[發(fā)明專利]基于三維圖像的鋼絲繩檢測裝置、表面損傷檢測及繩徑計算方法

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• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111721216A
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬建偉;李興海;臧紹飛;呂進鋒;李曉靜;侯向關(guān);汪鈺珠;王郁茜
• 申請（專利權(quán)）人: 河南科技大學
• 主分類號: G01B11/08
• 分類號: G01B11/08
• 代理公司: 洛陽公信知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙) 41120
• 代理人: 時亞娟

1.一種基于三維圖像的鋼絲繩檢測裝置，其特征在于：所述鋼絲繩檢測裝置套設(shè)在鋼絲繩上，包括相機、兩面鏡子、白色底板、兩個光源和通信單元；所述白色底板設(shè)置在鋼絲繩的上方，所述相機設(shè)置在鋼絲繩的下方，所述相機通過數(shù)據(jù)連接線與通信單元連接；兩面所述鏡子分設(shè)在所述鋼絲繩的左右兩側(cè)，每面鏡子從上到下逐漸向靠近所述白色底板中心點的方向傾斜，兩面所述鏡子的延伸夾角為120?；兩個所述光源分設(shè)在所述鋼絲繩的左右兩側(cè)，且均設(shè)置在所述鋼絲繩的下方和所述相機的上方；所述白色底板、鏡子和相機均與所述鋼絲繩相對平行；所述白色底板、鏡子、相機和光源的中心點位于同一平面上。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維圖像的鋼絲繩檢測裝置，其特征在于：所述相機到白色底板的垂直距離為300毫米；所述白色底板為邊長為100毫米的正方形；所述鏡子長200毫米、寬100毫米，所述鏡子的長邊與鋼絲繩垂直、寬邊與鋼絲繩水平；所述鋼絲繩的中心點到相機鏡頭、白色底板以及兩面鏡子的垂直距離均為150毫米；所述光源距離相機50毫米；所述鋼絲繩的中心點到光源的距離為150毫米。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維圖像的鋼絲繩檢測裝置，其特征在于：所述相機采用黑白CCD相機；所述光源采用白色LED燈。

4.利用權(quán)利要求3所述的鋼絲繩檢測裝置進行表面損傷的檢測方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一、鋼絲繩三維成像：通過相機得到鋼絲繩正面、左后側(cè)和右后側(cè)的圖片，然后進行圖像分割、圖像變換、圖像增強、圖像拼接后，得到鋼絲繩表面展開的顯微圖像；通過對所述顯微圖像上各點的明暗變化即反射光強度來計算鋼絲繩表面法向量，從而計算出各點高度值，恢復(fù)表面三維形貌，獲得三維圖像；

物體表面點反射的光強度與該點入射角的余弦比例關(guān)系為：

式中，E(x,y)為漫反射光強度，I(x,y)是入射光強度，ρ為物體表面反射系數(shù)，θ為入射光線與表面法向量之間的夾角；

鋼絲繩表面的漫反射光強度 E（x,y）反映到圖像上即為該點的明暗程度，即該點的亮度；通過對每個點的輻射照度求解，得到物體的表面梯度向量，根據(jù)表面梯度向量與表面高度的關(guān)系可進一步求出鋼絲繩的表面高度，恢復(fù)鋼絲繩表面三維形貌；

步驟二、構(gòu)建鋼絲繩表面損傷數(shù)據(jù)集：所述數(shù)據(jù)集初始包含銹蝕圖片100張、斷絲圖片150張、磨損圖片100張和疲勞圖片150張，對所述數(shù)據(jù)集中的圖片進行人工標記瑕疵類別；采用隨機剪裁方式對所述數(shù)據(jù)集進行擴充；

步驟三、鋼絲繩表面損傷檢測：

采用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，所述深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由5個卷積層、3個池化層、3個全連接層、1 個損失函數(shù)和Softmax分類器組成；對步驟一獲得的三維圖像的每一幀圖像進行均等分塊識別表面損傷類別，存儲每個塊的識別結(jié)果；等整條鋼絲繩檢測結(jié)束后，合并每幀圖像對應(yīng)的識別結(jié)果矩陣，然后統(tǒng)計整個識別結(jié)果矩陣，實現(xiàn)表面損傷檢測。

5.利用權(quán)利要求3所述的鋼絲繩檢測裝置進行鋼絲繩繩經(jīng)計算的方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一、使用相機拍攝鋼絲繩在白色底板上留下的陰影區(qū)域，得到鋼絲繩的正面圖像；對所述正面圖像進行灰度圖轉(zhuǎn)換，然后對轉(zhuǎn)換后的圖像進行高斯濾波；高斯濾波后的圖像進行Canny邊緣檢測，使用edge(I,method,threshold)函數(shù)，其中I為輸入圖像，method為指定算法，算法使用canny進行邊緣檢測，而threshold為閾值，通常設(shè)為0.1；

步驟二、使用形態(tài)學算法去除較小物體，得到圖像邊緣特征圖像，進一步得到白色底板上鋼絲繩成像的寬度；根據(jù)相機到鋼絲繩的距離以及相機到白色底板的距離，由所述鋼絲繩成像的寬度計算出鋼絲繩繩經(jīng)。