（载运工具运用工程专业论文）沥青路面微观形貌采集系统研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 沥青路面微观形貌特性是评价路面抗滑性能的重要指标之一。沥青路面的 抗滑性能主要受路面微观纹理和宏观纹理的影响。合理的纹理特征参数能够准 确预测路面抗滑性能。对于沥青路面微观形貌的采集是研究沥青路面形貌特征 参数的基础，也是为探索沥青路面微观纹理、宏观纹理对抗滑性能影响机理和 路面抗滑性能综合评估做基础。研制沥青路面微观形貌采集系统具有一定理论 意义和工程价值。 文中将双目立体视觉方法应用于沥青路面微观形貌的采集研究中，在系统 地分析双目立体视觉的主要技术、基本组成及双目立体视觉系统的三种基本结 构形式的基础上，构建了一套完整的沥青路面微观形貌检测系统，并着重讨论 了摄像机标定和特征匹配两个关键技术。针对所构建的检测系统特点，提出了 双目立体视觉系统数学模型，并构建了一套针对沥青路面微观形貌的三维重构 算法模型。基于遗传算法使用简单，鲁棒性强等特点，应用遗传算法对立体视 觉系统的摄像机进行了标定。应用m a t l a b 图像处理工具箱进行了图像匹配研 究。根据双目立体视觉原理对沥青路面微观形貌进行了重构。实验验证表明， 本研究平台的系统结构及功能均可达到检测要求。在总结全文工作的基础上对 进一步研究提出了建议和展望。 关键词：沥青路面；微观形貌；双目视觉；摄像机标定；三维重构 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o - t e x t u r ew a so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r se s t i m a t i n gs k i dr e s i s t a n c eo f a s p h a l tp a v e m e n t s s k i dr e s i s t a n c eo ft h ep a v e m e n tw a sm a i n l yi n f l u e n c e db yt h e m i c r o - t e x t u r ea n dm a c r o t e x t u r e t h ep a v e m e n ts k i dr e s i s t a n c ec o u l db ea c c u r a t e l y e s t i m a t e db yt h er a t i o n a lt e x t u r ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s t h ea c q u i s i t i o no ft h e m i c r o t e x t u r eo fa s p h a l tp a v e m e n tw a st h eb a s i so fr e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r so ft h e t e x t u r eo fa s p h a l tp a v e m e n t f u r t h e r m o r e ，i tw a st h eb a s i so f e x p l o r i n gt h em e c h a n i s mh o ws k i dr e s i s t a n c eo ft h ep a v e m e n tw a si n f l u e n c e db yt h e m i c r o t e x t u r ea n dm a c r o t e x t u r e i tw a sa l s ot h eb a s i sf o r t h ee v a l u a t i o no ft h e p a v e m e n ts k i d r e s i s t a n c e i tw a so b v i o u st h a t ，i th a dg r e a ti m p o r t a n tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n de n g i n e e r i n g v a l u et or e s e a r c ht h ea c q u i s i t i o n s y s t e m o ft h e m i c r o - t e x t u r eo fa s p h a l tp a v e m e n t t h em e t h o do fb i n o c u l a rs t e r e ov i s i o nw a su s e dt oc o l l e c ta s p h a l tp a v e m e n t m i c r o - t e x t u r ei n f o r m a t i o ni nt h i st h e s i s f i r s t l yt h ek e yt e c h n o l o g y ，b a s i c c o m p o s i t i o n a n ds t r u c t u r eo fb i n o c u l a rs t e r e o v i s i o nw e r es t u d i e d p r o f o u n d s y s t e m i c a l l y t h e n ac o m p l e t ee x p e r i m e n tp l a t f o r mw a sd e s i g n e d t h ek e y t e c h n i q u e si nc a m e r ac a l i b r a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i cm a t c h i n gw e r ed i s c u s s e d a m a t h e m a t i c a lm o d e lo f3 dr e c o n s t r u c t i o nw a s p u t t e d f o r w a r db a s e do n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a t f o r m s o m eb a s i ct e r m sa n dp r o c e s so fg e n e t i cw a s i n t r o d u c e d g e n e t i ca l g o r i t h m sw e r ea d o p t e dt oc a l i b r a t e t h ec a m e r a so fs t e r e o v i s i o ns y s t e mf o rc h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l eu s i n ga n dr o b u s t n e s s i m a g em a t c h i n g w a sp e r f o r m e dw i t ht h ei m a g ep r o c e s s i n gt o o l b o xo fm a t l a b m i c r o t e x t u r eo f a s p h a l tp a v e m e n tw a sr e c o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fb i n o c u l a rs t e r e o v i s i o n t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h es y s t e mc o u l dm e e tt h ee x a m i n a t i o n r e q u i r e m e n t sb yt h ea c t u a l l yc o n f i r m i n g f i n a l l y , t h ep r o p o s a lf o rf u r t h e rr e s e a r c h a le p u tf o r w a r db a s e do nt h es u m m a r i e sa n dc o n c l u s i o n so fa 1 1r e s e a r c hw o r k s k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；m i c r o - t e x t u r e ；b i n o c u l a rv i s i o n ；c a m e r ac a l i b r a t i o n ； 3 dr e c o n s t r u c t i o n l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：盐塾监 日 关于论文使用授权的说明 期：加略、廖、，中 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：垂a 吐! ! 筻导师( 签名) 武汉理t 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的提出及其研究背景 在道路安全研究领域，路面纹理被认为是影响沥青路面抗滑特性的重要因 素。沥青路面纹理的形状、大小及其分布特点基本决定了路面的抗滑水平，合 理的纹理特征参数能够准确预测路面的抗滑性能。获取沥青路面形貌是研究沥 青路面形貌特征参数的基础，也是建立路面形貌特征与抗滑性能关系、实现基 于路面微观形貌特征对抗滑性能评价的基础。 目前，沥青路面微观形貌对路面抗滑性能影响多采用直接测量路面摩擦因 数的方法进行评价，国内测定路面摩擦因数的仪器主要有摆式摩擦因数测试仪 和横向力系数测试车。摆式摩擦因数测定仪工作原理是根据能量守恒定理， 将摆臂势能损失转化为路面摩擦力所作的功，进而反算出摩擦因数，并通过摆 式仪的摆值读出。摆式摩擦因数测定仪便于携带，操作简便，但只能在单点条 件下测定低速情况下的摩擦因数，且不能用于粗构造路面。横向力系数测试车 通过一个与行车方向成2 0 。偏角的测试轮测定路面横向力系数，可以反映纵、 横两个方向的摩擦力性能。采用直接测量摩擦因数方法判定路面的抗滑性能需 要有较为严格的测试条件，其测试结果易受测试温度、湿度、速度等因素的影 响。现阶段对于沥青路面形貌的检测基本处于二维形貌的检测，并取得了一定 成果，但对于三维形貌高精度快速检测设备的开发设计还处于探索阶段。因此， 本文设计了该套专用的仪器设备，在实验室环境下，利用双目立体视觉原理对 路面微观形貌进行检测，以评定路面的抗滑性能。 双目立体视觉原理通常利用2 台位置相对固定的摄像机，从不同角度同时 获取同一对象的两幅图像，通过计算其中对应点的相对差值来获取目标三维信 息，是进行三维测量的重要方法。由于其近似于人眼视觉系统，具有较高的测 量精度和速度，并有结构简单，便于使用等优点，故被广泛应用于工业检测、 物体识别、工件定位、机器人自导向等诸多领域。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题研究的目的及意义 路面的微观构造、宏观构造与路面种类、状态和路面摩擦因数具有紧密联 系，研究路面微观形貌特征就是为了保障路面抗滑性能，以提高不利天气条件 下的行车安全和运输能力。汽车制动性能在很大程度上受到路面抗滑性能的影 响。轮胎与路面间摩擦力是汽车驱动、制动和转向的动力来源，而该摩擦力大 小很大程度上取决于路面的摩擦因数。在雨天等不利天气条件下，雨水的作用 使汽车轮胎与路面间的接触面积减小，路面摩擦因数也随之降低，沥青路面在 干燥情况下摩擦因数为0 7 0 8 ，而潮湿状态下仅为0 3 0 5 ，易导致交通事故。 根据国际驾驶安全调查显示，雨天的交通事故率比平常高出大约5 倍。另外， 路面磨光、污染严重地段也会导致摩擦因数降低，交通事故率上升【2 】。 目前，我国高速公路己近4 万k m ，且多为沥青路面。同时我国也是世界上 交通事故率最高的国家之一，每年造成巨大的人员，经济损失。究其原因，一 方面是交通管理水平方面的问题，另一方面和道路路面技术性能有密切关系， 尤其是路面抗滑性能。随着公路事业的发展，沥青路面得到越来越广泛的应用， 抗滑性能也r 益受到重视，而沥青路面纹理则是对其影响至关重要的一个因素【3 】。 为了使沥青路面保持良好的抗滑性，路面表面应具备两个水平的构造，一 个是与车辆轮胎实际接触，平面方向尺度为0 - 0 5m m ，垂直方向尺度为0 - - 0 2 t o n i 的微观构造【4 】，即路面集料表面构造。微观构造影响轮胎路面间的实际接 触面积，决定了路面的基本摩擦力，是影响低速时( 时速5 0 k i n 之内) 路面抗 滑能力的主要因素，同时对高速时路面抗滑能力也有一定影响，是在给定车速 下摩擦力的总体水平反映；另一个是由路面间的丌放空间、孔隙和沟槽组成的 宏观构造。宏观纹理水平方向波长为0 5 - - 5 0m m ，垂直高度方向为0 2 1 0m m ， 它决定路面摩擦力随车速衰减的幅度，从某种意义上决定了高车速下的摩擦力。 宏观纹理为轮胎与路面间的积水提供渲泄空间，有利于轮胎与路面的真实接触， 确保路面积水条件下沥青路面的抗滑性能。 高速公路运营过程中，因交通载荷、自然环境、气候等因素，沥青路面抗 滑表层会受到破坏，沥青路面抗滑性能会产生衰减，需定期进行检测与评估， 并进行必要的养护，以确保行车安全。因此，探索高效、准确的路面抗滑性能 检测方法，开发快速的路面抗滑性能检测系统具有重要现实意义。而如何描述 存在不规则性、不确定性的沥青路面微观形貌特征，解析沥青路面微观形貌特 2 武汉理工大学硕士学位论文 征与抗滑性能之间存在的模糊化和非线化映射关系等，尚待探索。 本课题从沥青路面微观形貌信息采集方法研究入手，研制了一套沥青路面 微观形貌的采集系统，解决不同状况下路面微观形貌特征提取，为沥青路面抗 滑性能失效机理分析和开发快速的非接触检测系统提供理论基础。为探索沥青 路面微观纹理、宏观纹理对抗滑性能的影响机理及路面抗滑性能综合评估奠定 基础。研究成果对抗滑路面结构设计及开发具有自主探测路面抗滑性能的智能 车辆具有一定指导价值。 1 3 相关研究领域及其发展概况 1 3 1 沥青路面微观形貌检测 为了提高路面的抗滑能力，减少交通事故，早在2 0 世纪2 0 年代中期，美 国就开展了路面抗滑研究，2 0 世纪5 0 年代后期，英国、比利时、法国、荷兰、 西班牙、德国等也相继展开了对防滑路面的研究。自1 9 5 9 年举行了第一届路面 防滑国际会议以来，各国逐步形成防滑路面标准。1 9 7 7 年第二届路面防滑国际 会议和1 9 8 3 年1 7 届世界道路会议，在国际上又掀起路面防滑研究新高潮。我 国公路部门对路面防滑的研究始于2 0 世纪7 0 年代初期，提出了沥青路面抗滑 性能标准。1 9 8 3 年，交通部组建了由江苏、广东等6 省、市参加的路面石料抗 滑性能研究攻关组，基本摸清了我国交通事故的构成，并研制成功了加速磨光 机和摆式仪，提出了适合我国国情的路面抗滑标准建议值和石料磨光值的试验 方法1 5 卅。 半个多世纪以来，随着沥青路面里程数的不断增加，沥青路面抗滑性能研 究的规模越来越大，研究的问题越来越深入，时至今同，研究仍处于高潮之中。 沥青路面形貌易受交通条件、自然气候等因素的影响发生变化，导致沥青路面 抗滑性能随使用时问的增加而衰减。因此基于沥青路面微观形貌的抗滑性能评 价技术研究，已经成为目前高速公路抗滑性能检测研究领域的热点之一。 路面形貌在公路研究领域一般表述为路面纹理。沥青路面纹理是影响路面 抗滑性能的主要因素，主要由沥青路面骨料颗粒的形状、大小、分布与骨料材 质决定。根掘纹理平面尺寸和高度方向的尺寸一般分为微观纹理、宏观纹理、 粗大纹理和不平度。微观纹理一般指波长1 岬o 5n l l t l 、高度方向1l a m - - - o 5 m m 的纹理，主要指骨料表面的微观形貌，由骨料的材质和加工方式决定，受 武汉理工大学硕士学位论文 到交通和自然环境的影响。宏观纹理一般指波长o 5 5 0i n n ，高度方向0 5 2 0m m 的纹理，主要由骨料的形状、大小、分布决定，受交通状况和使用时间 的影响【7 】。有研究表明，微观纹理是影响各种车速情况下路面抗滑性能的主要 因素，其基本决定了路面的抗滑水平；宏观纹理只影响路面抗滑性能随速度衰 减的幅度和雨天路面抗滑性能。沥青路面的抗滑性能主要受路面微观纹理和宏 观纹理的影响，合理的纹理特征参数能够准确预测路面抗滑性能。 获取沥青路面形貌是研究沥青路面形貌对抗滑性能影响的基础，提取合理 的特征参数对形貌特征进行表述是研究沥青路面形貌与抗滑性能相互关系的关 键。因此沥青路面形貌检测方法和形貌特征参数的研究具有重大的现实意义。 以下为沥青路面形貌检测方法与特征描述方法的研究现状。 1 3 1 1 沥青路面微观形貌信息采集方法 沥青路面微观形貌测定分为微观纹理和宏观纹理的测定。沥青路面微观纹 理深度较小，需要应用专用的仪器与设备在实验室环境下测定。如h z a h o u a i l i 【8 】 等应用自动聚焦和图像处理技术开发了沥青路面微观纹理激光3 d 测量系统， 分辨率达o 1g m ；为提高检测效率，m u r a t 2 】等设计了一套沥青路面微观纹理测 量系统，水平方向分辨率达到0 0 0 6m m ，垂直方向分辨率达到o 0 1n l n l 。宏观 纹理的测定方法又分为铺砂法、涂脂法、立体照相分析法、激光测量法等。由 于铺砂法、涂脂法检测效率和精度低，研究人员开发了基于激光测量和立体照 相分析系统的检测方法应用于实际沥青路面宏观纹理的测定。如英国w m d 公 司开发的手推式激光路面纹理检测仪t m 2 ，可记录测试距离、测试速度及纹理 深度，并能将数据传输到计算机上供后续分析；赵祥模【9 】等提出了基于光电位 移传感器的路面粗糙度快速检测新方法；王端剖1 0 】等通过研究物体表面不平度 的灰度图特性和数字图像技术，开发了应用数字图像技术评价和测量沥青路表 面构造深度的方法。 沥青路面纹理测量方法总体分为两类：间接测量法和直接测量法。间接测 量法通过测试路面其他参数来间接反映路面纹理特征；直接测试法通过纹理采 集设备直接采集路面形猁1 引。 ( 1 ) 间接测量法。对于微观纹理，常用摆式摩擦仪作为间接测量的设备。 摆式摩擦仪测量滑移速度约1 0k m h 的路面摩擦因数；在低速情况下，沥青路 面的抗滑性能又主要受路面微观纹理的影响。因此，摆式摩擦仪测得的摆值， 4 武汉理工大学硕士学位论文 能间接反映路面微观纹理的优劣。 对于宏观纹理，常用体积法和溢流时间法来间接反映路面宏观纹理。体积 法是将已知体积的砂或玻璃球在路面上均匀平铺成一个圆面积，体积与这个面 积的比值为平均构造深度m t d ，用这个值来反映宏观纹理的构造深度。溢流时 间法是将一底部装有橡胶密封圈的圆柱形圆筒以一定压力安放在测试路面上， 固定体积的水全部溢出的时间作为路面排水性能的衡量指标，侧面反映了路面 的宏观纹理状况。 间接测量法大都具有测试设备成本低、操作简单及同时适用于试验室和现 场检测的优点，因此在实际工程中有较为广泛的应用。但其测试效率低、试验 重复性差、不能形象直观地反映路面形貌特点，限制了其进一步的发展。 ( 2 ) 直接测量法。表面检测技术的快速发展丰富了沥青路面形貌采集的手 段，为沥青路面形貌采集设备的开发提供了较好的理论基础，路面形貌直接测 量方法及设备大量涌现。这些设备能够直接获取路面二维或三维形貌，测试结 果直观形象，方便形貌参数的进一步提取与计算，具有间接测试法无法比拟的 优势。直接检测设备主要有基于激光位移传感器的纹理检测设备、接触式表面 轮廓仪、基于光学成像的形貌检测设备和基于反射式光纤传感法的纹理检测设 备。 沥青路面二维宏观形貌高精度的快速检测设备已经发展得较为成熟，但满 足实用要求的三维宏观形貌高精度快速检测设备有待进一步研究。在试验室条 件下，沥青路面微观形貌检测有较为理想的方法和手段，但还没有出现适于现 场检测的沥青路面微观形貌检测设备。能同时测量沥青路面三维宏观和微观形 貌，精度高、测试速度快，能用于现场检测的路面形貌检测设备将是未来路面 形貌检测设备的发展方向。 1 3 1 2 基于统计的沥青路面微观形貌特征描述 在道路工程路面性能检测和研究中，沥青路面微观形貌特征参数多采用 i s o 标准中的物体表面形貌特征参数，这些参数可分为两大类：反映垂直方 向沥青路面形貌变化，包括尺。，风和平均断面深度( m p d ) 。尺。为沥青路面形 貌算术平均偏差，风为沥青路面形貌均方根偏差，m p d 是目前检测沥青路面宏 观纹理常用的参数；反映水平方向沥青路面形貌变化，包括厶和厶，厶为断 面平均波长，厶为断面均方根波长【1 4 l 。此外，沥青路面微观形貌的变化，可通 武汉理工大学硕士学位论文 过峰值夹角来反映，h z a h o u a n i 【8 】等在研究路面微观形貌对路面摩擦因数衰减影 响时，采用路面微观形貌峰值夹角作为参数。 1 3 1 3 基于图像处理技术的沥青路面微观形貌特征描述 随着计算机技术飞速发展，计算机视觉在道路工程检测中应用已经成为路 面及材料非接触测试的研究热点，美国土木工程杂志在2 0 0 4 年曾经发专刊讨论 该领域的研究进展。国内彭勇【l5 】等利用数字图像处理技术研究沥青混合料均匀 性，借助于截面上集料分布状态3 个参数( 位置偏差、数目偏差以及面积比) ， 定量地评价沥青混合料的均匀性；李智【l6 】等研究了利用数字图像处理技术评价 沥青混合料组成结构的可行性，根据混合料自身特点探索了有效的图像处理技 术，提出利用参数颗粒主轴方向评价压实后的混合料结构稳定状态。王端宜【l o l 等基于数字图像技术，开发了一套判别和评价沥青路面表面离析的方法；美国 k h a l i da u 7 】等利用数字显微镜研究了石料表面纹理特征和形状特征。沥青路面 微观形貌受沥青混合料、结构状态、石料形状等影响，因此图像处理技术同样 可应用于沥青路面微观形貌特征描述方法研究中。mk h o u d e i r l l 8 】等在沥青路面 摩擦性能图像分析研究中，提取图像灰度梯度值的统计量( 均值、标准差) 、自 相关函数偏差等作为沥青路面微观形貌特征。 1 3 1 4 沥青路面微观形貌分形描述 2 0 世纪8 0 年代以来，分形作为一种新的数学概念广泛应用于处理与分析 具有复杂细节特征的自然现象，它对描述具有标度律特征的自然现象具有很好 的适用性。在经典几何中，对于不规则的曲线可以用分数表示其维数，维数是 图形不规则性的度量，不同的集合具有不同的维数。沥青路面微观形貌具有明 显的随机性和复杂性，且基于统计的沥青路面微观形貌特征值很容易受采样长 度、检测仪器等的影响，故分形理论也在沥青路面微观形貌特征描述研究中得 到应用。沈卫国【l9 j 等以散粒体分形模型为基础，推导了沥青混合料矿料分布函 数；唐明【2 u j 等从分形集与分形空间的属性，分析了混凝土材料宏观结构形貌分 形特征；颜强【2 l 】等采用分形理论对沥青混合料微观结构特性进行分析，并探讨 了沥青混合料集料级配分维、空隙率以及空隙体积分维；a gk o k k a l i s 2 2 1 等详 细分析了影响路面抗滑性能的因素，并采用分形维数描述微观纹理和宏观纹理 的特征。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 立体视觉研究发展及现状 立体视觉的开创性工作是从2 0 世纪6 0 年代中期开始的。美国m i t 的r o b e r t 完成了三维景物的分析工作【2 引，把过去的二维图像分析推广到了三维景物，这 标志着立体视觉技术的诞生，并在随后的2 0 年中迅速发展成- - f - j 新的学科。特 别是7 0 年代未，m a r t 创立的视觉计算理论对立体视觉的发展产生了巨大影响 现己形成了从图像获取到最终的景物可视表面重建的完整体系，在整个计算机 视觉中己占有越来越重要的地位【2 引。经过2 0 多年的研究，立体视觉在机器人视 觉、航空测绘、军事应用、医学诊断及工业检测中的应用越来越广，研究方法 从早期的以统计相关理论为基础的相关匹配，发展到具有很强生理学背景的特 征匹配，从串行到并行，从直接依赖于输入信号的低层处理到依赖于特征、结 构、关系和知识的高层次处理，性能不断提高，其理论正处在不断发展与完善 之中。 双目立体视觉技术是人们研究较多和最具实用价值的计算机立体视觉技 术，它可用于实现双目立体成像。即由不同位置的2 台或者一台摄像机，经过 移动或旋转拍摄同一幅场景通过计算空间点在两幅图像中的视差获得该点的三 维坐标值。8 0 年代美国麻省理工学院人工智能实验室的m a n 提出了一种视觉 计算理论并应用在双眼匹配上，使两张有视差的平面图产生有深度的立体图形， 奠定了双目立体视觉发展的理论基础。相比其他类的体视方法，如透镜板三维 成像、投影式三维显示、全息照相术等，双目体视直接模拟人类双眼处理景物 的方式，可靠简便，在许多领域均具有应用价值。双目立体成像涵盖生理深度 暗示的产生、立体效果的评价、立体图像对的获取等许多方面；涉及的具体技 术和方法包括了计算机图形学、摄像机的几何模型的建立、摄像机的几何标定、 模式识别、基于图像的绘制等等。因此，开展双目立体成像的研究对提高我国 在这一领域的研究水平具有重要的学术意义。 目前，双目立体视觉目前主要应用于以下几个领域：机器人导航、三维测 量和虚拟现实。 日本大阪大学自适应机械系统研究院研制成功了一种自适应双目视觉伺服 系统【2 5 1 ，利用双目体视的原理，以每幅图像中相对静止的2 个标志为参考，实 时计算目标图像的雅可比矩阵，从而预测出目标下一步运动方向，实现了对运 动方式未知的目标的自适应跟踪。日本奈良科技大学信息科学学院提出了一种 7 武汉理工大学硕士学位论文 基于双目立体视觉的增强现实系统注册方法【2 酬，通过动态修正特征点的位置提 高注册精度。日本东京大学将实时双目立体视觉和机器人整体姿态信息集成， 开发了仿真机器人动态行走导航系统1 2 。 麻省理工学院计算机系提出了一种新的用于智能交通工具的传感器融合方 法【2 8 】，由雷达系统提供目标深度的大致范围，利用双目立体视觉提供粗略的目 标深度信息，结合改进的图像分割算法，能够在高速环境下对视频图像中的目 标位置进行分割，而传统的目标分割算法难以在高速实时环境中得到令人满意 的结果。华盛顿大学与微软公司合作为火星卫星“探测者”号研制了宽基线立 体视觉系统【2 9 】，使“探测者 号能够在火星上对其即将跨越的几千米内的地形 进行精确的定位和导航。 浙江大学机械工程系利用透视成像原理，采用双目体视方法实现了对多自 由度机械装置动态位姿的精确检测，仅需从两幅对应图像中抽取必要的特征点 的二维坐标，信息量少，处理速度快，尤其适于动态情况。与人眼系统相比， 被测物的运动对摄像机没有影响，且不需知道被测物的运动先验知识和限制条 件，有利于提高检测精度。东南大学电子工程系基于双目立体视觉，提出了一 种灰度相关多峰值视差绝对值极小化立体匹配新方法，可对二维不规则物体( 偏 转线圈) 的二维空间坐标进行非接触精密测量。哈工大采用异构双目活动视觉 系统实现了全自主足球机器人导航【3 0 1 。将一个固定摄像机和一个可以水平旋转 的摄像机，分别安装在机器人的顶部和中下部，可以同时监视不同方位视点， 体现出比人类视觉优越的一面。 双目体视这一有着广阔应用前景的学科，随着光学、电子学以及计算机技 术的发展，将不断进步，逐渐实用化。目前，国外双目体视技术己广泛应用于 生产、生活中，而我国正处于初始阶段，尚需广大科技工作者共同努力，为其 发展做出贡献。 1 3 3 遗传算法研究发展及现状 遗传算法是一类模拟生物进化过程与机制求解问题的自适应人工智能技 术。它的核心思想源于这样的基本认识：从简单到复杂、从低级到高级的生物 进化过程本身是一个自然、并行发生的、稳健的优化过程，这一优化过程的目 标是对环境的适应性，而生物种群通过“优胜劣汰 及遗传变异来达到进化的 武汉理工大学硕士学位论文 目的。 遗传算法的研究始于2 0 世纪4 0 年代对生物系统进行的计算机模拟，学者 们从生物学的角度进行了生物的进化过程模拟、遗传过程模拟等研究工作。早 期研究的特点是侧重于对一些复杂操作的研究。最早意识到自然遗传算法可以 转化为人工智能算法的是j h h o l l a n d 3 1 】教授。1 9 6 5 年，h o l l a n d 教授首次提出 了人工智能操作的重要性，并将其应用到自然系统和人工系统中。1 9 6 7 年 h o l l a n d 教授的学生j d b a g l e y l 3 2 】在其博士论文中首次提出了“遗传算法 一词， 并发表了遗传算法应用方面的第一篇论文，从而创立了自适应遗传算法的概念。 但当时由于计算机的发展水平低、容量小、计算速度慢，但遗传算法的计算量 大，需要存储的信息多，难以应用于工程实际，因而没有受到广泛重视。但 j h h o l l a n d 与他的学生们一直坚持不懈的努力，进行了大量的理论研究并开拓 其应用领域。1 9 7 5 年树立了遗传算法发展史上的两块里程碑。一是h o l l a n d 出 版了经典专著，该书系统地阐述了遗传算法的基本理论和方法，提出了对遗传 算法的理论发展极为重要的模式理论，其中首次确定了选择、重组和变异等遗 传算子，以及遗传算法的隐含并行性，并将遗传算法应用于适应性系统模拟、 函数优化、机器学习、自动控制等领域。二是k a d e j o n g 3 3 在其博士论文中首 次将遗传算法应用于函数优化问题，深入全面地研究了模式定理和遗传算子的 行为，结合大量的优化仿真实验，给出了明确的结论，建立了著名的d e j o n g 五函数测试平台，定义了性能评价标准，并以函数优化为例，对遗传算法实现 的多种方案的性能和机理进行了详细实验和分析。该研究成果为遗传算法的广 泛应用奠定了坚实的基础。八十年代中期，由于计算机容量和速度的不断提高， 以及遗传算法本身的逐步成熟，遗传算法已经逐步引起了国际学术界的普遍重 视，得到了迅速的发展。 从此，遗传算法和进化计算进入了蓬勃发展期，各种以遗传算法、进化计 算为主题的国际会议定期在世界各地召开，有关遗传算法基础理论的学术活动 也十分活跃。值得注意的是，2 0 世纪8 0 年代中期以前，国际上的学者主要是 针对单目标简单遗传算法的相关理论和应用进行研究，进入2 0 世纪8 0 年代中 后期，随着对大型复杂系统进行优化的需求日益增多，针对多目标遗传算法的 研究和应用得到了广泛开展。1 9 8 9 年，d e g o l d b e r g 3 4 】出版专著搜索、优化 和机器学习中的遗传算法，该书系统总结了遗传算法的主要研究成果，全面而 完整地论述了遗传算法的基本原理及其应用。可以说这本书奠定了现代遗传算 9 武汉理工大学硕士学位论文 法的科学基础，为众多研究和发展遗传算法的学者所瞩目。1 9 9 1 年，l d a v i s 【3 5 】 编辑出版了遗传算法手册一书，书中包括了遗传算法在科学计算、工程技 术和社会经济中的大量应用样本，为推广和普及遗传算法的应用起到了重要的 指导作用。1 9 9 2 年，j r k o z a 3 6 】将遗传算法应用于计算机程序的优化设计及自 动生成，提出了遗传规划( g e n e t i cp r o g r a m m i n g ，g p ) 的概念。与此同时，多 目标遗传算法也有了突飞猛进的发展，1 9 9 5 年起，多目标优化算法出现了更多 新的思想与变化。进入本世纪后，各国学者不断对早期的多目标遗传算法进行 研究与改进，提出了一系列新型的多目标遗传算法，针对早期多目标遗传算法 的不足采用了许多更为先进合理的有利措施，取得了更加出色的优化效果。 国内对遗传算法的研究起步相对较晚，2 0 世纪9 0 年代我国进入了遗传算 法相关研究的上升发展期，在单目标遗传算法的研究和应用方面取得了许多令 人鼓舞的成果，并发表了大量的文章。但从课题的查新情况来看，即使是现在， 国内对多目标遗传算法的研究还不多，尚处于起步阶段，对于需要进行多目标 优化的大型复杂系统大多仍采用传统的权重法。目前，已有很多国内专家和学 者开始致力于这方面的研究工作并己取得了一定的研究成果，但与国外先进水 平毕竟还有着很大的差距。 总体而言，现阶段，经过长期不懈的努力，遗传算法无论在基础理论上， 还是在应用上，均取得了长足的发展，几乎渗透到了从工程到社会科学的诸多 领域，已经成为信息科学、计算机科学、运筹学、应用数学、工程设计、商业 和金融业等诸多学科所共同关注的热点研究领埘”3 9 1 。 1 4 课题来源及本文的主要工作 1 4 1课题来源 国家自然科学基金项目：沥青路面微观形貌对抗滑性能影响机理研究( 项 目编号：5 0 6 7 8 1 4 0 ) 。 1 4 2 本文主要工作 本文的主要目标是构建基于双目立体视觉的沥青微观形貌信息采集试验平 台，针对平台特点，提出了双目立体视觉系统数学模型，并构建了一套针对沥 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 青路面微观形貌的三维重构算法模型。全文共分6 章，各章主要内容如下： 第l 章本课题研究相关内容的国内外动态及本课题研究主要内容。 第2 章基于双目立体视觉的沥青路面微观形貌采集实验系统。 第3 章双目立体视觉系统的建模及三维重构算法。 第4 章基于遗传算法的双目立体视觉系统标定。 第5 章实验及其分析。 第6 章本课题研究成果及今后工作方向。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于双目立体视觉的沥青路面微观形貌重 构系统设计 众所周知，几乎所有具有视觉的生物都有两个眼睛，用两个眼睛同时观察 物体时，会有深度或远近的感觉。立体视觉正是研究用计算机技术模拟生物视 觉信息处理的科学技术，它使用双摄像机从不同角度同时获得物体的两幅数字 图像，由计算机重建物体的三维形状与位置，其研究的最终目标是使计算机具 有通过二维图像感知三维环境信息的能力，这种能力不仅是使之能感知三维环 境中物体的几何信息，还包括它的形状、位置、姿态、运动等，而且能对它们 进行描述、存储、识别与理解。双目立体视觉由于可以在多种条件下灵活地获 得景物的立体信息，现在己成为立体视觉研究领域的一个研究热点。 本章结合双目立体视觉系统结构及原理，确定了用于采集沥青路面微观形 貌的双目立体视觉系统中关键技术。综合考虑设备成本、性能、预期精度、未 来进一步研究的需要等等，选购了高性能双核液晶电脑、千兆网摄像头、自主 设计了沥青路面形貌检测台架等设备，构建了本文所使用的双目立体视觉系统。 2 1 立体视觉概述 立体视觉主要研究如何借助( 多图像) 成像技术从( 多幅) 图像罩获取场 景中物体的距离信息。立体视觉的基本方法是从两个或多个视点去观察同一场 景，获得在不同视角下的一组图像，然后通过三角测量原理获得不同图像中对 应像素间的视差，进而推断场景中目标的空间位置。立体视觉的工作过程与人 眼视觉系统的感知过程有许多类似之处，事实上，人眼视觉系统就是一个天然 的立体视觉系统。 2 1 1立体视觉中的主要技术 ( 1 ) 光源技术。目前机器视觉应用系统中，好的光源与照明方案是整个系 统成败的关键。光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在物体需 要检测的部分与那些不重要部分之间应尽可能地产生明显的区别，增加对比度。 武汉理工大学硕士学位论文 同时还应保证足够的整体亮度，物体位置的变化不应该影响成像的质量。应该 根据实际的任务，选择和设计不同的光源形式，以达到物体成像的最佳状态。 ( 2 ) 图像采集技术。图像采集卡是控制摄像机拍照，完成图像采集与数字 化，协调整个系统的重要设备它是图像采集部分和图像处理部分的接口。主要 性能参数包括采样速度、图像卡分辨率等。 ( 3 ) 摄像机标定技术。摄像机标定是为了确定摄像机的位置、属性参数和 建立成像模型，以便确定空间坐标系中物体点与它在图像平面上像点之间的对 应关系，包括确定摄像机内部几何和光学特性( 内部参数) 以及相对于一个世 界坐标系的摄像机坐标的三维位置和方向( 外部参数) 。精确标定摄像机内、外 参数不仅可以直接提高测量精度，而且可以为后继的立体图像匹配与三维重建 奠定良好的基础。 ( 4 ) 图像处理技术。视觉测量中的图像处理主要包括图像预处理、边缘提 取( 亚像素技术) 、特征提取等。预处理可以消除噪声，特别是由于光照不均匀 等因素引起的图像灰度畸变，包括滤波、直方图均衡、数学形态学、s u s a n 算 法滤噪等。图像的边缘是图像的最基本特征，广泛存在于物体与背景之间、物 体与物体之间、基元与基元之间，是视觉测量所依赖的重要特征。c a n n y t 4 0 】总 结了评价边缘检测性能优劣的三个指标：好的信噪比、好的定位性能、对单一 边缘仅有唯一响应。 总的来看视觉检测技术可分为信号提取技术( 光源技术、图像采集技术) 和信号处理技术( 摄像机标定技术、图像处理技术) 两方面。其中，标定是立 体视觉中的关键技术。 2 1 2 立体视觉系统组成 立体视觉的基本原理是从两个( 或多个) 视点观察同一景物，以获取在不 同视角下的感知图像，通过三角测量原理计算图像像素问的位置偏差( 即视差) 来获取景物的三维信息，这一过程与人眼视觉的立体感知过程是类似的。 恢复场景的3 d 信息是立体视觉研究中最基本的目标，为实现这一目标， 一个完整的立体视觉系统通常包含6 个模块：图像获取、摄像机标定、特征提 取、立体匹配、深度确定及内插。 ( 1 ) 图像获取。二维图像对的获取是双目立体视觉的物质基础。计算机立 体视觉一般采用双目图像，但在获取图像时为了尽可能地保持场景的3 d 信息， 武汉理工大学硕士学位论文 有时需要采用多目图像，但其原理一致。获取这些图像的视点可以在一条直线 上，也可以在一个平面上，或甚至呈立体分布。在感知范围不太大、遮挡比较 少的情况下，采用光轴平行，基线共线的位置布置，将会大大简化后续处理过 程。 ( 2 ) 摄像机标定【4 1 1 。从摄像机获取的图像信息出发计算三维空间中物体的 几何信息，并由此重建和识别物体，而空间物体表面某点的三维几何位置与其 在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的，这些几何 模型参数就是摄像机参数。在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能 得到，这个过程被称为摄像机定标。 对三维场景中对象点在左右摄像机图像平面上的坐标位置与其世界空间坐 标之间的映射关系的确立，是实现立体视觉三维模型重构中基本且关键的一步。 摄像机标定的目的就是确定摄像机的图像坐标系与物体空间中的三维参考坐标 系之间的对应关系，简言之就是求取摄像机的参数。只有当摄像机被正确的标 定以后，才能根据图像平面中的二维坐标推导出对应物体在三维空间中的实际 位置。 现有的摄像机标定技术可以归结为两类：传统的摄像机标定方法和摄像机 自标定方法。传统的摄像机标定方法，特点是要求有摄像机标定块，通过建立 标定块上三维坐标己知点与其图像点间的对应关系，来计算摄像机的内外参数， 算法比较复杂，但精度较高。摄像机自标定方法则不需要标定参照物，直接利 用从图像序列中得到的约束关系来计算摄像机的参数，使实时、在线标定成为 可能，己成为近年来摄像机标定研究中一个热点。常用的摄像机标定方法可以 分为以下几类： 1 ) 利用最优化算法。这类方法首先由3 d 坐标的一些特征点与相应的2 d 图像点的相互关系建立起一些相关的等式方程，然后寻找在某些约束条件下的 最小值问题。许多经典的标定技术都属于这类方法。这类方法的最大优点就是 建立的摄像机模型具有较强的通用性，然而这类方法的最后求解一般都是采用 递归算法，如果没有选择好初始值时，很难通过优化程序得到正确的定标结果， 甚至结果很可能不收敛，其次如果考虑到摄像机的畸变因素时，这种算法很可 能得到的最小解是不稳定的，有可能产生一些假的收敛结果。 2 ) 直接线性变换方法。直接线性变换方法是yi a b d e l a z i z 和nm k a r a r a 首先于1 9 7 1 年提出的 4 2 】。通过求解线性方程的手段就可以求得摄像机模型的参 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 数，这是直接线性变换方法的吸引力所在。然而这种方法完全没有考虑摄像机 过程中的非线性畸变问题，为了提高定标精度，非线性最优化算法仍不可避免。 正如nm k a r a r a 自己所指出的那样，当我们首先提出直接线性变换方法时， 我们给出了一组基本的线性约束方程，用来表示摄像机坐标系与三维物体空间 坐标系之间的线性变换关系，没有考虑成像时任何的非线性补偿问题并将相应 的参数引入约束方程。然而到后来，直接线性变换方法改进扩充到能包括这些 非线性因素，并使用非线性的手段求解时，直接线性变换方法这个术语却没有 改变。直接线性变换方法具有2 种含义，一种含义是直接通过求解一组线性方 程得到摄像机的有关参数；另一种含义是求解的过程不排除使用非线性优化算 法。 3 ) 利用透视变换矩阵方法。从摄影测量学中的传统方法可以看出，描述三 维空问坐标系与二维图像坐标系关系的方程是摄像机内部参数和外部参数的非 线性方程。如果忽略摄像机镜头的非线性畸变并且把透视变换矩阵中的元素作 为未知数，给定一组三维控制点和对应的图像点，就可以利用线性方法求解透 视变换矩阵中的各个元素。 严格来说，基于摄像机针孔模型的透视变换矩阵方法与直接线性变换方法 没有本质的区别，而且透视变换矩阵与直接线性变换矩阵之间只相差一个比例 因子，两者都可以计算摄像机的内部参数和外部参数。 4 ) 综合算法。这类方法是将最优化算法和直接线性变换方法综合起来的方 法。