邊緣檢測技術(shù)在鋼軌表面損傷的應(yīng)用研究

曾樹華 黃銀秀

摘要：目的：在鐵路鋼軌傷損檢測這一特殊領(lǐng)域，驗(yàn)證經(jīng)典的五種邊緣檢測算法的有效性;方法：利用MATLAB2016版本中自帶的log算子、Canny算子，roberts算子、prewitt算子、sobe算子，對采集的鋼軌圖片進(jìn)行檢測，統(tǒng)計(jì)其檢出率、錯(cuò)檢率和漏檢率;結(jié)果：log檢測法檢出率最高，性能優(yōu)于其他四種方法;結(jié)論：經(jīng)典的五種邊緣檢測算法在鋼軌表面損傷檢測有一點(diǎn)效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;邊緣檢測算法;鋼軌表面損傷

1.引言

鐵路安全運(yùn)行，基礎(chǔ)在鋼軌完整，但鋼軌面對火車的高速撞擊摩擦，損耗很大，及時(shí)全面檢測鐵軌損傷至關(guān)重要，鋼軌探傷應(yīng)運(yùn)而生。鋼軌就其傷損來說有內(nèi)部傷損和外部傷損，內(nèi)部傷損探傷雖然重要，外部傷損及時(shí)探測也很必須：及時(shí)發(fā)現(xiàn)可以及時(shí)打磨，延長鋼軌使用壽命;乃至及時(shí)更換鋼軌，保證行車安全。目前鋼軌探傷技術(shù)層出不窮，就技術(shù)流派來看有超聲波探傷、渦流探傷、射線探傷、激光探傷、磁粉探傷等。超聲波探傷是目前應(yīng)用最廣的一種鋼軌探傷技術(shù)，它利用探頭發(fā)射超聲波，聲束在介質(zhì)傳輸過程中遇到缺陷界面，將產(chǎn)生反射或使穿透波聲能下降，探傷儀接收端接收到回波和穿透波，根據(jù)回波信號和穿透波信號強(qiáng)弱變化判斷缺陷。但在近表面，超聲波存在準(zhǔn)確度很低，形成近表面探測盲區(qū)，故一般不用于鋼軌表面探傷情況。渦流探傷是利用通電線圈產(chǎn)生交變磁場，磁場將以鋼軌為導(dǎo)磁體，在鋼軌內(nèi)部形成渦流，當(dāng)存在缺陷時(shí)會(huì)引起渦流變化，進(jìn)而導(dǎo)致檢測線圈電壓和阻抗的改變，從而判斷缺陷的存在及其他信息，渦流探傷在單缺陷情況下檢測精度較高，但在鄰近存在多缺陷情況下容易出現(xiàn)誤判和漏判。磁粉探傷技術(shù)將鋼軌磁化，利用鋼軌缺陷處磁導(dǎo)率將與正常處磁導(dǎo)率存在差異，吸引磁粉堆積堆積也存在差異，再目測堆積磁粉的差異判斷傷損是否存在，其最終還是依賴人工目測，故只作為鋼軌檢測的輔助技術(shù)。

2.邊緣檢測技術(shù)介紹

機(jī)器視覺模仿人眼，對圖像特征進(jìn)行辨別，存在設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)出現(xiàn)即受到廣泛重視，各種人工智能算法不斷出現(xiàn)，目前廣泛應(yīng)用與車牌識別、人臉識別等領(lǐng)域。在鋼軌表面?zhèn)麚p檢測中，準(zhǔn)確識別缺陷邊緣是最核心之處，常用的邊緣檢測技術(shù)有Roberts算子、Prewitt算子、Sobel算子、Canny和其他一些邊緣自適應(yīng)算法。Roberts算子是利用交叉微分算法，通過計(jì)算2X2模版上正負(fù)45O的一階導(dǎo)數(shù)得到偏導(dǎo)數(shù)，再通過局部差分?jǐn)?shù)值確定檢測邊緣。改方法計(jì)算簡單，但對邊緣定位準(zhǔn)確度不高，且邊緣線條較粗。Prewitt算子是在3X3模版上，利用區(qū)域內(nèi)上下、左右鄰點(diǎn)的像素灰度差實(shí)現(xiàn)邊緣檢測。由于Prewitt算子采用上下、左右鄰點(diǎn)的像素灰度差而非45O交叉計(jì)算偏導(dǎo)數(shù)，再取一定閥值定位邊緣，故在垂直方向和水平方向效果優(yōu)于Robert算子，并有一定平滑噪聲效果。Sobel算子與Prewitt算子一樣，采用的是3X3模版，利用區(qū)域內(nèi)上下、左右鄰點(diǎn)的像素灰度差實(shí)現(xiàn)邊緣檢測。但與Prewitt算子不同的是，Sobel算子區(qū)分了距離不同的像素點(diǎn)對當(dāng)前像素點(diǎn)的影響因子，引入不同權(quán)重，簡單來說，距離越近，權(quán)重越大，距離越遠(yuǎn)，權(quán)重越小，從而實(shí)現(xiàn)圖像銳化，邊緣檢測效果好。log邊緣檢測算法，Laplacian 算子是維歐幾里德空間中的一個(gè)二階微分算子，中心像素往鄰近的上下左右四個(gè)方向或八方向求微分，再將微分值求和，Laplacian 算子用于邊緣識別時(shí)優(yōu)點(diǎn)在于準(zhǔn)確度高，幾乎無假邊緣，但抗噪能力差。Canny邊緣檢測與log邊緣檢測算法一樣的步驟：先平滑，后求導(dǎo)數(shù)。先是對圖像進(jìn)行預(yù)處理，采用高斯平滑濾波，接著計(jì)算梯度幅值和方向，對梯度幅值進(jìn)行非極大抑制，剔除假邊緣;最后采用高低兩閥值尋求邊緣連接點(diǎn)，閉合圖像邊緣。

3.實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

為比較五種邊緣檢測技術(shù)在鋼軌表面損傷檢測的效果，本文在MATLAB2016平臺中編寫程序驗(yàn)證，調(diào)用軟件內(nèi)嵌邊緣檢測函數(shù);素材采取五張自拍的鋼軌表面損傷圖片，每張圖上有一處砸傷及魚鱗傷，分別利用上述五種邊緣檢測技術(shù)驗(yàn)證檢測效果。

結(jié)果：roberts算子、prewitt算子、sobel算子砸傷5次，檢出5次，檢出率100%，漏檢率為零;魚鱗傷5次，檢出0次，漏檢率100%;log算子檢測方法檢測出砸傷1次和魚鱗傷5，砸傷檢出率20%，魚鱗傷檢出率100%，但砸傷傷損類別檢錯(cuò)為魚鱗傷4次，錯(cuò)檢率80%;Canny算子檢測法將全部鋼軌邊緣檢測成傷損邊緣，錯(cuò)檢率100%。log算子檢測方法將部分鋼軌邊緣檢測成傷損。考慮鐵路安全的重要性，可以錯(cuò)檢，通過人工核傷進(jìn)一步確定，但不能存在漏檢，故總體性能log算子優(yōu)于其他方法。

4.結(jié)論

單純的五種傳統(tǒng)邊緣檢測技術(shù)檢測鋼軌表面?zhèn)麚p存在錯(cuò)檢漏檢，無法完成檢測任務(wù)，鑒于鋼軌表面?zhèn)麚p形態(tài)多樣，圖片采集時(shí)背景復(fù)雜，建議優(yōu)化方向：在鋼軌表面?zhèn)麚p檢測中，可以將具體任務(wù)優(yōu)化分解，先把鋼軌整體檢測出來，再檢測鋼軌區(qū)域類的傷損;其次是優(yōu)化目前算法，采用機(jī)器學(xué)習(xí)等。

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基金支持：湖南省教育廳資助科研項(xiàng)目（19C1214）