（交通信息工程及控制专业论文）基于DSP的沥青路面图像处理研究.pdf

摘要 沥青路面裂缝是高速公路路面的主要病害之一，裂缝的检测是公路养护的重 要工作之一。对于裂缝信息的检测，传统的人工检测和基于p c 机通用c p u 检 测裂缝的方法难以满足大规模路网检测对时效性的要求。由于沥青路面图像包含 的信息内容复杂，图像数据量的不断增加等因素，使得现在已经产品化的基于激 光测距和数字图像处理的多功能路面智能检测车的检测结果难以完全满足实际 需求。基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 技术和数字图像处理技术的沥青路 面图像处理系统就是以更快速，更准确，更经济高效的检测路面为目标而开发设 计的。 该检测系统将d s p 技术引入到沥青路面的检测中，采用基于t i 的 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 微处理芯片来实现对沥青路面裂缝图像的处理研究，并开发设计 相应的处理系统。沥青路面图像中除了包含有我们需要的路面信息外，可能还包 含了图像噪声( 比如路面油迹、各种杂物等) 、破损路面( 比如裂纹、坑槽等) 、 另外还易受光照、天气等其他因素的干扰。本文综合考虑沥青路面图像和d s p 特点，在d s p 上实现沥青路面图像的处理，并对其进行优化。 在d s p 图像数据处理中，采用存储路面图像纯灰度数据的方式，降低了d s p 后续处理的数据量；采用两次滤波加图像二值化分割的强化滤波方法，实现了对 沥青路面图像裂缝信息的增强处理，采用边缘检测和采用增强的迭代图像进行阈 值分割，完成了对裂缝的面积，周长，类型，长度，平均宽度，裂缝的百分比等 主要参数的提取。 此外，本文还对d s p 程序进行了优化。优化不仅包括c 6 0 0 0 编译器调用优 化、软件流水优化等纯代码级别性能的优化，还完成了程序结构的优化( 包括可 扩展性，清晰性和可移植性等优化处理) 。程序结构的优化对于后续代码的开发 维护工作非常重要，并且易于实现。这些优化使得系统的性能有了明显的提高， 并且研究实现的算法易于移植到其他图像处理平台上。 本文研究的检测系统可应用于沥青路面裂缝的自动检测，并且能够为公路管 理和养护部门的决策提供科学客观的路面检测的基础数据支持。 关键词：d s p 数字图像处理沥青路面裂缝路面检测 a b s t r a c t t h ea s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c ec r a c ki so n eo ft h em a i nd i s e a s e so fp a v e m e n t s u r f a c ei nt h eh i g h w a y ，c r a c kd e t e c t i o nf o r t h ec o n s e r v a t i o na n dm a n a g e m e n to ft h e r o a di sv e r yi m p o r t a n ti n f o r m a t i o n f o rt h ed e t e c t i o no fc r a c k si n f o r m a t i o n ，t h e t r a d i t i o n a lm e t h o d sb a s e do np cb yg e n e r a l p u r p o s ec p ud e t e c t i o nc a nn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fm o r ea n dm o r ec r a c k sd e t e c t i o ni nt h er o a dt h ed e v e l o p m e n t n o w a l r e a d yp r o d u c t i o n b a s e do nl a s e r r a n g i n g a n d d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g m u l t i - f u n c t i o n a l i n t e l l i g e n tp a v e m e n ts u r f a c ed e t e c t i o nv e h i c l e s ，b e c a u s eo ft h e i n f o r m a t i o nc o n t a i n e di nt h ea s p h a l t p a v e m e n ti m a g ec o m p l e x i t y , i m a g eo ft h e e v e r - i n c r e a s i n ga m o u n to fd a t aa n do t h e rf a c t o r sm a k ed e t e c t i o nr e s u l t sd i f f i c u l tt o f u l l ym e e tt h ea c t u a ld e m a n d d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) t e c h n o l o g ya n dd i g i t a l i m a g e ，p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mo fa s p h a l tp a v e m e n t ，i t s p r o j e c to b j e c t i v ei sm o r er a p i d ，m o r ea c c u r a t ea n dc o s t - e f f e c t i v ed e t e c t i o n d s pt e c h n o l o g yo ft h es y s t e mw i l lb ei n t r o d u c e dt ot h ea s p h a l tp a v e m e n t d e t e c t i o np r o c e s s e d ，u s i n gt i st m s 3 2 0 c 6 4 1 6a st h ei m a g e r yp r o c e s s i n gs y s t e m s m i c r op r o c e s s i n gc h i pt ot h eb i t u m i n o u sp a v e m e n tc r a c ki m a g ep r o c e s s i n gr e s e a r c h i nt h eb i t u m i n o u sp a v e m e n ti m a g eb e s i d e sc o n t a i n st h er o a ds u r f a c ei n f o r m a t i o n w h i c hh a su st on e e d ，h a sc o n t a i n e dp o s s i b l ya l s ot h ei m a g en o i s e ( f o ri n s t a n c er o a d s u r f a c eo i lm a r k ，e a c hs u n d r yg o o d sa n ds oo n ) ，t h eb r e a k a g er o a ds u r f a c e ( f o r i n s t a n c ec r a c k ，h o l l o wa n ds oo n ) ，i na d d i t i o ne a s i l yi l l u m i n a t i o n ，w e a t h e ra n do t h e r f a c t o rd i s t u r b a n c e t h i sa r t i c l eo v e r a l le v a l u a t i o nb i t u m i n o u sp a v e m e n ti m a g ea n dt h e d s pc h a r a c t e r i s t i c ，r e a l i z e sb i t u m i n o u sp a v e m e n ti m a g ep r o c e s s i n go nd s p , a n d c a r r i e so nt h eo p t i m i z a t i o nt oi t i nd s pi m a g ed a t ap r o c e s s i n g ：f i r s to fa l l ，t h en e e df o rt h er o a ds u r f a c ei m a g e u s i n gas p e c i a ld a t as t r u c t u r es t o r e di m a g e so fg r a y s c a l ei m a g ed a t a , t h er e a l i z a t i o n o ft h en e e dt od e a lw i t hi m a g ed a t ac o m p r e s s i o n ，t h ed s pt or e d u c et h ea m o u n to f d a t at od e a lw i t ht h ef o l l o w - u p ；s e c o n d ，i m a g ee n h a n c e dp r o c e s s i n g ，i n c r e a s et h eu s e o ft w of i l t e r i n gb i n a r ys e g m e n t a t i o ni m a g ee n h a n c e df i l t e r i n g ，t oa c h i e v ei m a g e so f t h ec r a c k si na s p h a l tp a v e m e n ta s p h a l tp a r to ft h ee n h a n c e di n f o r m a t i o no i lt h ep a r to f i i o t h e rn o n i n t e r e s ti nw e a k e n i n gt h ei m a g eh a sb e e nv e r yg o o dt od e a lw i t h ；f i n a l l y ， t h eu s eo fe d g ed e t e c t i o na n de n h a n c e di t e r a t i v et h r e s h o l ds e g m e n t a t i o ni m a g e s a s p h a l tp a v e m e n tc r a c k sa f t e ri m a g ep r e p r o c e s s i n gf o rs u r f a c ec r a c k si nt h em a i n p a r a m e t e re x t r a c t i o n ，i n c l u d i n gc r a c k si n t h ea r e a ，c i r c u m f e r e n c e ，t y p e ，l e n g t h ， a v e r a g ew i d t h ，t h ep e r c e n t a g eo fs u c hc r a c k s f i n a l l y , t h eo p t i m i z a t i o np r o c e s s ，t h es y s t e ms o f t w a r et oo p t i m i z ep a r to ft h ec a l l i na d d i t i o nt oc 6 0 0 0c o m p i l e r o p t i m i z a t i o n , s o f t w a r ep i p e l i n i n go p t i m i z a t i o n p r o p e r t i e so fp u r ec o d e - l e v e lo p t i m i z a t i o n ，b u ta l s ot h es t r u c t u r eo ft h ep r o g r a ma n u m b e ro fo p t i m i z a t i o n , i n c l u d i n gs c a l a b i l i t y , c l a r i t y , p o r t a b l eo p t i m i z a t i o n ，e r e 。， w h i c hc o d ef o rt h ed e v e l o p m e n to ff o l l o w u pm a i n t e n a n c ew o r ki sv e r yi m p o r t a n t ， a n dv e r ye a s yt oi m p l e m e n t ，t h i ss y s t e md e v e l o p m e n tm e t h o da l s oc a nb ee a s i l y t r a n s p l a n t e dt oo t h e ri m a g ep r o c e s s i n gp l a t f o r m t h es y s t e mc a nb ea p p l i e dt oa s p h a l tp a v e m e n tc r a c k st oa u t o m a t i c a l l yd e t e c t a n db ea b l et or o a dm a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c eo ft h er o a ds e c t o rd e c i s i o n m a k i n g r e f e r e n c et os c i e n t i f i cd a t ad e t e c t i o n k e y w o r d s ：d s p ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ；a s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c e ；c r a c k ； p a v e m e n ts u r f a c ed e t e c t i o n i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：歹瞳谨莎量砷9 年6 月卜日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：箍佻丈 导师签名：钔、烈0 乏 罗年 伽孑年 钿，d 日 石月p 日 长安大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第一章绪论 根据我国交通部“公路工程技术标准”规定，高速公路是指能适应年平均昼 夜小客车交通量为2 5 万辆以上，专供汽车分道高速行驶并全部控制出入的公路。 从2 0 世纪3 0 年代起，高速公路在西方发达国家( 例如德国和美国) 开始出现， 并且为汽车交通提供特别服务的一种基础设施，经过八十多年的不断发展和探 索。目前，全世界已有拥有高速公路的国家和地区达到8 0 多个，通车总里程超 过了2 3 万k m 。其中美国、日本、德国、加拿大等发达国家已经构筑起与本国经 济和社会发展相适应的高速公路网。高速公路不仅是交通运输现代化的重要标 志，同时也是一个国家现代化的重要标志。 近十年来，伴随着国家综合国力的全面提升，我国陆路、航空、水路交通建 设经历了历史性的跨越式发展。从1 9 8 8 年我国大陆第一条高速公路正式通车到 现在，我国的高速公路建设取得了举世瞩目的成就，中国2 0 0 8 年新修通高速公 路6 4 3 3 公里，高速公路通车总里程达到6 0 3 万k m ，继续居世界第二位t l l o 交 通运输部计划2 0 0 9 和2 0 1 0 年继续保持基础设施的建设力度，特别是加大高速公 路和农村公路的建设，以保证经济平稳增长。力争2 0 0 9 和2 0 1 0 年交通固定资产 投资规模年均达到1 万亿元水平t 2 1 。 高速公路的发展使我们出行更加方便，更加快捷，也大大推动了我国经济的 快速发展，取得了巨大的成就。但高速公路的高速发展也给道路养护部门提出了 更高的要求，道路养护、路况监测、道路数据采集和使用性能评价等方面的技术 和手段远远落后于高速公路发展的要求，一定程度上已经成为我们国家高速公路 发展的瓶颈。特别是对路面病害的数据采集和病害的检测技术一直都发展比较滞 后，与欧美发达国家有着非常大的差距。 科学检测路面病害是控制施工质量的必要手段，是改进设计的主要途径，是 科学养路的基本根据，应用先进的检测手段和评价技术，可以科学地确定改造路 面的实际强度，从而可优化改造方案，经济合理地进行养护设计，降低造价，提 高使用性能，从而逐步提高公路的使用质量和服务水平。基于此种情况，对于科 学自动化的对高速公路沥青路面病害检测技术的研究就显得非常迫切和必要了。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 对于高速公路沥青路面的检测，常用的检测方法有两种，分别是人工检测 和仪器检测。由道路养护人员在高速公路上行走，看什么地方有裂缝然后记录， 最后回到部门进行统计的方法就是人工检测。人工检测采集沥青路面裂缝的信息 沿用了多年，但是也本身就存在诸多的问题，主要包括：( 1 ) 精确低：采集的数 据主要是一养护人员的主要判断为主( 2 ) 不经济且耗时间多：现在公路里程数 飞速剧增，人工不光速度慢而且人力资源成本也非常高( 3 ) 安全差：高速公路 车速都比较高，养护人员安全也是一个非常重要的问题1 3 1 。传统的仪器检测路面 裂缝就是在实际的公路工程养护管理中使用一些检测仪器( 例如3m 直尺、八轮 式平整度仪( 时速仅5k m h ) 、横断面尺等) 代替人工的检测，这种检测方法可 能精度比纯人工的要好一些，但是仍然存在费时费力，而且影响正常交通的缺陷。 由于电子技术和现代光学技术的不断发展，基于数字图像处理技术和激光技 术的多功能智能路面检测车出现了，该种检测车对于公路交通影响小，其测试精 度较传统的检测设备要高等特点，所以在路面检测中该检测车逐渐得到越来越广 泛的关注和应用h 1t 5 1 。 对于沥青路面质量评价，路面裂缝的检测一直是沥青路面自动检测识别技术 的难点，也是研究的重点问题，所以本文的研究重点就是路面裂缝的检测及相关 参数的提取。路面裂缝评价指标包括裂缝的面积、类型、长度等参数。自上世纪 八十年代开始，西方发达国家对于路面检测设备的研发投入了大量的人力和财 力，取得了不少非常有代表性的研究成果，已经产品化的多功能路面智能检测系 统也不少，典型的路面检测系统包括：南京理工大学的j g 1 系统，武汉大学的 s i n c r 1 m 、w a y l i n k 公司的d h d v 、瑞典道路交通研究所等p a v u e 系统、 g i e 公司的检测系统等。表1 1 列出了这些检测车的的主要技术参数及采 用的相关技术t 6 l 。 2 长安大学硕士学位论文 表1 1 典型的公路检测车的性能参数表 蓑要昙曩 翻试速度 霎釜嚣萎嚣磊茎喜篓蓉雾萎暴 共鬃双精密澈光高 j g - - i7 。k m h2 蝻1 0 m m i n 3 5 嘞0 1 勰i 一离线处理耋囊笔激喜耋 距法 $ i n c - - r t mo 6 。蝴1 5 帆lm mlm m 嵌入式微控制器( m i e r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ； 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d s p ) 。 其中m p u 是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能，较通用的微处理器。嵌入式微处理器 具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是当然其价格也相应 较高。目前主要的嵌入式处理器类型有s c 一4 0 0 、p o w e rp c 、a r m s t r o n g a r m 系列等，这些微处理器一般可以比较流畅的运行实时嵌入式操作系统。 m c u 的典型代表是单片机，和m p u 相比，m c u 的最大特点是单片化， 体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌 入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控 6 长安大学硕士学位论文 制，因此称微控制器。d s p 是可编程的，其并发操作的调度是在编译时完 成的，运行时只是执行程序，因此其芯片相对简单而且速度非常快。一般 来说，相同速度的d s p 在价格上是同等微处理器( m p u ) 低1 0 倍左右，而 且具有更低的电源电压和功耗，所以应用范围就会更大。 而对于一个通用的数字图像处理系统来说，在满足性能要求的基础上 成本控制是必须的。d s p 和m p u 同样能完成系统性能要求的前提下，d s p 是针对快速信号处理而设计的微处理芯片，数字图像处理作为数字信号处 理的一种应用，选择d s p 是非常可行的。至于m c u ，它的优势是做控制而 非信号处理。而数字图像处理的主要工作是信号处理，所以微处理器的选 择是d s p ，下面详细分析d s p 技术。 2 1 2d s p 处理器的结构及特点 d s p 数字信号处理1 1 0 1 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是- - i - 涉及许多学科而又 广泛应用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息 技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号 处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法， 这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在 通信等领域得到极为广泛的应用。 本文所说的d s p ，如没有特殊声明都是指数字信号处理器1 ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 。d s p 是一种具有特殊结构的微处理器，是以数字信号来处 理大量信息的器件。在众多的半导体厂商中，t i ( 德州仪器) 、a d 公司、a t & t 公司等在数字信号处理器领域具有非常强的实力，这三家公司的市场占有率 超过7 0 以上，t i 在中国大陆市场占有率接近一半。 目前市场上通用的数字信号处理器具有以下特点 1 2 1 ( 1 ) d s p 芯片采用改进的哈佛结构 ( 2 ) d s p 芯片采用多级流水线结构 ( 3 ) d s p 芯片采用多处理单元 ( 4 ) 其他增强配置 以上d s p 技术及特性的分析论述可以非常明显的得出结论，d s p 的是适 合做沥青路面图像处理的，所以选择性价比更高的d s p 芯片是接下来的主要 第二章沥青路面图像处理系统方案选择 工作。 2 1 3 沥青路面图像处理系统d s p 芯片选型研究 对于沥青路面图像处理系统，设计时d s p 芯片的选型时一个非常重要的环 节，d s p 芯片的选择关系到整个系统硬件部分的结构及软件部分的开发实现。对 于一般的系统而言，选择d s p 芯片时必须要考虑方面包括 1 4 1 ： ( 1 ) 数字信号处理运算速度：d s p 芯片的处理运算速度对于一个图像系统 来说是非常重要的，这关系到待处理对象能否在系统设定的时间内完成被正确有 效的处理，得到正确的处理结果，一般衡量一款d s p 芯片运算速度的指标有指 令周期、主频、m a c 时间、m i p s 、b o p s 等， ( 2 ) 硬件资源配置：以为本系统的芯片主要应用于图像处理领域，图像处 理传输以及处理结果的缓存等是系统关键部分，所以存贮器是一个非常重要的因 素，其他包括可扩展接口，能耗都是必须要考虑的因素。 ( 3 ) 开发成本：一个系统能否得到认可，除了能得到理想的处理结果，成 本也是一个非常重要的因素，包括d s p 芯片的价格，软件开发平台( 是否能为 开发者提供简单高效开发难度低的工具，包括开发环境的编译效率，开发语言的 支持程度等) ，硬件开发平台( 是否有比较成熟的可供前期测试和开发的各种实 验班以及仿真器等) 。 ( 4 ) 其他因素：例如产品封装形式、质量标准以及生命周期和电路板层数。 本系统是一个沥青路面图像处理系统，其大量的运算是图像相关的数字信号 处理运算，结合前面最新公路沥青路面检测的特点，t i 的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 是比较好的选择。 2 1 4t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 结构1 1 3 1t h d s p 芯片种类繁多，其中t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列是应用最广泛的d s p 芯片之一。 c 6 0 0 0 系列d s p 是t i 公司于1 9 9 7 年推出的新一代系列d s p s 芯片，兼容定点和 浮点的运算。其中t m s 3 2 0 c 6 2 x x 是定点系列，t m s 3 2 0 c 6 7 x x 是浮点系列。在 2 0 0 0 年上半年，t i 又发布了自己新款的c 6 4 x x 内核的定点型d s p 芯片，该芯 片其主频1 1 g h z ，处理速度达到9 0 0 0 m i p s ，在数字图像处理和流媒体领域得到 了广泛的应用。 c 6 0 0 0 系列d s p 最主要的特点可以总结为以下几点 8 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) c p u 结构：c 6 0 0 0 的内部结构框图如图2 1 所示，c 6 0 0 0 系列d s p 集 成了程序取指单元，指令分配和译码单元，两个数据通路( 每个数据通路包含四 个功能单元) ，c 6 2 x x c 6 4 x x 集成了3 2 个3 2 位寄存器，c 6 4 x x 有6 4 个3 2 位 寄存器，还包括控制逻辑单元和控制寄存器。 a d 啡巨 d a t af a m 3 2 一b i ta d d r e s s 8 1 g - 3 2 一i - , i td a t a 。1 2 kb i t s r 圳 c 6 0 c , 0c p uo z , r e p o ：, g r a mf e t c hc o n t r o i i n s t r u c t i o nd i s p a t c h r e g i s t e r s l n s , tr u c t i o nd e c o ：l e c o n t r o l d a t ap c - n h1 d a t ad a h2 l o g i c i ar e g i s t e r f i l e i br e g i s t e r f i l e k 5 t i 工i 卜1 工i 工 e m u l a t i o n i l 1 ls l l h d 1 li l 2 ls n t 1 2 1 d 2 i i n t e r r u 瞰s e x b o r h o s t 1 5 , - , f i 圉 图2 1t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 结构框图 ( 2 ) 中断：其处理外部事件是采取中断，其终端处理机制当处理中断时， 参照其i s t ( 终端服务表) ，t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 有8 个寄存器来控制中断。 ( 3 ) 流水线：其流水线包括取指、译码和执行，c 6 2 x x c 6 7 c c 可一次性 取指8 条，c 6 0 0 0 的可以提供8 级流水。 ( 4 ) 存储器：c 6 0 0 0 的片内存储器可以分为程序春出去和数据存储区，采用 两级的高速缓存区，另外c 6 0 0 0 系统可以通过片外存储器接口( e m i f ) 来使用 片外存储器，t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 其存储器地址范围达到4 g b 。 ( 5 ) 可用的配置资源：c 6 0 0 0 集成各种设备，包括定时器、d m a j e d m a ( 直接存储器控制器) 、m c b s p ( 多通道缓冲串口) 、e m i f 等 综合考虑众多因素后，结合本章前面讨论，决定选择t m s 3 2 0 c 6 0 x x 系列 中的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 作为图像处理系统d s p 的最终微处理芯片。本系统最终硬件 系统选择的是合众达公司的s e e d d e c 6 4 1 6 ，本系统采用t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 1 g h z ， 工作主频最高达1 g h z ，处理性能可达8 0 0 0 m i p s ，实现高速运算和大容量存储， 另外板子上采用c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 0 1 芯片实现u s b2 0 接口。这些能够 9 一一一 一一一一一 叭嘶一凹一m c c 第= # 青镕面图像赴理磊坑方案选掸 满足该系统的主要性能要求。 2 2 系统的方案选择 上面是关于系统硬件部分的分析下面在重点分析沥青路面图像的基础上给 出该系统的整体设计方案。 2 2 1 沥青路面圈像的分析 沥青路面路面在实际的使用过程中，由于受各种因素的作用。使得路面表现 出各种形态的破损，形成公路病害，一般影响因素包括车辆荷载因素( 如超载、 重复加载和水平荷载等) 、环境因素( 如温度变化、湿度变化和冰冻作用等) 、 旌工和材料等。裂缝是高等级公路路面最主要的一种病害形式”l ，也是本系统主 要研究和处理的对象。按沥青路面开裂的主要原因，可以分为荷载型裂缝和非荷 载型裂缝6 l 。 ( 1 ) 荷载型裂缝：荷载型裂缝主要指在行车荷载作用下产生的裂缝。在车 辆荷载的作用f ，沥青路面半剐性基层的底部会产生拉应力，这些慢慢的造成的 路面的裂缝破坏，在路面的使用过程中会逐渐发展，由原先裂成的大块继续破裂 成较小的块，路面面层上的弯沉值也会逐渐增加。 ( 2 ) 非荷载型裂缝：该种类型的型裂缝产生主要是由于温度变化引起的裂 缝，按裂缝的外观表现可以划分为纵向裂缝、横向裂缝、龟裂和网裂，这是目前 研究的热点也是本系统研究处理的对象。 1 纵向裂缝：纵向裂缝与路线方向基本平行，或稍有倾斜，大多数分布于路 面的中部，一部分在路中线两侧行车道附近或路面的边缘，温度和路基软化是产 生纵裂的重要因素。如图2 1 所示。 鬟 圈2 1 圾向裂麓 2 横向裂缝：横向裂缝一般沿路面宽度方向发展，且贯通整个断面但有纵 向裂缝处，横向裂缝中断。裂缝分布较规则，间距4 2 0 m m 不等，在同一路段 1 0 * 安大学十学位论文 基本等间距出现，而且由路面两侧向路中问贯通。如图22 所示 田2 2 横向裂缝 3 龟裂和网裂! 由于上基的强度低，在行车荷载的作用下，出现局部沉陷 引起路面的龟裂和网裂，如罔23 所示。 鼷震澜 图23 网状裂缝 各种裂缝的产隹对路面使用性能有不f 刊程度的影响。为了区分同一种裂缝 对路面使用性能的不同影响程度，对各种裂缝又按其影响的严重程度划分为几个 等级，见表21 1 1 7 。 裹21 沥青踌面裂缝分类分级指标表 计量 分类 分级 外观描述分级指标 单位 轻初期龟裂，缝细，无散落，裂区无变形 块度：2 0 5 0 c m 龟裂 自 裂块明显，缝较宽，无或轻散或轻度变形块度： 5 r a m x 0 2 m ) 横向轻缝壁无散落或轻微散落，无或少支缝缝宽： 5 m m 0 2 m ) 对于断裂或裂缝损坏，分级时主要考虑对结构整体性影响的程度，可采用缝 隙宽度、边缘碎裂程度、裂缝发展情况等指标表征；对于变形类损坏，主要考虑 对行车舒适性的影响程度，可采用平整度指标进行分级；对于表面损坏类，则不 需分级。而具体指标和分级标准则根据各地区的特点和其他因素综合衡量，最后 给出可行实用的标准。 沥青混凝土路面图像和其他类型的图像有非常大的不同，沥青路面图像其中 包含的内容本身就比较的复杂，除了包含有我们需要的路面信息外，可能图像中 还包含了诸多的图像噪声，比如路面油迹、各种杂物等，如图2 1 所示上面可以 看到散落的树叶；破损路面，比如裂纹、泛油、坑槽等，另外加之受光照、天气 等其他因素的干扰，给后续的图像处理工作带来了非常大的困难。 2 2 2 系统设计 基于以上的分析和研究，并且参考机器视觉( m a c h i n ev i s i o n ) 1 8 】【1 9 】系统 的结构模型，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系 统是指通过机器视觉产品( 即图像摄取装置，分c m o s 和c c d 两种) 将 被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、 颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标 的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。机器视觉系统是综合现代 计算机、光学、电子技术的高科技系统。机器视觉技术通过计算机对系统摄取的 图像进行处理，分析其中的信息，并做出相应的判断，进而发出对设备的控制指 令。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合， 常用机器视觉来替代人工视觉。 机器视觉系统的具体应用需求千差万别，视觉系统本身也可能有多种不同的 形式，但都包括以下过程： 1 2 长安大学硕上学位论文 ( 1 ) 图像采集。利用光源照射被观察的物体或环境，通过光学成像系统采 集图像，通过相机和图像采集卡将光学图像转换为数字图像，这是机器视觉系统 的前端和信息来源。 ( 2 ) 图像处理和分析。计算机通过图像处理软件对图像进行处理，分析获 取其中的有用信息。如p c b 板的图像中是否存在线路断路、纺织品的图像中是 否存在疵点、文档图像中存在哪些文字等。这是整个机器视觉系统的核心。 ( 3 ) 判断和控制。图像处理获得的信息最终用于对对象( 被测物体、环境) 的判断，并形成对应的控制指令，发送给相应的机构。如摄取的零件图像中，计 算零件的尺寸是否与标准一致，不一致则发出报警，做出标记或进行剔除。 本文的沥青路面图像处理系统方案主要构建模块包括：图像采集预处理模块 i a p m ( i m a g ea c q u i s i t i o np r e p r o c e s s i n gm o d u l e ) 、数字图像处理模块d i p m ( d i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gm o d u l e ) 、智能决策支持模块i d s m ( i n t e l l i g e n c ed e c i s i o n s u p p o s i n gm o d u l e ) 等其结构图见图2 4 i 图像采集预处理模块( i a p m ) 上土 l 数字图像处理模块( d i p 的 弋7 l 智能决策支持模块( i d s m ) 图2 4 系统总体设计原理框图 第一个模块( i a p m ) 主要是负责沥青路面图像的采集以及必要的预处理， 这也是其他后续处理的前提，其中的光照部分是非常关键的，这里稍作讨论。 沥青路面的光照情况非常的复杂，太阳光照时和阴天所需要的补光光源强度 的差距是非常大的，另外由于检测车在高速公路上行驶，车速至少大于7 0 k n o b ， 在采集速度能跟上的情况下，补光是必须的条件，如果补光不够将会使采集到的 图像质量变差，难以提取出有用的信息。 数字图像处理模块( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gm o d u l e ) 是其中的第二个模块 d i p m ，这是本文讨论和研究的重点部分。其主要设计原理图如下。 第一m * 哥蹄翻像处理系统方$ 选择 图 一 像 j t a g 仨 宝 数 u s b i 甚 n 巴 据 昏 pc机端dsp端 田2 5 数字图像处理模块硬件构架设计原理框圉 该部分d s p 端主要的软件流程见第四章详细葩述。系统开发和测试* 的实物图如图2 6 所示，左边是x d s 5 1 0 仿真器，其一端与p c 机的u s bf 月一端接d s p 的j t a g11 ，图右边是c 6 4 1 6 开发实验板。为了便于直接p 理效果，在p c 机端直接将纯扶度图像数据转化写成b m p 图像文件，这t 章不蒋讨论，以后主要阐述图像处理算法的研究。 圈2 7d s p 仿真开发连接图 第三个模块( i d s m ) 最终该检测系统面向用户的部分，根据前面处 得到的数据结合公路养护及管理相关的知识，给公路管理部门提供各种 据，比如裂缝的面积，裂缝部分的百分比裂缝的类型等等。以此可以为 护部用料以及养护提供比较科学的数据支持。 长安大学硕士学位论文 2 3 小结 本章主要是沥青路面如图像处理系统方案的选择，首先从硬件部分设计，在 分析和比较各种微处理器的基础上，选择使用d s p 做为该系统的微处理器芯片， 综合考虑d s p 选型的众多因素和对t m s 3 2 0 c 6 0 x x 系列进行分析，使用 t m s 3 2 0 c 6 0 x x 系列中的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 作为图像处理系统d s p 的最终微处理芯 片。第二节重点对沥青路面图像进行分析，综合考虑后提出了沥青路面图像处理 系统最终的设计方案。 第三章系统的硬件结构与软件开发 第三章系统的硬件结构与软件开发研究 3 1 系统组成 基于d s p 的沥青路面裂缝图像处理系统，主要包括三个模块，这里主要讨 论和研究的是的第二个模块( d i p m ) ，其设计原理图如图2 5 所示。本系统采用 的微处理芯片是美国德州仪器公司( t i ) 的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 ，采用北京合众达电子 有限责任公司的s e e d d e c 6 4 1 6 作为硬件开发平台；软件开发平台为t i 提供的 集成开发环境c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 3 3 。这些构成了本系统研究开发的 软硬件开发平台。 3 2t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 基本结构 3 2 1t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 结构 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 是t i 公司最近几年才推出的一款性能和价格比都非常高的定 点型数字信号处理器芯片，其中1 4 t 1 5 t 1 6 t 主要的结构相同，其结构框图见图 3 1 【2 l 】1 2 2 。 其主要的特点如下： ( 1 ) 高性能的定点数字信号处理器( h i g h e s t p e r f o r m a n c ef i x e d - p o i n td s p s ) c 6 4 1 6 的最高主频达到1 1 g h z ，指令处理能力可达8 8 0 0 m i p s ，8 条3 2 b i t 指令可以在单个机器周期内被执行。内部包含算术逻辑单元( a l u ) 6 个， 2 组各3 2 个3 2 位的通用寄存器组。t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的c p u 采用扩展的v e l o c i t i 2 结构( v e l o c i t l 2 e x t e n s i o n st ov e l o c i t ia d v a n c e dv e r y l o n g i n s t r u c t i o n - w o r d ( v l i w ) t m s 3 2 0 c 6 4 xd s pc o r e ) ，其结构如图3 2 所利2 2 1 。t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 其c p u 由两个通用的寄存器组( a 和b ) 、8 个独立的功能单元( l 1 、d 1 、s 1 、m 1 、l 2 、 d 2 、s 2 和m 2 ) 、两个数据读取通路( l d l 和l d 2 ) 和数据存储通路( s t l 和s t 2 ) 、 两个数据寻址通路( d a l 和d a 2 ) 、两个寄存器组交叉通路( 1