本發(fā)明涉及測量領(lǐng)域，具體為基于線激光掃描的測量道路芯樣尺寸的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在目前的日常檢測過程中，取芯法測道路結(jié)構(gòu)層厚度是由取芯機將結(jié)構(gòu)層取出圓柱形芯樣后再用鋼卷尺進行人工測量其直徑和高度。

2、由于道路芯樣材質(zhì)特殊，其取樣側(cè)面與理想的圓柱體側(cè)面存在較大差異，取樣側(cè)面大部分區(qū)域為不規(guī)則破碎狀；且道路芯樣由于道路建設(shè)為多層鋪設(shè)，芯樣具有明顯的多層級分層狀況。在僅靠卷尺的情況下，道路芯樣各層級劃分以及各層級直徑由檢測人員主觀判斷尺寸，較大的主觀性決定客觀事實，容易存在較大誤差，不利于后續(xù)的質(zhì)量、耐久性、抗壓強度等檢測。

3、如已公開專利申請文件（cn114812413a）所提出的《一種圓柱體直徑測量方法及測量系統(tǒng)》提出了對標(biāo)準圓柱體的直徑進行測量的方法，通過底面放置在旋轉(zhuǎn)平臺上掃描一軸再計算得出被測圓柱體的直徑，其主要方法為建立以旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)中心為原點的極坐標(biāo)系，結(jié)合采集多個直徑點和相機到旋轉(zhuǎn)中心標(biāo)定距離計算規(guī)則圓柱體的直徑，缺乏對不規(guī)則圓柱體各層級的直徑計算。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一；為此，本發(fā)明提出了基于線激光掃描的測量道路芯樣尺寸的方法及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)缺乏對不規(guī)則圓柱體各層級的直徑計算的技術(shù)問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供基于線激光掃描的測量道路芯樣尺寸的方法，包括如下步驟：

3、s1：設(shè)定激光發(fā)生器旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)速為相機拍攝頻率的約數(shù)；

4、s2：基于直射式激光三角法明確線激光掃描系統(tǒng)的坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)關(guān)系，并計算相機內(nèi)參矩陣a和外參矩陣[r，t]，確保相機準確捕捉激光線在待測芯樣表面投影位置；

5、s3：獲取帶時間戳的圖像并根據(jù)時間戳對圖像進行分組，每組圖像中共包含兩幅圖像；

6、s4：將每組圖像中的兩幅圖像轉(zhuǎn)化為二維圖進行拼接，根據(jù)每組拼接后圖像物理坐標(biāo)點確定待測芯樣的標(biāo)準直徑和高度；

7、s5：基于voronoi泰森多邊形二維散點圖和貪婪投影算法對每組拼接后圖像進行曲面重建，根據(jù)曲面重建以及待測芯樣的標(biāo)準直徑獲取待測芯樣各層級直徑；

8、s1中旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)速為相機拍攝頻率的約數(shù)，是通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)平臺的轉(zhuǎn)速和相機的拍攝頻率，使得兩者之間的倍數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)高效、準確的圖像捕捉。

9、進一步地：所述s2的具體方法如下：

10、建立以像素為單位的像素坐標(biāo)系(?u?，v?，1)、以相機透鏡為原點的相機坐標(biāo)系(xc?，yc，?zc)和描述相機在三維空間中的實際位置而建立的世界坐標(biāo)系(?xw?，yw?，zw?)；

11、基于坐標(biāo)系變換和相機投影模型原理，求取相機內(nèi)參矩陣a和外參矩陣[r，t]；

12、所述坐標(biāo)系變換包括：世界坐標(biāo)系和相機坐標(biāo)系變換、像素坐標(biāo)系和物理坐標(biāo)系變換；

13、相機坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下公式所示：

14、；

15、其中，為相機坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣，大小為；

16、為相機坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的平移向量；

17、0為一個的全零矩陣；

18、1為一個的全一矩陣；

19、像素坐標(biāo)系與物理坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以表示為：

20、；

21、其中，dx和dy分別為單個像素在x軸和y軸方向上的物理長度；

22、為像素坐標(biāo)系下成像平面上的任一點坐標(biāo)；

23、為物理坐標(biāo)系的原點在像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；

24、為像素坐標(biāo)系下成像平面上的任一點坐標(biāo)在物理坐標(biāo)系上對應(yīng)坐標(biāo)；

25、再根據(jù)所述相機投影模型原理建立坐標(biāo)關(guān)系式如下所示：

26、；

27、由此得相機內(nèi)參矩陣a和外參矩陣[r，t]；

28、其中，世界坐標(biāo)系和相機坐標(biāo)系都是立體空間中的坐標(biāo)系，且兩個坐標(biāo)系可以通過剛性變換進行相互轉(zhuǎn)換，即相機坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系可以通過平移、旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)彼此間的轉(zhuǎn)變；

29、像素坐標(biāo)系以像素起始位置為原點，以像素方向為坐標(biāo)方向，設(shè)像素行方向u軸，像素列方向為v軸，即在像素坐標(biāo)系下成像平面上任一點坐標(biāo)可寫成(u,v)。而物理坐標(biāo)系則是以相機透鏡主軸與成像平面的交點為原點，其坐標(biāo)軸方向與像素坐標(biāo)系方向平行，即x軸與u軸方向一致，y軸與v軸方向一致，設(shè)物理坐標(biāo)系的原點在像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(u0,v0)，單個像素在x軸和y軸方向上的物理長度分別為dx和dy。

30、進一步地：所述s3的具體方法為：

31、將待測芯樣放置于激光發(fā)生器旋轉(zhuǎn)平臺，相機采集帶有時間戳的圖像并進行分組，分組規(guī)則為：將時間戳為和的圖像為一組；

32、其中，、；

33、為激光發(fā)生器旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)一周相機采集到的圖像對應(yīng)的所有時間戳；

34、n為相機拍攝次數(shù)，共分為組；

35、由此可以確保每組圖像為待測芯樣旋轉(zhuǎn)一周的完整圖像。

36、進一步地：所述s4的具體方法為：

37、將每一組圖像中的兩幅圖像轉(zhuǎn)化為二維圖拼接，拼接后的二維圖中的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為物理坐標(biāo)；其中，k為第k組圖像，，為圖像組的總組數(shù)；i為每幅拼接后的二維圖中物理坐標(biāo)點構(gòu)成的行列結(jié)構(gòu)的第i行；j為每幅拼接后的二維圖中物理坐標(biāo)點構(gòu)成的行列結(jié)構(gòu)的第j列；

38、遍歷每一組圖像中物理坐標(biāo)點構(gòu)成的行列結(jié)構(gòu)的每行每列，獲取每一組圖像的行長度的最大值和列長度的最大值；建立行長度數(shù)組和列長度數(shù)組；分別對行長度數(shù)組和列長度數(shù)組中的所有數(shù)據(jù)作正態(tài)分布處理并賦予權(quán)重；基于加權(quán)平均的方式分別確定待測芯樣的標(biāo)準直徑和高度，如下公式所示：

39、;

40、；

41、其中，r為待測芯樣的標(biāo)準直徑，h為待測芯樣的高度；

42、為第k組圖像行長度的最大值的權(quán)重；

43、π為圓周率；

44、為第k組圖像列長度的最大值的權(quán)重；

45、目的在于直接將采集到的若干張待測芯樣的側(cè)面轉(zhuǎn)化為二維圖像的形式，其在橫軸上的表現(xiàn)即為圓柱的圓周長，在縱軸上的表現(xiàn)為圓柱的高度，以加權(quán)平均的方式計算待測芯樣的標(biāo)準直徑和高度。

46、進一步地：所述作正態(tài)分布處理并賦予權(quán)重的具體方法為：

47、分別處理行長度數(shù)組和列長度數(shù)組；計算行長度數(shù)組的均值和標(biāo)準差以及列長度數(shù)組的均值和標(biāo)準差；

48、其中，行長度數(shù)組中：位于的數(shù)據(jù)賦予權(quán)重為0.4，位于和的數(shù)據(jù)賦予權(quán)重為0.3，位于和的數(shù)據(jù)賦予權(quán)重為0.2，其余數(shù)據(jù)賦予權(quán)重為0.1；

49、列長度數(shù)組中：位于的數(shù)據(jù)賦予權(quán)重為0.4，位于和的數(shù)據(jù)賦予權(quán)重為0.3,位于和的數(shù)據(jù)賦予權(quán)重為0.2，其余數(shù)據(jù)賦予權(quán)重為0.1。

50、進一步地：所述s5的具體方法為：

51、分別對s4中每組拼接后圖像中的每個物理坐標(biāo)標(biāo)準化處理，統(tǒng)一物理坐標(biāo)點行數(shù)i和列數(shù)j確保每張拼接后圖像中的坐標(biāo)點行列相同，其中，k為第k組圖像，，為圖像組的總組數(shù)；i為每幅拼接后的二維圖中物理坐標(biāo)點構(gòu)成的行列結(jié)構(gòu)的第i行，；j為每幅拼接后的二維圖中物理坐標(biāo)點構(gòu)成的行列結(jié)構(gòu)的第j列，；

52、基于三角剖分原則將每組拼接后圖像中的每個物理坐標(biāo)連線形成互不重疊的三角形組合，即為voronoi泰森多邊形二維散點圖的對偶圖；

53、基于貪婪投影算法將對偶圖進行曲面重建：將對偶圖中各點及其近鄰點映射到該點的切平面，在二維平面上以單向生長的方式對二維平面上所包含的所有坐標(biāo)點三角網(wǎng)格，最后直接根據(jù)映射關(guān)系和拓撲關(guān)系確定投影點在三維空間中的關(guān)聯(lián)，從而生成空間三角網(wǎng)格得到曲面模型；

54、根據(jù)曲面模型的曲面切點的在空間坐標(biāo)系中的y軸坐標(biāo)、z軸坐標(biāo)和待測芯樣的標(biāo)準直徑，確定待測芯樣各層級直徑，即待測芯樣的不同高度所對應(yīng)的直徑；

55、y軸坐標(biāo)實際對應(yīng)的為待測芯樣側(cè)面展開圖的y坐標(biāo)值，在經(jīng)過單向生長后，同一y坐標(biāo)對應(yīng)的所有點的z坐標(biāo)即為在待測芯樣的該層級所包含的所有點的凹陷和凸起。

56、進一步地：所述確定待測芯樣各層級直徑的直徑的具體方法如下：

57、待測芯樣各層級共分為i層；

58、每層級所對應(yīng)的直徑即為待測芯樣的標(biāo)準直徑加上如下公式所示：

59、；

60、其中，r為待測芯樣的標(biāo)準直徑；

61、累加某i層級上所有點的生長高度，使用完全平均方式測算大致生長高度為在標(biāo)準直徑上的生長高度，即為i層級的真實直徑。

62、本發(fā)明還提供基于線激光掃描的測量道路芯樣尺寸的系統(tǒng)，包括：激光發(fā)生器旋轉(zhuǎn)平臺；

63、所述激光發(fā)生器旋轉(zhuǎn)平臺電性連接pc設(shè)備；

64、所述pc設(shè)備包括：存儲器、處理器以及存儲在所述存儲器中并可在所述處理器上運行的程序；

65、所述pc設(shè)備還電性連接至少一個相機；

66、所述處理器執(zhí)行所述程序時實現(xiàn)上述任意一項所述的基于線激光掃描的測量道路芯樣尺寸的方法。

67、本發(fā)明具有的效果是：

68、無需預(yù)先測量相機各項參數(shù)如：安裝角度，安裝距離；采用激光三角法直接明確各坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)關(guān)系。

69、將待測芯樣轉(zhuǎn)化為二維圖直接求取芯樣高度，并結(jié)合voronoi泰森多邊形二維散點圖和貪婪投影算法對二維圖像進行曲面重建，測算待測芯樣在不同高度對應(yīng)的直徑。