瀝青路面破損圖像自動檢測系統(tǒng)設計

1、第29卷第3期光學技術Vol.29No.32003年5月OPTICALTECHNIQUEMay2003文章編號:100221582(2003)0320316204瀝青路面破損圖像自動檢測系統(tǒng)設計儲江偉,初秀民,王榮本(吉林大學交通學院,長春130025)摘要:介紹了由承載車、計算機、路面破損圖像采集子系統(tǒng)、路面破損定位子系統(tǒng)、路面破損圖像處理子系統(tǒng)等組成的路面破損自動檢測實驗系統(tǒng),根據理論分析確定了攝像機的安裝位置參數。利用網絡通信技術,實現了雙CCD攝像機同步采集路面圖像,同時對路面破損圖像的幾何畸變進行了校正。實驗結果表明,該系統(tǒng)對典型的路面破損狀態(tài)可以準確的檢測識別。關鍵詞:路面破損檢測

2、;CCD攝像機;圖像采集;圖像畸變校正中圖分類號:U416文獻標識碼:ADesignofasphaltpavementsurfacedistressautomaticsurveysystemCHUJiang2wei,CHUXiu2min,WangRong2ben(TransportationCollegeofJilinUniversity,Changchun130025,China)Abstract:Thepavementsurfacedistressautomaticsurveysystemwasdesigned.Thesystemavehicle,computers,subsystemof

3、pavementimagecollecting,subsystemofpavement,distressimageprocessing.Basedtheoryanalysis,theinstallingparametersofcommunication,twoCCDcamerascancollectpavementimage,experimentisdone,andtheexperimentresultisveryideally.Keywords:pavementsurface;imagegeometricrectification0引言理要求,交通部門應用了路面管理系統(tǒng)(PMS)。路面管理系

4、統(tǒng)的決策又必須依賴于大量、精確的路面狀態(tài)數據信息。目前,路面破損數據仍主要采用人工檢測。效率低,耗費大量時間,野外作業(yè)不安全。同時,檢測結果受人為因素影響較大,難以對路面破損進行客觀和準確的評價。因此,研究路面破損自動檢測技術,開發(fā)和設計高效、快速、準確的路面破損自動檢測系統(tǒng)具有重要的意義。開發(fā)路面破損檢測系統(tǒng)首要問題是采用何種傳感器技術獲取路面破損數據。文獻1列出幾種檢測路面破損的方法:(a)視覺圖像檢測方法;(b)路面輪廓檢測法;(c)超聲波方法。由于路面輪廓檢測儀和超聲波檢測設備的分辨率和動態(tài)響應范圍較小,限制了其在路面破損檢測上的應用。因此,視覺圖像檢測是目前路面破損檢測最為可行的方法

5、。路面破損圖像識別,是通過CCD攝像機拍攝路面圖像,經過數字化處理后,利用計算機視覺技術識別路面破損。本文將探討基于CCD攝像技術的路面破損圖像自動采集系統(tǒng)設計等問題,為進一步研究奠定基礎。1路面破損圖像自動檢測系統(tǒng)1.1系統(tǒng)功能分解為了實現場景條件下的路面破損自動檢測問題,路面破損自動檢測系統(tǒng)應具備如下幾項功能:行走功能,路面破損信息采集功能,數據處理功能。其中路面破損圖像信息采集是整個系統(tǒng)的基礎,本文采用圖像傳感器獲取路面破損信息。CCD是目前較為常用的圖像傳感器,它分為線掃描和面陣掃描兩種。由于線掃CCD描攝像機需要高亮度的輔助光源,在場景條件下應用并不理想。因此,本文選用面陣CCD攝像

6、機獲取路面圖像信息,并通過圖像采集卡將路面圖像信息數字化,以便于計算機處理2。1.2系統(tǒng)的組成本文所開發(fā)的路面破損自動檢測系統(tǒng)的組成如圖1所示;路面破損檢測車,如圖2所示。該系統(tǒng)主要包括:(1)裝載車及附屬裝置子系統(tǒng):承載其它設備,收稿日期:2002209216基金項目:教育部博士點基金(2000018507)作者簡介:儲江偉(19622),男,江蘇宜興人,吉林大學交通學院教授,博士,從事智能車輛研究。316第3期儲江偉,等:瀝青路面破損圖像自動檢測系統(tǒng)設計低了取景范圍,影響效率。因此,攝像角的合理選擇非常重要。人在目測物體時,最佳的視角在50°70°之間。據此,本系統(tǒng)的C

7、CD攝像機選擇視場角為62°的鏡頭。2.3CCD攝像機安裝位置參數確定在圖像采集中需要將客觀世界的場景投影到攝像機的像平面,這個投影可用攝像機模型來描述,它反映了物體在客觀坐標系和攝像機坐標系、像平面坐標系之間的變換攝像機模型示意圖關系。圖3為一般形圖3式的攝像機模型示意圖。OXYZ為客觀坐標系,oxyz為攝像機坐標系,oxyz為像平面坐標系,z軸圖1路面破損自動檢測系統(tǒng)組成框圖提供圖像采集子系統(tǒng)及輔助照明設備、計算機、距離傳感器等的驅動電源。(2)圖像采集子系統(tǒng):路面圖像適時采集和圖像的數字化處理。圖2路面破損檢測車(3)路面破損定位子系統(tǒng):利用GPS獲取路面破損的位置信息。(4)

8、數據處理子系統(tǒng):計算機、數據處理軟件等。其中,數據處理子系統(tǒng)主要用于:路面破損圖像處理,、,并計算路。存儲路面破損圖像信息和路面破損數據。為攝像機的光軸,xy平面與像平面xyo為,x,yDz(角傾斜(垂直旋轉)。其和X軸間的夾角,為z和Z軸間的夾角。W(X、Y、Z)被攝影物體在客觀坐標系中的坐標,f為攝像機焦距。通過對攝像機坐標系旋轉變換,使其與客觀坐標系坐標軸重合,同時根據攝像機的成像透視規(guī)律,得到x=f×()()sin+(Y-Dy)sincos-(Z-Dz)cos+f-(X-Dx)sin(1)2雙CCD攝像機安裝位置參數確定與圖像同步采集2.1CCD攝像機本系統(tǒng)采用SONY公司S

9、SC-DC14系列的CCD彩色攝像機,它采用1/3英寸行間變換式CCDy=f×()()()sin+(Y-Dy)sincos-(Z-Dz)cos+f-(X-Dx)sin(2)傳感器,最小照度為117lux,信噪比為50dB,具有自動光圈控制和電子亮度控制等功能,有較好的抗干擾能力?，F有的路面攝影車通常使用35mm的膠片,其每幀圖像大約為100萬左右的像素點。SSC-DC14系列CCD攝像機為470線,其分辨率為768×576。由于圖像的視野范圍受到CCD攝像機(2)可知:如果客觀坐標系和攝像機坐標系由式(1)、不重合,x、y與X、Y則成非線性關系。在計算機處理圖像數據時就需要

10、校正,這必然增加數據處理的工作量。當Dx=Dy=Dz=0,=0°即客觀(2)可簡化為坐標系和攝像機坐標系重合時,式(1)、x=,y=f-Zf-Z(3)與地面之間距離的影響,系統(tǒng)設計時采用雙CCD攝像機以滿足檢測路面寬度和圖像分辨率要求。2.2攝像角選擇攝像檢測技術中的攝像角度是指攝像鏡頭對路面的俯角,即鏡頭的視場角。攝像鏡頭高度一定時,如果攝像角度選擇太大,會使攝得的圖像清晰度下降;如果攝像角度太小,雖可提高圖像清晰度,卻降(4)可知:當Z此時,Z相當于物距,由式(3)、為一定時,x與X、Y與y成固定比例關系。因此安裝CCD攝像機時光軸應垂直于路面,使攝像機坐標系與客觀坐標系重合。當

11、攝像機的鏡頭視場角為62°時,存在如下關317光學技術第29卷系式f=4.8×L÷W,f=3.6×L÷H(4)其中W為鏡頭取景范圍橫向寬度;H為鏡頭取景范圍縱向寬度;L為物距,即鏡頭到路面的垂直高度;f攝像機鏡頭焦距4mm一般檢測路面幅寬在5m左右,則在本系統(tǒng)中W應為215m。根據式(4)可得到:L2.1m,H1.9m。根據以上計算確定的鏡頭位置參數,設計了圖2中所示的結構支撐CCD攝像機。該支架可適當調節(jié)鏡頭位置,以滿足實際檢測時圖像清晰度的要求。2.4雙CCD攝像機圖像信息的同步采集本系統(tǒng)利用基于PCI總線的高速圖像采集卡DH-VRT-CG

12、200采集路面破損圖像,并在承載車驅動輪上安裝高分辨率的光電編碼器來檢測行駛距離,同時以光電編碼器信號來控制路面破損圖像采樣頻率。兩個CCD攝像機所拍攝的路面圖像信息經圖像采集卡轉換為數字量后,由兩個獨立的計算機進行獨立的處理。2.5兩臺計算機之間的通信為了實現兩臺計算機對路面剖破損圖像的同步采集,需要在兩臺計算機之間建立通信聯系。圖4同步采集路面圖像本系統(tǒng)選用網絡方式,通過網卡建立了一個小型局域網絡。綁定TCP/CP協(xié)議,利用網絡編程實現計算機間通信。其中,一臺計算機作為主機,另一臺計算機作為從機。兩臺計算機之間可以共享資源,從機可根據距離傳感器信號自動采集路面圖像,同時向主機發(fā)出采集路面的

13、指令,而主機通過網絡實時監(jiān)聽從機指令。兩臺計算機采集路面圖像的流程如圖4所示。圖5為采用本系統(tǒng)所進行的路面圖像采集實驗。圖5(a)為左攝像機拍攝,圖5(b)為右攝像機拍攝,可見左右攝像機所拍攝的路面圖像基本同步。3路面破損圖像的幾何畸變校正選用廣角鏡頭,攝像機攝錄的路面破損圖像會產生幾何畸變,如圖6所示。圖像窗口為768×512像素,圖像取景范圍為(外圍白線區(qū)域)2.2m×1.5m。由圖6可見,圖像幾何畸變較大,這無疑會影響到路面破損的識別和準確定位。此外,在進行路面圖像采集時,各幀圖像中的路面應該相互連接。而實際由于圖像存在幾何畸變,使各幀圖像中的路面存在相互交叉的部分。

14、在圖6幾何畸變校正前圖像中,最外圍白線以外的圖610%。在進行圖像處,有必要校正圖像3.1圖像幾何畸變校正基本公式在圖像幾何畸變校正中常以某一幅基準圖像去校正畸變圖像。設基準圖像坐標系統(tǒng)為(x,y)、畸變圖像坐標系統(tǒng)為(x3,y3)。兩個圖像坐標系統(tǒng)之間幾何畸變可用式(5)的解析式描述。xy33=h1(x,y)=h2(x,y)(5)通常h1(x,y)和h2(x,y)可用式(6)多項式來近似,即xyN-1N-1=i=0j=0ajixijyN-1N-1(6)jixiji=0j=0by式中N為多項式的項數;aij和bij為各項系數。設基準圖像為f(x,y)而畸變圖像為g(x3,y3),對于圖像中的同

15、一個點,假設其灰度值是不變的,即33(7)f(x,y)=g(x,y)式(6)為圖像幾何畸變校正的基本公式。基準圖像中的x、y為整數,而由式(5)計算得到的x3、y3不一定為整數,一般可采用(6)式校正畸變圖像。當校正精度要求較高時,可采用雙線性插值法。設(x3,3(x+1,y)、(x,y+1)、(x+1,y+y)落在(x,y)、1)之間,則復原點(x3,y3)上的灰度值為)(1-)f(x,y)+g(x3,y3)=(1-圖5路面圖像318第3期儲江偉,等:瀝青路面破損圖像自動檢測系統(tǒng)設計(1-)f(x+1,y)+(1-)f(y+1)+f(x+1,y+1)式(8)中=x-x3,=y-y3。3.2h

16、1(x,y)和h2(x,y)多項式的確定(8)得,(xi,yi)的數值由圖像的真實坐標值經公式(2)計算得到。實際圖中的控制點為35個,多于求解未知解所需的數量,因此,可根據最小二乘法,可求得ai和bi的最小二乘誤差解。圖像幾何畸變校正結果如圖7所示。可見圖像幾何畸變校正效果較為理想。系統(tǒng)中攝像機鏡頭垂直路面安裝,圖像幾何畸變主要由鏡頭的幾何失真引起。理論上鏡頭會有兩類失真:徑向和切向。但切向失真較小,在一般的機器視覺中只考慮徑向失真就可以了。鏡頭的徑向失真與x、y近似成3次多項式關系。因此,本文以3次多項式(9)近似h1(x,y)和h2(x,y)。x34結論(1)由承載車及其附屬裝置、路面破

17、損圖像采=a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2+(9)a6x3+a7x2y+a8xy2+a9y3y3=b0+b1x+b2y+b3x2+b4xy+b5y2+集子系統(tǒng)、路面破損定位子系統(tǒng)、數據處理子系統(tǒng)構成的路面破損自動檢測系統(tǒng),實現了對路面破損典型狀態(tài)的自動檢測。(2)通過理論分析所確定的CCD攝像機的安裝位置參數及攝像機鏡頭參數,能滿足對路面破損圖像采集寬度和清晰度的要求。(3)采用網絡通訊方式并以距離傳感器信號作觸發(fā),可以實現對雙CCD制。(b6x3+b7x2y+b8xy2+b9y3式(9)中共有20個參量,只要確定10個以上(xi,yi)與(xi,yi)對應值,根據最小二乘法

18、即可求出ai與bi433。3.3圖像幾何畸變校正實驗在圖像幾何畸變校正的實驗中,用圖3制點,(xi3,yi3值通過VC+6.0用鼠標點擊屏幕圖像中白線交叉點直接獲(上接第315頁),。參考文獻:1KelvinCPW.Highwaydatacollectionandinformationmanage2mentC.3rdInternationalConferenceonRoad&AirfieldPave2mentTechnology,1998.2林家明,楊隆榮.CCD攝像機技術的發(fā)展趨勢及應用前景J.光學技術,1999,(6)3李揚.國外公路交通科技最新發(fā)展動向J.國外公路,1999(4).4章毓晉.圖像工程M.北京:清華大學出版社,2000.圖7校正后的路面圖像本文僅對弧矢聚焦晶體的衍射面形進行了有限元分析,實際上由于第一晶體接受高熱負載而引起的面形誤差對光通量和分辨率的影響也比較大,并且雙晶單色器的本征分辨率主要由第一晶體決定,只有當第一晶體形變引起的搖擺曲