基于面扫描相机的钢轨表面缺陷检测装置及方法技术领域
本发明涉及钢轨表面缺陷检测领域，具体涉及一种基于面扫描相机的钢轨表面缺
陷检测装置及方法。
背景技术
随着铁路事业的发展，高铁钢轨在交通运输方面具有不可或缺的地位。然而，铁路
运行过程中或加工后的钢轨会存在一定缺陷，缺陷会对材料的使用寿命、力学性能等产生
直接影响，并会逐渐发展、恶化，最终将导致材料失效并发生断裂，还可能造成生命或财产
的巨大损失。现在随着先进生产技术的引进，例如高碳钢和钢铁清洁生产工艺，钢轨内部缺
陷出现的几率曰渐减少，而钢轨表面缺陷造成钢轨断裂的情况越来越常见；钢轨表面缺陷
还会导致车轮磨耗加剧，形成剥落掉块，使脱轨更易发生，因此钢轨表面缺陷的检测就显得
尤为重要。
在钢轨缺陷检测方面，目前比较成熟和应用较多的技术是超声波检测、脉冲涡流
检测等自动化、半自动化方法。但是这些方法一方面检测成本高，设备复杂，另一方面很难
区分钢轨的内部缺陷和表面缺陷，需要人工利用小型仪器进行复核。
发明内容
针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明提供一种基于面扫描相机的钢轨表面缺
陷检测装置及方法。
一方面，本发明实施例提出一种基于面扫描相机的钢轨表面缺陷检测装置，包括：
面扫描相机、数据采集卡和处理模块；其中，
所述面扫描相机，用于采集待检测钢轨的表面图像；
所述数据采集卡，用于获取所述图像，并将所述图像发送给所述处理模块；
所述处理模块，用于对所述图像进行处理，得到缺陷特征值，并将所述缺陷特征值
输入预先训练好的分类器，得到所述待检测钢轨的缺陷所属的类别。
另一方面，本发明实施例提出一种钢轨表面缺陷检测方法，包括：
利用所述面扫描相机采集待检测钢轨的表面图像；
利用所述数据采集卡获取所述图像，并将所述图像发送给所述处理模块；
利用所述处理模块对所述图像进行处理，得到缺陷特征值，并将所述缺陷特征值
输入预先训练好的分类器，得到所述待检测钢轨的缺陷所属的类别。
本发明实施例提供的基于面扫描相机的钢轨表面缺陷检测装置及方法，利用处理
模块通过分类器对面扫描相机采集的待检测钢轨的表面图像的缺陷所属的类别进行检测，
能很好地实现钢轨缺陷的识别和分类，提高检测的效率和精确性，并大大减少工人的工作
量，同时，本发明克服了现有的超声波检测、脉冲涡流检测等自动化、半自动化方法成本高，
设备复杂等缺点，在保证检测效率和精确性的前提下，实现了钢轨表面缺陷的识别和分类。
附图说明
图1为本发明基于面扫描相机的钢轨表面缺陷检测装置一实施例的结构示意图；
图2为本发明基于面扫描相机的钢轨表面缺陷检测装置一实施例所涉及的具体流
程示意图；
图3为本发明相机移动平台的结构示意图；
图4为图3所述的相机移动平台导轨部分的细节图；
图5为本发明钢轨表面缺陷检测方法一实施例的整体流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明
一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有
做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参看图1，本实施例公开一种基于面扫描相机的钢轨表面缺陷检测装置，包括：
面扫描相机11、数据采集卡12和处理模块13；其中，
所述面扫描相机11，用于采集待检测钢轨的表面图像；
在实际应用中，相机镜头会存在畸变，这是由于焦平面上不同区域对影像的放大
率不同而形成的画面扭曲变形的现象。畸变会对缺陷检测的准确度造成影响，而对相机进
行标定能够达到消除畸变的效果，因此在使用相机采集待检测钢轨的表面图像之前，首先
需要对其进行标定，如图2所示。
对相机标定的过程实际上是求解相机12个内外参数的过程。标定需要的一个工具
是标定板，常用的标定板有实心圆阵列图案的和国际象棋阵列图案的两种，尺寸可根据视
场范围大小选择。
相机位置和姿态固定后，采集若干幅标定板图像。这些图像需要使不同位置的标
定板铺满整个相机视场，同时，标定板要有尽量多的姿态。将标定板图像输入用机器视觉软
件HALCON事先编写好的软件程序中，运行得到相机的内外参数，利用相机的内外参数对相
机进行标定。
本实施例中，相机可以采用面阵CMOS相机ARTCAM-300MI-WOM，能拍摄出最大2048
×1536像素的图像，如此高分辨率可以保证采集到钢轨缺陷图像能够保存实际尽可能多的
细节信息，从而保证遗漏尽可能少的缺陷。又由于每行像素最大可达到6000左右，因此，使
用该相机获取图像，每毫米可包括20个左右的像素点，再结合后面图像处理的算法，能够保
证缺陷位置检测的结果达到精度要求。由于实验过程中，相机视场大小约为15cm×10cm，因
此，使用该款相机能够将表面缺陷的检测结果精确到0.1mm。
所述数据采集卡12，用于获取所述图像，并将所述图像发送给所述处理模块13；
所述处理模块13，用于对所述图像进行处理，得到缺陷特征值，并将所述缺陷特征
值输入预先训练好的分类器(可以为高斯分类器)，得到所述待检测钢轨的缺陷所属的类
别。
处理模块13可以设置于PC机内。如图2所示，处理模块13在对待检测钢轨的表面图
像进行处理之前，需要对分类器进行训练，具体过程如下：
对已知缺陷所属的类别的钢轨样本的表面图像依次进行预处理、特征提取，得到
所述钢轨样本的缺陷特征值，并利用所述钢轨样本的缺陷所属的类别和所述钢轨样本的缺
陷特征值对所述分类器进行训练。
如图2所示，在对分类器训练完后，处理模块13的预处理子模块会对待检测钢轨的
表面图像进行预处理，计算子模块会对预处理后的图像进行特征提取(即获取缺陷信息)，
得到缺陷特征值。其中，预处理包括：对所述图像依次进行滤波器滤波、图像增强和钢轨区
域定位处理。需要说明的是，滤波器滤波，主要利用高斯函数(mean_image函数)对图像进行
去噪平滑处理，对去除服从正态分布的噪声很有效。
特征提取包括：对所述钢轨区域定位处理得到的钢轨区域进行图像灰度化；对所
述图像灰度化的结果进行图像分割；对所述图像分割的结果进行形态学处理；对所述形态
学处理的结果进行缺陷标定；计算得到的缺陷的特征值，得到缺陷特征值。图像灰度化，主
要是突出图像的特点，具体可以利用decompose3算子将彩色图像转化为黑白图像，便于后
续进行有效的处理工作。图像分割，主要根据灰度值的差异提取缺陷，利于方便快捷有效地
提取缺陷信息，具有实现简单、计算量小，性能较稳定的特点，特别适用于目标和背景占据
不同灰度级范围的图像。形态学处理包括腐蚀和膨胀操作，腐蚀膨胀是形态学处理的基础。
通过腐蚀膨胀操作可以忽略不想要的细节，增强缺陷的特征，达到增强图片的效果，筛选出
来感兴趣的区域。缺陷标定具体可以canny算子对缺陷图片进行边缘选取和定位。特征提取
所提取到的特征值可以包括缺陷的长度和位置信息。
需要说明的是，对已知缺陷所属的类别的钢轨样本的表面图像进行的预处理、特
征提取同对待检测钢轨的表面图像的对应处理过程，此处不再赘述。
利用本发明实施例可以识别出的缺陷类别可以包括剥离掉块、鱼鳞剥落、裂纹和
锈蚀，当然也可以添加其它类型的缺陷信息至分类器中进行缺陷识别。
本发明实施例提供的基于面扫描相机的钢轨表面缺陷检测装置，利用处理模块通
过分类器对面扫描相机采集的待检测钢轨的表面图像的缺陷所属的类别进行检测，能很好
地实现钢轨缺陷的识别和分类，提高检测的效率和精确性，同时，本发明克服了现有的超声
波检测、脉冲涡流检测等自动化、半自动化方法成本高，设备复杂等缺点，在保证检测效率
和精确性的前提下，实现了钢轨表面缺陷的识别和分类。
在前述装置实施例的基础上，所述装置还可以包括：
电机和相机移动平台；其中，
所述面扫描相机设置在所述相机移动平台上，
所述电机连接所述相机移动平台，用于接收来自于所述处理模块的控制指令，根
据所述控制指令通过传动机构带动所述相机移动平台运动，从而带动所述面扫描相机在三
维空间运动。
如图3所示为本发明相机移动平台的结构示意图，相机移动平台主要用于控制相
机的运动，平台上沿XYZ三个方向分别设有可移动的滑块，用来带动相机在三维空间的运
动。图3中1、3和4为滑块，2为待检测钢轨，5为面扫描相机。1处的滑块用于控制相机的前后
运动，3、4处的滑块分别用于控制相机的上下和左右运动，进而实现相机在三维空间的运
动，导轨部分的细节图如图4所示。通过相机移动平台控制面扫描相机在三维空间运动，以
扫描获取待检测钢轨的表面图像。
如图3所示，处理模块与数据采集卡以及数据采集卡与相机间的信息传送都是双
向的。处理模块发出控制信号通过数采卡实现相机的运动控制，相机采集缺陷的图像信息
通过数采卡传送给处理模块。
需要说明的是，图3和图4所示的相机移动平台整体架构采用长方体结构，但此结
构不对本发明构成限制，仅作为本发明的一个实施例，本领域的专业人员可搭建任意可控
制相机在三维空间移动的平台。
装置的软件编译环境主要使用HALCON中交互式的程序设计接口HDevelop进行整
个装置的软件设计。可将软件程序直接嵌入到装置硬件内部，直接进行缺陷识别和分类，方
便高效，成本低。
参看图5，本实施例公开一种基于面扫描相机的钢轨表面缺陷检测方法，包括：
S1、利用所述面扫描相机采集待检测钢轨的表面图像；
S2、利用所述数据采集卡获取所述图像，并将所述图像发送给所述处理模块；
S3、利用所述处理模块对所述图像进行处理，得到缺陷特征值，并将所述缺陷特征
值输入预先训练好的分类器，得到所述待检测钢轨的缺陷所属的类别。
本发明实施例提供的基于面扫描相机的钢轨表面缺陷检测方法，利用处理模块通
过分类器对面扫描相机采集的待检测钢轨的表面图像的缺陷所属的类别进行检测，能很好
地实现钢轨缺陷的识别和分类，提高检测的效率和精确性，同时，本发明克服了现有的超声
波检测、脉冲涡流检测等自动化、半自动化方法成本高，设备复杂等缺点，在保证检测效率
和精确性的前提下，实现了钢轨表面缺陷的识别和分类。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发
明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求
所限定的范围之内。