技术领域
[0001] 本
发明属于路面裂缝识别技术领域，特别涉及基于相机与线激光器的路面裂缝识别装置及其识别方法。
背景技术
[0002] 随着我国高速公路建设的快速发展和公路网络建设的日趋完善，公路的养护工作也越来越受到重视。公路建成之后，受
车轮的反复碾压以及
冰、雨、
雪等各种自然因素的影响，路面会出现裂缝、凹凸等破损现象。路面裂缝是路面病害的主要形式之一，会影响行车的安全性和公路的使用寿命，路面裂缝是评估公路
质量的一个重要指标。
[0003] 目前对路面裂缝的检测主要包括人工检测、相机检测这两种方法。人工检测路面裂缝时需要检测人员到现场对路面裂缝的深度、长度和宽度等情况进行测量和记录，最后根据所记录的数据对裂缝进行评价。但是由于人工检测的方法数据由人工处理，所以测量结果中存在主观因素的影响，且效率低下，不能适应公路快速发展的要求。
[0004] 相机检测路面裂缝时，采用相机对路面进行拍摄，以获得路面的图像数据。然后通过对图像数据进行滤波、二值化等处理后，检测出路面的裂缝。但是相机检测方法容易受到路面上的垃圾的干扰，容易将黏在路面上的脏物误识别为裂缝，从而导致识别准确率低。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提出基于相机与线激光器的路面裂缝识别装置及其识别方法。该基于相机与线激光器的路面裂缝识别装置投资
费用少，能够快速高效的对路面裂缝进行检测；该基于相机与线激光器的路面裂缝识别方法具有识别速度快、自动化高、检测准确率高的特点。
[0006] 为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
[0007] 技术方案一：
[0008] 基于相机与线激光器的路面裂缝识别装置，其特征在于，包括：脉冲计数器、工控机、车辆、固定安装在车辆的车头中心处的线激光器、从车辆的车头顶部中心处向前延伸出的平板；所述平板的一端固定在车辆的车头顶部中心处，所述平板的另一端的下方固定有面阵相机；所述线激光器的激光头朝向地面，所述线激光器的激光头与
水平面的夹
角在40度至80度之间，所述面阵相机的镜头垂直朝向地面；所述车辆的后轮
转轴上同轴套接有增量式旋转
编码器；
[0009] 所述增量式
旋转编码器电连接脉冲计数器的输入端，所述脉冲计数器的输出端电连接有PCI卡；所述PCI卡插接在工控机的PCI卡槽中，所述面阵相机通过Camera Link线与PCI卡相连接。PCI卡为用于采集图像的PCI卡。
[0010] 本技术方案的特点和进一步改进在于：
[0011] 所述线激光器为红光线激光器，所述线激光器的激光头与水平面的夹角为60度。
[0013] 技术方案二：
[0014] 基于相机与线激光器的路面裂缝识别方法，基于上述基于相机与线激光器的路面裂缝识别装置，包括以下步骤：
[0015] 面阵相机帧速设置：将面阵相机帧速设置为预设帧速；
[0016] 激光发射：驾驶车辆在路面上匀速行驶，线激光器朝向路面发射激光，此时，在路面上形成条状光亮带；
[0017] 触发
信号产生：在车辆行驶的过程中，增量式旋转编码器发送脉冲信号至脉冲计数器，脉冲计数器对脉冲信号进行计数；脉冲计数器模
块每隔N个脉冲信号数就向PCI卡发送一次触发信号，N为大于0的自然数；
[0018] 路面图像
数据采集：PCI卡收到触发信号后，向面阵相机发送
控制信号，控制面阵相机对路面进行实时拍摄；面阵相机将拍摄形成的路面图像数据通过PCI卡发送至工控机中；
[0019] 条状光亮带提取：当车辆停止行驶后，在工控机中，对存储的所有路面图像数据分别进行坐标转换，使所有路面图像数据从相机
坐标系转换至三维世界坐标系，对坐标转换后的所有路面图像数据分别进行图像平滑处理；对进行图像平滑处理之后的所有路面图像数据分别进行二值化处理；在二值化处理后的每幅路面图像数据中，提取出条状光亮带中心线的路面图像数据；
[0020] 直线拟合：对提取出的所有条状光亮带中心线的路面图像数据，分别采用最小二乘法将进行直线拟合，得到多条直线；将每条直线进行平移变换和旋转变换，使每条直线位于XOY平面上，并且使这些直线之间的排列顺序与对应的路面图像数据的采集顺序保持一致；分别计算出每条直线的平移量和旋转量；
[0021] 光亮带曲线阵生成：根据每条直线的平移量和旋转量，将未进行直线拟合的所有条状光亮带中心线的路面图像数据，进行对应的平移和旋转，得到多条曲线；按照曲线的排列顺序依次选取曲线，每选取M条曲线，便将所述M条曲线记为一个曲线阵，M为大于500的自然数；
[0022] 裂缝点识别：对每个曲线阵分别进行曲面拟合，得到拟合曲面；计算曲线阵中每个未进行拟合的路面图像数据点与对应拟合曲面之间的最短距离，如果所述最短距离大于设定值，则将对应的图像数据点识别为裂缝点；
[0023] 计算裂缝长度、宽度和深度：对所有识别出裂缝点进行聚类处理，得到若干个最小包络长方体，最小包络长方体的个数即为路面裂缝的条数，每个最小包络长方体的长度即为对应路面裂缝的长度，每个最小包络长方体的宽度即为对应路面裂缝的宽度，每个最小包络长方体的高度值即为对应路面裂缝的深度值。
[0024] 本技术方案的特点和进一步改进在于：
[0025] 在面阵相机帧速设置的过程中，通过降低面阵相机的
采样像素来提高面阵相机的帧速。
[0026] 在车辆行驶之前，调整增量式旋转编码器和后轮转轴的
传动比，使车辆每前进5mm，增量式旋转编码器便产生10个脉冲信号。
[0027] 在面阵相机帧速设置之后，进行面阵相机标定，然后进行激光发射；所述面阵相机标定包括以下步骤：首先制作标定板，标定板上设置标定图像，面阵相机分别拍摄不同
位置的标定板，采集图像，对采集到的图像进行标定，得到相机的内参数和外参数；
[0028] 在条状光亮带提取的过程中，根据镜头光学成像的原理、以及相机的内参数和外参数，对存储的所有路面图像数据分别进行坐标转换，使所有路面图像数据从相机坐标系转换至三维世界坐标系。
[0029] 在激光发射的过程中，首先根据设定路面图像的采样距离和面阵相机的帧速，设定车辆行驶的初始速度，然后驾驶车辆在路面上按所述初始速度匀速行驶。
[0030] 本发明的有益效果为：本发明的基于相机与线激光器的路面裂缝识别装置，主要部件采用高速面阵相机、线激光器、增量式旋转编码器、PCI卡和工控机，具有投资费用少、设计简单、可靠性高的特点；本发明的基于相机与线激光器的路面裂缝识别装置方法，基于上述的路面裂缝识别装置，其对路面裂缝的识别和计算主要由工控机自动完成，具有智能化高、测量
精度高的特点，而且对路面裂缝的识别结果直观、可靠。
附图说明
[0031] 图1为本发明的基于相机与线激光器的路面裂缝识别装置的结构示意图；
[0032] 图2为本发明的基于相机与线激光器的路面裂缝识别装置的
电路连接示意图；
[0033] 图3为本发明的基于相机与线激光器的路面裂缝识别方法的
流程图；
[0034] 图4为本发明的面阵相机和线激光器工作过程示意图；
[0035] 图5为本发明的曲线阵排列示意图。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0037] 参照图1，为本发明的基于相机与线激光器的路面裂缝识别装置的结构示意图。该基于相机与线激光器的路面裂缝识别装置包括车辆7，车辆7用于固定面阵相机(高速面阵相机)、线激光器等。在车辆7车头顶部中心处安装有向前延伸的平板8，平板8的一端固定在车辆7的车头顶部中心处，平板8的另一端的下方通过
螺栓固定有面阵相机1。平板8的长度(在车辆前进方向上的长度)可以根据需要进行设定，例如，平板8的长度在20cm至80cm之间。面阵相机1的镜头垂直朝向路面。线激光器2(用于发出线状激光光束的激光器)用螺栓固定在车辆7的车头中心处，采用倾斜安装方式，线激光器2的激光头朝向地面，激光头与水平面的夹角在40度至80度之间，优选地，激光头与水平面的夹角为60度。本发明
实施例中，车辆7是安装平台，线激光器2用于向路面发射激光，从而在路面上形成条状光亮带，面阵相机1用于对含有条状光亮带的路面图像数据进行采集。面阵相机1的高度大于线激光器2的高度。
[0038] 增量式旋转编码器3通过连接器同轴套接固定在车辆后轮转轴上。增量式旋转编码器3用于检测车辆的车速，发送脉冲信号。在安装增量式旋转编码器3时，调整增量式旋转编码器和车辆后轮转轴的传动比，使得车辆每前进5mm，增量式旋转编码器便产生10个脉冲信号。本发明实施例中，增量式旋转编码器采用OMRON公司的E6A2-CW3C增量式旋转编码器。
[0039] 车辆7内部设置有组合机柜6，在组合机柜6内存放着工控机5和脉冲计数器4。工控机5上的PCI卡槽中插有PCI卡(用于采集图像)。参照图2，为本发明的基于相机与线激光器的路面裂缝识别装置的电路连接示意图。增量式旋转编码器3电连接脉冲计数器4的输入端，脉冲计数器的输出端电连接有PCI卡；PCI卡插接在工控机5的PCI卡槽中，面阵相机1通过Camera Link线与PCI卡连接。本发明实施例中，PCI卡采用EURESYS公司的Grablink Expert 2Camera Link
图像采集卡。
[0040] 本发明实施例中，增量式旋转编码器3采用欧姆龙公司的E6A2-CW3C增量式旋转编码器，能够进行双相测速，具有500P/R的
分辨率。线激光器2采用长春新产业光电技术有限公司的MRL-III-635激光器，其
波长为635±5nm，采用220V交流供电，能发出红色激光。面阵相机1采用Teledyne DALSA公司的Falcon 1.4M100高速CMOS相机。增量式旋转编码器3将车辆7当前的行驶速度转换成周期性的脉冲信号后发送给脉冲计数器4，脉冲计数器4记录该脉冲信号数，并每隔10个脉冲信号数就向PCI卡发送一次触发信号。PCI卡接收到触发信号后，发送控制信号给面阵相机1，控制面阵相机采集路面图像数据，并将路面图像数据存储到高性能的工控机5中。高性能工控机5根据路面图像数据，采用
图像处理方法，识别并计算得到路面裂缝参数。
[0041] 参照图3，为本发明的基于相机与线状激光器的路面裂缝识别方法的流程图。该基于相机与线状激光器的路面裂缝识别方法包括以下步骤：
[0043] 由于面阵相机在采样像素最高时(面阵相机1采用Teledyne DALSA公司的Falcon 1.4M100高速CMOS相机，具有1400x1024的最高采样像素)的帧速为100fps，无法满足采集精度的要求，因此通过降低面阵相机的采样像素的方法来提高相机的帧速。本发明实施例中，将面阵相机的采样像素设置为140*102，使得相机的帧速提高至1000fps。
[0044] 2)面阵相机标定
[0045] 首先制作标定板，在标定板上设置标定图像，高速面阵相机分别拍摄不同位置的标定板，采集图像，将这些图像导入到图像处理
软件中进行标定，得到面阵相机的内参数、外参数、以及面阵相机内外参数对应关系；其具体过程如下：
[0046] 在一张白纸上建立二维直角坐标系，并在白纸上绘制黑白相间，边长为10cm的正方块，形成标定纸。对面阵相机进行标定时，将标定纸放置在路面的若干不同区域让面阵相机对其进行拍摄，然后将这些图像导入到数学处理软件MATLAB2007中进行标定。在数学处理软件MATLAB2007中，导入上述图像后，手动选择出原点，Y轴及X轴，对每幅图像进行处理，处理完成后就得到该面阵相机内参数、外参数、以及面阵相机内外参数的对应关系。
[0047] 3)设定车辆行驶的初始速度
[0048] 考虑到对路面裂缝识别的精度性，设定路面图像的采样距离D为5mm，由于面阵相机的
采样频率f为1000fps，因此设定车辆的行驶速度v为：
[0049] v＝D*f＝5×10-3*1000＝5m/s
[0050] 4)激光发射
[0051] 参照图4，为本发明的面阵相机和线激光器工作过程示意图。车辆开始行驶后，将线激光器供220V交流电，启动线激光器，线激光器发出线状激光，以60度入射角照射路面，在路面上形成条状光亮带。
[0052] 5)触发信号产生
[0053] 由于车辆是由驾驶员人工驾驶，实际的行驶速度会在设定速度(5m/s)的左右变动。因此增量式旋转编码器启动对检测车行驶速度的实时采集，脉冲计数器记录增量式旋转编码器所产生的脉冲信号数，并每隔10个脉冲信号数，就向PCI卡发送一次触发信号。
[0054] 6)路面图像数据采集
[0055] PCI卡一旦接收到触发信号，就发送控制信号给面阵相机。结合图4，面阵相机接收到控制信号后便实时拍摄一副含有条状光亮带的路面图像数据(通过调整平板延伸出车辆前端顶部的长度，确保面阵相机拍摄的路面图像数据包含条状光亮带)，并将路面图像数据通过PCI卡实时存储至高性能的工控机中。
[0056] 7)条状光亮带提取
[0057] 当车辆停止行驶后，在工控机中，根据镜头光学成像的原理、以及相机的内参数和外参数，对存储的所有路面图像数据分别进行坐标转换，使所有路面图像数据从相机坐标系转换至三维世界坐标系；然后对坐标转换后的所有路面图像数据分别进行图像平滑处理；对进行图像平滑处理之后的所有路面图像数据分别进行二值化处理；在二值化处理后的每幅路面图像数据中，提取出离散的条状光亮带中心线的路面图像数据。
[0058] 在进行图像平滑处理之后的每幅路面图像数据中，该路面图像数据的每个像素的灰度值在0～255之间变化。由于条状光亮带与路面之间存在着明显的灰度上的差异，通过选择一个合适的
阈值，将路面图像数据的各个像素的灰度值与该阈值进行比较，如果大于该阈值则将该点数值变为1，反之为0。对整幅路面图像数据运算完成之后，图像中就只含有数字0和1，这样二值化过程就完成了，路面图像数据中，由数值为1的图像点所形成的轮廓即为条状光亮带的外形轮廓。在该外形轮廓中，提取出条状光亮带中心线的路面图像数据(即提取出条状光亮带中心线的线条)。
[0059] 8)直线拟合
[0060] 对提取出的所有离散的条状光亮带中心线的路面图像数据，分别采用最小二乘法将进行直线拟合，得到多条直线(即得到多条直线方程式)。将每条直线进行平移变换和旋转变换，使每条直线位于XOY平面(在三维世界坐标系中)上，并且使这些直线之间的排列顺序与对应的路面图像数据的采集顺序保持一致(从左到右依次排列)，优选地，在将每条直线进行平移变换和旋转变换的过程中，还要使每条直线与X轴的交点均匀排列在X轴上，相邻两个交点距离为恒定值(例如，5mm)。在对每条直线进行平移变换和旋转变换之后，分别计算出每条直线的平移量和旋转量。
[0061] 9)光亮带曲线阵生成
[0062] 根据每条直线的平移量和旋转量，将未进行直线拟合的每幅路面图像数据(即提取出的条状光亮带中心线的路面图像数据)，进行对应的平移和旋转，得到多条曲线。按照曲线的排列顺序依次选取曲线，每选取1000曲线，便将1000条曲线记为一个曲线阵，每个曲线阵便是进行裂缝点识别的
基础。参照图5，为本发明的曲线阵排列示意图。在图5中，与多条曲线相交的弧线表示车辆行驶轨迹。
[0063] 10)裂缝点识别
[0064] 根据道路横截面的形状特点，采用三次曲面拟合
算法，对每个曲线阵分别进行曲面拟合，得到拟合曲面。然后计算曲线阵中每个未进行拟合的路面图像数据点与对应拟合曲面之间的最短距离，如果最短距离大于设定值(一般设定值为5mm)，则将对应的图像数据点识别为裂缝点。
[0065] 11)计算裂缝长度、宽度和深度
[0066] 对所有识别出裂缝点进行聚类处理，得到若干个最小包络长方体，最小包络长方体的个数即为路面裂缝的条数，每个最小包络长方体的长度即为对应路面裂缝的长度，每个最小包络长方体的宽度即为对应路面裂缝的宽度，每个最小包络长方体的高度值即为对应路面裂缝的深度值。
[0067] 本发明的基本原理是：当车辆以设定的速度在所需检测的道路上行驶时，线激光器发射激光，从而在路面上形成条状光亮带；同时面阵相机采集该条状光亮带的数据，并以图像数据的形式实时存储到高性能的工控机中。工控机根据所存储的路面图像数据，首先采用二值化方法将所有光亮带的中心线数据从图像数据中提取出来，并采用图像拼接的方法将光亮带中心线数据在三维直角坐标系中从左到右依次进行排列，形成反映路面状况的曲线阵。然后采用三次曲面拟合算法将曲线阵拟合成三次曲面后，并计算曲线阵中每个(离散的)光亮带中心线数据点与三次曲面之间的距离，当该距离大于设定值时即将该数据点识别为裂缝点。最后将识别出的所有裂缝点进行聚类后，形成几个最小包络长方体，根据每个最小包络长方体的长宽可以计算得到每条裂缝的长度和宽度，根据每个最小包络长方体的高度值可以计算得到每条裂缝的深度。
[0068] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些
修改和变型属于本发明
权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
