專利名稱：基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于道路工程領(lǐng)域，涉及一種水泥混凝土路面錯臺檢測裝置及檢測方法。
背景技術(shù)：
水泥混凝土路面錯臺是指水泥混凝土路面中橫向接縫處相鄰兩塊水泥板的高程差。它是由行車荷載，溫度翹曲以及基層沖刷等多種原因造成的。錯臺是影響水泥混凝土 路面平整度、壽命以及加鋪后反射裂縫的重要因素，也是水泥混凝土路面技術(shù)狀況評定，養(yǎng) 護、加鋪設(shè)計時必須考慮的一個重要指標(biāo)。因此，如何對錯臺進行準(zhǔn)確、高效的檢測和評價， 成為公路管理養(yǎng)護部門十分關(guān)注的問題。錯臺檢測包含兩個步驟一是接縫定位，即找到錯臺位置；二是檢測該接縫處相 鄰水泥混凝土板面板的高程差。目前國內(nèi)對錯臺的檢測主要通過人工利用直尺或游標(biāo)卡尺 實現(xiàn)，費時費力且不安全。有的地區(qū)采用激光斷面儀(澳大利亞的ARRB系統(tǒng)，美國PAVEDEX 公司的PASI系統(tǒng)，美國南達科它州運輸部研制的South Dakota DOT系統(tǒng)，美國ICC公司的 道路自動檢測車，澳大利亞NSW公路局與CRISO公司共同開發(fā)的自動檢測車RoadCrack，加 拿大的RoadWare公司的ARAN，英國WDW公司的檢測車)或超聲波斷面儀(新西蘭DCL公司 的ROMDAS超聲波路面橫斷面車轍測試系統(tǒng))實現(xiàn)對錯臺的測量，斷面儀需要多個距離傳感 器，通常有7 13個，有的多達30個，價格昂貴；使用斷面儀對水泥混凝土路面檢測時，不 能準(zhǔn)確的對錯臺準(zhǔn)確定位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有水泥混凝土路面錯臺檢測技術(shù)不能對錯臺精確定位，且橫斷面測 點數(shù)目偏少，提出了一種基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測裝置及其檢測方法。為達到上述目的，本發(fā)明的解決方案是本發(fā)明基于雙目視覺測量原理設(shè)計而成， 可對水泥混凝土路面全車道檢測，得到整個車道的接縫及錯臺圖像，并由后處理對每個接 縫進行識別、定位，在此基礎(chǔ)上計算每條接縫的錯臺量。一種基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測裝置，其包括計算處理系統(tǒng)、雙目 視覺檢測組件，所述雙目視覺檢測組件采集路面信息，發(fā)送給計算處理系統(tǒng)計算確認(rèn)路面
錯臺量。進一步，所述計算處理系統(tǒng)安裝于檢測車車體內(nèi)，包括計算機、圖像采集卡和里程 編碼器，圖像采集卡與計算機相連傳送其采集的圖像；里程編碼器安裝于檢測車的車輪外 側(cè)，其觸發(fā)信號線與圖像采集卡的外觸發(fā)接口相連。所述雙目視覺檢測組件安裝于檢測車車體外，包括2臺CXD圖像傳感器和光源， CCD圖像傳感器的鏡頭朝向路面，兩者的采樣區(qū)域相重疊，光源則覆蓋該采樣區(qū)域；CCD圖 像傳感器與圖像采集卡相連，以供圖像采集卡采集圖像及觸發(fā)。所述CCD圖像傳感器和光源為面陣CCD圖像傳感器和面光源，或者為線掃描相機 和線光源。
一種基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測方法，其包括以下步驟1)里程編碼器產(chǎn)生脈沖信號，圖像采集卡觸發(fā)兩臺CXD圖像傳感器對路面同一目 標(biāo)采集圖像，同一目標(biāo)的圖像以同名定義；2)根據(jù)CCD圖像傳感器采集的圖像對路面接縫進行定位；3)在CXD圖像傳感器采集的圖像中的接縫附近的第一水泥板和第二水泥板上選 取多個測點，分別在采集的圖像中找到該測點的同名圖像，由雙目視覺原理計算這些測點 的三維坐標(biāo)求得錯臺量。進一步，所述定位利用灰度投影進行粗定位，找到接縫的大致位置，提取粗定位圖 像，檢測接縫的傾角，利用該傾角做旋轉(zhuǎn)校正，使接縫垂直于圖像邊界；再在校正的圖像中 利用灰度投影和邊緣投影進行進行精確定位， 找到接縫的兩條邊界，完成接縫定位。所述定位利用灰度投影、接縫的幾何特征及尺寸特征進行粗定位，找到接縫的大 致位置，提取粗定位圖像，檢測接縫的傾角，利用該傾角做旋轉(zhuǎn)校正，使接縫垂直于圖像邊 界；再在校正的圖像中，利用灰度投影和邊緣投影以及接縫的圖像特征進行精確定位，找到 接縫的兩條邊界，完成接縫定位。所述測點是在第一水泥板和第二水泥板上分別至少選取3個不共線的點。所述錯臺量的計算方法是根據(jù)第一水泥板上選取的測點的三維坐標(biāo)回歸出一個 基準(zhǔn)平面，計算第二水泥板上各測點到該基準(zhǔn)平面的平均距離，該平均值即為錯臺量；或者 根據(jù)第一水泥板上各測點的ζ坐標(biāo)計算第一水泥板的平均高程，根據(jù)第二水泥板上各測點 的ζ坐標(biāo)計算第二水泥板的平均高程，第一水泥板和第二水泥板之間的平均高程差即為錯 臺量。由于采用上述方案，本發(fā)明的有益效果是1)本發(fā)明克服了激光斷面儀和超聲波斷面儀不能對接縫定位的缺點。這兩種斷面 儀僅能夠得到路面縱斷面上連續(xù)的高程差。由于水泥混凝土路面存在刻槽、裂縫，并且接縫 附近存在大量的啃邊，很難從這些高程差曲線中判斷出錯臺的位置，因而斷面儀很難得到 準(zhǔn)確的錯臺量。而本發(fā)明能夠利用圖像進行精確定位，優(yōu)于斷面儀。2)本發(fā)明橫斷面上的測點數(shù)量遠大于斷面儀，因而更能反應(yīng)水泥混凝土路面接縫 處錯臺的形貌，提高檢測的可靠度。3)本發(fā)明基于雙目視覺，可以采集整個車道的圖像，因此可用于平面類檢測，如裂 縫檢測，這樣平面檢測和三維檢測融合到一起。對于路面上那些三維變形和平面變形類疊 加的情況有較好的效果，如沉陷上伴隨著疲勞裂縫和橫向裂縫，現(xiàn)有技術(shù)只能檢測疲勞裂 縫和橫向裂縫，無法檢測沉陷，而利用本發(fā)明，疲勞裂縫、橫向裂縫和沉陷均能檢測。對于車 轍和裂縫同時存在的路段，現(xiàn)有的檢測技術(shù)利用圖像采集系統(tǒng)檢測裂縫，利用斷面儀或結(jié) 構(gòu)光等方式檢測車轍，兩個系統(tǒng)是分離的，融合的代價較大，而利用本發(fā)明，車轍和裂縫同 時檢測，為道路管理者進行病害評價分析提供更多，更準(zhǔn)確的信息。


圖1為本發(fā)明的組成結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明圖像采集正視圖；圖3為本發(fā)明圖像采集側(cè)視圖4為本發(fā)明由兩板測點計算錯臺的原理圖。附圖中各標(biāo)號分別為車體1，計算處理系統(tǒng)2，雙目視覺檢測組件3，路面4，接縫一側(cè)的水泥板5，接縫另一側(cè)水泥板6，存在錯臺的接縫7，由水泥板6上的測點三維坐標(biāo)回 歸出的基準(zhǔn)平面8 ；圖像采集卡21，里程編碼器22，計算機24，左側(cè)(XD31，右側(cè)(XD32，光源 33，水泥板5上的測點51，水泥板5上的測點52，水泥板5上的測點53，水泥板6上的測點 61，水泥板6上的測點62，水泥板6上的測點63。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。實施例一結(jié)合圖1-圖4說明本實施例，其由計算處理系統(tǒng)2和雙目視覺檢測組 件3構(gòu)成；計算機系統(tǒng)由計算機24、圖像采集卡21和里程編碼器22構(gòu)成；圖像采集卡21 安裝在計算機的PCI接口上，里程編碼器22的殼體安裝、固定在檢測車車輪外側(cè)，編碼器 22的旋轉(zhuǎn)軸與車輪連接，與車輪保持相同的角速度；編碼器22的觸發(fā)信號線與圖像采集卡 21的外觸發(fā)接口相連；雙目視覺檢測組件3由2臺面陣CXD圖像傳感器31、32和面光源33 組成，2臺面陣CXD的鏡頭朝向路面，它們的采樣區(qū)域相互重疊，面光源33覆蓋CXD的采樣 區(qū)域；面陣CXD圖像傳感器31、32的數(shù)據(jù)線與圖像采集卡21的數(shù)據(jù)接口相連接，面陣CXD 圖像傳感器31、32的外觸發(fā)接口與圖像采集卡21的外觸發(fā)接口相連；計算機系統(tǒng)2安裝 在車體1內(nèi)，雙目視覺檢測組件3安裝在車體1外的前端頂部或后端頂部，系統(tǒng)安裝完畢， 在路面檢測前對兩面陣相機進行標(biāo)定。其中，面光源可采用高強閃光照明系統(tǒng)，如杭州思源 科技有限公司脈沖閃光燈SY301S，面陣相機可采用Dalsa面陣相機DS-24-02M30，分辨率為 1920*1080，每秒最高可拍攝30幀，圖像采集卡可采用Dalsa的X64-CL Dual。編碼器可采 用無錫瑞普科技生產(chǎn)的zsm6215型旋轉(zhuǎn)編碼器。本發(fā)明的方法由以下步驟實現(xiàn)步驟一當(dāng)檢測車輛在行駛過程中，由里程編碼器22產(chǎn)生脈沖信號，通過圖像采 集卡21同時觸發(fā)兩臺CCD圖像傳感器31、32，對路面的同一目標(biāo)同時采集圖像，圖像數(shù)據(jù) 通過圖像采集卡存儲于計算機磁盤中，在存儲時，同一目標(biāo)的兩幅圖像可以采用同一編號， 并加以“左”和“右”字樣進行區(qū)別，便于后續(xù)處理時讀取。掃描整個檢測路段，完成圖像采集。步驟二 由CXD圖像傳感器31采集的圖像對水泥混凝土路面接縫7進行定位。定 位時，首先利用灰度投影、接縫的幾何特征及尺寸特征進行粗定位，找到接縫的大致位置， 并提取粗定位圖像，在此圖像中，檢測接縫的傾角，并利用該傾角做旋轉(zhuǎn)校正，使接縫垂直 于圖像邊界；最后在校正的圖像中，利用灰度投影和邊緣投影以及接縫的圖像特征進行精 確定位，找到接縫的兩條邊界，完成接縫定位。粗定位和精定位都是由計算機處理實現(xiàn)的， 單純的灰度投影，接縫幾何特征提取、尺寸計算都屬標(biāo)準(zhǔn)的方法，步驟三在CXD圖像傳感器31采集的圖像中的接縫7附近的兩塊水泥板5和6上 分別選取多個測點(最少要選取3個不共線的點)，通過圖像匹配技術(shù)分別在CCD圖像傳感 器32采集的圖像中找到這些點的同名像點，由雙目視覺原理計算這些測點的三維坐標(biāo)，具 體如下世界坐標(biāo)系由Xw= [XW，YW，ZJIi成，設(shè)(u，ν)為以像素為單位的圖像坐標(biāo)，世界坐標(biāo)系表示的P點坐標(biāo)與其投影點P的圖像坐標(biāo)(U，ν)的關(guān)系 x 其中，s為比例因子；M1只與攝像機內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，稱攝像機內(nèi)參，由ax，ay, u0, V0確定；M2描述了攝像機的位姿，稱為攝像機外參，由R，t確定；M稱為攝像機的基本矩陣，在攝像機標(biāo)定時確定；(u0, V0,)為鏡頭中心投影在U，ν坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；ax, ay與攝像機像元物理尺寸及焦距有關(guān)的內(nèi)部參數(shù)；R為攝像機于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；t為攝像機于世界坐標(biāo)系的平移矩陣；設(shè)Mi = M1iM2S，i為兩個攝像機的代號；由攝像機標(biāo)定可知M/和M2S繼而可求Mi, 則有下列關(guān)系成立
U Λ m'n m;2 m丨'3 m\4 ^wSi Vi = m'2] TYi111 m'2J m'24 ^
1 m\x m\2 mln m'u w L J _1消去S1和S2，得到關(guān)于Xw，Yw, Zw的方程組

將上述方程寫成矩陣的形式AiPzbi ；合并兩個CXD后得到AP = b ；其中A= (A1, Α2)τ，b = (bi; b2)T ；假設(shè)AtA可逆，由最小二乘法可得P點的三維坐標(biāo)P = (AtA)-1K步驟四由水泥板6上的測點61、62、63等的三維坐標(biāo)回歸出一個基準(zhǔn)平面8，計 算水泥板5上的測點51、52、53等到平面8的平均距離，該平均值即為錯臺量。實施例二 本實施例與實施例一不同點在于，CXD圖像傳感器31、32為2臺線掃 描相機，光源33為線光源，CXD圖像傳感器31、32和線光源33朝向路面，CXD圖像傳感器 31與CXD圖像傳感器32的掃描線大體在同一直線上，線光源33的照射線也處于這條直線 上，為兩臺線掃描相機同時提供照明。檢測前，對兩線陣相機進行標(biāo)定，在雙目視覺檢測組 件3中安裝有加速度傳感器和陀螺儀，記錄線掃描相機每一掃描時刻，兩臺相機的振動位 移，并在計算測點坐標(biāo)時，將振動位移扣除。其他組成和連接方式及計算方法與實施例一相 同。其中，線光源可采用美國Stocker Yale大功率半導(dǎo)體激光器MAGNUM 2，線陣相機可采 用Dalsa線陣相機P2-2X-04K40，行分辨率為4096，行頻為18kHz。另外，在接縫定位時，單獨利用灰度投影或邊緣投影進行接縫定位，但相對實施例 一中的方式精確度略低，但其方法簡單，減少了定位的步驟，加速了處理過程。
優(yōu)選的，選取的水泥板5或6上的測點數(shù)量，用于回歸基準(zhǔn)平面的水泥板上測點大 于3，且這三點不共線，測點數(shù)量多時，有利于減少隨機誤差?；蛘撸玫綔y點的三維坐標(biāo)后，由板5上測點的ζ坐標(biāo)計算板5的平均高程，由板 6上測點的ζ坐標(biāo)計算板6的平均高程，兩板的平均高程差即為錯臺量。
上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā) 明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的 一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施 例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的 保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測裝置，其特征在于其包括計算處理系統(tǒng)、雙目視覺檢測組件，所述雙目視覺檢測組件采集路面信息，發(fā)送給計算處理系統(tǒng)計算確認(rèn)路面錯臺量。
2.如權(quán)利要求1所述的基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測裝置，其特征在于 所述計算處理系統(tǒng)安裝于檢測車車體內(nèi)，包括計算機、圖像采集卡和里程編碼器，圖像采集 卡與計算機相連傳送其采集的圖像；里程編碼器安裝于檢測車的車輪外側(cè)，其觸發(fā)信號線 與圖像采集卡的外觸發(fā)接口相連。
3.如權(quán)利要求1所述的基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測裝置，其特征在于 所述雙目視覺檢測組件安裝于檢測車車體外，包括2臺CCD圖像傳感器和光源，CCD圖像傳 感器的鏡頭朝向路面，兩者的采樣區(qū)域相重疊，光源則覆蓋該采樣區(qū)域；CCD圖像傳感器與 圖像采集卡相連，以供圖像采集卡采集圖像及觸發(fā)。
4.如權(quán)利要求3所述的基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測裝置，其特征在于 所述CCD圖像傳感器和光源為面陣CCD圖像傳感器和面光源，或者為線掃描相機和線光源。
5.一種基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測方法，其特征在于其包括以下步驟1)里程編碼器產(chǎn)生脈沖信號，圖像采集卡觸發(fā)兩臺CCD圖像傳感器對路面同一目標(biāo)采 集圖像，同一目標(biāo)的圖像以同名定義；2)根據(jù)CCD圖像傳感器采集的圖像對路面接縫進行定位；3)在CCD圖像傳感器采集的圖像中的接縫附近的第一水泥板和第二水泥板上選取多 個測點，分別在采集的圖像中找到該測點的同名圖像，由雙目視覺原理計算這些測點的三 維坐標(biāo)求得錯臺量。
6.如權(quán)利要求5所述的基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測方法，其特征在于 所述定位利用灰度投影進行粗定位，找到接縫的大致位置，提取粗定位圖像，檢測接縫的傾 角，利用該傾角做旋轉(zhuǎn)校正，使接縫垂直于圖像邊界；再在校正的圖像中利用灰度投影和邊 緣投影進行進行精確定位，找到接縫的兩條邊界，完成接縫定位。
7.如權(quán)利要求5所述的基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測方法，其特征在于 所述定位利用灰度投影、接縫的幾何特征及尺寸特征進行粗定位，找到接縫的大致位置，提 取粗定位圖像，檢測接縫的傾角，利用該傾角做旋轉(zhuǎn)校正，使接縫垂直于圖像邊界；再在校 正的圖像中，利用灰度投影和邊緣投影以及接縫的圖像特征進行精確定位，找到接縫的兩 條邊界，完成接縫定位。
8.如權(quán)利要求5所述的基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測方法，其特征在于 所述測點是在第一水泥板和第二水泥板上分別至少選取3個不共線的點。
9.如權(quán)利要求5所述的基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測方法，其特征在于 所述錯臺量的計算方法是根據(jù)第一水泥板上選取的測點的三維坐標(biāo)回歸出一個基準(zhǔn)平面， 計算第二水泥板上各測點到該基準(zhǔn)平面的平均距離，該平均值即為錯臺量；或者根據(jù)第一 水泥板上各測點的ζ坐標(biāo)計算第一水泥板的平均高程，根據(jù)第二水泥板上各測點的ζ坐標(biāo) 計算第二水泥板的平均高程，第一水泥板和第二水泥板之間的平均高程差即為錯臺量。
全文摘要
一種基于雙目視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測裝置及方法，該裝置包括計算處理系統(tǒng)、雙目視覺檢測組件，計算處理系統(tǒng)中的圖像采集卡與計算機相連傳送采集的圖像，里程編碼器安裝于檢測車的車輪外側(cè)，其觸發(fā)信號線與圖像采集卡相連；雙目視覺檢測組件安裝于車體外，包括2臺采樣區(qū)域相疊的CCD和覆蓋采樣區(qū)域的光源，CCD與圖像采集卡相連供圖像采集卡采集圖像及觸發(fā)。該方法包括以下步驟1)里程編碼器產(chǎn)生脈沖信號，圖像采集卡觸發(fā)CCD對路面同一目標(biāo)采集圖像；2)根據(jù)CCD采集的圖像對路面接縫進行定位；3)對采集的圖像中的接縫附近的兩塊水泥板上選取多個測點，找到該測點的兩對應(yīng)圖像，求得錯臺量。本發(fā)明可對錯臺進行精確定位。
文檔編號E01C11/04GK101845787SQ201010143928
公開日2010年9月29日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者周玉民, 英紅, 談至明 申請人:同濟大學(xué)