一種地鐵隧道管片錯(cuò)臺(tái)量檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地鐵隧道管片檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種地鐵隧道管片錯(cuò)臺(tái)量檢測(cè)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地鐵隧道管片錯(cuò)臺(tái)量是指地鐵隧道中相鄰兩塊管片之間的高程差。隧道管片錯(cuò) 臺(tái)現(xiàn)象的影響因素相當(dāng)豐富和復(fù)雜，拼裝不規(guī)范，注漿控制不當(dāng)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制不當(dāng)?shù)鹊?原因，極易造成隧道漏水、管片開裂等事故。隨著破壞的不斷深入，管片內(nèi)部可能出現(xiàn)大量 泥沙涌入、大量積水等情況。在實(shí)際工程中，工程檢測(cè)人員難以在發(fā)生管片錯(cuò)臺(tái)的第一時(shí)間 點(diǎn)發(fā)現(xiàn)以上問題，導(dǎo)致錯(cuò)臺(tái)程度進(jìn)一步加劇，它會(huì)引起結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步變形破壞、結(jié)構(gòu)漏水、 結(jié)構(gòu)掉塊，導(dǎo)致隧道受損，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致隧道坍塌等一系列威脅列車運(yùn)行安全的重大病害。因 此，如何對(duì)錯(cuò)臺(tái)量進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和高效的檢測(cè)，成為地鐵隧道養(yǎng)護(hù)部門十分關(guān)注的問題。
[0003] 目前，常用對(duì)錯(cuò)臺(tái)量的檢測(cè)方法有人工法和自動(dòng)檢測(cè)法。人工法利用直尺、游標(biāo)卡 尺或水準(zhǔn)儀等實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)人員在隧道內(nèi)部巡視，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)較大的管片時(shí)，使用直尺丈量判定 錯(cuò)臺(tái)量是否超標(biāo)。速度慢，交通干擾大，精度低；自動(dòng)檢測(cè)法利用錯(cuò)臺(tái)的存在會(huì)顯著影響國(guó) 際平整度指標(biāo)（IRI)的特性，有激光斷面儀、超聲波斷面儀等，斷面儀價(jià)格昂貴，并且不能 對(duì)錯(cuò)臺(tái)量準(zhǔn)確測(cè)量。綜上，現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)存在誤差大、效率低、造價(jià)昂貴等問題，研究一種效 率高、檢測(cè)精確的地鐵隧道管片錯(cuò)臺(tái)量的檢測(cè)算法是十分有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種地鐵隧道管片錯(cuò)臺(tái)量檢測(cè)方法，從而實(shí)現(xiàn)在昏暗的地 鐵隧道環(huán)境下對(duì)錯(cuò)臺(tái)量的實(shí)時(shí)、高效和精確的檢測(cè)。
[0005] 為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006] -種地鐵隧道管片錯(cuò)臺(tái)量檢測(cè)方法，包括如下步驟：
[0007] a.檢測(cè)車通過Kinect設(shè)備采集地鐵隧道管片深度圖像，深度圖像大小是 640X480像素，攝像頭采集圖像頻率30幀/秒；
[0008] b.根據(jù)步驟a采集的深度圖像，對(duì)深度圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理來進(jìn)行優(yōu)化；
[0009] c.根據(jù)步驟b優(yōu)化后的深度圖像數(shù)據(jù)，采用雙對(duì)角差分算法將深度圖轉(zhuǎn)成數(shù)字圖 像技術(shù)能夠處理的二值圖像；
[0010] d.二值圖像中的噪聲采用聯(lián)合去噪算法處理；
[0011] e.對(duì)于螺栓孔，注漿孔這些特殊噪聲，螺栓孔的二值圖像接近矩形，注漿孔的形狀 接近環(huán)形，通過它們的形狀特征進(jìn)行濾波處理；
[0012] f.經(jīng)過步驟e處理后的二值圖像，只剩下錯(cuò)臺(tái)特征，用Zhang快速并行細(xì)化算法處 理得到錯(cuò)臺(tái)的骨架圖；取一個(gè)像素點(diǎn)的3X3領(lǐng)域，設(shè)中心點(diǎn)為P1，其坐標(biāo)為（i，j)，領(lǐng)域中 其余各像素點(diǎn)分別為P2,P3, ...，P9,則如果領(lǐng)域像素點(diǎn)滿足下面4各條件，就將中心點(diǎn)刪 除。
[0013] 1)2 彡Z(P1)彡6;
[0014] 2)T(P1) = 1 ；
[0015] 3)P2 ·P4 ·P8 = 0orT(P2) ! = 1 ;
[0016] 4)P2 ·P6 ·P8 = 0orT(P8) ! = 1 ;
[0017] 其中Z(PI)為P2,P3, . . .，P9的像素點(diǎn)為1的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，T(P)為P點(diǎn)的8鄰域點(diǎn) 按逆時(shí)針方向排列后像素值從〇到1變化的次數(shù)。
[0018] g.為了識(shí)別管片間不同類型的錯(cuò)臺(tái)線，具體分為四種錯(cuò)臺(tái)線，分別是橫向，縱向， 向上傾斜和向下傾斜；管片間的這四種錯(cuò)臺(tái)量的傾斜角度是固定的，用已知的一次函數(shù)y =kx+b分別去圖像中遍歷搜索，將不同的錯(cuò)臺(tái)線提取出來并標(biāo)記；
[0019] h.根據(jù)步驟g提取出來的錯(cuò)臺(tái)線找到對(duì)應(yīng)深度圖像上錯(cuò)臺(tái)的位置，其中錯(cuò)臺(tái)線接 近一條直線，錯(cuò)臺(tái)量的計(jì)算實(shí)質(zhì)是在錯(cuò)臺(tái)線兩側(cè)的像素深度值做差，因此先計(jì)算錯(cuò)臺(tái)線所 在的法線，在法線上取兩點(diǎn)P1和P2分別在8灰色直線的兩側(cè)，兩點(diǎn)相距12-20個(gè)像素點(diǎn)關(guān) 于灰色直線對(duì)稱分布；兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)深度圖像的深度值做差絕對(duì)值取為h，假定沿著錯(cuò)臺(tái)直線 兩側(cè)的高度差值都計(jì)算出來，分別為hl，h2,h3,...，hi，所求的這些高度差值的平均值為錯(cuò) 臺(tái)量，高度差值最大值為錯(cuò)臺(tái)量最大值。
[0020] 所述步驟b的深度圖像三維數(shù)據(jù)矩陣為：
[0021]
[0022] 其中屯表示行號(hào)為i，列號(hào)為j所對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)的深度值，m為深度圖像寬度480， η為深度圖像長(zhǎng)度640;
[0023] 對(duì)深度圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括三個(gè)部分：
[0024] (1)深度圖像時(shí)間域平滑：取15幀進(jìn)行圖像處理，對(duì)應(yīng)每個(gè)像素點(diǎn)t，15幀圖像 對(duì)應(yīng)有15個(gè)深度，分別為?/Κ，則位置點(diǎn)深度值1%為：
[0025]
[0026] (2)深度值為0的空洞點(diǎn)進(jìn)行填充：對(duì)于因?yàn)槲矬w表面光滑丟失，用周圍的深度 值來代替；如果地鐵隧道管片遮擋導(dǎo)致邊緣深度值丟失，用深度圖像上右側(cè)的深度值來代 替；
[0027] (3)局部標(biāo)準(zhǔn)差去噪：通過局部標(biāo)準(zhǔn)差濾波去除孤立噪聲點(diǎn)，假定W為濾波器窗 口，窗口大小為3x3,中心像素Χ0有8個(gè)領(lǐng)域，像素點(diǎn)Χ0以（i，j)為中心，它的局部標(biāo)準(zhǔn)差 定義為：
[0028]
[0029] 其中?是w窗口像X素所有深度值的平均值，定義為：
[0030]
[0031] 通過比較濾波器窗口中心像素和鄰域像素標(biāo)準(zhǔn)差來實(shí)現(xiàn)濾波，將濾波器窗口中與 其鄰域像素相比取標(biāo)準(zhǔn)差最小的點(diǎn)的深度值作為濾波器的輸出，其中f(Xl)為像素點(diǎn)^處 的深度值，？_為標(biāo)準(zhǔn)差最小點(diǎn)處的深度值。
[0032] K," =/(x,.)!min(￡tert:)}
[0033] 所述步驟c的雙對(duì)角差分算法具體為：
[0034] d45. =Abs(d(lij+n)-d(l+niij))；
[0035] d135. =Abs(d(li0-(1(ι+η?ιj+n))；
[0036] 其中(^^代表像素位置在（i，j)處的深度值，d45。和d135。分別為雙對(duì)角方向分別 是45度和135度，分別橫縱坐標(biāo)相距m個(gè)像素點(diǎn)，分別取兩個(gè)方向的深度值做差分的差值， 由于錯(cuò)臺(tái)間的高度差會(huì)出現(xiàn)跳變現(xiàn)象，因此能夠被檢測(cè)；
[0037]
[0038] 上式代表在（i，j)處的像素值，ds為設(shè)定的閾值，只要d45。和d135。任意一個(gè) 大于閾值4就將該點(diǎn)像素標(biāo)定為前景像素，否則為背景像素。
[0039] 所述步驟d中的二值圖像中的噪聲采用聯(lián)合去噪算法，具體為：
[0040] (1)采用3X3的窗口對(duì)其做中值濾波處理；
[0041] ⑵遍歷圖像中像素點(diǎn)，對(duì)于3X3領(lǐng)域之和小于2的像素點(diǎn)進(jìn)行二次去噪處理；
[0042] (3)對(duì)于大的團(tuán)狀噪聲，采用八連通標(biāo)記算法，統(tǒng)計(jì)圖像連通域個(gè)數(shù)，計(jì)算每個(gè)連 通區(qū)的面積，將面積小于設(shè)定閾值的區(qū)域進(jìn)行濾波；
[0043] (4)膨脹運(yùn)算對(duì)錯(cuò)臺(tái)特征進(jìn)行修補(bǔ)填充以及原狀恢復(fù)，采用3X3窗口膨脹處理一 次。
[0044] 所述步驟e的形狀特征濾波主要包括螺栓孔和注漿孔兩個(gè)方面；
[0045] (1)螺栓孔濾波：采用簡(jiǎn)單的種子填充算法對(duì)螺栓孔二值圖像進(jìn)行修補(bǔ)，獲得它 的外接矩形，濾波公式如下：
[0046]
[0047] 其中N為連通域的個(gè)數(shù)，設(shè)長(zhǎng)為h，寬為w，Εκ像素點(diǎn)灰度，將滿足濾波公式的連通 域去除；
[0048] (2)注漿孔濾波：首先注漿孔外圈環(huán)形的面積為SK，通過連通域標(biāo)記，對(duì)檢測(cè)到的 連通域分別計(jì)算面積，其次計(jì)算注漿孔環(huán)形所包圍的整體面積Μκ，然后計(jì)算連通區(qū)域外圈 環(huán)形面積與其所包圍面積的比值CK，
[0049]
[0050] 設(shè)定閾值!^，低于該值的所有連通域?yàn)V去，保留錯(cuò)臺(tái)特征，其中隊(duì)為連通域個(gè)數(shù)， Dk(x，y)為第K個(gè)連通區(qū)的像素值。
[0051]
[0052] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0053] 本發(fā)明對(duì)于地鐵隧道管片錯(cuò)臺(tái)量無需人工參與，提高工作效率，適合在實(shí)時(shí)的系 統(tǒng)中采用。同時(shí)采用kinect設(shè)備對(duì)于一般的激光相機(jī)測(cè)量成本更加低廉，可以在昏暗的環(huán) 境中進(jìn)行，抗干擾能力強(qiáng)。采用面測(cè)量，只需輸入采集到地鐵隧道管片的深度圖像數(shù)據(jù)，即 可完成對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)量的檢測(cè)，因此，該檢測(cè)算法效率高、檢測(cè)精確。
【附圖說明】
[0054] 圖1是本發(fā)明的算法的總流程圖。
[0055] 圖2是聯(lián)合濾波算法的流程圖。
[0056] 圖3是錯(cuò)臺(tái)點(diǎn)法線計(jì)算的示意圖。
[0057]圖4是地鐵管片錯(cuò)臺(tái)檢測(cè)效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0058] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。
[0059] 如圖1所示，一種地鐵隧道管片錯(cuò)臺(tái)量檢測(cè)方法，包括如下步驟：
[0060] a.檢測(cè)車通過Kinect設(shè)備采集地鐵隧道管片深度圖像，深度圖像大小是 640X480像素，攝像頭采集圖像頻率30幀/秒，圖4(a)為采集的某一幀管片深度圖；
[0061]b.根據(jù)步驟a采集的深度圖像，對(duì)深度圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理來進(jìn)行優(yōu)化；
[0062]c.根據(jù)步驟b優(yōu)化后的深度圖像數(shù)據(jù)，采用雙對(duì)角差分算法將深度圖轉(zhuǎn)成數(shù)字圖 像技術(shù)能夠處理的二值圖像，圖4(b)為處理后的二值圖像；
[0063] d.二值圖像中的噪聲采用聯(lián)合去噪算法處理；
[0064] e.對(duì)于螺栓孔，注漿孔這些特殊噪聲，螺栓孔的二值圖像接近矩形，注漿孔的形狀 接近環(huán)形，通過它們的形狀特征進(jìn)行濾波處理；
[0065] f.經(jīng)過步驟e處理后的二值圖像，只剩下錯(cuò)臺(tái)特征，用Zhang快速并行細(xì)化算法處 理得到錯(cuò)臺(tái)的骨架圖；取一個(gè)像素點(diǎn)的3X3領(lǐng)域，設(shè)中心點(diǎn)為P1，其坐標(biāo)為（i，j)，領(lǐng)域中 其余各像素點(diǎn)分別為P2,P3,...，P9,則如果領(lǐng)域像素點(diǎn)滿足下面4各條件，就將中心點(diǎn)刪 除。
[0066] 1)2 ^Z(P1) ^6 ；
[0067] 2)T(P1) = 1 ；
[0068] 3)Ρ2 ·Ρ4 ·Ρ8 =OorT(Ρ2) ! = 1 ;
[0069] 4)P2 ·P6 ·P8 =OorT(P8) ! = 1 ;
[0070] 其中Z(PI)為P2,P3,. . .，P9的像素點(diǎn)為1的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，T(P)為P點(diǎn)的8鄰域點(diǎn) 按逆時(shí)針方向排列后像素值從〇到1變化的次數(shù)。
[0071]G.為了識(shí)別管片間不同類型的錯(cuò)臺(tái)線，具體分為四種錯(cuò)臺(tái)線，分別是橫向，縱向， 向上傾斜和向下傾斜；管片間的這四種錯(cuò)臺(tái)量的傾斜角度是固定的，用已知的一次函數(shù)y =kx+b分別去圖像中遍歷搜索，將不同的錯(cuò)臺(tái)線提取出來并標(biāo)