專利名稱：基于結(jié)構(gòu)光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指標，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。因此，如何對錯臺進行準確、高效的檢測和評價， 一直是公路管理養(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CRIS0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R0MDAS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， 不能準確的對錯臺定位。

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，且設(shè)備價格 昂貴，提出了一種基于結(jié)構(gòu)光視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測裝置及方法，其對錯臺的定 位準確度高，且成本低。為達到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)光視覺測量原理設(shè)計而成，該裝置安裝在檢測車輛的底部，得到 一部分車道的接縫及錯臺圖像，利用圖像處理技術(shù)對每個接縫進行識別、定位，在此基礎(chǔ)上 利用結(jié)構(gòu)光視覺檢測技術(shù)計算每條接縫的錯臺量。一種基于結(jié)構(gòu)光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)和結(jié) 構(gòu)光視覺檢測組件，所述結(jié)構(gòu)光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。所述結(jié)構(gòu)光視覺檢測組件安裝于檢測車車體底部，包括面陣CCD圖像傳感器和線 激光器陣列，面陣CCD圖像傳感器鏡頭朝向路面，線激光器陣列也朝向路面；面陣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)。
一種基于結(jié)構(gòu)光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)CCD圖像傳感器采集包含結(jié)構(gòu)光光 條的路面圖像；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)對CCD圖像傳感器采集圖像中的結(jié)構(gòu)光光條進行細化，提取接縫附近第一水泥 板的第一點到第二點和第二水泥板上第三點到第四點之間的細化后的結(jié)構(gòu)光光條，利用結(jié) 構(gòu)光視覺測量原理計算光條上像素點的三維坐標；4)由第一點到第二點結(jié)構(gòu)光光條各點計算第一水泥板的平均高程，即第一點到第 二點結(jié)構(gòu)光光條各點的？雙軸的坐標平均值，記為Hn，i為線激光器陣列中某激光器的編號； 由第三點到第四點結(jié)構(gòu)光光條各點計算第二水泥板的平均高程，即第三點到第四點結(jié)構(gòu)光 光條各點的Zji的坐標平均值，記為Hi2，i為線激光器陣列中某激光器的編號；Hn-Hi2為結(jié) 構(gòu)光光條i測得的錯臺量；5)計算每個激光器測得的錯臺量，求平均即為該接縫的錯臺量。進一步，在路面檢測前對面陣CCD圖像傳感器進行標定，對線激光器陣列中的每 個線激光器的光平面進行標定，在對線激光器的光平面標定時，規(guī)定Zw軸垂直于路面所在 平面。所述線激光器陣列投射到路面的光條與存在錯臺的接縫大體垂直，且光條在CCD 圖像傳感器的視野范圍內(nèi)。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；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。所述第一水泥板位于接縫的一側(cè)，第二水泥板位于接縫的另一側(cè)；第一點為第一 水泥板上的結(jié)構(gòu)光光條與接縫的交點，第二點是在第一水泥板上選取的結(jié)構(gòu)光測點，其與 第一點相距0-200mm;第三點為第二水泥板上的結(jié)構(gòu)光光條與接縫的交點，第四點是第二 水泥板上選取的結(jié)構(gòu)光測點，其與第三點相距0-200mm。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點本發(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。本發(fā)明橫斷面上的測點數(shù)量由線激光器陣列中的線激光器數(shù)量決定，由于不必為 每個激光器提供單獨的CCD采集光條圖像，成本大大縮減。本發(fā)明檢測裝置安裝在車體底部，因此不必使用大功率的激光器就可以在(XD上 清晰成像，并且由于車底光線明暗變化較小，對CCD的光源要求降低，進一步減少了成本。


圖1為本發(fā)明的組成結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明圖像采集正視示意圖3為本發(fā)明圖像采集側(cè)視示意圖；圖4為本發(fā)明由結(jié)構(gòu)光在水泥板上的光條測點計算錯臺的原理圖。附圖中各標號分別為1_車體，2-計算處理系統(tǒng)，3-結(jié)構(gòu)光視覺檢測組件；4-路 面；5-第一水泥板；6-第二水泥板；7-接縫；8-單個線激光器在第一水泥板5和第二水泥 板6上的結(jié)構(gòu)光光條；21圖像采集卡；22里程編碼器；24計算機；31面陣CCD ；32線激光器 陣列；51-第一點；52-第二點；61-第三點；62-第四點。
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。本發(fā)明的路面錯臺檢測裝置由計算處理系統(tǒng)2和結(jié)構(gòu)光視覺檢測組件3構(gòu)成；計 算機系統(tǒng)2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；結(jié)構(gòu)光視覺檢測組件3由1臺面陣(XD圖像傳感器31和線激光器陣列32組 成，面陣CCD圖像傳感器31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CCD圖像 傳感器31的外觸發(fā)接口與圖像采集卡21的外觸發(fā)接口相連；面陣(XD圖像傳感器31的 鏡頭朝向路面4，線激光器陣列32也朝向路面4，線激光器陣列32投射到路面4的光條8 與存在錯臺的接縫7大體垂直，且光條8在CCD圖像傳感器31的視野范圍內(nèi)；計算機系統(tǒng) 2安裝在車體1內(nèi)，結(jié)構(gòu)光視覺檢測組件3安裝在車體1底部，系統(tǒng)安裝完畢，在路面檢測 前對面陣CCD圖像傳感器31進行標定，并對線激光器陣列32中的每個線激光器的光平面 進行標定，在對線激光器的光平面標定時，規(guī)定Zw軸垂直于路面所在平面。其中，線激光器 可采用美國Stocker Yale大功率半導(dǎo)體激光器MAGNUM 2，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觸發(fā)CCD圖像傳感器31，采集包含結(jié)構(gòu)光光條的路面圖像，圖像數(shù)據(jù)通過圖像采集 卡21存儲于計算機24磁盤中，在存儲時，對每副圖像進行編號，便于后續(xù)處理時讀取。步驟二 由(XD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。步驟三對CCD31采集圖像中的結(jié)構(gòu)光光條進行細化，提取接縫7 —側(cè)的第一水泥 板5的第一點51到第二點52和接縫另一側(cè)的第二水泥板6上的第三點61到第四點62之 間的細化后的結(jié)構(gòu)光光條8，利用結(jié)構(gòu)光視覺測量原理計算光條上像素點的三維坐標。第一 點51是第一水泥板5上的結(jié)構(gòu)光光條8與接縫7的交點；第二點52是在第一水泥板5上 選取的結(jié)構(gòu)光測點，它與第一點51的距離以0-200mm為宜，間距50mm為最佳；第三點61是 第二水泥板6上的結(jié)構(gòu)光光條8與接縫7的交點；第四點62是在第二水泥板6上選取的結(jié)構(gòu)光測點，它與第三點61的距離以0-200mm為宜，間距50mm為最佳。利用結(jié)構(gòu)光視覺測量原理計算光條上像素點的三維坐標的方法如下世界坐標系由Xw = [Xw，Yw，Zw]組成，設(shè)(u，v)為以像素為單位的圖像坐標，世界 坐標系表示的P點坐標與其像點P的圖像坐標(u，v)的關(guān)系 其中，s為比例因子；Mi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，在攝像機標定時確定；(u0, v0,)為鏡頭中心投影在u，v坐標系中的坐標；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系的旋轉(zhuǎn)矩陣；t為攝像機于世界坐標系的平移矩陣；結(jié)構(gòu)光光平面方程為AXW+BYW+CZW+D = 0 ；系數(shù)A、B、C和D由結(jié)構(gòu)光光平面標定 時確定。當(dāng)路面結(jié)構(gòu)光光條上某點的圖像坐標已知時，由世界坐標系與像點的關(guān)系及結(jié)構(gòu) 光光平面方程可以計算該點的三維坐標。步驟四由第一點51到第二點52結(jié)構(gòu)光光條各點計算第一水泥板5的平均高程， 即第一點51到第二點52結(jié)構(gòu)光光條各點的Zw軸的坐標平均值，記為Hn，i為線激光器陣 列32中某激光器的編號；由第三點61到第四點62結(jié)構(gòu)光光條各點計算第二水泥板6的平 均高程，即第三點61到第四點62結(jié)構(gòu)光光條各點的Zw軸的坐標平均值，記為Hi2，i為線激 光器陣列32中某激光器的編號；Hn-Hi2為結(jié)構(gòu)光光條i測得的錯臺量。步驟五計算每個激光器測得的錯臺量，求平均即為該接縫的錯臺量。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
一種基于結(jié)構(gòu)光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)和結(jié)構(gòu)光視覺檢測組件，所述結(jié)構(gòu)光視覺檢測組件采集路面信息，發(fā)送給計算處理系統(tǒng)計算確認路面錯臺量。
2.如權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)光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所述的基于結(jié)構(gòu)光視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測裝置，其特征在 于所述結(jié)構(gòu)光視覺檢測組件安裝于檢測車車體底部，包括面陣CCD圖像傳感器和線激光 器陣列，面陣CCD圖像傳感器鏡頭朝向路面，線激光器陣列也朝向路面；面陣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)。
4.一種基于結(jié)構(gòu)光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)CCD圖像傳感器采集包含結(jié)構(gòu)光光條的 路面圖像；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)對CCD圖像傳感器采集圖像中的結(jié)構(gòu)光光條進行細化，提取接縫附近第一水泥板的 第一點到第二點和第二水泥板上第三點到第四點之間的細化后的結(jié)構(gòu)光光條，利用結(jié)構(gòu)光 視覺測量原理計算光條上像素點的三維坐標；4)由第一點到第二點結(jié)構(gòu)光光條各點計算第一水泥板的平均高程，即第一點到第二點 結(jié)構(gòu)光光條各點的Zw軸的坐標平均值，記為Hil，i為線激光器陣列中某激光器的編號；由第 三點到第四點結(jié)構(gòu)光光條各點計算第二水泥板的平均高程，即第三點到第四點結(jié)構(gòu)光光條 各點的Zj^的坐標平均值，記為Hi2，i為線激光器陣列中某激光器的編號；Hil-Hi2*結(jié)構(gòu)光 光條i測得的錯臺量；5)計算每個激光器測得的錯臺量，求平均即為該接縫的錯臺量。
5.如權(quán)利要求4所述的基于結(jié)構(gòu)光視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測方法，其特征在 于在路面檢測前對面陣CCD圖像傳感器進行標定，對線激光器陣列中的每個線激光器的 光平面進行標定，在對線激光器的光平面標定時，規(guī)定Zw軸垂直于路面所在平面。
6.如權(quán)利要求4所述的基于結(jié)構(gòu)光視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測方法，其特征在 于所述線激光器陣列投射到路面的光條與存在錯臺的接縫大體垂直，且光條在CCD圖像 傳感器的視野范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求4所述的基于結(jié)構(gòu)光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；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。
8.如權(quán)利要求4所述的基于結(jié)構(gòu)光視覺的水泥混凝土路面錯臺檢測方法，其特征在 于所述第一水泥板位于接縫的一側(cè)，第二水泥板位于接縫的另一側(cè)；第一點為第一水泥 板上的結(jié)構(gòu)光光條與接縫的交點，第二點是在第一水泥板上選取的結(jié)構(gòu)光測點，其與第一點相距0-200mm ；第三點為第二水泥板上的結(jié)構(gòu)光光條與接縫的交點，第四點是第二水泥板上選取的結(jié)構(gòu)光測點，其與第三點相距0-200mm。
全文摘要
一種基于結(jié)構(gòu)光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)和結(jié)構(gòu)光視覺檢測組件，計算處理系統(tǒng)中的圖像采集卡與計算機相連傳送其采集的圖像；里程編碼器的觸發(fā)信號線與圖像采集卡的外觸發(fā)接口相連；結(jié)構(gòu)光視覺檢測組件安裝于檢測車車體底部，包括朝向路面的面陣CCD圖像傳感器和線激光器陣列；CCD與圖像采集卡相連供圖像采集卡采集圖像及觸發(fā)。該方法是由里程編碼器產(chǎn)生脈沖信號，圖像采集卡觸發(fā)CCD采集包含結(jié)構(gòu)光光條的路面圖像；根據(jù)采集的圖像對路面接縫進行定位；對采集圖像中的結(jié)構(gòu)光光條進行細化，提取接縫附近兩塊水泥板上的細化后的結(jié)構(gòu)光光條，計算光條上像素點的三維坐標求得錯臺量。本發(fā)明可對錯臺進行精確定位。
文檔編號E01C23/01GK101845788SQ20101014393
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)