本發(fā)明涉及軌頭斷面輪廓尺寸合格性檢測方法，尤其涉及一種基于圖像的軌頭(60kg/m)斷面輪廓尺寸合格性檢測方法。

背景技術(shù)：

鋼軌斷面輪廓尺寸合格性檢測是無縫鋼軌焊接生產(chǎn)線上重要環(huán)節(jié)，是保障鋼軌質(zhì)量的重要手段。檢測內(nèi)容主要包括鋼軌斷面對稱性、軌高、軌頭寬度、軌冠飽滿度和軌腰厚度參數(shù)。

目前我國在焊接生產(chǎn)線上主要使用檢查樣板，對軌頭斷面輪廓尺寸進(jìn)行合格性檢測，根據(jù)需要檢測的參數(shù)，使用檢測樣板逐支進(jìn)行卡量，利用樣板自身輪廓線，對鋼軌相應(yīng)部位的橫斷面輪廓線進(jìn)行擬合檢查，這種標(biāo)準(zhǔn)樣板檢測法存在檢測自動化程度低、操作不方便、效率低，精度不高以及沒有量化結(jié)果不便于數(shù)據(jù)保存的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于圖像的軌頭(60kg/m)斷面輪廓尺寸合格性檢測方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)存在檢測自動化程度低、操作不方便、效率低，精度不高以及沒有量化結(jié)果不便于數(shù)據(jù)保存的問題。本發(fā)明方法包括以下步驟：

1)鋼軌斷面圖像預(yù)處理，具體包括下述步驟：

(1.1)對采集的目標(biāo)圖像進(jìn)行中值濾波，降低噪聲干擾；

(1.2)采用最大類間方差法對濾波后圖像進(jìn)行閾值分割，得到軌頭二值圖像；

2)掃描法確定軌頭左下端點(diǎn)和右下端點(diǎn)，具體包括下述步驟：

(2.1)對第1)步得到的軌頭二值圖像，采用掃描法，首先，以圖像左上角為起點(diǎn)，自左向右進(jìn)行掃描，沿圖像y軸方向遍歷所有水平線，獲取軌頭輪廓左邊緣點(diǎn)集pl；其次，以圖像右上角為起點(diǎn)，自右向左進(jìn)行掃描，沿圖像y軸方向遍歷所有水平線，獲取軌頭輪廓右邊緣點(diǎn)集pr；

(2.2)分別利用軌頭左下和右下端點(diǎn)處夾角已知，以及兩直線相交于端點(diǎn)的特點(diǎn)，首先，從軌頭輪廓左邊緣點(diǎn)集中分離出兩個左邊緣子集pll子集和p左顎子集，其次，從軌頭輪廓右邊緣點(diǎn)集中分離出兩個右邊緣子集prr子集和p右顎子集；

(2.3)采用最小二乘直線擬合法，得到軌頭左下端點(diǎn)，首先，分別對pll和p左顎子集中所有點(diǎn)進(jìn)行最小二乘直線擬合，其次，分別計算參與擬合的點(diǎn)到擬合直線的距離，按照距離從大到小排序，從pll和p左顎中去除一定比例的最遠(yuǎn)點(diǎn)集，最后，對pll和p左顎中剩余點(diǎn)集再次進(jìn)行最小二乘直線擬合得到直線ll和l左顎；

(2.4)采用與步驟(2.3)相同的方法，分別處理prr和p右顎兩個子集，得到直線lr和l右顎；

(2.5)計算直線ll和直線l左顎的交點(diǎn)得到軌頭左下端點(diǎn)pl；

(2.6)計算直線lr和直線l右顎的交點(diǎn)得到軌頭右下端點(diǎn)pr；

3)確定軌頭上寬度測量區(qū)域，具體包括下述步驟：

(3.1)利用步驟2)得到的pl和pr，過點(diǎn)pl和pr以指向pr方向為正方向建立x軸；以pl和pr的中心為原點(diǎn)，過plpr的中心，以垂直向上方向為正向，建立為y軸；

(3.2)將步驟(3.1)得到的x軸沿y軸正方向分別平移22.00mm和34.20mm,得到兩條直線，它們通過軌頭左右邊緣的區(qū)域wh，即為軌頭上寬度測量區(qū)域，wh內(nèi)軌頭邊緣點(diǎn)集記為ph；

4)確定軌頭軌冠點(diǎn)測量區(qū)域，具體包括下述步驟：

(4.1)將第3)步得到的x軸沿y軸正方向平移36.00mm，所得直線通過軌頭邊緣與軌頭頂部邊緣組成的區(qū)域wv；

(4.2)wv內(nèi)的所有邊緣點(diǎn)定義為軌冠邊緣點(diǎn)集，記為pv；

5)確定軌頭測量上寬度數(shù)據(jù)點(diǎn)及軌冠點(diǎn)，具體包括下述步驟：

(5.1)對第3)步和第4)步得到的點(diǎn)集ph和pv去除奇異點(diǎn)，ph包括左軌頭上寬度邊緣點(diǎn)集phl和右軌頭上寬度邊緣點(diǎn)集phr，pv包括左軌冠區(qū)域邊緣點(diǎn)集pvl和右軌冠區(qū)域邊緣點(diǎn)集pvr；

(5.2)確定軌頭上寬度測量的左邊數(shù)據(jù)點(diǎn)，首先，在左軌頭上寬度邊緣點(diǎn)集phl中，按照順序選取第二個點(diǎn)作為當(dāng)前備選點(diǎn)pi，選取pi前點(diǎn)后點(diǎn)pi-1、pi+1，過這三個點(diǎn)確定一個圓，其圓心是oi；其次，過圓心oi分別作向量并計算數(shù)量積di和di+1，其中di＝vi-1·vi、di+1＝vi·vi+1；最后，對di和di+1的值進(jìn)行判斷，若不滿足di≠0且di+1＝0或者di＝0且di+1≠0，則從phl中選取下一個點(diǎn)作為備選點(diǎn)，直至di和di+1的值滿足判斷條件為止，則當(dāng)前備選點(diǎn)pi是直線與圓弧的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即為軌頭上寬度測量的左邊數(shù)據(jù)點(diǎn)b(xb,yb)；

(5.3)采用與步驟(5.2)相同的方法，確定右軌頭上寬度邊緣點(diǎn)集phr中測量上軌寬的右邊數(shù)據(jù)點(diǎn)b'(x'b,y'b)；

(5.4)確定軌頭上寬度測量的左邊軌冠數(shù)據(jù)點(diǎn)，首先，在左軌冠區(qū)域邊緣點(diǎn)集pvl中，按照順序選取第二個點(diǎn)作為當(dāng)前備選點(diǎn)pi，其次，采用與步驟(5.2)相同的方法計算得到圓心向量數(shù)量積di+1，最后，對di+1的值進(jìn)行判斷，若di+1＞0，則點(diǎn)pi在輪廓邊緣圓弧上，從phl中選取下一個點(diǎn)作為備選點(diǎn)，繼續(xù)計算di+1的值，直至滿足di+1＜0為止，此時pi是圓弧與圓弧的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即為左邊軌冠數(shù)據(jù)點(diǎn)a(xa,ya)；

(5.5)采用與步驟(5.4)相同的方法，確定右軌冠區(qū)域邊緣點(diǎn)集pvr中右邊軌冠數(shù)據(jù)點(diǎn)a'(x'a,y'a)；

(5.6)軌頭上寬度合格檢測，利用測量軌頭上寬度的左右數(shù)據(jù)點(diǎn)b和b'，計算點(diǎn)b到b'的距離du，軌頭上寬度標(biāo)準(zhǔn)尺寸為73.00mm，其誤差為±0.50mm；若測得上軌寬du在72.50mm至73.50mm范圍內(nèi)，則軌頭上軌寬合格，否則軌頭上軌寬不合格；

6)確定軌冠飽滿度檢測區(qū)域，具體包括下述步驟：

(6.1)以的軌頭頂部邊緣作為飽滿度合格檢測左邊區(qū)域；

(6.2)以的軌頭頂部邊緣作為飽滿度合格檢測右邊區(qū)域；

(6.3)將步驟(6.1)和(6.2)得到的左、右區(qū)域組成飽滿度合格檢測區(qū)w,w內(nèi)點(diǎn)集記為pt；

7)軌冠飽滿度合格檢測，具體包括下述步驟：

(7.1)將第3)步得到的x軸沿y軸正方向平移22.15mm，得到一條基準(zhǔn)直線l；

(7.2)對第6)步得到的點(diǎn)集pt進(jìn)行奇異點(diǎn)去除；

(7.3)對pt去除奇異后的剩余點(diǎn)，計算各點(diǎn)到基準(zhǔn)直線l的距離dci，并取平均值dave，軌頭飽滿度標(biāo)準(zhǔn)值14.20mm，其誤差為-0.50mm至+0.60mm，若dave在13.70mm至14.80mm范圍內(nèi)，則軌冠飽滿度合格，否則軌冠飽滿度不合格。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：采用最小二乘直線擬合法去除奇異點(diǎn)，提高邊緣定位精度，采用圓心向量法選取控制點(diǎn)，提高軌冠定位精度，采用圖像處理方法對軌頭斷面輪廓尺寸進(jìn)行無損和無接觸檢測。該發(fā)明具有自動化程度高、操作方便、效率高、精度高以及量化的檢測結(jié)果便于保存的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工作流程圖。

圖2為輪廓區(qū)域示意圖，圖中為軌冠點(diǎn)輪廓區(qū)wv,為軌頭上寬度測量輪廓區(qū)wh。

圖3為軌冠飽滿度檢測區(qū)示意圖，圖中為軌冠飽滿度檢測區(qū)w。

具體實施方式

本發(fā)明采用如圖1所示的基于圖像的軌頭斷面合格檢測方法，實現(xiàn)鋼軌圖像幾何尺寸軌冠飽滿度測量，其具體實施步驟如下：

1.鋼軌斷面圖像預(yù)處理，具體包括下述步驟：

(1.1)對采集的目標(biāo)圖像進(jìn)行中值濾波，降低噪聲干擾；

(1.2)采用最大類間方差法對濾波后圖像進(jìn)行閾值分割，得到軌頭二值圖像。

2.掃描法確定軌頭左下端點(diǎn)和右下端點(diǎn)，具體包括下述步驟：

(2.1)對第1步得到的軌頭二值圖像，采用掃描法，首先，以圖像左上角為起點(diǎn)，自左向右進(jìn)行掃描，沿圖像y軸方向遍歷所有水平線，獲取軌頭輪廓左邊緣點(diǎn)集pl；其次，以圖像右上角為起點(diǎn)，自右向左進(jìn)行掃描，沿圖像y軸方向遍歷所有水平線，獲取軌頭輪廓右邊緣點(diǎn)集pr；

(2.2)分別利用軌頭左下和右下端點(diǎn)處夾角已知，以及兩直線相交于端點(diǎn)的特點(diǎn)，首先，從軌頭輪廓左邊緣點(diǎn)集中分離出兩個左邊緣子集pll子集和p左顎子集，其次，從軌頭輪廓右邊緣點(diǎn)集中分離出兩個右邊緣子集prr子集和p右顎子集；

需要說明的是，本發(fā)明實施例中，左邊界直線ll與左顎直線l右顎夾角范圍可以為θ∈[75°,77°]；

(2.3)采用最小二乘直線擬合法，得到軌頭左下端點(diǎn)，首先，分別對pll和p左顎子集中所有點(diǎn)進(jìn)行最小二乘直線擬合，其次，分別計算參與擬合的點(diǎn)到擬合直線的距離，按照距離從大到小排序，從pll和p左顎中去除一定比例的最遠(yuǎn)點(diǎn)集，最后，對pll和p左顎中剩余點(diǎn)集再次進(jìn)行最小二乘直線擬合得到直線ll和l左顎；

最小二乘法直線擬合公式如下：

假設(shè)左邊緣子集pll有n個數(shù)據(jù)點(diǎn)，坐標(biāo)分別為(xi,yi)，其中i＝1,...,n，采用最小二乘擬合方法可得左邊緣直線ll，其方程為

y＝kx+b

其中k和b的計算公式分別為和同理可以計算得到左顎邊緣直線方程l左顎；

需要說明的是，本發(fā)明實施例中，計算每個參與直線擬合的邊緣點(diǎn)到擬合直線的距離，按照距離從大到小的順序，去除前1/4的點(diǎn)；

(2.4)采用與步驟(2.3)相同的方法，分別處理prr和p右顎兩個子集，得到直線lr和l右顎；

(2.5)計算直線ll和直線l左顎的交點(diǎn)得到軌頭左下端點(diǎn)pl；

(2.6)計算直線lr和直線l右顎的交點(diǎn)得到軌頭右下端點(diǎn)pr；

3.確定軌頭上寬度測量區(qū)，具體包括下述步驟：

(3.1)利用第2步得到的pl和pr，過點(diǎn)pl和pr以指向pr方向為正方向建立x軸；以pl和pr的中心為原點(diǎn)，過plpr的中心，以垂直向上方向為正向，建立為y軸；

(3.2)將步驟(3.1)得到的x軸沿y軸正方向分別平移22.00mm和34.20mm,得到兩條直線，它們通過軌頭左右邊緣的區(qū)域wh，即為軌頭上寬度測量區(qū)域，wh內(nèi)軌頭邊緣點(diǎn)集記為ph；

4.確定軌頭軌冠點(diǎn)測量區(qū)，具體包括下述步驟：

(4.1)將第3步得到的x軸沿y軸正方向平移36.00mm，所得直線通過軌頭邊緣與軌頭頂部邊緣組成的區(qū)域wv；

(4.2)wv內(nèi)的所有邊緣點(diǎn)定義為軌冠邊緣點(diǎn)集，記為pv；

5.確定軌頭測量上寬度數(shù)據(jù)點(diǎn)及軌冠點(diǎn)，具體包括下述步驟：

(5.1)對第3步和第4步得到的點(diǎn)集ph和pv去除奇異點(diǎn)，ph包括左軌頭上寬度邊緣點(diǎn)集phl和右軌頭上寬度邊緣點(diǎn)集phr，pv包括左軌冠區(qū)域邊緣點(diǎn)集pvl和右軌冠區(qū)域邊緣點(diǎn)集pvr；

(5.2)確定軌頭上寬度測量的左邊數(shù)據(jù)點(diǎn)，首先，在左軌頭上寬度邊緣點(diǎn)集phl中，按照順序選取第二個點(diǎn)作為當(dāng)前備選點(diǎn)pi，選取pi前點(diǎn)后點(diǎn)pi-1、pi+1，過這三個點(diǎn)確定一個圓，其圓心是oi；其次，過圓心oi分別作向量并計算數(shù)量積di和di+1，其中di＝vi-1·vi、di+1＝vi·vi+1；最后，對di和di+1的值進(jìn)行判斷，若不滿足di≠0且di+1＝0或者di＝0且di+1≠0，則從phl中選取下一個點(diǎn)作為備選點(diǎn)，直至di和di+1的值滿足判斷條件為止，則當(dāng)前備選點(diǎn)pi是直線與圓弧的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即為軌頭上寬度測量的左邊數(shù)據(jù)點(diǎn)b(xb,yb)；

最小二乘法圓擬合公式如下：

假設(shè)左邊緣點(diǎn)集phl有n(n＞3)個數(shù)據(jù)點(diǎn)，坐標(biāo)分別為(xi,yi)，其中i＝1,...,n，采用最小二乘圓擬合，設(shè)圓心為(a,b)，半徑為r，則圓方程為：

(x-a)²+(y-b)²＝r²

最小二乘法圓擬合的原理是尋找一個圓使得邊緣點(diǎn)集(xi,yi)到該圓誤差平方和f的值最小；

將上式變換為：

式中，u＝-2a,v＝-2b,w＝a²+b²-r²。根據(jù)多元函數(shù)的極值條件可得：

其中，矩陣a,b分別為

可以得出u,v,w的值，進(jìn)而得到擬合圓的參數(shù)為

(5.3)采用與步驟(5.2)相同的方法，確定右軌頭上寬度邊緣點(diǎn)集phr中測量上軌寬度的右邊數(shù)據(jù)點(diǎn)b'(x'b,y'b)；

(5.4)確定軌頭上寬度測量的左邊軌冠數(shù)據(jù)點(diǎn)，首先，在左軌冠區(qū)域邊緣點(diǎn)集pvl中，按照順序選取第二個點(diǎn)作為當(dāng)前備選點(diǎn)pi，其次，采用與步驟(5.2)相同的方法計算得到圓心向量數(shù)量積di+1，最后，對di+1的值進(jìn)行判斷，若di+1＞0，則點(diǎn)pi在輪廓邊緣圓弧上，從phl中選取下一個點(diǎn)作為備選點(diǎn)，繼續(xù)計算di+1的值，直至滿足di+1＜0為止，此時pi是圓弧與圓弧的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即為左邊軌冠數(shù)據(jù)點(diǎn)a(xa,ya)；

(5.5)采用與步驟(5.4)相同的方法，確定右軌冠區(qū)域邊緣點(diǎn)集pvr中右邊軌冠數(shù)據(jù)點(diǎn)a'(x'a,y'a)；

(5.6)軌頭上寬度合格檢測，利用測量軌頭上寬度的左右數(shù)據(jù)點(diǎn)b和b'，計算點(diǎn)b到b'的距離du，軌頭上寬度標(biāo)準(zhǔn)尺寸為73.00mm，其誤差為±0.50mm；若測得上軌寬du在72.50mm至73.50mm范圍內(nèi)，則軌頭上軌寬合格，否則軌頭上軌寬不合格；

6.確定軌冠飽滿度檢測區(qū)域，具體包括下述步驟：

(6.1)以的軌頭頂部邊緣作為飽滿度合格檢測左邊區(qū)域；

(6.2)以的軌頭頂部邊緣作為飽滿度合格檢測右邊區(qū)域；

(6.3)將步驟(6.1)和(6.2)得到的左、右區(qū)域組成飽滿度合格檢測區(qū)w,w內(nèi)點(diǎn)集記為pt；

7.軌冠飽滿度合格檢測，具體包括下述步驟：

(7.1)將第3步得到的x軸沿y軸正方向平移22.15mm，得到一條基準(zhǔn)直線l(y＝22.15)；

(7.2)對第6步得到的點(diǎn)集pt進(jìn)行奇異點(diǎn)去除；

(7.3)對pt去除奇異后的剩余點(diǎn)，計算各點(diǎn)到基準(zhǔn)直線l的距離dci，并取平均值dave，軌頭飽滿度標(biāo)準(zhǔn)值14.20mm，其誤差為-0.50mm至+0.60mm，若dave在13.70mm至14.80mm范圍內(nèi)，則軌冠飽滿度合格，否則軌冠飽滿度不合格。