■ 王昊

高速軌道檢測(cè)圖像處理是軌道檢測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，使用激光攝像式測(cè)量設(shè)備，通過(guò)圖像處理獲取鋼軌橫向、縱向位移變化。高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)十幾年的發(fā)展較為成熟，國(guó)外最高檢測(cè)速度可達(dá)300 km/h左右。我國(guó)最新研發(fā)的高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，最高檢測(cè)速度達(dá)到400 km/h，圖像處理技術(shù)克服了易受陽(yáng)光干擾等缺點(diǎn)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

1 基本方案及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)采用機(jī)器視覺(jué)測(cè)量方式（激光攝像式）測(cè)量軌距、軌向、高低等。激光器和攝像機(jī)組成一個(gè)整體，線(xiàn)光源垂直于鋼軌縱向中心線(xiàn)，攝像機(jī)在結(jié)構(gòu)光照射下以一定角度攝取鋼軌圖像（見(jiàn)圖1）。

高速軌道檢測(cè)圖像處理系統(tǒng)是通過(guò)光學(xué)裝置與非接觸傳感器自動(dòng)接受和處理一個(gè)真實(shí)物體圖像，以獲得所需信息。其工作過(guò)程分為圖像采集、圖像預(yù)處理（包括圖像直方圖均衡、邊緣增強(qiáng)、中值濾波、二值化、細(xì)化）、特征提取3部分。

（1）圖像采集（攝像）。是將攝像機(jī)信息傳入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的過(guò)程。數(shù)字圖像可用陣列法表示，M為列、N為行的灰度數(shù)字圖像表示為：

（2）直方圖均衡。在圖像處理中，常見(jiàn)的圖像缺陷是全幅圖像偏暗或偏亮，由于亮度范圍不夠或非線(xiàn)性等因素造成對(duì)比度不足，嚴(yán)重影響圖像視覺(jué)效果。如果圖像灰度值分為0～255級(jí)，兩物體的灰度差小于10級(jí)人眼就分辨不清2個(gè)物體，為定量分析需要對(duì)圖像像素灰度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以灰度值為橫坐標(biāo)，以具有這一灰度的像素?cái)?shù)為縱坐標(biāo)做出統(tǒng)計(jì)圖（直方圖）。圖像處理中通常使用直方圖均衡方式提高圖像質(zhì)量。

（3）邊緣增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)光帶邊緣的修正，使鋼軌輪廓線(xiàn)更加突出，有利于后續(xù)的圖像處理，并需要運(yùn)用卷積計(jì)算。卷積可簡(jiǎn)單看成是加權(quán)求和的過(guò)程，卷積使用的權(quán)用一個(gè)很小的矩陣標(biāo)明，稱(chēng)為卷積核。卷積核所覆蓋圖像區(qū)域的每個(gè)像素與對(duì)應(yīng)的卷積核像素相乘，乘積之和即為區(qū)域中心像素的新值。卷積核中各元素稱(chēng)為卷積系數(shù)，其大小、方向及排列次序決定卷積圖像效果。

（4）中值濾波。是一種非線(xiàn)性信號(hào)處理技術(shù)和比較有效抑制噪聲的方法。在一維形式下，中值濾波器是一個(gè)像素為奇數(shù)的滑動(dòng)窗口，窗口正中像素的灰度值用窗口內(nèi)各像素灰度值的中值代替；在二維形式下，中值濾波器可用方窗或十字形等窗口，一個(gè)像素的灰度值被窗口內(nèi)包圍它的各像素值的中值取代。采用中值濾波是對(duì)均值濾波的一種改進(jìn)，其優(yōu)勢(shì)是在濾波過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生新像素值，對(duì)脈沖式的灰度跳躍平滑效果較好。

圖1 攝像機(jī)攝取鋼軌圖像

（5）圖像二值化原理及方法。對(duì)于深度為8位的圖像，二值化的過(guò)程可表示為：

式中：T0——閾值；

f（x，y）——原始圖像；

g（x，y）——二值化處理后的輸出圖像。

在軌道檢測(cè)系統(tǒng)處理的一幅鋼軌斷面輪廓線(xiàn)上，各像素點(diǎn)的灰度值不盡相同，其高低取決于照明光源的光功率、攝像機(jī)光圈大小、曝光時(shí)間長(zhǎng)短、鋼軌表面反射系數(shù)和是否是近軸光。理論上如果能使鋼軌斷面輪廓圖像清晰連續(xù)，灰度閾值取值越高抗干擾能力越強(qiáng)。實(shí)際上相關(guān)參數(shù)的取值是有限的，并受其他特性參數(shù)制約。如激光器的光功率受安全性、穩(wěn)定性制約，不可能無(wú)限制提高；攝像機(jī)的光圈受景深（視場(chǎng)范圍內(nèi)線(xiàn)性）影響，取值不宜過(guò)大；曝光時(shí)間受圖像拖尾、平均效應(yīng)影響，取值不宜過(guò)長(zhǎng)；新舊鋼軌、鋼軌踏面與側(cè)面反射特性差異較大?；谏鲜鲈?，圖像二值化的閾值設(shè)定不應(yīng)該固定值，而是根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)定。

（6）圖像細(xì)化及質(zhì)心提取。圖像細(xì)化與圖像二值化一樣，在軌道檢測(cè)圖像處理中屬圖像預(yù)處理方法，目的是提取圖像“骨架”，將圖像中大于1個(gè)像素的線(xiàn)條寬度細(xì)化成1個(gè)像素寬度，形成“骨架”，這樣分析圖像比較容易，如提取圖像特征等。需要注意的是圖像細(xì)化算法必須建立在圖像二值化的基礎(chǔ)上。高速軌道檢測(cè)系統(tǒng)采集的圖像經(jīng)過(guò)二值化和細(xì)化處理后，基本可以得到鋼軌輪廓線(xiàn)的“骨架”圖像（見(jiàn)圖2）。這時(shí)圖像信息量被大大降低，再對(duì)圖像進(jìn)行其他處理時(shí)，速度將大幅提高。

完成上述圖像預(yù)處理后，可根據(jù)攝像系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)，結(jié)合鋼軌輪廓圖像進(jìn)行像素-物理坐標(biāo)的坐標(biāo)變換，對(duì)圖像中鋼軌特征點(diǎn)（如鋼軌頂點(diǎn)、軌距點(diǎn)）進(jìn)行提取。圖3為高速軌道檢測(cè)圖像處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)過(guò)程中的軟件界面圖像，圖中圓圈位置為實(shí)時(shí)提取的鋼軌軌距點(diǎn)。

2 抗陽(yáng)光干擾技術(shù)

陽(yáng)光干擾即在一定照射角度下，陽(yáng)光直射或反射光對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)傳感器造成影響，是軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)非接觸測(cè)量領(lǐng)域的難題。美國(guó)ENSCO、ImageMap，意大利MerMec等公司的軌道檢測(cè)系統(tǒng)也不同程度受陽(yáng)光干擾影響，通常造成連續(xù)幾公里、幾十公里檢測(cè)結(jié)果無(wú)效，嚴(yán)重影響檢測(cè)質(zhì)量。在受陽(yáng)光干擾時(shí)，美國(guó)ENSCO公司軌道檢測(cè)設(shè)備輸出的檢測(cè)波形見(jiàn)圖4。

針對(duì)陽(yáng)光干擾問(wèn)題，我國(guó)在圖像處理系統(tǒng)前端采用預(yù)防措施，如使用特殊波段光源及與其對(duì)應(yīng)的窄帶濾光片；在軟件處理流程中增加抗陽(yáng)光干擾算法（如圖像動(dòng)態(tài)二值化等）。通過(guò)采取上述措施，圖像處理系統(tǒng)將圖像中的軌頭光帶與陽(yáng)光干擾帶來(lái)的干擾信息盡可能區(qū)分開(kāi)，同時(shí)將陽(yáng)光干擾造成的曝光過(guò)度區(qū)域?yàn)V除。對(duì)陽(yáng)光干擾情況下采集的圖像，運(yùn)用動(dòng)態(tài)二值化等改進(jìn)圖像處理算法后的圖像處理效果見(jiàn)圖5。通過(guò)模式匹配等圖像算法可迅速找出軌頭光帶所在位置，獲取軌距點(diǎn)、鋼軌頂點(diǎn)等特征坐標(biāo)值。

圖2 鋼軌輪廓線(xiàn)的“骨架”圖像

圖3 實(shí)時(shí)檢測(cè)過(guò)程中的軟件界面圖像

圖4 檢測(cè)波形圖

圖5 改進(jìn)圖像處理算法后的圖像處理效果圖

高速軌道檢測(cè)圖像處理系統(tǒng)在京滬高速鐵路及其他線(xiàn)路上的試驗(yàn)表明，該設(shè)備具有優(yōu)良的抗陽(yáng)光干擾能力。通過(guò)與國(guó)外同類(lèi)型檢測(cè)設(shè)備對(duì)比，陽(yáng)光干擾對(duì)檢測(cè)設(shè)備影響時(shí)間降低90%以上，大大增加了系統(tǒng)檢測(cè)的有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

高速軌道檢測(cè)圖像處理技術(shù)的成功應(yīng)用對(duì)我國(guó)軌道檢測(cè)領(lǐng)域具有重要意義，標(biāo)志我國(guó)軌道檢測(cè)技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平，保障了高速鐵路與既有提速干線(xiàn)軌道幾何狀態(tài)的周期檢測(cè)和安全運(yùn)營(yíng)。

[1]翁紹德，柴東明，徐旭宇. GJ-4型軌道檢查車(chē)的研制[R]. 北京：鐵道部科學(xué)研究院，1999

[2]翁紹德，高林奎，李志隆. 軌道檢查車(chē)的開(kāi)發(fā)與發(fā)展[C]//中國(guó)鐵道科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2000

[3]高林奎，翁紹德，張晨. 安全綜合檢測(cè)車(chē)研究[C]//中國(guó)鐵道科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2000

[4]翁紹德，柴東明，魏世斌. 軌道狀態(tài)確認(rèn)車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)研制[R]. 北京：鐵道科學(xué)研究院，2003