专利名称：利用数字图像获取路面三维构造的装置及方法
技术领域：
本发明属于工程检测技术领域，具体涉及到一种结合物理光学原理和数字图像处理技术对道路表面构造进行三维恢复以评价其纹理特征的方法与装置。
背景技术：
路面构造深度是路面检测的一项重要内容，根据现行规范规定，用于评价路面抗滑性能的指标主要有平均构造深度(MTD)、平均断面深度(MPD)以及摩擦系数(f)。平均构造深度(MTD)最常见的是采用铺砂法进行测试并通过计算得到相应指标，计算前通常需要先利用铺砂法确定阈值，应用较为不便，且该方法实施起来费时费力、效率低下、测试结果受人为因素影响很大，另外测试时需要封闭车道，影响交通通行能力。 平均断面深度(MPD)可通过激光断面仪进行快速测定，测试结果较铺砂法精确很多，但设备比较昂贵，且MPD值是通过路面断面轮廓线计算得到，以线代面，是一种二维指标，评价较为片面，不能完整、准确的反映路面真实情况，尤其是对高度指标，有很大局限性。摩擦系数较多的是采用摆式摩擦仪(BPT)进行测量，该方法精度较低，摆值易受洒水量和橡胶块硬度的影响，数据获得难度大，存在很多弊端。平均构造深度和平均断面深度都是从宏观的角度来表征路面的抗滑能力，摩擦系数则是从微观出发评价路面抗滑性能的优劣。由于传统的路面构造测试技术都存在一定的缺点，不能直观、准确、完整的表征路面三维纹理构造情况，随着科技的迅猛发展，高精度微测和计算机技术的进步，国内外的许多专家对此进行了深入的创新研究，提出了一些全新的路面纹理构造检测技术。灰度图像法国内最早是华南理工大学的王端宜教授提出将数字图像应用于路面构造深度检测中。该方法主要通过图像上各区域明暗变化来判断目标物的高低起伏情况。灰度图像法能够通过单张图像快速、简单的恢复路面的三维形貌，效率高、不污染路面、操作简单，但它没有考虑到路面色彩和光照条件的影响，造成图像信息的大量缺失，图像合成效果也差，评价结果精确度较低。近些年来，国外也有专家提出采用四源立体光度技术对路面的断面构造深度进行检测。即将四个光源分布在不同的方向照射路面，拍摄路面图像，恢复其高度值，并在所得路面三维图像上提取断面轮廓线，计算MPD值。该方法在恢复路面结构的时候能够兼顾横向和纵向的断面深度情况，因而能够较为全面的表征路面纹理构造特征，但重建图像仍然以灰度图像的形式进行处理，信息损失量大，图像合成效果比较差，易造成路面形貌失真，评价结果精度低。反射式光纤传感法光纤传感技术是一种以光的全反射现象为理论基础，以光波作为载体来对被测物的信号进行传输和感知的一种新型技术，具有结构简单、灵敏度高、非接触式测量、可实现远距离信号传送等优点，哈尔滨工业大学的陈国明用该方法对集料的表面纹理进行了检测，结果发现集料表面色彩的不均匀性会造成纹理测试结果发生很大偏差。之后在集料表面镀上一层真空铝膜，方可得到较为准确的集料纹理结构，这使得该方法的实用性受到很大限制。可以看出传统的测试技术多为路面宏观构造的检测，路面微观构造的评价指标存在很大的缺失，也有人提出用粗糙度参数Ra来表征路面细结构，使用激光轮廓仪扫描来获取路表轮廓曲线，在轮廓曲线上通过计算微观纹理的高度相对于其高度中线的离散程度提取计算Ra，这在一定程度上反映了路面微观构造，然而路面纹理在几何学上呈现出错综复杂的状态，具有不均一性，很难将细观构造从中单独的提取出来，且Ra的数量级比较小，这使得其计算结构受到路面宏观构造的较大影响。也有人利用数字图像表征路表面构造方面的研究，但是其多为通过获取灰色图像，对集料几何特性和混合料表面构造特性进行二维参数表征，这样容易存在误差大，精确度不高的问题。因此提出一种检测快速、精度高，且能够同时兼顾路面宏观构造和微观形貌的三维测试方法是非常必要的。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题在于克服现有技术中路面构造检测技术的缺陷，提供了一种能够全面、精确地利用数字图像获取路面三维构造的装置。本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种应用上述装置获取路面三维构造的方法。本发明解决技术问题的技术方案是利用数字图像获取路面三维构造的装置，包括底盘，在底盘上设置有固定支架，在固定支架的外部设置活动套筒，活动套筒的上端延伸至固定支架的顶端，在底盘上沿固定支架一侧还设置螺旋杆，螺旋杆的顶端穿过活动套筒延伸至活动套筒的顶部与调节螺旋啮合，在活动套筒的中段设置有与螺旋杆啮合且可随着螺旋杆旋转而上下活动的托盘，在托盘上设置有照相单元和分布在照相单元外围的三色光源，照相单元通过导线与计算机处理单元联接，三色光源通过导线与恒流器联接。上述三色光源是LED光源，三色光源包括红光光源、蓝光光源和绿光光源，均匀分布在照相单元的外围。上述红光光源、蓝光光源和绿光光源上均设置有滤波片。一种利用上述的利用数字图像获取路面三维构造的装置获取路面三维构造的方法，其特征在于包括以下步骤I)调整照相单元和三色光源，利用照相单元获取测试路面的红、绿、蓝三色光源照射的二维图像各一张；2)对步骤I)的二维图像中发亮区和黑暗区进行滤波处理；3)通过红、蓝、绿三个光源照射下的测试路面滤波处理后二维图像的反射强度，计算其在x、y方向上的梯度值
权利要求
1.一种利用数字图像获取路面三维构造的装置，其特征在于包括底盘(9)，在底盘(9)上设置有固定支架(10)，在固定支架(10)的外部设置活动套筒(1)，活动套筒(I)的上端延伸至固定支架(10)的顶端，在底盘(9)上沿固定支架(10)—侧还设置螺旋杆(3)，螺旋杆(3)的顶端穿过活动套筒(I)延伸至活动套筒(I)的顶部与调节螺旋(2)啮合,在活动套筒(I)的中段设置有与螺旋杆(3)啮合且可随着螺旋杆(3)旋转而上下活动的托盘(7)，在托盘(7)上设置有照相单元(4)和分布在照相单元(4)外围的三色光源(5)，照相单元(4)通过导线与计算机处理单元(11)联接，三色光源(5)通过导线与恒流器(8)联接。
2.根据权利要求I所述的利用数字图像获取路面三维构造的装置，其特征在于所述三色光源(5)是LED光源，三色光源(5)包括红光光源、蓝光光源和绿光光源，均匀分布在照相单元(4)的外围。
3.根据权利要求2所述的利用数字图像获取路面三维构造的装置，其特征在于所述红光光源、蓝光光源和绿光光源上均设置有滤波片(6)。
4.一种利用权利要求I所述的利用数字图像获取路面三维构造的装置获取路面三维构造的方法，其特征在于包括以下步骤 1)调整照相单元(4)和三色光源(5)，利用照相单元(4)获取测试路面的红、绿、蓝三色光源(5)照射的二维图像各一张； 2)对步骤I)的二维图像中发亮区和黑暗区进行滤波处理； 3)通过红、蓝、绿三个光源照射下的测试路面滤波处理后二维图像的反射强度，计算其在X、y方向上的梯度值
5.根据权利要求4所述的获取路面三维构造的方法，其特征在于步骤I)具体是调整照相单元(4)距离测试路面距离为lm，调整红、绿、蓝三个光源的倾斜角度至三个光源的照射角度相同。
6.根据权利要求4所述的获取路面三维构造的方法，其特征在于步骤I)中二维图像的拍摄区域面积为150mmX 150mm，图像大小为4272X 2848像素，存储格式为RAW。
7.根据权利要求4所述的获取路面三维构造的方法，其特征在于步骤2)具体是·2.I)对步骤I)拍摄的二维图像中心点为中心截取1200X 1200像素的图像； ·2.2)设定滤波参数，对于发亮区，设置一个亮度阈值N，并定义图像中亮度大于N的点统一取值为N，N的取值范围为(Γ2~16-1 ;对于黑暗区，定义一个低亮度填充率η，取值范围为(Tl，平均亮度*η以下的点被填充为 平均亮度*η，对图像进行滤波。
全文摘要
本发明涉及一种利用数字图像获取路面三维构造的装置和方法，在三个不同光源方向照射条件下，拍摄多幅图像，加强约束条件，利用图像光强计算物体表面的方向梯度，完成物体表面三维重建，能够精确、完整地实现路面的三维构造重建，便于对路面性能进行评价与研究，其大部分操作过程依赖于计算机进行，无需专业人员，操作简便，误差较小，还能够获取图像信息完整、准确，提高了数值仿真程度，评价精度高；本发明的装置结构简单，只需3～5分钟便可以获取路面的三维构造，测试效率高；与激光法相比，本发明只需常见的LED光源即可完成获取工作，无需额外采购昂贵的激光器。
文档编号G01B11/24GK102735186SQ20121020906
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者刘亚敏, 刘延强, 常嵘, 徐鸥明, 武涛, 赵晶, 邵鹏康, 陈杰, 韩森 申请人:长安大学