单元12结构一样，具体如图4所示：包含一个腔体，所述腔体内，沿着工业相机3的取向方向依次设置LED灯6、菲涅尔透镜7、透光玻璃9；所述光源部分5能够以位于切面上的其中一个切线为旋转轴进行旋转，能够根据隧道高度的不同，可调节两个发光单元12之间的夹角，使光源能最高效的对相机进行补光。应当理解，前述的切线是指与其所在切面相切于同样的圆的切线。更优选的，如图5所示，为了实现各个发光单元12所调节的角度以方便调节其余补偿光源，光源部分5两个发光单元12的腔体一侧设置用于显示光源部分5旋转角度的刻度指示针11。所述刻度指示针11的指针随发光发光单元12调整角度而转轴发生变化，而指向刻度会相对于零点有所变化，而变化的量可对转动角度有一定的量化作用。刻度指示针11的设计可用于后续产品量产时指导生产。

光源部分5两个发光单元12相邻面的对面均设计有散热装置。如图4所示，所述散热装置包括风扇10及垂直于该面的散热片列。散热装置能有效地散发LED光源产生的热量，保证光源系统长久有效地运行。

进一步的，为了使得本发明更好的适用于装置室外使用，满足GB/T4208《外壳防护等级》中IP67等级要求，本发明置密封采用密封圈和密封胶灌封方式。

如图5所示，由于光源部分5内设置LED光源，工作中产生热量，这就要求装置内空气湿度低，干燥性能好，不影响装置内密闭空间的气压值，故光源座上安装有专业防水透气阀9，保证腔体内外气压平衡。

本发明的有益效果为：

1.抓拍流程运行时间低于0.1毫秒，满足实际的实时要求。

2.吊弦抓拍的漏检率低于1%，远高于目前已有的吊弦抓拍方法

3.采用高频拍照工业CCD相机获取隧道表面清晰图像，可满足行车速度在30km/h以上。

4.能够对隧道表面的裂缝进行自动化检测，检测效率高、可靠性好并且节省人力。

5.线阵天线可安装于检测车辆上，图像处理卡及主机安装于检测车辆内部。这里所说的检测车辆可以是汽车，也可以是列车。

Claims (10)

1.一种吊弦图像处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：获取吊弦图像；

步骤二：对吊弦图像进行预处理；

步骤三：利用GABOR滤波器组对吊弦图像进行GABOR变换；

步骤四：对吊弦图像进行动态二值化处理；

步骤五：计算二值化后的图中白色点的面积，如果面积大于预定阈值,判断为吊弦，否则不认定为吊弦。

2.如权利要求1所述的吊弦图像处理方法，其特征在于，步骤三中，GABOR滤波器组采用如下公式：

G（x,y）=s（x,y）* w（x,y）;

其中（x,y）表示吊弦图像中各个像素点的坐标，s（x,y）为正弦函数，w（x,y）为高斯函数。

3.如权利要求1所述的吊弦图像处理方法，其特征在于， 步骤四中，动态二值化采用OTSU算法。

4.如权利要求1所述的吊弦图像处理方法，其特征在于，步骤五中所述的预定值取值范围为0.8~0.9。

5.如权利要求1所述的吊弦图像处理方法，其特征在于，步骤一中，获取的吊弦图像具有10帧。

6.一种基于线阵相机的吊弦抓拍系统，其特征在于，包括线阵相机及与线阵相机通信连接的服务器端；

所述线阵相机包括一个圆环形底座及若干成像单元、信号传输模块；所述圆环形底座外圆周表面具有若干连续的切面，每个成像单元设置于一个切面上；所述成像单元包括工业相机、所述工业相机镜头朝向外侧，且焦点位于圆环形底座直径的延长线上；所述工业相机与信号传输模块连接；所述信号传输模块能够与服务器端进行数据传输；

所述服务器端包含图像处理单元、显示单元、信号传输单元，用于接收线阵天线输出来的图像，对线阵相机所采集的图像进行如权利要求1~5任一项所述的图像处理方法的处理，并显示图像。

7.如权利要求6所述的基于线阵相机的吊弦抓拍系统，其特征在于，所述工业相机前方一侧设置一个旋转底座，旋转底座上活动固定有光源部分，所述光源部分包含两个对称设置、平行放置的单元，各个单元结构一样，具体为：包含一个腔体，所述腔体内部沿着工业相机的取向方向依次设置LED灯、菲涅尔透镜、透光玻璃；各个单元能够以位于切面上的切线为旋转轴进行旋转。

8.如权利要求6所述的基于线阵相机的吊弦抓拍系统，其特征在于，各个工业相机的焦点所在直径与相邻的工业相机的焦点所在直径的夹角为38°。

9.如权利要求6所述的基于线阵相机的吊弦抓拍系统，其特征在于，光源部分两个单元相邻面的对面均设计有散热装置，所述散热装置包括风扇及垂直于该面的散热片列。

10.如权利要求6所述的基于线阵相机的吊弦抓拍系统，其特征在于，光源部分两个单元的腔体一侧设置用于显示光源部分旋转角度的刻度指示针。