专利名称：基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台检测装置及方法
技术领域：
本发明属于道路工程领域，涉及一种水泥混凝土路面错台检测装置及检测方法。
背景技术：
水泥混凝土路面错台是指水泥混凝土路面中横向接缝处相邻两块水泥板的高程 差。它是由行车荷载，温度翘曲以及基层冲刷等多种原因造成的。错台是影响水泥混凝土 路面平整度、寿命以及加铺后反射裂缝的重要指标，也是水泥混凝土路面技术状况评定，养 护、加铺设计时必须考虑的一个重要指标。因此，如何对错台进行准确、高效的检测和评价， 一直是公路管理养护部门十分关注的问题。错台检测包含两个步骤一是接缝定位，即找到错台位置；二是检测该接缝处相 邻水泥混凝土板面板的高程差。目前国内对错台的检测主要通过人工利用直尺或游标卡尺 实现，费时费力且不安全。有的地区采用激光断面仪(澳大利亚的ARRB系统，美国PAVEDEX 公司的PASI系统，美国南达科它州运输部研制的South Dakota DOT系统，美国ICC公司的 道路自动检测车，澳大利亚NSW公路局与CRIS0公司共同开发的自动检测车RoadCrack，加 拿大的RoadWare公司的ARAN，英国WDW公司的检测车)或超声波断面仪(新西兰DCL公司 的R0MDAS超声波路面横断面/车辙测试系统)实现对错台的测量，断面仪需要多个距离传 感器，通常有7 13个，有的多达30个，价格昂贵；使用断面仪对水泥混凝土路面检测时， 不能准确的对错台定位。
发明内容
本发明针对现有水泥混凝土路面错台检测技术不能对错台精确定位，且设备价格 昂贵，提出了一种基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台检测装置及方法，其对错台的定 位准确度高，且成本低。为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是本发明基于结构光视觉测量原理设计而成，该装置安装在检测车辆的底部，得到 一部分车道的接缝及错台图像，利用图像处理技术对每个接缝进行识别、定位，在此基础上 利用结构光视觉检测技术计算每条接缝的错台量。一种基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台检测装置，其包括计算处理系统和结 构光视觉检测组件，所述结构光视觉检测组件采集路面信息，发送给计算处理系统计算确 认路面错台量。进一步，所述计算处理系统安装于检测车车体内，包括计算机、图像采集卡和里程 编码器，图像采集卡与计算机相连传送其采集的图像；里程编码器安装于检测车的车轮外 侧，其触发信号线与图像采集卡的外触发接口相连。所述结构光视觉检测组件安装于检测车车体底部，包括面阵CCD图像传感器和线 激光器阵列，面阵CCD图像传感器镜头朝向路面，线激光器阵列也朝向路面；面阵CCD图像 传感器与图像采集卡相连，以供图像采集卡采集图像及触发。
一种基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台检测方法，其包括以下步骤1)里程编码器产生脉冲信号，图像采集卡触发CCD图像传感器采集包含结构光光 条的路面图像；2)根据CCD图像传感器采集的图像对路面接缝进行定位；3)对CCD图像传感器采集图像中的结构光光条进行细化，提取接缝附近第一水泥 板的第一点到第二点和第二水泥板上第三点到第四点之间的细化后的结构光光条，利用结 构光视觉测量原理计算光条上像素点的三维坐标；4)由第一点到第二点结构光光条各点计算第一水泥板的平均高程，即第一点到第 二点结构光光条各点的？双轴的坐标平均值，记为Hn，i为线激光器阵列中某激光器的编号； 由第三点到第四点结构光光条各点计算第二水泥板的平均高程，即第三点到第四点结构光 光条各点的Zji的坐标平均值，记为Hi2，i为线激光器阵列中某激光器的编号；Hn-Hi2为结 构光光条i测得的错台量；5)计算每个激光器测得的错台量，求平均即为该接缝的错台量。进一步，在路面检测前对面阵CCD图像传感器进行标定，对线激光器阵列中的每 个线激光器的光平面进行标定，在对线激光器的光平面标定时，规定Zw轴垂直于路面所在 平面。所述线激光器阵列投射到路面的光条与存在错台的接缝大体垂直，且光条在CCD 图像传感器的视野范围内。所述定位利用灰度投影、接缝的几何特征及尺寸特征进行粗定位，找到接缝的大 致位置，提取粗定位图像，检测接缝的倾角，利用该倾角做旋转校正，使接缝垂直于图像边 界；最后在校正的图像中，利用灰度投影和边缘投影以及接缝的图像特征进行精确定位，找 到接缝的两条边界，完成接缝定位。所述第一水泥板位于接缝的一侧，第二水泥板位于接缝的另一侧；第一点为第一 水泥板上的结构光光条与接缝的交点，第二点是在第一水泥板上选取的结构光测点，其与 第一点相距0-200mm;第三点为第二水泥板上的结构光光条与接缝的交点，第四点是第二 水泥板上选取的结构光测点，其与第三点相距0-200mm。由于采用了上述方案，本发明具有以下特点本发明克服了激光断面仪和超声波 断面仪不能对接缝定位的缺点。这两种断面仪仅能够得到路面纵断面上连续的高程差。由 于水泥混凝土路面存在刻槽、裂缝，并且接缝附近存在大量的啃边，很难从这些高程差曲线 中判断出错台的位置，因而断面仪很难得到准确的错台量。而本发明能够利用图像进行精 确定位，优于断面仪。本发明横断面上的测点数量由线激光器阵列中的线激光器数量决定，由于不必为 每个激光器提供单独的CCD采集光条图像，成本大大缩减。本发明检测装置安装在车体底部，因此不必使用大功率的激光器就可以在(XD上 清晰成像，并且由于车底光线明暗变化较小，对CCD的光源要求降低，进一步减少了成本。
图1为本发明的组成结构示意图；图2为本发明图像采集正视示意图3为本发明图像采集侧视示意图；图4为本发明由结构光在水泥板上的光条测点计算错台的原理图。附图中各标号分别为1_车体，2-计算处理系统，3-结构光视觉检测组件；4-路 面；5-第一水泥板；6-第二水泥板；7-接缝；8-单个线激光器在第一水泥板5和第二水泥 板6上的结构光光条；21图像采集卡；22里程编码器；24计算机；31面阵CCD ；32线激光器 阵列；51-第一点；52-第二点；61-第三点；62-第四点。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。本发明的路面错台检测装置由计算处理系统2和结构光视觉检测组件3构成；计 算机系统2由计算机24、图像采集卡21和里程编码器22构成；图像采集卡21安装在计算 机的PCI接口上，里程编码器22的壳体安装、固定在检测车车轮外侧，编码器22的旋转轴 与车轮连接，与车轮保持相同的角速度；编码器22的触发信号线与图像采集卡21的外触 发接口相连；结构光视觉检测组件3由1台面阵(XD图像传感器31和线激光器阵列32组 成，面阵CCD图像传感器31的数据线与图像采集卡21的数据接口相连接，面阵CCD图像 传感器31的外触发接口与图像采集卡21的外触发接口相连；面阵(XD图像传感器31的 镜头朝向路面4，线激光器阵列32也朝向路面4，线激光器阵列32投射到路面4的光条8 与存在错台的接缝7大体垂直，且光条8在CCD图像传感器31的视野范围内；计算机系统 2安装在车体1内，结构光视觉检测组件3安装在车体1底部，系统安装完毕，在路面检测 前对面阵CCD图像传感器31进行标定，并对线激光器阵列32中的每个线激光器的光平面 进行标定，在对线激光器的光平面标定时，规定Zw轴垂直于路面所在平面。其中，线激光器 可采用美国Stocker Yale大功率半导体激光器MAGNUM 2，面阵相机可采用Dalsa面阵相 机DS-24-02M30，分辨率为1920*1080，每秒最高可拍摄30帧；图像采集卡可采用Dalsa的 X64-CL Dual。编码器可采用无锡瑞普科技生产的zsm6215型旋转编码器。本发明的方法由以下步骤实现步骤一当检测车辆在行驶过程中，由里程编码器22产生脉冲信号，通过图像采 集卡21触发CCD图像传感器31，采集包含结构光光条的路面图像，图像数据通过图像采集 卡21存储于计算机24磁盘中，在存储时，对每副图像进行编号，便于后续处理时读取。步骤二 由(XD图像传感器31采集的图像对水泥混凝土路面接缝7进行定位。定 位时，首先利用灰度投影、接缝的几何特征及尺寸特征进行粗定位，找到接缝的大致位置， 并提取粗定位图像，在此图像中，检测接缝的倾角，并利用该倾角做旋转校正，使接缝垂直 于图像边界；最后在校正的图像中，利用灰度投影和边缘投影以及接缝的图像特征进行精 确定位，找到接缝的两条边界，完成接缝定位。步骤三对CCD31采集图像中的结构光光条进行细化，提取接缝7 —侧的第一水泥 板5的第一点51到第二点52和接缝另一侧的第二水泥板6上的第三点61到第四点62之 间的细化后的结构光光条8，利用结构光视觉测量原理计算光条上像素点的三维坐标。第一 点51是第一水泥板5上的结构光光条8与接缝7的交点；第二点52是在第一水泥板5上 选取的结构光测点，它与第一点51的距离以0-200mm为宜，间距50mm为最佳；第三点61是 第二水泥板6上的结构光光条8与接缝7的交点；第四点62是在第二水泥板6上选取的结构光测点，它与第三点61的距离以0-200mm为宜，间距50mm为最佳。利用结构光视觉测量原理计算光条上像素点的三维坐标的方法如下世界坐标系由Xw = [Xw，Yw，Zw]组成，设(u，v)为以像素为单位的图像坐标，世界 坐标系表示的P点坐标与其像点P的图像坐标(u，v)的关系 其中，s为比例因子；Mi只与摄像机内部结构有关，称摄像机内参，由ax，ay, u0, v0确定；M2描述了摄像机的位姿，称为摄像机外参，由R，t确定；M称为摄像机的基本矩阵，在摄像机标定时确定；(u0, v0,)为镜头中心投影在u，v坐标系中的坐标；ax, ay与摄像机像元物理尺寸及焦距有关的内部参数；R为摄像机于世界坐标系的旋转矩阵；t为摄像机于世界坐标系的平移矩阵；结构光光平面方程为AXW+BYW+CZW+D = 0 ；系数A、B、C和D由结构光光平面标定 时确定。当路面结构光光条上某点的图像坐标已知时，由世界坐标系与像点的关系及结构 光光平面方程可以计算该点的三维坐标。步骤四由第一点51到第二点52结构光光条各点计算第一水泥板5的平均高程， 即第一点51到第二点52结构光光条各点的Zw轴的坐标平均值，记为Hn，i为线激光器阵 列32中某激光器的编号；由第三点61到第四点62结构光光条各点计算第二水泥板6的平 均高程，即第三点61到第四点62结构光光条各点的Zw轴的坐标平均值，记为Hi2，i为线激 光器阵列32中某激光器的编号；Hn-Hi2为结构光光条i测得的错台量。步骤五计算每个激光器测得的错台量，求平均即为该接缝的错台量。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发 明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的 一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施 例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的 保护范围之内。
权利要求
一种基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台检测装置，其特征在于其包括计算处理系统和结构光视觉检测组件，所述结构光视觉检测组件采集路面信息，发送给计算处理系统计算确认路面错台量。
2.如权利要求1所述的基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台检测装置，其特征在 于所述计算处理系统安装于检测车车体内，包括计算机、图像采集卡和里程编码器，图像 采集卡与计算机相连传送其采集的图像；里程编码器安装于检测车的车轮外侧，其触发信 号线与图像采集卡的外触发接口相连。
3.如权利要求1所述的基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台检测装置，其特征在 于所述结构光视觉检测组件安装于检测车车体底部，包括面阵CCD图像传感器和线激光 器阵列，面阵CCD图像传感器镜头朝向路面，线激光器阵列也朝向路面；面阵CCD图像传感 器与图像采集卡相连，以供图像采集卡采集图像及触发。
4.一种基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台检测方法，其特征在于其包括以下步骤1)里程编码器产生脉冲信号，图像采集卡触发CCD图像传感器采集包含结构光光条的 路面图像；2)根据CCD图像传感器采集的图像对路面接缝进行定位；3)对CCD图像传感器采集图像中的结构光光条进行细化，提取接缝附近第一水泥板的 第一点到第二点和第二水泥板上第三点到第四点之间的细化后的结构光光条，利用结构光 视觉测量原理计算光条上像素点的三维坐标；4)由第一点到第二点结构光光条各点计算第一水泥板的平均高程，即第一点到第二点 结构光光条各点的Zw轴的坐标平均值，记为Hil，i为线激光器阵列中某激光器的编号；由第 三点到第四点结构光光条各点计算第二水泥板的平均高程，即第三点到第四点结构光光条 各点的Zj^的坐标平均值，记为Hi2，i为线激光器阵列中某激光器的编号；Hil-Hi2*结构光 光条i测得的错台量；5)计算每个激光器测得的错台量，求平均即为该接缝的错台量。
5.如权利要求4所述的基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台检测方法，其特征在 于在路面检测前对面阵CCD图像传感器进行标定，对线激光器阵列中的每个线激光器的 光平面进行标定，在对线激光器的光平面标定时，规定Zw轴垂直于路面所在平面。
6.如权利要求4所述的基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台检测方法，其特征在 于所述线激光器阵列投射到路面的光条与存在错台的接缝大体垂直，且光条在CCD图像 传感器的视野范围内。
7.如权利要求4所述的基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台检测方法，其特征在 于所述定位利用灰度投影、接缝的几何特征及尺寸特征进行粗定位，找到接缝的大致位 置，提取粗定位图像，检测接缝的倾角，利用该倾角做旋转校正，使接缝垂直于图像边界；最 后在校正的图像中，利用灰度投影和边缘投影以及接缝的图像特征进行精确定位，找到接 缝的两条边界，完成接缝定位。
8.如权利要求4所述的基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台检测方法，其特征在 于所述第一水泥板位于接缝的一侧，第二水泥板位于接缝的另一侧；第一点为第一水泥 板上的结构光光条与接缝的交点，第二点是在第一水泥板上选取的结构光测点，其与第一点相距0-200mm ；第三点为第二水泥板上的结构光光条与接缝的交点，第四点是第二水泥板上选取的结构光测点，其与第三点相距0-200mm。
全文摘要
一种基于结构光视觉的水泥混凝土路面错台检测装置及方法，该装置包括计算处理系统和结构光视觉检测组件，计算处理系统中的图像采集卡与计算机相连传送其采集的图像；里程编码器的触发信号线与图像采集卡的外触发接口相连；结构光视觉检测组件安装于检测车车体底部，包括朝向路面的面阵CCD图像传感器和线激光器阵列；CCD与图像采集卡相连供图像采集卡采集图像及触发。该方法是由里程编码器产生脉冲信号，图像采集卡触发CCD采集包含结构光光条的路面图像；根据采集的图像对路面接缝进行定位；对采集图像中的结构光光条进行细化，提取接缝附近两块水泥板上的细化后的结构光光条，计算光条上像素点的三维坐标求得错台量。本发明可对错台进行精确定位。
文档编号E01C23/01GK101845788SQ20101014393
公开日2010年9月29日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者周玉民, 英红, 谈至明 申请人:同济大学