（交通信息工程及控制专业论文）路面裂缝自动检测图像识别系统研究.pdf

摘要 路面裂缝作为一种常见的路面病害，越来越受到公路管理和养护部门的重视。对于 这种病害的数据信息获取，传统的基于人工视觉检测裂缝的方法愈来愈不能适应公路发 展的要求，其耗人力、耗时、不精确、影响交通、检测危险、花费高等缺点，要求路面 状况调查能够自动完成。虽然基于数字图像处理的路面裂缝识别技术在国外已经有所发 展，但是由于路面图像的复杂性，数字图像处理算法仍在研究。 本文的研究是沥青路面自动检测软件系统的一部分，着重探讨基于数字图像处理公 路路面中裂缝病害的智能识别方法及其主要特征的提取，研究现代计算机图像处理技术 在路面自动检测中的应用。同时给出了一种基于图像处理的路面裂缝自动检测方法，使 用一种快速的针对灰度不均图像校正方法，对降质的路面图像进行增强去噪，然后进行 阈值分割，提取出图像上的线性特征，最后再根据线性特征从原来灰度图像上识别出裂 缝目标，得到比较满意的实验结果。 数字图像处理是本文的研究重点也是裂缝检测系统中的核心技术，主要包括图像增 强，图像分割，图像特征提取等几部分。针对问题的提出，通过对这几部分算法的研究， 各种算法特点的比较，本文尝试了使用中值滤波和大津法阈值分割分别对实验对象处 理，基本能够为特征参数的获取提供有效的裂缝信息。裂缝特征参数的计算是裂缝评价 的依据，在特征提取部分，文中使用细化等方法对裂缝图像做进一步处理分析，通过像 素点的统计，计算出裂缝的面积，长度，宽度等特征信息。将计算机图像处理结果与实 际公路现场检测结果对比表明该方法的可行性、准确性和有效性，能够得到比较满意的 效果。可以初步实现对公路路面裂缝图像的预处理、图像分割和相关的特征计算。 本系统可望应用于公路路面裂缝进行自动检测，并且能够为公路管理和养护部门的 决策提供路面检测的科学依据，同时对于类似的图像处理任务有借鉴意义。 关键词：路面裂缝数字图像处理自动检测路面检测图像增强特征提取 a b s t r a c t p a v e m e n tc r a c ka sak i n do fp a v e m e n ts t r u c t u r a ld a m a g ei ss e t e dg r e a ts t o r eb yt h e h i g h w a ya d m i n i s t r a t i o na n dt h em a i n t e n a n c ed e p a r t m e n t t ot h eg a i n i n go ft h i sl 【i n do f d i s e a s e sd a t am e s s a g e ，t h et r a d i t i o n a lv i s u a la n dm a n u a lr o a dc r a c kd e t e c t i o nm e t h o di sn o t f i tt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ew a y i ti sl a b o r - c o n s u m i n g ，t i m e - c o n s u m i n g ，i m p r e c i s e ，d a n g e r o u s ， c o s t l ya n da l s oi t c a l la f f e c tt r a n s p o r t a t i o n s ot h ea u t o m a t i cp a v e m e n ts u r v e yi sr e q u i r e d a l t h o u g ht h et e c h n i q u e so fd e t e c t i n gp a v e m e n tc r a c k sh a v em a d eg r e a tp r o g r e s s ，d i g i t a li m a g e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa r es t i l lu n d e rd e v e l o p m e n tb e c a u s eo fc o m p l e xp a v e m e n ti m a g e s t h i st h e s i si sap a r to fb i t u m i n o u sp a v e m e n ta u t o m a t i cd e t e c t i o ns o f t w a r es y s t e m i t d e s c r i b e sa nm e t h o do fa u t o m a t i cr o a dc r a c kd e t e c t i o n ，i n t e l l i g e n c er e c o g n i t i o na n dc h i e f f e a t u r ee x t r a c t i o nb a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，a n dr e s e a r c h sm o d e r nc o m p u t e ri m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nr o a ds u r f a c ea p p l i c a t i o no fa u t o m a t i cd e t e c t i o n a tt h es a m et i m ei t e n h a n c e st h er o a di m a g eb yu s i n gaf a s tc o r r e c tm e t h o da b o v ea l l ，t h e np r o c e s s e ss e g m e n t t h r e s h o l da n de x t r a c t sl i n e a rf e a t u r e ，a n dt h e1 a s ti st h ei d e n t i f i c a t i o no ft h ec r a c kf r o mt h e o r i g i n a l 伊a yi m a g e ，t h e r e b yw ec a no b t a i nt h eq u i t es a t i s f a c t o r ye x p e r i m e n t a lr e s u l t d 缚t a li m a g ep r o c e s s i n gi st h ee m p h a s i so ft h i st h e s i sr e s e a r c h ，a n di t i sa l s oc o r e t e c h n o l o g i e si nt h ec r a c ka n a l y s i ss y s t e m ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e st h ei m a g ei n t e n s i f i c a t i o n ，t h e i m a g ed i v i s i o n ，t h ei m a g ef e a t u r ee x t r a c t i o na n ds oo n i nv i e wo fq u e s t i o ns t a t e m e n t ，w e r e s e a r c ht h e s ep a r t s ，a n dc o m p a r ew i t hs e v e r a la l g o r i t h mc h a r a c t e r i s t i c s t h e n ，w eh a v eu s e d m e d i a nf i l t e r i n ga n do t u st op r o c e s st h ep a v e m e n tc r a c ki m a g e i tb a s i c l yc a ns u p p l yt h e c r a c ki n f o r m a t i o nf o rt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rg a i n t h ec a l c u l a t i o nf o rc r a c kf e a t u r e p a r a m e t e r si sd a t af o u n d a t i o n so fc r a c ke v a l u a t i o n i nf e a t u r ee x t r a c t i o np a r t ，w er e f i n et h e c r a c ki m a g ef o rf u r t h e rt h ea n a l y s i s t h r o u g hp i x e ls t a t i s t i c s ，c a l c u l a t i n gt h e a c t u a la r e a ，t h e l e n g t h ，w i d t ha n ds oo nc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o no ft h ec r a c k t h er e s u l to fc o m p u t e ri m a g e p r o c e s s i n gs h o w st h a ti ti sf e a s i b i l i t y , a c c u r a c ya n de f f e c t i v e n e s st ot h er e s u l to fa c t u a lr o a d s c e n et e s t i n g ，a n dt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dt e s t i n gr e s u l ta r eq u i t es a t i s f a c t o r y w em a y p r e l i m i n a r yr e a l i z et ot h er o a ds u r f a c ec r a c ki m a g ep r e t r e a t m e n t ，t h ei m a g ed i v i s i o na n dt h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rc o m p u t a t i o n i i i i na d d i t i o n ，t h e s ea l g o r i t h m si nt h er e s e a r c hc a nb ea p p l i e dt oa n a l y z et h er o a ds u r f a c e c r a k ea u t o m a t i c a l l y , a n dp r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i cp a v e m e n td e t e c t i o nd a t af o rt h eh i g h w a y a d m i n i s t r a t i o na n dt h em a i n t e n a n c ed e p a r t m e n t sd e c i s i o n m a k i n g ，a l s ob eu s e df o rr e f e r e n c e i no t h e rs i m i l a ri m a g ep r o c e s s i n gc a s e s k e yw o r d s ：p a v e m e n tc r a c k ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，a u t o m a t i cd e t e c t i o n ，p a v e m e n t d e t e c t i o n ，i m a g ee n h a n c e m e n t ，f e a t u r ee x t r a c t i o n i v 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： 褥蜊 弓年多月日 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： 稻吲 洲g 年石月2 日 导师签名： 盈车日匆吾年易月寻日 长安人学硕士论文 1 1 课题研究目的及意义 第一章绪论 在我国国民经济的蓬勃向上的环境下，公路交通运输业也得到了迅猛的发展，公路 交通量大幅度增长，它已成为人们普遍关心的问题和一个地方社会经济发展的标志。路 面质量对于行车安全性、舒适性、经济性以及公路使用周期具有重要的影响。因此，人 们对公路路面质量及其养护提出了更高的要求。截至2 0 0 6 年年底，我国公路总里程已 达3 4 5 7 万公里，公路密度达到3 6 公里百平方公里。全国等级公路总里程达2 2 8 2 9 万 公里，高速公路总单程突破4 5 3 万公里，稳居世界第二，今年年底将突破5 万公里，由 于各种原因，我国道路养护技术处于低水平，这与近年我国迅猛发展的社会经济状况对 道路提出的高要求很不相称。 公路建成后，因反复承受车轮的磨损，以及冰、雨、雪等各种自然因素的影响，路 面必然会造成各种病害或损坏，影响公路的服务水平。对病害发现不及时，处理不到位， 势必影响路面的使用寿命，并花费大量的养护费用。要保持公路的服务水平，就必须加 强公路的预防养护及管理。需要定期的对公路路面状况进行调查，以便做出相应的维护 策略。其中路面裂缝问题又是一个典型的病害现象n 1 。若能在裂缝的出现初期就发现， 那么将使它的维护费用将大大降低。如何在不影响正常的交通秩序下，快速对整段路面 做以全面调查并定位到问题区，已经成为有待解决的一大难题。传统的基于人工视觉检 测裂缝的方法愈来愈不能适应公路的迅猛发展。9 0 年代以前，公路管理部门对这些公路 路面管理缺乏系统的数据采集、评价和科学的养护决策管理，常常由于经验限制及缺乏 对路面破损和破损程度的定量评价，使路面养护方案不尽合理，由此造成路面质量的下 降和使用费用的上升。 近年来，国内外研究部门结合高科技开发了许多公路数据采集设备，如几何数据检 测仪、路面自动弯沉检测车、交通自动记录仪、轴重仪、雷达测速仪等用于路面数据的 自动采集。但路面数据中最重要的指标之一路面破损数据仍主要采用人工检测。人工检 测效率比较低且耗费大量时间，野外操作不安全1 2 1 。同时，人工检测人为性较大，难以 对路面破损进行客观和准确的评价。因此，研究路面破损自动检测技术，并结合高新技 术来开发和设计高效、快速、准确的路面破损自动检测系统具有重要的意义。 为改变这种状况，适应现代化、大规模、高速度和高质量的公路养护管理要求，交 第一章绪论 通部在长期、大规模研究的基础上，于1 9 9 1 年推广实施了国家重点新科技推广项目一 。一路面管理系统( p m m s ) 。路面管理系统决策依赖于大量、精确的路面数据信息，主要 包括公路几何信息、路面破损、平整度、弯沉、摩擦系数、交通量、车速和轴重等。路 面数据信息的获取依赖于高效、快速的检测设备。 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。 鉴于此，本文具有鲜明的重要意义，通过对路面自动检测系统的设计研究，探讨适 合路面病害检测的自动化的有效方法。首先利用公路路面图像采集设备实现获取路面图 像的功能，采用数字相机或者数字摄像机等获取公路路面的外观信息，将路面数字图像 传入计算机，为后续处理提供清晰准确的原始图像及其它相关信息。在计算机中经过软 件处理之后，有关结果和数据可输出到文件或打印出来，为裂缝修复提供可靠数据。本 文以病害中的主要病害裂缝类病害为研究对象，通过对裂缝图片的处理，提取病害 特征，提供破损报告，完成裂缝自动化检测系统设计中的软件设计研究工作。图像处理 和分析系统构成如图1 1 所示： 图1 1图像( 处理和分析) 系统的构成 1 2 国内外高等级公路路面检测研究现状 在2 0 世纪7 0 年代，美国公路网中的大部分路面已经达到了设计年限。虽然各州在 路面的养护方面的投资逐年增加，仍然难以使路网服务水平保留在公众可以接受的水平 之上。于是许多道路研究人员将注意力由路面设计转向道路养护管理工作，将系统工程 科学、经济比较分析引入路面的日常维护工作。随着计算机科学的飞速发展，也为路面 状况的检测及其数据处理提供了极大的方便。国外2 0 世纪9 0 年代初期开始进行这方面 2 长安大学硕士论文 的研究，到了9 0 年代末期，美国各卅i 都开始筹建自己的路面管理系统( p m s ) ，已日臻 成熟1 3 1 。 英国运输部1 9 8 0 年开始以信函和附录的形式颁布干线公路管理和养护说明，1 9 9 1 年，美国杂志( t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hr e c o r d1311 刊登了”a no p e r a t i o ns y s t e mo f p a v e m e n td i s t r e s sd i a g n o s i sb yi m a g ep r o c e s s i n g 等5 篇论文，报道了将图像处理应用于 公路路面状况检测的研究进展。19 9 8 年3 月，y o n gg e nh u a n g ，h o w a r dt i l l o t s o n 和m a r t i n s n a i t h 在i e e e 中发表了论文“m a s s i v e l yp a r a l l e lc o m p u t i n gt e c h n i q u e sm i g h ti m p r o v e h i g h w a ym a i n t e n a n c e ”，设计了可用于实时公路路况自动检测的并行处理系统，采用处 理单元阵列，分两步对公路路面图像进行并行处理，来识别裂缝等“病害 。1 9 9 9 年， c a l i f o r n i a 大学公路研究中心的c l a r ks c h e f f y 和e dd i a z 发表了题为“a s p h a l tc o n c r e t e f a t i g u ec r a c km o n i t o ra n da n a l y s i su s i n gd i 酉m li m a g ea n a l y s i st e c h n i q u e s 的论文，文 中讨论了如何在路面检测中应用c a l a p t 方法，利用现有软硬件进行图像处理获得数 据。2 0 0 3 年1 月，美国阿肯色州立大学的k e l v i nc p w a n g 发表论文“a p p l i c a t i o no f a a s h t oi n t e r i mp r o t o c o lt oa u t o m a t e dp a v e m e n td i s t r e s ss u r v e y ”，提出用数字公路数据 采集车获得高清晰度的数字图像，用实时破损自动分析系统识别裂缝，并在美国阿肯色 州的公路上进行了实验，结果表明这种实时“病害”自动检测系统速度快，准确度高。 国外设计的系统可以在无需关闭公路，正常行驶速度下检测，利用g p s 技术实现 对裂缝地精确定位，并且由于图像采集、裂缝检测算法的改善优化和硬件升级，检测精 度有了很大的提高，有的系统已经可以识别2 m m 宽的裂缝。但是到目前为止，全自动 路面裂缝识别系统的图像处理技术尚存在很多问题，图像处理算法还将是研究的重点。 随着我国近几十年公路的发展，一大批公路( 尤其是等级较低的路面) 相继达到设 计年限。加之交通量不断增加，使路面的破坏程度不断增大。因此，广大公路工作者把 目光投向了公路的养护管理，路面管理成为研究的焦点之一。1 9 8 5 年交通部在营口移植 了英国的养护管理系统( o s n ) ，1 9 8 7 年湖南省开发了适合本地区的简单的路面养护管 理系统( p m m s ) 并投入使用。此后，广州、北京等地也相继开发了自己的p m m s 。各 管理部门需采集的路面状况数据主要有：平整度、路面损坏、结构承载力和抗滑能力等 四个方面。其中，路面损坏状况调查是比较费时费力的“钉。 我国目前还主要依靠人工检测，效率低，不安全，人为因素较大，也难以满足路面 管理的数据采集要求，而且目前国内外还没有一种被公认可靠的检测系统。路面损坏所 表现出的形态和特征是多种多样的，裂缝是沥青路面的最主要的病害，而路面裂缝更是 3 第一章绪论 较难计测的一种破损。裂缝损坏约占路面损坏类型的三分之一以上，它是最具普遍性的 损坏类型。路面裂缝是结构性破损中比较常见的一类，轻则影响路面观瞻，重则影响行 车安全和高速公路的使用寿命。因此，研究路面裂缝检测技术，开发高效、快速、准确 的路面裂缝识别系统具有重要的理论意义和现实意义。由于高速公路的路面主要是沥青 路面，本文主要针对沥青路面进行路面裂缝识别与评价技术的研究。 1 3 本文的主要内容和主要研究工作 本文为了减少或避免人为因素的影响，研究设计裂缝识别与评价系统，实现自动识 别裂缝、计算裂缝特征参数、判断裂缝严重程度。开展这方面的研究前提是通过硬件系 统采用的车载c c d 摄像机来采集路面图像，实时地传入计算机或存储系统中，从而进 行实时或离线的处理和分析。 系统基本工作原理如图1 2 所示，系统的工作流程可分为三部分：图像获取、图像 处理和图像解释。图像的获取是通过安装在检测车上的摄像机和计算机来实现的。拍摄 的路面图像经过数字化，传入计算机进行存储。路面图像的数据量非常大，所以必须经 过压缩，实时存储在硬盘，可以实时或离线地进行数据处理。静止图像的压缩一般采用 j p e g 格式进行压缩。数字图像处理和图像解释是系统的核心，包括图像预处理、裂缝 特征识别和裂缝评价。首先对裂缝图像进行滤波处理，减少噪声，并对裂缝边缘进行增 强，提取裂缝，并识别裂缝类型、计算裂缝特征值、统计裂缝数量，并依据裂缝评价标 准输出结果。 图像获取图像处理和图像解释 图1 2 路面裂缝自动检测系统 本文主要针对路面图像处理和解释这两个阶段： 4 长安大学硕上论文 第一阶段是图像处理，即对原始裂缝图像中通过图像处理方法把裂缝提取出来； 第二阶段是图像解释，通过算法实现裂缝特征提取并计算其面积，长度，宽度，最 后输出特征信息报告。 文给出了一种基于图像处理的路面裂缝自动检测方法，首先使用一种快速的针对灰 度不均图像校正方法，对降质路面图像进行增强，然后进行阈值分割，提取出图像上的 线性特征，最后再根据线性特征从原来灰度图像上识别出裂缝目标。整个软件系统采用 面向对象的编程技术，设计界面友好，且易于操作。将计算机图像处理结果与实际公路 现场检测结果对比表明该方法的可行性、准确性和有效性。公路路面状况自动检测系统 从功能上可分为公路路面图像采集、病害分析识别和病害特征提取三个子系统。系统原 理框图如图1 3 所示。 图1 3 公路路面状况自动检测系统原理框图 整个系统可以运行在野外的测试车上，其中公路路面图像采集子系统采用先进的图 像采集技术( 如c c d 摄像机等) 获取公路路面的外观信息，为后续处理提供准确的原始 图像及其它相关信息。“病害 识别子系统主要是利用恰当的数字图像处理技术对采集 到的公路路面图像进行分析，从正常的路面中正确分割出“病害 的位置与形状。“病 害巩特征提取子系统主要是针对识别出的“病害，统计其面积和长度等特征，为公路 管理和养护部门提供数据支持。 5 第二章沥青路面裂缝分析与评价 第二章沥青路面裂缝分析与评价 2 1 沥青路面裂缝分类 路面裂缝属于裂缝类病害，荷载或环境因素造成了沥青路面的开裂，破坏了路面结 构的完整性，沥青路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样，影响裂缝轻重程度的主要 原因有：沥青和沥青混合料的性质、基层材料的性质、气候条件( 特别是冬季气温及其 变化量) 、交通量、车辆类型以及施工因素等。裂缝的形式包括龟裂、网( 块) 状裂缝、 纵向裂缝和横向裂缝。在一年当中，路面的裂缝数目和宽度随春夏秋冬四季呈现大一小 一大的发展变化过程。在冬季裂缝宽度和数量都有明显增加，而在夏季有所减少。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。 2 1 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。在车轮荷载的作用下，半刚性基 层的底部要产生拉应力，如果最大拉应力大于基层的抗拉强度，则基层将会很快开裂。 在行车荷载的反复作用下，裂缝将逐渐向上扩展到面层上来。同样，行车荷载会使沥青 面层的底部产生拉应力，从而引起面层的开裂。由车轮荷载产生的裂缝反映在面层上， 往往不是单独的、稀疏的或较有规则的，而是稠密的，有时互相联系的裂缝，甚至是网 状的裂缝，严重时还往往伴随表面的变形，如辙槽或沉陷。这类裂缝是稳定土基层破坏 的标志。由于强度不足而造成的裂缝破坏，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 1 2 非荷载型裂缝 非荷载型裂缝主要是指由于温度变化引起的裂缝，如反射裂缝、面层缩裂、温度疲 劳裂缝等。按裂缝的外观表现来分，可分为纵向裂缝、横向裂缝、龟裂和网裂。 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，如图2 1 所示。其开裂长度一般为几米或几十米， 宽度多在1 - 5 m m ，深度一般为5 一- - 4 0 m m 。中部裂缝较宽、较深，边部裂缝较细、较浅。 纵向裂缝相对较少，其产生原因主要与路基的不均匀沉降、不同路幅施工的接茬没有处 理好有关，在车辆荷载与大气因素共同作用下逐渐开裂：另一种原因是由于路基压实度 6 长安大学碗论文 不均匀或由于路基边缘受水侵蚀产生不均匀沉陷而引起，纵向裂缝常以单条裂缝出现。 温度和路基软化是产生纵裂的重要因素。 图2 2 横向裂缝 横向裂缝一般为非荷载型裂缝，包括面层缩裂、温度疲劳裂缝和基层反射裂缝等3 种类型。在每年的i o 1 1 月气温骤降，沥青面层内产生较大的温度应力，当应力值等 于或大于材料的抗拉强度时，面层就会产生缩裂；而当气候多变、晷夜温差大时在不 断的温度循环作用下，沥青混凝土的极限拉伸应变变小，应力松弛性能降低，如果温度 应力大于材料的强度，路面就会产生开裂称之为温度疲劳裂缝。 3 龟裂和网裂 * = 沥i 自缝n 析与w 价 由于土基的强度低，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， 如图23 所不。其原因可能足路面结构设计不合理，路基路面压实度不足，路面材料配 比不当或未拌和均匀等；另外，纵横向裂缝出现后，没有及时处理，未及时封填，致使 水分渗入下层，尤其在融雪期间珠融交加，逐渐发展相互连接也形成网裂。再者，沥 青路面经过长期的使用，沥青的老化也可导致路面网裂。沥青老化，脆性增加，低温变 形能力变差，在行车荷载的作用下出现网裂。 一 图2 3 网状裂缝 对十沥青路面裂缝成园如表2l 所示“1 ： 表2 1 沥青路面裂缝气候成因分类表 裂缝类型 形状发展情况 开裂时问路而变形稃度 低温衍载裂缝 阿状、龟裂 由下向上初冬路拱小变形 低温收缩裂缝横向贯穿 由上向下初冬骤冷无路拱变形 温度府力疲劳裂缝有定间距 横枷裂缝 反射裂缝 由r 向上 初冬 无路拱变形或小变形 宵定间距 冻胀裂缝网状由下向上( 慢) 深冬 路拱变形 2 2 我国沥青路面裂缝评价标准 各种裂缝的产生对路面使用性能有不同程度的影响。裂缝初现时缝隙小，边缘 处的材料完整，囚而对行车舒适的影响较小，裂缝问尚有较高的传荷能量；而发展到后 期，缝隙很宽，边缘处严重碎裂，行车出现较大颠簸，而裂缝间己几乎无传荷能力。因 此，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 8 长安大学硕士论文 重程度划分为几个等级，见表2 2 7 1 。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。 表2 2 沥青路面裂缝分类分级指标 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 一- 5 0 c m 龟裂中裂块明显，缝较宽，无或轻散或轻度变形块度： 5 m 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 o 2 m ) 对于沥青路面，通常用裂缝的面积、长度或条数量测值，除以被调查子路段的面积 或长度后，来表示该路段的裂缝损坏状况。 g = 等竽 ( 1 ) 式中： c k ：沥青路面总裂缝率( m 2 1 0 0 0 m 2 ) ； c ：龟裂及块裂的总面积( m 2 ) ； l ：单根裂缝的总长度( m ) ； a ：测试路段路面面积，以1 0 0 0 m 2 计： 口：裂缝换算成面积的折算系数( 取口= 0 3 ) 龟裂和块裂均以块状开裂或龟状裂缝的外接矩形面积计量。在没有龟裂和块裂的路 面上，沥青路面横向裂缝或纵向裂缝等单根裂缝应按式( 1 2 ) ，式( 1 3 ) 计算裂缝度， 总裂缝度按( 1 4 ) 计算： 9 第二章沥青路面裂缝分析与评价 c l 。：罂 ( 1 2 ) c l d2 等 n 2 c 。：罂(13)2 d2 等 n 3 ) q = c 1 d + g j + ( 1 4 ) 式中： q ：沥青路面的总裂缝度( m 2 1 0 0 0 m 2 ) ： g d ：沥青路面的横向裂缝的裂缝度( m 2 1 0 0 0 m 2 ) ； c 2 d ：沥青路面的纵向裂缝的裂缝度( m 2 1 0 0 0 m 2 ) ； l 1 ：横向裂缝总长度( m ) ； l 2 ：纵向裂缝总长度( m ) ； 2 3 路面裂缝检测硬件系统简介 路面裂缝检测的硬件系统结构设计是系统实现的关键之一，根据系统实现目标和可 行性的分析以及实验条件，设计硬件系统由计算机系统、摄像系统、照明系统和稳压电 源四大部分组成，具体设备有承载车、c c d 摄像机、计算机、辅助照明设备、测距仪、 稳压电源、g p s 等8 。 将系统设计成了车载式，可以使系统在正常交通下进行工作。采用高性能的摄像系 统及图像处理系统，确保在较高的车速下获取可靠的、清晰的路面图像。考虑到所拍摄 路面的宽度，结合摄像机的特性，选择所需摄像机的数量，并在检测车上固定好摄像机 的安装角度、高度和位置。当采用模拟摄像机时，需要安装图像捕捉卡，把模拟信号转 化为数字信号，传入计算机。本系统硬件设计中使用的是c a m e r al i n kp c i 图像采集卡， 支持2 个b a s e 或1 个m e d i u mc a m e r al i n k 配置，可在2 路黑白，2 路r g b 或一路 黑白，一路r g b 视频信号间进行连接切换，可采集线阵或面阵视频信号，采集率达到 5 0 m h z c c d 摄像机是借助光学系统将光信号转化为电信号，被摄物体的图像经过镜头聚 焦至c c d 芯片上，c c d 根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视 频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。将视频信号连 长安大学硕上论文 接到监视器或电视机的视频输入端，便可以看到与原始图像相同的视频图像。本系统设 计的硬件设备中使用的是：数字线阵c c d ，4 0 8 0 像素，黑白输出，线速率达到1 4 1 k h z 。 摄像机的成像受被测路面的光照条件影响很大，为了保证系统在任何环境下正常工 作，需配置辅助照明设备，提供均匀的光照条件，保证图像质量。为了实现裂缝的精确 定位，测距仪也是必不可少的。另外，稳定的电源是保证系统正常工作的必要条件。整 个系统将安装在测试车辆上，车上各种设备的交、直流供电情况需要考虑在内。因此， 这里必须选择一个合适的稳压电源和调光电源向照明系统、摄像系统和计算机系统进行 供电。 摄像系统由两部分组成：c c d 摄像机、速度传感器和光学系统。由于o s 摄像机对 被测路面的光照情况要求很高，太强或太弱的光线都不利于路面在c c d 摄像机中的成 像，所以需要借助光学系统将光信号转化为电信号，形成视频信号。速度传感器用来测 量车辆的行驶速度信息，通过该信号来控制c c d 摄像机摄取路面图像的速率。 计算机系统由四部分组成，包括图像采集卡、图像存储显示、d m i 测距仪g p s 定 位系统。图像采集卡的主要是完成对图像模拟视频信号的模数转换，经过抽样与量化， 将模拟视频信号转化为数字图像，并存储在计算机的存储器上。应用d m i 测距仪和g p s 系统来测量和记录裂缝图像的位置，以实现对裂缝图像的精确定位。 照明系统在路面裂缝图像摄像系统中占有非常重要的地位。在自然光下，由于路面 状况的退化和自然光的光强的非均匀性，所摄取的路面裂缝图像背景变化很大。光照强 度过强、过弱或者光照不均匀都不利于摄像机成像。同在自然光下摄取的图像相比，人 工光源下摄取到的图像背景光照相对均匀，比较有利于图像处理，可以提高裂缝识别的 准确度。因此，照明系统在路面裂缝图像摄像系统中是必需的。 本次设计在硬件系统提供图像数据的前提下主要应完成如下的工作步骤： 路面 路面路面路面路面 图像 图像图像图像破损 增强分割特征状况 读取 处理处理提取评估 图2 4 路面裂缝图像处理流程 第二章沥青路面裂缝分析与评价 2 4 本章小结 本章首先对沥青路面裂缝的分类方式、类型定义、成因及评价标准进行分析学习， 为后续软件系统的构建设计提供有效的基础参数和规范依据。通过对路面裂缝检测技术 硬件系统介绍，了解基于c c d 路面裂缝检测中采集的系统结构，提出并分析了c c d 成 像技术为基础的路面裂缝检测系统的硬件构成和系统功能，为软件系统研究提供准确清 晰的裂缝图像依据。 1 2 长安大学硕上论文 第三章路面裂缝图像的预处理 3 1 数字图像处理技术概述 3 1 1 图像处理分类 图像处理技术从广义上可以看作是各种图像加工技术的总称，包括利用计算机和其 它电子设备进行和完成的一系列工作，例如图像采集、获取、编码、存储和传输等等。 图像处理技术基本可以分为两大类：模拟图像处理和数字图像处理。 1 模拟图像处理 模拟图像处理( a n a l o gi m a g ep r o c e s s i n g ) 包括光学处理( 利用透镜) 和电子处理，如照 相、遥感图像处理、电视信号处理等。模拟图像处理的特点是速度快，一般为实时处理， 同时可并行处理。电视图像是模拟图像处理的典型例子，它处理的是活动图像，2 5 帧 秒。模拟图像处理的缺点是精度较差，灵活性差。 2 数字图像处理 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 一般都用计算机处理或实时的硬件处理，因 此也称之谓计算机图像处理( c o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n g ) 。其优点是处理精度高，处理内 容丰富，可进行复杂的非线性处理，有灵活的变通能力，一般来说只要改变软件就可以 改变处理内容。其缺点是处理速度还是一个问题，特别是进行复杂的处理更是如此。一 般情况下处理静止画面居多，如果实时处理一般精度的数字图像需要具有1 0 0 m i p s 的处 理能力；其次是分辨率及精度尚有一定限制，如一般精度图像是5 1 2 x 5 1 2 x 8 b i t ，分辨 率高的可达2 0 4 8 x2 0 4 8x1 2 b i t ，如果精度及分辨率再高，所需处理时间将显著地增加。 广义上讲，一般的数字图像很难为人所理解，因此，数字图像处理也离不开模拟技术， 为实现人机对话和自然的人机接口，特别需要人去参与观察和判断的情况下，模拟图像 处理技术是必不可少的9 1 。 3 图像函数 图像可以表示为两个或三个变量的连续函数，在简单的情况下变量是平面的坐标 ( x ，y ) ，不过当图像随时问变化时可以加上第三个变量，。 图像函数的值对应于图像点的亮度。函数值也可以表示其他物理量使我们得以避免 对图像的成像过程进行描述，这个过程是非常复杂的。对于一般的线性系统，往往用时 1 3 第三章路面裂缝图像的预处理 间作为参数来描述图像变换，表示一维( r ) 系统。在图像处理中是用空间作为参数来描 述，通常表示为二维( x ，y ) 系统。输入函数f ( x ，y ) 表示原始图像，输出函数g ( x ，j ，) 表示 经过处理后的图像，线性系统可看作是一种映射，它反映了各种线性的图像处理方法。 系统的输入和输出关系表示为 g c x ，y ) = 沙 厂( x ，y ) 】 这里应当指出：对于一维实际系统，其变量为时间t ，系统的输出是过去和现在的 函数，但不是将来的函数，此系统称为因果系统，一般地讲，图像处理的二维系统为因 果系统，因空间变量( x ，y ) 相对于某参考轴可为负值n 。一般的数字图像处理计算方法 本质上都可视为线性的，处理后的输出图像阵列可看为输入图像阵列的各个元素经加权 线性组合而得到，这种空间线性处理要比非线性处理简单。但对于图像处理的运算来说， 由于图像阵列很大，如果没有有效的算法，计算上很繁琐且费时，往往采用各种图像变 化的方法，如傅立叶变换，沃尔什变化等处理技术，可获得更有效的处理。 3 1 2 数字图像处理目的 数字图像处理是利用计算机系统对数字图像进行各种目的的处理，根据处理目的可 分为两类： 1 ) 一类图像处理的目的是改善图像的质量，它以人为对象，以改善人的视觉效果 为目的。此时输入的是经图像输入设备( 如c c d 摄像机) 和数字化后的数字图像。由 于各种原因产生的干扰、噪声、模糊等使输入图像质量变差，经过数字图像处理后输出 的是提高质量的后的图像。 2 ) 另一类图像处理的目的是识别目标或对识别对象的分类，它以机器为对象，处 理的目的是使机器或计算机能自动识别目标，称为图像识别。图像识别系统的输入是经 过预处理的改善质量后的图像，输出的是图像中目标物体的识别或分类结果。 上述两类研究目的在本文中都有研究，主要目的就是通过数字图像处理后输出能够 提取裂缝目标特征的图像。 3 1 3 数字图像处理主要研究内容 数字图像处理主要研究的内容有以下几个方面： 1 ) 图像编码压缩 1 4 长安大学硕士论文 图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量，以便节省图像传输、处理时间和减少 存储器容量。压缩可以在不失真前提下获得，也可以在允许的失真条件下进行。编码是 压缩技术中重要的方法，它在图像处理技术中发展最早。 2 ) 图像增强 图像增强目的是为了提高图像的质量，如去除噪声，提高图像的清晰度等。图像增 强不考虑图像降质的原因，突出图像中所感兴趣的部分，如强化图像高频分量，可使图 像中物体的轮廓清晰，细节明显；如强调低频分量可减少图像中噪声影响。 3 ) 图像分割 图像分割是数字图像处理关键技术之一，它是将图像中有意义的特征部分提取出 来，包括图像的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。虽然已 有不少边缘提取、区域分割的方法，但还没有一种普遍的适用于各种图像的有效方法。 因此，图像分割的研究还是目前研究的热点之一。 4 ) 图像描述 图像描述是图像识别和理解的必要。作为最简单的二值图像可采用其几何特性描述 物体的特征。一般图像描述方法采用二维形状描述，有边界描述和区域描述两类方法。 本文主要研究裂缝图像预处理中的图像编码、增强，以及图像分割，特征提取。m 1 3 2 裂缝病害图像预处理 在裂缝图像的采集过程中，路面裂缝图像处理受噪声干扰相当严重，如路面的纹理、 集料和结合料之间的亮度差异、两旁树木的阴影、掉落在路面上的杂物、油污、不均匀 的光照，c c d 相机抖动( 动态采集) 等影响，病害图像中不可避免的存在大量的噪声， 这为以后的工作带来许多不便，使得利用计算机进行裂缝识别时难度大增。要消除这些 噪声，一方面可以通过研究每一类噪声的规律和特征，通过算法消除；另一方面可以通 过对硬件系统的改善，如采用照明设备可以消除由光照不均匀引起的噪声和树木的阴影 等。本文以软件处理为主，在对图像进行处理时，只用一种方法就能解决问题的情况很 少，大多是几种方法结合起来使用，在预处理中主要包括：图像格式识别、原始图像灰 度化、图像均衡、图像增强去噪和边缘检测等几部分组成，预处理过程如图3 1 所示。 1 5 第三章路面裂缝图像的预处理 裂缝病害图片 图像预处理 图像格式识别 _ 叫实现常见图片格式识别 灰度图- 1 将图像灰度