基于深度和灰度圖像的路面裂縫檢測(cè)裝置和方法
【專利摘要】本申請(qǐng)公開(kāi)了一種基于深度和灰度圖像的路面裂縫檢測(cè)裝置，包括：載體平臺(tái)(1)；位于載體平臺(tái)上攝像裝置(6)、線激光器(7)、計(jì)算裝置(8)，其中，載體平臺(tái)(1)用來(lái)在裂縫檢測(cè)的過(guò)程中，沿道路方向移動(dòng)，線激光器(7)用來(lái)在載體平臺(tái)(1)移動(dòng)的同時(shí)，垂直路面照射激光，攝像裝置(6)用來(lái)在載體平臺(tái)(1)移動(dòng)的同時(shí)，沿斜向角度，不斷拍攝所述直線激光經(jīng)路面反射的激光線，每次拍攝對(duì)一個(gè)道路斷面進(jìn)行成像，生成多個(gè)道路斷面的激光線的圖像數(shù)據(jù)，計(jì)算裝置(8)用來(lái)從每個(gè)道路斷面的激光線的圖像數(shù)據(jù)生成該道路斷面的深度數(shù)據(jù)、以及灰度數(shù)據(jù)，并將每個(gè)道路斷面的深度數(shù)據(jù)和灰度數(shù)據(jù)拼接形成一段道路的圖像數(shù)據(jù)，以進(jìn)行裂縫識(shí)別。
【專利說(shuō)明】基于深度和灰度圖像的路面裂縫檢測(cè)裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)屬于測(cè)繪科學(xué)技術(shù)與儀器科學(xué)的交叉領(lǐng)域，涉及圖像處理技術(shù)、移動(dòng)精細(xì)定位技術(shù)與多傳感器集成與同步控制技術(shù)，尤其涉及道路面裂縫檢測(cè)方法及裝置，其可以廣泛應(yīng)用于移動(dòng)道路測(cè)繪、路面檢測(cè)、軌道檢測(cè)、隧道檢測(cè)等測(cè)繪和交通領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]公路在使用過(guò)程中，受自然環(huán)境、行車(chē)荷載等諸多因素影響，公路表面逐漸形成多種破損，裂縫作為路面常見(jiàn)的破損形式，對(duì)公路的危害極大。為了節(jié)約養(yǎng)護(hù)資源，同時(shí)保障行車(chē)的安全、舒適性，需準(zhǔn)確獲取裂縫的位置、面積、程度等參數(shù)信息，為交通管理部門(mén)客觀評(píng)價(jià)路面質(zhì)量、科學(xué)決策養(yǎng)護(hù)管理方案提供依據(jù)。
[0003]裂縫是評(píng)價(jià)路面質(zhì)量最重要的參數(shù)之一，是大部分病害的早期表現(xiàn)形式，直接影響著公路使用壽命和行車(chē)安全。傳統(tǒng)路面裂縫檢測(cè)技術(shù)基于人工視覺(jué)檢查，效率低，工作強(qiáng)度大，檢測(cè)速度慢，精度較低，并且在高速公路上進(jìn)行人工檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)人員人身安全受到了影響。
[0004]現(xiàn)有的車(chē)載多傳感器集成同步控制方法將距離傳感器與內(nèi)部時(shí)鐘結(jié)合，用于按空間間隔采樣控制傳感器的工作，并為傳感器的采集數(shù)據(jù)提供時(shí)間戳。
[0005]現(xiàn)有的二維路面裂縫檢測(cè)系統(tǒng)采用路面圖像獲取技術(shù)，即照明系統(tǒng)與照相機(jī)相結(jié)合的方式拍攝路面圖像用以記錄路面裂縫信息，并采用二維灰度信息處理技術(shù)分析路面裂縫。但是，二維路面裂縫檢測(cè)技術(shù)對(duì)于檢測(cè)光照不均、陰影、裂縫信息較弱的圖像仍有欠缺，檢測(cè)效果一直不理想，其仍是二維路面裂縫檢測(cè)領(lǐng)域需要攻克的技術(shù)難題。
[0006]隨著激光掃描技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)、照相機(jī)立體視覺(jué)技術(shù)、結(jié)構(gòu)光三維檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，三維路面裂縫檢測(cè)技術(shù)成為新的發(fā)展方向。三維路面裂縫檢測(cè)技術(shù)直接獲取路面的三維信息，從深度上區(qū)分路面與裂縫，不受光照不均、陰影等的影響，但是，在獲取路面三維信息時(shí)，由于裂縫與路面凸起等導(dǎo)致的遮擋、路面材料反射特性的差異導(dǎo)致掃描的誤差等原因，使得獲取的數(shù)據(jù)中缺失了裂縫等的部分信息，直接影響三維裂縫的檢測(cè)效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]如上所述，傳統(tǒng)的二維路面裂縫檢測(cè)系統(tǒng)采用路面圖像獲取技術(shù)，即照明系統(tǒng)與照相機(jī)相結(jié)合的方式拍攝路面圖像以記錄路面裂縫信息，并采用二維灰度信息處理技術(shù)分析路面裂縫。其缺點(diǎn)主要有:光照不均導(dǎo)致圖像對(duì)比度過(guò)高，掩蓋了裂縫的特征信息，裂縫的漏識(shí)別率與識(shí)別不全率高；陰影造成的裂縫虛假信息，裂縫的誤識(shí)別率高；裂縫信息較弱，裂縫信息丟失，裂縫無(wú)法識(shí)別。有鑒于此，本發(fā)明以裂縫三維檢測(cè)方法為主，直接獲取道路面的三維信息，利用大功率準(zhǔn)直線激光器，能夠?yàn)榈缆妨芽p所產(chǎn)生的剖面提供照明，照明范圍集中，有效解決了光照不均和陰影的問(wèn)題；在光電編碼器的控制下，道路剖面的識(shí)別間隔可以在1_以內(nèi)，極大地提高了微小裂縫的識(shí)別與檢測(cè)效果。
[0008]如上所述，現(xiàn)有的三維裂縫檢測(cè)系統(tǒng)主要利用激光三維掃描和結(jié)構(gòu)光成像技術(shù)。然而，由于高精度三維激光掃描儀設(shè)備昂貴，盡管其測(cè)量較遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)對(duì)目標(biāo)大小識(shí)別精度要求不高，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)很大，但是在掃描近距離目標(biāo)時(shí)，由于掃描速率(單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的激光點(diǎn)數(shù))的限制，在高速情況下的點(diǎn)云密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠(速度越快，單位時(shí)間內(nèi)的斷面越多，斷面上激光點(diǎn)分布越少，激光點(diǎn)的分辨率越低)，精度很難達(dá)到道路面裂縫檢測(cè)的需求。盡管基于結(jié)構(gòu)光的路面裂縫三維檢測(cè)技術(shù)具有數(shù)據(jù)精度高、特征豐富、對(duì)路面陰影、光照不均、裂縫信息較弱以及隨機(jī)噪聲不敏感等優(yōu)勢(shì)，但是，由于路面材料反射特性的差異，對(duì)結(jié)構(gòu)光的吸收、鏡面反射等容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失與測(cè)量誤差，由于結(jié)構(gòu)光對(duì)掃描角度的限制，使得一定條件下的遮擋(例如結(jié)構(gòu)光打到裂縫里面時(shí)，裂縫達(dá)到一定深度時(shí)，反射光被遮擋，無(wú)法被接收)直接引起測(cè)量數(shù)據(jù)的丟失，特別是裂縫信息的丟失。有鑒于此，本發(fā)明在結(jié)構(gòu)光三維檢測(cè)的基礎(chǔ)上，同時(shí)獲取每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的灰度信息，其目的是通過(guò)分析小范圍內(nèi)灰度的分布特征、深度的分布特征以及激光的線寬值分布特征來(lái)有效還原丟失的數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差，提高了道路面裂縫識(shí)別的準(zhǔn)確率。
[0009]如上所述，現(xiàn)有的車(chē)載多傳感器集成同步控制方法將距離傳感器與內(nèi)部時(shí)鐘結(jié)合，用于按空間間隔采樣控制傳感器的工作，并為傳感器的采集數(shù)據(jù)提供時(shí)間戳。其缺點(diǎn)是:沒(méi)有將車(chē)輛行駛的線性參考坐標(biāo)與采集的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，對(duì)于道路檢測(cè)、軌道檢測(cè)這類通常以線性參考坐標(biāo)為基準(zhǔn)的應(yīng)用，空間定位表達(dá)十分不方便。有鑒于此，本發(fā)明通過(guò)GPS數(shù)據(jù)、高精度時(shí)間和里程數(shù)據(jù)的同步輸出，快速建立GPS大地坐標(biāo)系(WGS-84)與道路線性參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型。
[0010]另一方面，結(jié)構(gòu)光路面三維測(cè)量系統(tǒng)與路面二維灰度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度不同、工作頻率不同、測(cè)量角度不同，很難找到控制點(diǎn)來(lái)準(zhǔn)確標(biāo)定兩個(gè)系統(tǒng)間的相對(duì)位置、姿態(tài)關(guān)系，精度往往不盡人意。有鑒于此，本發(fā)明的目的是通過(guò)激光線的中心提取技術(shù)獲取目標(biāo)的高精度三維信息，通過(guò)極小范圍內(nèi)灰度積分法計(jì)算對(duì)應(yīng)激光線中心的灰度信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)深度信息與灰度信息的無(wú)縫獲取，極大地豐富了目標(biāo)點(diǎn)的特征屬性。
[0011]綜上，為解決當(dāng)前路面裂縫快速準(zhǔn)確識(shí)別的技術(shù)瓶頸，本發(fā)明提出了一種利用圖像處理技術(shù)、移動(dòng)精細(xì)定位技術(shù)與多傳感器集成與同步控制技術(shù)的道路面裂縫檢測(cè)方法，該方法以車(chē)載移動(dòng)平臺(tái)為載體，集成了 GPS接收機(jī)、慣性測(cè)量單元、高速大面陣CCD相機(jī)、大功率準(zhǔn)直線激光器、光電編碼器、同步控制器、嵌入式計(jì)算機(jī)等傳感器及設(shè)備，采集道路面高精度三維深度數(shù)據(jù)與二維灰度數(shù)據(jù)，并結(jié)合GPS與慣性單元的定位數(shù)據(jù)，建立帶灰度信息的道路面精細(xì)三維模型，綜合裂縫灰度特征與深度特征，自動(dòng)檢測(cè)裂縫的長(zhǎng)度、寬度、深度等信息，并將結(jié)果保存在嵌入式計(jì)算機(jī)中，作為道路維修與養(yǎng)護(hù)的參考依據(jù)。因此，結(jié)合深度圖像與灰度圖像的裂縫檢測(cè)方法綜合了二維與三維檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，為路面裂縫檢測(cè)提供了更多可行的解決方案。
[0012]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題主要有:
[0013]I)利用道路面三維信息，從深度上提取裂縫，解決二維圖像裂縫檢測(cè)中對(duì)于光照不均、陰影、裂縫信息較弱帶來(lái)的檢測(cè)困難；
[0014]2)利用道路面灰度信息，輔助三維深度裂縫檢測(cè)中數(shù)據(jù)缺失的還原和增強(qiáng)裂縫特征，提高裂縫的識(shí)別率；
[0015]3)將距離傳感器、GPS、慣性單元與高精度時(shí)鐘結(jié)合，建立高精度的空間基準(zhǔn)，并解決道路線性參考坐標(biāo)與大地坐標(biāo)(WGS-84)之間的快速轉(zhuǎn)換；[0016]4)同時(shí)獲取測(cè)量點(diǎn)的深度與灰度信息，物理上嚴(yán)格配準(zhǔn)，無(wú)需對(duì)深度測(cè)量與灰度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定與匹配，減少了誤差來(lái)源與工作量。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提出了一種基于深度和灰度圖像的路面裂縫檢測(cè)裝置，包括:載體平臺(tái)(I);位于載體平臺(tái)上攝像裝置(6)、線激光器(7)、計(jì)算裝置(8)，其中，載體平臺(tái)(I)用來(lái)在裂縫檢測(cè)的過(guò)程中，沿道路方向移動(dòng)，線激光器(7)用來(lái)在載體平臺(tái)(I)移動(dòng)的同時(shí)，垂直路面照射激光，攝像裝置(6)用來(lái)在載體平臺(tái)(I)移動(dòng)的同時(shí)，沿斜向角度，不斷拍攝所述直線激光經(jīng)路面反射的激光線，每次拍攝對(duì)一個(gè)道路斷面進(jìn)行成像，生成多個(gè)道路斷面的激光線的圖像數(shù)據(jù)，計(jì)算裝置(8)用來(lái)從每個(gè)道路斷面的激光線的圖像數(shù)據(jù)生成該道路斷面的深度數(shù)據(jù)、以及灰度數(shù)據(jù)，并將每個(gè)道路斷面的深度數(shù)據(jù)和灰度數(shù)據(jù)拼接形成一段道路的圖像數(shù)據(jù)，以進(jìn)行裂縫識(shí)別。
[0018]本發(fā)明裝置集成簡(jiǎn)單，功能全面，傳感器的個(gè)數(shù)大為減少，可移植性強(qiáng)，安裝、拆卸方便，可作為獨(dú)立設(shè)備掛載在其他的移動(dòng)平臺(tái)。本發(fā)明的有益效果主要在于:
[0019]1、基于深度和灰度圖像的路面裂縫檢測(cè)裝置可以快速獲取路面精細(xì)三維深度數(shù)據(jù)和二維灰度數(shù)據(jù)；
[0020]2、本發(fā)明綜合利用道路面的三維深度信息和二維灰度信息提取裂縫等路面特征，解決了單獨(dú)利用二維灰度信息或者單獨(dú)利用三維深度信息時(shí)遇到的技術(shù)瓶頸；
[0021]3、本發(fā)明采用了一臺(tái)光電編碼器，其行程脈沖控制道路面斷面數(shù)據(jù)采集，因此斷面間隔可以更加精細(xì) ；
[0022]4、本發(fā)明采用GPS加慣性單元協(xié)同工作的方式來(lái)獲取載體平臺(tái)的絕對(duì)坐標(biāo)，能更有效地與高密度行程數(shù)據(jù)和精細(xì)三維斷面數(shù)據(jù)融合；
[0023]5、本發(fā)明中的同步控制器一方面主動(dòng)觸發(fā)傳感器采集并記錄觸發(fā)時(shí)刻的時(shí)空坐標(biāo)，另一方面被動(dòng)接收傳感器采樣時(shí)刻的同步信號(hào)，以獲取傳感器采樣時(shí)刻的時(shí)空坐標(biāo)，用于采集數(shù)據(jù)的同步與融合；
[0024]6、由于采用的傳感器少，但是功能全面，因此系統(tǒng)集成簡(jiǎn)單，可移植性強(qiáng)，不依賴于載體平臺(tái)，可作為獨(dú)立設(shè)備掛載于不同的移動(dòng)平臺(tái)上，適應(yīng)不同的測(cè)量環(huán)境；
[0025]7、采用了嵌入式同步控制方案，建立高精度的時(shí)空基準(zhǔn)，提高了各傳感器的同步精度，減小了數(shù)據(jù)融合的難度，使檢測(cè)效果更加可靠，采用了嵌入式同步控制方案，建立高精度的時(shí)空基準(zhǔn)，快速建立了線性參考坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型，同步控制電路以GPS時(shí)間為統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，一方面在記錄線性參考坐標(biāo)的同時(shí)打上時(shí)間戳，另一方面記錄GPS定位信息和GPS時(shí)間，最后通過(guò)時(shí)間插值的方式將線性坐標(biāo)與大地坐標(biāo)——對(duì)應(yīng)起來(lái)；
[0026]9、獲取精細(xì)三維深度數(shù)據(jù)與二維灰度數(shù)據(jù)的速度快，提高了作業(yè)效率；
[0027]10、綜合了三維路面裂縫檢測(cè)與二維路面裂縫檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，解決了單一檢測(cè)方式遇到的技術(shù)瓶頸，提高了裂縫檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于深度與灰度圖像的裂縫檢測(cè)裝置的構(gòu)成示意圖；
[0029]圖2為示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于深度與灰度圖像的裂縫檢測(cè)裝置的總體實(shí)現(xiàn)的原理框圖；[0030]圖3為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于深度與灰度圖像的裂縫檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)采集的原理框圖；
[0031]圖4為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于深度與灰度圖像的裂縫檢測(cè)裝置的精細(xì)定位的原理框圖；
[0032]圖5為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于深度與灰度圖像的裂縫檢測(cè)裝置的裂縫檢測(cè)的原理框圖；
[0033]圖6為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于深度與灰度圖像的裂縫檢測(cè)裝置的電源布置方案的原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說(shuō)明，由此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)將會(huì)隨著描述而更為清楚。
[0035]本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，盡管以下的說(shuō)明涉及到有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例的很多技術(shù)細(xì)節(jié)，但這僅為用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的原理的示例、而不意味著任何限制。本發(fā)明能夠適用于不同于以下例舉的技術(shù)細(xì)節(jié)之外的場(chǎng)合，只要它們不背離本發(fā)明的原理和精神即可。
[0036]另外，為了避免使本說(shuō)明書(shū)的描述限于冗繁，在本說(shuō)明書(shū)中的描述中，可能對(duì)可在現(xiàn)有技術(shù)資料中獲得的部分技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了省略、簡(jiǎn)化、變通等處理，這對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是可以理解的，并且這不會(huì)影響本說(shuō)明書(shū)的公開(kāi)充分性。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于深度與灰度的路面裂縫識(shí)別系統(tǒng)利用3D相機(jī)、光電編碼器、GPS及慣性單元等多個(gè)傳感器集成及數(shù)據(jù)融合原理與方法，在車(chē)載平臺(tái)以1-40公里/小時(shí)的正常城市車(chē)行速度移動(dòng)的同時(shí)，由安裝在車(chē)載平臺(tái)上的3D相機(jī)和準(zhǔn)直線激光器獲取道路面三維數(shù)據(jù)，由安裝在車(chē)輪上的光電編碼器獲取車(chē)載平臺(tái)的行駛距離及運(yùn)行速度，由安裝在車(chē)載平臺(tái)的GPS和慣性單元獲取平臺(tái)的位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)，所有的傳感器數(shù)據(jù)和同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行融合處理，綜合深度與灰度圖像信息提取道路面裂縫信息。
[0038]下面說(shuō)明基于深度與灰度圖像的路面裂縫檢測(cè)裝置的構(gòu)成。
[0039]基于深度與灰度圖像的路面裂縫檢測(cè)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。軟件主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)濾波預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)處理與特征提取模塊與、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與顯示模塊等組成。
[0040]圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于深度與灰度圖像的裂縫檢測(cè)裝置的構(gòu)成示意圖。
[0041]如圖1所示，基于深度與灰度圖像的路面裂縫檢測(cè)系統(tǒng)在硬件方面主要由載體平臺(tái)⑴、光電編碼器⑵、慣性單元⑶、GPS接收機(jī)(4)、同步控制電路(5)、3D相機(jī)(6)、線激光器(7)、計(jì)算機(jī)(8)以及顯示裝置(9)等構(gòu)成。
[0042]載體平臺(tái)(I)由車(chē)輛與安裝在車(chē)輛尾部的支架構(gòu)成，為道路面裂縫檢測(cè)的各單元提供機(jī)械搭載平臺(tái)以及穩(wěn)定的電源。
[0043]光電編碼器(2)安裝在車(chē)輛后輪的中心軸上，以測(cè)量載體平臺(tái)的運(yùn)行速度和距離。
[0044]慣性單元(3)安裝在位于車(chē)頂?shù)闹Ъ苌?，測(cè)量載體平臺(tái)的姿態(tài)參數(shù)，與安裝在其上方的GPS接收機(jī)(4) 一起用于載體平臺(tái)的精確定位。[0045]同步控制電路(5)安裝在支架后端，用于協(xié)同控制光電編碼器(2)、GPS接收機(jī)
(4)、慣性單元(3)和3D相機(jī)(6)的工作，并且輸出同步信息到嵌入式計(jì)算機(jī)(8)中。
[0046]3D相機(jī)(6)和線激光器(7)安裝在支架后端，線激光器(7)垂直路面照射激光，用特定波長(zhǎng)的大功率激光提供激光照射，3D相機(jī)(6)接收對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的反射光線，測(cè)量路面三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。
[0047]計(jì)算機(jī)(8)安裝在車(chē)輛的后備箱中，用于路面三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和平臺(tái)位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及處理。
[0048]顯示裝置(9)安裝在車(chē)輛座椅前，用于進(jìn)行人工交互，例如參數(shù)的選擇、檢測(cè)的狀態(tài)以及結(jié)果的顯示等操作。
[0049]下面說(shuō)明基于深度與灰度圖像的路面裂縫檢測(cè)原理與實(shí)現(xiàn)方式。
[0050]基于深度與灰度圖像的路面裂縫檢測(cè)裝置是移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的一個(gè)具體應(yīng)用，該發(fā)明采用了多傳感器集成及同步控制技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、圖像處理技術(shù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析技術(shù)和移動(dòng)精細(xì)定位技術(shù)等高新技術(shù)。圖2為示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于深度與灰度圖像的裂縫檢測(cè)裝置的總體實(shí)現(xiàn)的原理框圖。本發(fā)明的技術(shù)方案的功能框圖如圖2所示，其主要分為兩大功能部分，一部分由GPS接收機(jī)、慣性單元、光電編碼器、高穩(wěn)晶振來(lái)建立高精度時(shí)間與空間基準(zhǔn)；另一部分是高精度定位數(shù)據(jù)與深度、灰度數(shù)據(jù)的快速融合與處理分析。
[0051]如圖2所示，GPS接收機(jī)、光電編碼器與高穩(wěn)晶振的信號(hào)輸入到同步控制電路，由同步控制電路完成信號(hào)的處理，一方面輸出信號(hào)同步慣性單元，一方面輸出脈沖信號(hào)控制3D相機(jī)圖像的采集，另一方面將GPS絕對(duì)定位數(shù)據(jù)、行程與速度數(shù)據(jù)和同步記錄數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)。GPS接收機(jī)與慣性單元共同獲取載體平臺(tái)的絕對(duì)位置坐標(biāo)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，光電編碼器獲取載體平臺(tái)的速度與行程數(shù)據(jù)，3D相機(jī)獲取道路面的精細(xì)三維幾何信息與對(duì)應(yīng)的二維灰度信息。結(jié)合光電編碼器行程數(shù)據(jù)、GPS的位置坐標(biāo)與慣性單元的姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)精細(xì)定位，通過(guò)對(duì)道路面三維幾何數(shù)據(jù)和二維灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識(shí)別和提取道路面裂縫信息。
[0052]下面就各個(gè)子功能詳細(xì)闡述本發(fā)明的原理與方案。
[0053]I)路面深度與灰度數(shù)據(jù)采集原理
[0054]圖3為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于深度與灰度圖像的裂縫檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)采集的原理框圖。
[0055]如圖3所示，同步控制電路接收光電編碼器的行程信號(hào)，按照計(jì)算機(jī)發(fā)送的設(shè)置參數(shù)(3D相機(jī)數(shù)據(jù)采集間隔)，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號(hào)，控制3D相機(jī)采集路面深度(高度)、灰度數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄下光電編碼器的里程數(shù)據(jù)作為平臺(tái)在線性參考坐標(biāo)系下的I坐標(biāo)；3D相機(jī)一次采集可以獲得路面的一個(gè)斷面(在光電編碼器的該行程處采集的激光線經(jīng)由路面反射后的形態(tài))的灰度數(shù)據(jù)GO與深度數(shù)據(jù)DO (3D相機(jī)利用高速大面陣CCD獲取路面灰度影像(反射激光線的成像灰度)，并通過(guò)內(nèi)置的集成硬件電路，利用重心法等中心提取技術(shù)提取路面斷面輪廓并輸出輪廓在像方坐標(biāo)系中坐標(biāo)值數(shù)組，根據(jù)像方坐標(biāo)與實(shí)際路面深度(高度)的標(biāo)定關(guān)系，計(jì)算出深度數(shù)據(jù)D0)，并分別以一維數(shù)組的方式存儲(chǔ)，即，在光電編碼器的該行程處(y坐標(biāo)值)的垂直于道路走向方向上的每個(gè)點(diǎn)(X坐標(biāo)上的每個(gè)點(diǎn))的灰度數(shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)。
[0056]通過(guò)載體平臺(tái)的移動(dòng)，3D相機(jī)連續(xù)采集路面多個(gè)斷面數(shù)據(jù)(對(duì)應(yīng)于不同的y坐標(biāo))，從而得到路面上的每個(gè)采樣點(diǎn)(x，y)的深度數(shù)據(jù)D(x，y)與灰度數(shù)據(jù)G(x，y)。
[0057]此外，GPS接收機(jī)和慣性單元按照一定頻率分別輸出載體平臺(tái)在WGS84坐標(biāo)系下的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)(XWGS84，YWGS84, ZWGS84)與姿態(tài)數(shù)據(jù)(R，P, H)。計(jì)算機(jī)(例如，嵌入式計(jì)算機(jī))主要用于同步控制電路及3D相機(jī)的采集參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
[0058]2)載體平臺(tái)精細(xì)定位原理
[0059]圖4為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于深度與灰度圖像的裂縫檢測(cè)裝置的精細(xì)定位的原理框圖。
[0060]如圖4所示，GPS接收機(jī)獲取載體平臺(tái)的絕對(duì)位置坐標(biāo)(XWGS84，YWGS84, ZWGS84)，慣性單元獲取載體平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的連續(xù)姿態(tài)數(shù)據(jù)(R，P，H)，光電編碼器結(jié)合載體平臺(tái)的起始位置獲取線性參考坐標(biāo)y。將上述數(shù)據(jù)結(jié)合相機(jī)像方中心與慣性單元中心的標(biāo)定參數(shù)、GPS天線中心與慣性單元中心的標(biāo)定參數(shù)，對(duì)以上定位數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，獲得載體平臺(tái)高精度、高密度的絕對(duì)坐標(biāo)(XP，YP，ZP)與線性坐標(biāo)y。
[0061]3)基于深度與灰度信息的路面裂縫檢測(cè)原理
[0062]圖5示出了基于深度與灰度信息的路面裂縫檢測(cè)原理。
[0063]如圖5所示，由于路面材料對(duì)激光的反射特性的不同、路面特征對(duì)激光反射點(diǎn)的遮擋等因素，導(dǎo)致3D相機(jī)無(wú)法正確接收到某些激光反射點(diǎn)的反射信息，因此，I)中得到的3D相機(jī)原始灰度數(shù)據(jù)G(x，y)與深度數(shù)據(jù)D(x，y)存在奇異點(diǎn)(包含粗差和無(wú)效點(diǎn)等)，其中，相機(jī)沒(méi)有接收到反射信息的點(diǎn)為無(wú)效點(diǎn)，在數(shù)據(jù)G(x，y)和/或D(x，y)中表現(xiàn)為零值，相機(jī)接收到錯(cuò)誤的反射信息的點(diǎn)為粗差，在數(shù)據(jù)G(x，y)和/或D(x，y)中表現(xiàn)為毛刺，結(jié)合奇異點(diǎn)周邊的灰度分布、深度分布和激光線寬值，計(jì)算每個(gè)奇異點(diǎn)周邊像素的權(quán)值，利用加權(quán)均值濾波的方法對(duì)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到路面完整的灰度與深度數(shù)據(jù)(G，D)，結(jié)合2)中得到的絕對(duì)坐標(biāo)(ΧΡ,ΥΡ,ΖΡ)和線性坐標(biāo)y，得到路面點(diǎn)最終的絕對(duì)位置坐標(biāo)(X，Y，Z)和灰度G。
[0064]下面，具體說(shuō)明上述各計(jì)算過(guò)程。
[0065]3-1)權(quán)值與濾波計(jì)算過(guò)程:
[0066]選擇線性濾波模板如下式所示
【權(quán)利要求】
1.一種基于深度和灰度圖像的路面裂縫檢測(cè)裝置，包括:載體平臺(tái)(I);位于載體平臺(tái)上攝像裝置(6)、線激光器(7)、計(jì)算裝置(8)， 其中，載體平臺(tái)(I)用來(lái)在裂縫檢測(cè)的過(guò)程中，沿道路方向移動(dòng)， 線激光器(7)用來(lái)在載體平臺(tái)(I)移動(dòng)的同時(shí)，垂直路面照射激光， 攝像裝置(6)用來(lái)在載體平臺(tái)(I)移動(dòng)的同時(shí)，沿斜向角度，不斷拍攝所述直線激光經(jīng)路面反射的激光線，每次拍攝對(duì)一個(gè)道路斷面進(jìn)行成像，生成多個(gè)道路斷面的激光線的圖像數(shù)據(jù)， 計(jì)算裝置(8)用來(lái)從每個(gè)道路斷面的激光線的圖像數(shù)據(jù)生成該道路斷面的深度數(shù)據(jù)、以及灰度數(shù)據(jù)，并將每個(gè)道路斷面的深度數(shù)據(jù)和灰度數(shù)據(jù)拼接形成一段道路的圖像數(shù)據(jù)，以進(jìn)行裂縫識(shí)別。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的路面裂縫檢測(cè)裝置，還包括: 光電編碼器(2)，其被安裝在載體平臺(tái)(I)上，用來(lái)測(cè)量載體平臺(tái)(I)的運(yùn)動(dòng)速度和距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的路面裂縫檢測(cè)裝置，還包括: 慣性單元(3)，其被安裝在載體平臺(tái)(I)上，用來(lái)測(cè)量載體平臺(tái)(I)的姿態(tài)參數(shù)； GPS接收機(jī)(4)，其被安 裝在載體平臺(tái)(I)上，用來(lái)對(duì)載體平臺(tái)(I)進(jìn)行定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的路面裂縫檢測(cè)裝置，還包括: 同步控制電路(5)，其被安裝在載體平臺(tái)⑴上，用于控制光電編碼器(2)、GPS接收機(jī)(4)、慣性單元(3)和攝像裝置(6)的同步工作。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的路面裂縫檢測(cè)裝置，其中，GPS接收機(jī)(4)獲取載體平臺(tái)(I)的絕對(duì)位置坐標(biāo)(XWGS84，YWGS84，ZWGS84)，慣性單元(3)獲取載體平臺(tái)(I)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的連續(xù)姿態(tài)數(shù)據(jù)(R，P，H)，光電編碼器(2)結(jié)合載體平臺(tái)的起始位置獲取線性參考坐標(biāo)y。
6.一種用于根據(jù)權(quán)利要求1至5中的一個(gè)所述的路面裂縫檢測(cè)裝置的路面裂縫檢測(cè)方法，所述方法包括以下步驟: 步驟1、在載體平臺(tái)(I)沿道路方向移動(dòng)的同時(shí)，位于載體平臺(tái)上的線激光器(7)垂直路面照射直線激光，其中將所述道路方向定義為y坐標(biāo)方向； 步驟2、在載體平臺(tái)沿道路方向移動(dòng)的同時(shí)，位于載體平臺(tái)上的攝像裝置(8)沿斜向角度，每隔固定的距離不斷拍攝所述直線激光經(jīng)路面反射的激光線，并記錄所得到的一段道路的每個(gè)成像像素點(diǎn)(x，y)的灰度數(shù)據(jù)G (x，y)、以及深度數(shù)據(jù)D (x，y)，其中X坐標(biāo)為道路的橫向坐標(biāo)； 步驟3、在深度數(shù)據(jù)中，得到每個(gè)像素八個(gè)方向的圖像梯度值，將八方向中梯度極大值對(duì)應(yīng)的角度作為該像素的邊緣方向，得到裂縫邊緣圖像，在此基礎(chǔ)上，采用分水嶺算法提取裂縫區(qū)域，其中將深度影像中深度極小值作為種子位置，采用分水嶺算法得到分割區(qū)域，得到封閉邊緣的裂縫圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的路面裂縫檢測(cè)方法，所述方法還包括以下步驟: 步驟4、在灰度數(shù)據(jù)中，采用梯度算子提取裂縫邊緣，采用2D Ostu方法提取裂縫區(qū)域，得到封閉邊緣的裂縫圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的路面裂縫檢測(cè)方法，步驟2還包括以下步驟: 步驟2-1、對(duì)灰度數(shù)據(jù)G(x，y)及深度數(shù)據(jù)D(x，y)中的奇異點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理，得到新的灰度數(shù)據(jù)Gl (x，y)及深度數(shù)據(jù)Dl (X，y)，如下:
【文檔編號(hào)】E01C23/01GK104005325SQ201410269998
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】李清泉, 毛慶洲, 熊智敏, 曹民, 張德津, 周瑾, 章麗萍 申請(qǐng)人:武漢武大卓越科技有限責(zé)任公司