专利名称：一种基于机器视觉的路基压实度在线检测方法
技术领域：
本发明涉及一种路基压实度检测方法，更具体地说，涉及一种基于机器视觉的路基压实度在线检测方法。
背景技术：
压实度是指土或其他筑路材料压实后的干密度与标准最大干密度之比，以百分率表示。压实度是路基路面施工质量检测的关键指标之一，表征现场压实后的密度状况，压实度越高，密度越大，材料整体性能越好。压实度检测通常采用随机抽样的方法，即在碾压过的材料上取样，测密度、静态弹性模量来反映压实质量。工程上通常使用的随机抽样检测压实度的方法有环刀法、灌砂法、核子压实度仪法、灌油法、水袋法等。上述方法中除核子压实度仪法外，均为破坏性试验评定方法，而且结果准确程度依赖于手工操作的熟练程度，是不能连续采样的评定方法。核子压实度仪法具有测量速度快，不破坏土层结构等优点，可用于连续采样。但是该方法价格高，使用环境条件苛刻，此外放射性物质对人体有害，一旦发生问题还会造成环境污染。
上世纪70年代初开始，土方施工量越来越大，采用传统的压实度检测方法难以满足施工需求并及时指导施工作业，国外一些专家开始研究压实度的在线检测技术，压实度在线检测控制技术是现代压实技术的新方向，它是随着液压技术、电子控制技术的发展而出现的。在压路机上配置压实度在线检测系统，即时检测压实材料的压实程度，从而提高了压实作业质量和作业效率。压实度在线检测系统无疑是未来智能化振动压路机的必备部件。
20世纪70年代，瑞典的压实专家开始研究压实度的在线检测，他们在振动压路机振动轮上安装一个三轴加速度计，振动轮后挂一个微型轮用来检测振动从振动轮向微型轮的传递，再把一个地震检波器埋在地下来测试地基的振动。通过各传感器收到的信号得出， 随着土壤压实度的增加，振动轮上的加速度计采集到的信号变化最明显。并开展试验研究， 通过每遍压实后的现场测量数据证明了用振动轮加速度信号作为测量对象是可行的。在此试验的启示下，瑞典的Geodynamics公司于1975-1977年开发了世界上第一个压实度计，20 世纪80年代初在巴黎召开的压实会议，首次将压实度计作为国际性的议题开始讨论。此后，国内外许多科研院所和著名的压实机械制造商相继参与到这一研究工作中，取得了一定的成果，开发出了一些产品。然而，国内外现有的压实度在线检测技术有一个共同点，都是运用振动轮加速度信号进行数学建模，实现压实度在线获取。
机器视觉，是指利用计算机和一些辅助设备来实现人的视觉功能，从而实现通过二维图像感知外界事物和客观三维世界，是一门新兴的学科，是令人感兴趣的前沿研究领域之一。随着机器视觉技术的发展，已经出现了一种把图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用的新的检测方法，即基于机器视觉的图像检测技术。它是以现代光学为基础， 融光电子学、计算机图像学、信息处理、机器视觉等科学技术为一体的现代检测技术。基于机器视觉的图像检测技术的仪器设备能够实现智能化、数字化、小型化、网络化和多功能化，具备在线检测、实时分析、实时控制的能力，在军事、工业、医学等领域得到广泛关注和应用。
在压实设备上采用视觉测量技术在线检测路基压实度，是一种公路质量无损检测新技术，可以使工作人员在压实过程中实时检测压实状况，控制压实质量，从而保证路基路面在最少碾压遍数下得到充分压实，避免压实不足或过分压实等现象，具有明显的社会效益和经济效益。增加测点，还能测得不平整度和重叠宽度两个作业质量参数，是其他在压实度线检测方法所无法比拟的。此外，还可以运用获得的图像信息，指导安全施工。因此，运用综合了力学、机械学、电子学和数字信号处理等多学科的视觉方法获得压实作业质量参数， 具有相当的理论研究价值和广阔的应用前景。
1.与本发明相关的现有技术一
现有技术一的技术方案中华人民共和国行业标准《公路路基路面现场测试规程》(JTJ059-%)规定，路基压实度可采用挖坑灌砂法(T0921-95)、核子仪法(T0922-95) 及环刀法(T0923-%)测定。中华人民共和国标准《振动压路机性能试验方法》(GB/T 4478-1995)规定，选用环刀法测定压实度，验证压路机的压实效果。下面具体叙述环刀法测定压实度步骤
(1)击实试验。按照有关试验方法对检测试样用同种材料进行击实试验，获得最大干密度P。及最佳含水量；
(2)擦净换到，称取环刀质量M2,精确到0. Ig ；
(3)将取样点清扫干净，并将压实层铲去表面浮动及不平整的部分，达一定深度， 使环刀打下后，能达到要求的取土深度，但不得将下层扰动；
(4)环刀口朝下置于取样点，盖上环刀盖，锤击环刀盖使环刀达到取样深度，过程中注意保持环刀垂直向下；
(5)去掉环刀盖，用镐将环刀及试样挖出；
(6)用修土刀自边至中消去环刀两端余土，用直尺检测直至修平为止；
(7)擦净环刀外壁，用天平称取出环刀及试样合计质量M1,精确至0. Ig ；
(8)自环刀中取出试样，取具有代表性的试样，测定其含水量W。
(9)测点压实度计算「 4 χ (M1-M2)
权利要求
1.一种基于机器视觉的路基压实度在线检测方法，其步骤为(1)组建视觉测量系统一个压实度采样点的压实度测量，其测量系统由ι台CCD相机、1个采样标志特征点和 1个标志桩组成，多个压实度采样点采样时，则相应增加采样标志特征点和标志桩数量，其中，标志桩共计分三层，每层均为“十”字型，从左至右分别记为面口 i、面口2和面口 3，此三个面的角点依次标记为1,2,3... ,12 ；(2)图像处理CCD相机采集压实现场图像，然后提取标志桩三层共计36个点的图像坐标，拟合得到标志桩的三个“十”字形；提取采样标志特征点中心的图像坐标以及圆形采样标志特征点成像后的椭圆长半轴和椭圆短半轴像素尺寸大小参数；(3)沉降量计算根据“十”字形真实尺寸和图像尺寸以及采样标志特征点的真实尺寸和图像尺寸，计算得到采样标志特征点中心到标志桩选定参考点之间的垂直距离，与之前一次的垂直距离相比较，得到本次压实作业的沉降量；(4)路基压实度计算将步骤(3)得到的沉降量代入沉降量-压实度数学模型，即可计算出路基新的压实度。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的路基压实度在线检测方法，其特征在于步骤(1)中的标志桩布置在压实度采样点附近，该压实度采样点和标志桩在CCD相机的视场之内，其中，标志桩布置在施工路段沿线上，面口工、面□ 2和面口 3相互平行，面口 i与施工路面相垂直；压实度采样标志特征点是通过喷涂油漆的方式，在路段表面压实度采样点处喷涂圆形标志作为特征点的。
3.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的路基压实度在线检测方法，其特征在于步骤O)图像处理的成像模型中，设0。_Χ。ΥΛ为CXD相机坐标系，Oc为CXD相机光心， &轴与C⑶相机光轴重合，将世界坐标系(Ow-XwYwZw)与C⑶相机坐标系重合，I为像平面， O-XY为图像物理坐标系，o-uv为图像像素坐标系，Pij为面口 Ji = 1,2,3)上第j个角点 (j = 1,2,…，12)，对应像点用Pi/表示，Ptl是人工标志的压实度采样标志特征点，即为沉降量的测点，像点记为Pc/ ；设定以下参数或几何条件^Pij在Oc-XcTA上的坐标用表示；WPij'在图像坐标系O-XY上的坐标用(X、Y")表示；c)Pi/在像素坐标系o-uv上的坐标用(uij，viJ)表示；d)相机的焦距用f表示；e)像素在成像平面X和Y方向尺寸分别是dx和dy；f)坐标系O-XY的原点在图像像素坐标系o-uv上的坐标为(Utl，v0)；g)若线段PijPw1在相机坐标系中是竖直方向的，那么Pij+1Pw2必定处于水平方向，不妨假定为相机坐标系中竖直方向的线段；取Pu、PiJ+i及Pij+2三个点，结合成像模型，其成像过程如下根据小孔成像原理，得到以下等式成立
4.根据权利要求3所述的一种基于机器视觉的路基压实度在线检测方法，其特征在于步骤⑶中，沉降量视觉方法测量的实现过程如下选定P11为参考点，利用像素坐标及测量比计算出Ptl点与参考点间竖直方向上的距离，即P11点和Ptl点Yc坐标差值，就可以获得每次压实后测点的沉降值；根据式(0. 1)和式(0. 2)建立下述方程组
5.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉的路基压实度在线检测方法，其特征在于步骤中，根据如下公式计算压实度
全文摘要
本发明公开了一种基于机器视觉的路基压实度在线检测方法，属于路基压实度检测方法领域。本发明的步骤为(1)组建视觉测量系统一个压实度采样点的测量系统由1台CCD相机、1个采样标志特征点和1个标志桩组成；(2)图像处理CCD相机采集压实现场图像，拟合得到标志桩的三个“十”字形，提取采样标志特征点中心的图像坐标以及椭圆的长轴和短轴参数；(3)沉降量计算计算得到采样标志特征点中心到标志桩选定参考点之间的垂直距离，得到本次压实作业的沉降量；(4)路基压实度计算将沉降量代入沉降量-压实度数学模型。本发明以图像为检测和传递信息载体，图像数据存储于计算上，有助于保存施工资料，提高了压实作业质量和作业效率。
文档编号G01N21/84GK102519965SQ20111041961
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者丁文政, 刘娣, 朱松青, 郝飞, 陈茹雯, 高海涛 申请人:南京工程学院