（机械电子工程专业论文）沥青路面微波热再生中病害图像检测技术研究.pdf

中文摘要 沥青路面微波热再生中病害图像检测技术研究 硕士研究生：周瑞琼 指导教师：赵坚玉教授史金飞教授 学校：东南大学 摘要 本课题属于江苏省科技成果转化基金项目“沥青路面现场微波热再生养护装备关键技术研究” 的子课题。基于视觉图像的病害检测系统，将图像处理技术应用到沥青路面微波热再生中，将促进 沥青路面微波热再生养护工程车智能化，为开发柔性、高效的微波修补路面工程车提供理论和技术 支撑。本研究主要工作如下： 首先，通过总体方案设计，将路面病害检测系统分为图像采集、图像预处理、病害目标提取、 畸变校正、l 冬| 像识别等五个功能模块，并根据需要建立了路而| 冬i 像采集系统实验平台，利用c c d 摄 像头、图像采集卡和计算机搭建了路面病害图像采集和处理系统，通过该测试系统验证和发展了将 图像处理和控制参数相结合的理论。 其次，采用一系列的图像处理技术，将2 4 位彩色病害图像转换为8 位灰度图像，利用加权的邻 域法对图像进行平滑处理，该算法不仅能够有效地平滑噪声，还能够锐化模糊图像的边缘，同时该 算法计算比较简单，不需要任何先验知识和预定的参数，采用大津法蚓值分割结合区域生长法的算 法提取出路面病害目标。实验表明，该方法能很好的将坑槽病害目标与路面背景分割开，且便于后 续的识别和理解。 接着，研究非线性畸变模型及几何畸变校正方法，采用基于控制对象的三次多项式法校正桶形 畸变和重投影法校正倾斜畸变。通过在实验室采集平台下采集图像、确定控制点，建立坐标变换模 型、应用双线性灰度插值，实现了畸变图像的校正。 最后，通过算法确定病害的外接矩，并根据加热器的排列结构对图像进行栅格划分，找出病害 与加热器的对应关系最终计算出加热范围参数。该参数文件可以读入到控制部分。为控制微波加 热器的打开范闱提供依据。 实验结果表明，本研究设计的路面病害检测系统具有良好的集成性和稳定性，圆满地完成了预 定的设计目标。 关键词：微波热再生，路面病害，图像处理，视觉识别 英上摘要 r e s e a r c ho nd i s e a s ei m a g ed e t e c t i o nf o rm i c r o w a v eh o t r e c y c l i n go f a s p h a l tp a v e m e n t s a b s t r a c t b yz h o ur u i - q i o n g s u p e r v i s e db yp r o f z h a oj i a n - y ua n dp r o t _ s i rj i n f e i s o u t h e a s tu n i v e t l i t y t h es u b j e o ti sb e l o n gt ot h ep r o j e c to fs 0 i e n e ea n dt e c h n o l o g ya c h i e v e m e n tt r a n s f o r m a t i o no f j i a n g s up r o v i n c e - r e s e a r c ho l lm i c r o w a v eh o tr e c y c l i n gt e c h n o l o g yo fa j p h n l tp a v e m e n t d i s e a s ei m a g e d e t e c t i o ns y s t e mw h i c hb a s e do l lm a c h i n ev i s i o na p p l i e si m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt om i e r o w s v ch o t r e c y c l i n gt e c h n o l o g yo fa g p h a i rp a v e m e n t i tw i l lp r o m o t et h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o no ft h ep a v e m e n tr e p a i r v e h i c l ea n dp r o v i d et h e o r ya n dt e c h n o l o g ys u p p o r tf o rd e v e l o p i n ge f f i c i e n ta n df l e x i b l ev e h i c l e t h em a i n r e s e a r c ho o n t e n t s f o f l o w s ： f i r s t , b yd e s i g n i n gt h eo v e r a l ls c h e m e t h ed e t e c t i o ns y s t e mi s d i v i d e di n t of i v em o d u l e s ：i m a g e c a p t u r e , i m a g ep r o p r o e c s s i n g , d i e a s et a r g e te x t r a c t i o n , d i s t o r t i o nc o r r e c t i o n ，a n di m a g er e c o g n i t i o n p a v e m e n ti m a g ec o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e m ，w h i c hi sc o n s t i t u t e db yac c do a m c r a a ni m a g e a c q u i s i t i o ne e r da n d c o m p u t e r , v e r i f i e sa n dd e v e l o p st h et h e o r yo fc o m b i n i n gi m a g ep r o c e s s i n gw i t h c o n t r o l l i n gp m e t e n s e c o n d , 2 4 - b i tc o l o ri m a g ei sc o n v e r t e dt o8 - b i tg r e yi m a g eb o f o s u b s e q u e n tt r e a t m e n t aw c i 【g h t n e i g h b o r h o o da v e r a g ef i l t e r i n ga l g o r i t h mi su s e dt of d t e rt h ei m a g e t h ea l g o r i t h mn o to i l l yg a l ls m o o t h n o j l ce f f e c t i v e l y , b u ta b ec a ns h a r pt h ee d g eo f b l m fi m a g em o r e o v e r , t h ea l g o r i t h mi ss i m p l e rt h a no t h e r s b e o a n s ei tn e e dn o ta n yt r a n s c e n d e n t a lk n o w l e d g ea n dp r e d e t e r m i n e dp a r a m e t e r o t s ut h r e s h o l d i n g m e t h o dc o m b i n e dw i t l ir e g i o ng r o w m gi su s e dt oe x t r a c tt h ed i s e a s eo b j e c tt h i ss o l u t i o no fi m a g e p r o c e s s i n gi sp r o v e dt ob ee f f e c t i v ei ne x p e r i m e n t s t h e n , t h en o n l i n e a rd i s t o r t i o nc o r r e c t i o nm e t h o d sa r er e s e a r c h e d t h ec u b i cp o l y n o m i a lm e t h o db a s e d o nc o n t r o lo b j e c ti sr e e dt oc o r r e c tb a r r e ld i s t o r t i o na n dr e - p r o j e c t i o nm e t h o di su s e dt oo o f f e e ti n c l i n a t i o n d i s t o r t i o n ，i m a g ec o r r e c t i o ni sr e a l i z e di ng e o m e t r i c a lt r a n s f o r ma n db i i m e a rg r a yi n t e r p o l a t i o nm e t h o d u n d e re x p e r i m e n tp l a t f o r m f i n a l l y , t h ep a r a m e t e ro f h e a t i n gr a n g ei sc a l c u l a t e db yg e t t i n gt h ee x t e r n a lr e c t a n g l eo fd i s e a s ca n d i t s r e l a t i o u s h i pw i t hh e a t e ra r r a n g e m e n ts t r u o t a r c a n dt h ep a r a m e t e nc a nb eu s e da gt h ef o u n d a t i o nt oc o n t r o l t h eh e a t e rw o r k i n gr a n g e e x p r r i m c n ts h o w st h a tt h ed i e a s ci m a g ed e t e c t i o ns y s t e mh a sb e t t e ri n t e g r a t i o na n dr e l i a b i l i t ya n dt h e o r i g i n a lg o & hm ea c h i e v e d k e yw o r d s ：m i c r o w a v eh o tr e c y c l i n g ，p a v e m e n td i e a s e ，i m a g ep r o c e s s i n g ，v i s u a li d e n t i f i c a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，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，也不包含为获得东南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。 研究幺晔型彩 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 导师躲型里鱼：日期：丝垡- 髟 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 1 1 1 课题背景 第一章绪论 公路交通是国民经济的大动脉，是国家经济建设的基础工程。从1 9 8 8 年中国犬陆第一条高速公 路正式通车到现在，中国的高速公路建设取得了举世瞩目的成就。“十五”期问中国共建成高速公路 2 4 7 万公里，是“八五”和“九五”建成高速公路总和的l ，5 倍。全国高速公路通车总里程先后跃 上了2 万公里、3 万公里、4 万公里三个人台阶。到2 0 0 5 年底，高速公路总里程达到4 1 万公里， 位居世界第二位。根据交通部最新公布的国家高速公路网规划，从2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年，国家将 斥资两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使中国高速公路里程达到8 5 万公里。 在我国高等级通车道路中，沥青路面占9 0 以上。这些路面在长期的使用过程中，由于日晒雨 淋和车辆长期作用的结果，不可避免会出现各种各样的损坏，如龟裂，拥包、沉陷、斑脱等。如不 及时修复，损坏面积会逐渐扩大，在车辆冲击、水的侵蚀下，直至形成大而深的坑槽，给行车和养 护带来极大不便。因此在未触及基层的坑槽形成之前修复路面是十分重要的。如何对沥青路面实行 高质量保养以及对损坏的沥青路面进行快速维修是当今公路工程技术人员迫切需要解决的问题。 目前对于高等级公路沥青路面的日常维护性修补，国内原来大多采用拌和好的热沥青混合料填 充切割后的旧沥青路面经碾压成型的方法。这种施工方法，劳动强度大，效率低，维护成本高。且 由于存在冷热接缝日j 题，修补后的路面寿命不长。当前国内普遍使用的路面再生加热方式有红外线 辐射加热、热风循环式加热和红外线热风并用式加热”。三种方式，其中应用较广泛的是红外线辐射 加热方式。但是，采用远红外加热技术仍不能解决易使沥青老化的加热不均匀问题，且目前尚未能 研制出与沥青路面相匹配的选择性涂层材料，因而加热效率不高，且车载性能较差。2 0 世纪6 0 年代 以后，微波作为一种新型能源，已在工业上得到了相对成熟的应用。与常规的加热方式相比，微波加 热具有加热效率高、速度快、加热均匀、穿透深( 可达1 2 厘米以上) 、便于实现微机自动控制等优 点。最为关键的是，在微波加热的过程中，聚集料受激励产生热量并将热量传给沥青料，沥青本身 在微波的作用下并不产生太大的热景，因而，沥青不会烧焦。 有资料表明，美国已有公司利用微波米现场回收沥青，表示微波加热的可行性和优越性。我国 沥青路面的再生问题己迫在眉睫，只前国内已有公司投资研发应用微波加热原理的沥青路面养护设 备，但是利用微波技术对高等级路面的养护修补技术还处于起步阶段，无法满足高等级公路快速修 补的多方面需求。 高速公路一般偏离城市较远，路面损坏现场常常远离基地，故沥青高速公路热再生养护车除需 有较好的机动性外，还需装载填补坑洞_ i j 的沥青混合料。因此沥青路l f 【i 微波加热再生修补需要解决 二个方面的智能控制问题：1 ) 沥青混合料的加热保温控制。2 ) 必须根据不同的沥青材料、现场情 况( 环境温度、坑槽大小) 等来确定加热工艺，并实施加以控制。 对于不同的路面现场情况，在微波加热之前，要了解路况并检测路面破损的范围，以便确定相 应的微波加热范围。目前已有的应用微波加热的养护设备，有的在应用微波加热时没有考虑微波的 加热范围，不管路而病害大小都打开整个微波加热器，这将造成微波能的浪费和效率的降低，有的 对加热墙进行分区并用目测的方法来确定加热器的加热范围，而目测的方法检测速度较慢、误差较 大、不利于自动控制。针对这一问题，本项目研发的沥青路血微波热再生智能j ：稆车设计多路控制 的微波加热器，通过采集路而病害图像，1 ：从中获取病害目标的大小实现自动控制微波加热器的打开 范围。因此，非常钉必要研制路面病害自动榆测系统。 根据上述原冈，本课题将机器视觉和图像处理应用到沥青路面微波热再生修补t 程车，实现t 程车的智能化，具有重大的现实意义和席用价值。奉文的检测系统土要针对坑槽类病害，研究了图 东南大学硕士学位论文 像采集、图像处理等技术在沥青路面微波热再生养护工程车中的应用，通过确定病害范围，为下一 步修复路而病害提供依据。 1 1 2 研究意义 近年来，数字图像处理技术在替代和超越人的视觉功能方而取得了一系列的惊人成果，显示了 强大的生命力。而计算机硬件技术的飞速发展将这些高新技术的研究与应用带入了一个崭新的阶段， 新方法、新观点层出不穷，其应用范围也不断扩大，在很多方面取得了开拓性成果。随着高速图像 采样技术和数字图像处理技术的发展，在公路路况检测中采用计算机自动检测技术己成为可能。道 路榆测技术由人工检测向自动化检测技术发展，使对道路质量的监测、评估和病害分析更加快捷， 道路养护更加合理和经济。 本课题开发的路面坑槽类病害检测系统把机器视觉与图像处理技术应用于沥青路面微波热再 生，将路而检测与修补技术相结合，促进了沥青路而微波热再生修补工程车智能化，为开发柔性、 高效的路面养护工程车提供理论和技术支撑，推动路面养护机械的发展；同时也为快速准确进行公 路路况评价提供原始资料，有一定的应用价值和发展前景。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 高等级公路检测研究的新技术 公路科技的发展，产生了许多科研热点，当前公路交通的热点技术不仅水平高，而且科研成果 对公路交通的发展有重大影响，直接推动公路交通的智能化进程。热点技术主要包括： l 、路血雷达测试系统：路面雷达测试系统，能在高速公路时速下，实时收集公路的雷达信息， 然后将信息输入电脑程序内，在很短的时间里，电脑程序便会自动分析出公路或桥面内备层厚度、 湿度、空隙位置、破损位置及程度。而路面雷达测试系统是一种非接触、非破损的路面厚度测试技 术，检测速度高。精度也较高，检测费用低廉。因此，它不仅适用于沥青路面或水泥混凝土路面各 层厚度及总厚度测试、路面下空洞探测、路面下相对高湿度区域检测、路面下的破损状况检测，还 可以用于检测桥面混凝土剥落状况、检测桥内混凝土与钢筋脱离状况、测试桥而沥青覆盖层的厚度。 雷达检测车以一定速度在路面上行驶，路面探测雷达发射电磁脉冲，并在短时问内穿过路面，脉冲 反射波被无线接收机接收，数据采集系统记录返到时间和路面结构中的不连续电介质常数的突变情 况，路面各结构层材料的电介质常数明显不同，园此电介质常数突变处也就是两结构层的界面。 根据测知的各种路面材料的电介质常数及波速，则可计算路面各结构层的厚度或给出含水量、损坏 位置等资料“。路血雷达测试系统检测路面厚度的试验方法尚未列入我国路面检测规程，其测试方 法可参照路而雷达测试系统使用说明书。 2 、激光榆测技术：激光技术是6 0 年代发展起来的- - 1 3 尖端科学。激光之所以能够被广泛应用。 是由于它有着独特的技术特点，这些特点是其它光束或测餐技术无法取代的，这些特点包括具有较 高的亮度，极高的方向性、很好的相二f 性与衍射性、很高的光强、很高的测微精度、很高的时问分 辨率以及具有全息反应能力。用激光进行路基路面榆测，同前只限于激光纹王甲测定、弯沉测定以及 平移度测定等领域”1 。激光路卣平整度仪是一台装备有激光传感器、加速度计和陀螺仪的测试车， 它同时备有先进的数据采集和处理系统。测试车以一定速度在路面上行驶，同定在汽车底盘上的- 排激光传感器通过测试激光束反射回读数器的角度来测试路而，这个距离信号同测试车r 装的加速 度计信号进行瓦筹，消除测试车自身的颠簸，输出路面真实断叫信号。信号处理系统将来自激光传 感器的模拟信号转换成数字信号并记录下米。随着汽车的行进，每隔定间距采集。次数据。通 过数据分析系统，可娃示打印国际平整度指数i r i 等平整度检测结果。由于激光的神秘性以及激光 产生的难度，因此，激光用于公路榆测的发展比较缓慢。 2 第一章绪论 3 ：声波检测技术：固体介质受到动荷载的瞬间冲击或反复振动作用时引起动态麻变，以波动的 形式自震源向外传播，由于地基中的岩土特性不同，各个结构而的性质不同，对声波的传播和吸收 就不同。声波检测技术就是利用了这一原理。它可以识别地基的物理状态，并据以判断地基的各种 状态和参数同时可以通过一定的技术分析手段推断地层结构情况，确定施工质量。声波测试技术 主要由声波测试原理、声波测试方法，声波测试仪器研制等方面构成。声波无损测试技术具有设备 轻便、勘察速度快、投入人力财力小且能连续勘测场地面和线的工程地质情况的优势。同时声波检 测是针对某一范围内地质体进行测试的方法，其测试结果一般能够代表整个测试范围内的整体质量。 因此，声波检测法在测试区域整体施工质量方面具有不可替代的优点。 4 、数字图像处理技术：它起源于2 0 世纪2 0 年代，与人类对视觉机理着迷的历史相比，它是一 门相对年轻的科学。但在其短短的历史中，它却广泛应用于几乎所有与成像有关的领域。它最大的 优点就是与被观测的对象无接触，因此对观测与被观测者都不会产生任何损伤，十分安全可靠。采 用数字图像处理技术所能检测的对象十分广泛，可以说对对象是不加选择的。另外，人无法长时间 地观察对象，计算机则不知疲倦，所以数字图像处理可以广泛地用于长时间恶劣的工作环境。 数字图像处理技术在公路路面检测中已经得到越来越广泛的应用。这种技术主要是应用c c d 摄 像机和 冬| 像采集卡采集路面图像，然后对采集来的路面图像进行数字化，并利用计算机对其进行分 析。通过分析结果可以快速的判断路面的病害种类以及病害的严重程度。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。对 此，国内外的许多研究人员都进行了深入的研究，特别是利用摄影或摄像技术开发路面破损信息采 集系统，运用阻像识别等技术处理路面破损信息已经成为本领域的研究热点“1 。 1 2 2 国外研究概况 最早的路面破损自动检测系统始于2 0 世纪8 0 年代，如日本的k o m a t s u 系统”。当时的技术还 很不完善，其工作原理也不尽相同。日本的k o m a t s u 系统是利用安装在检测车两旁的激光扫描器发 出氨激光照亮路面，通过光电倍增管以一定角度接收从路面反射同来的光，当被扫描的路面一1 - 有裂 缝h 现时，接收的射线数量就会减少。也就是说，从光电倍增管输出的变化反映出所扫描的区域是 否存在裂缝。k o m a t s u 系统采用了并行处理技术确定裂缝的宽度，长度、数量等特征参数，这代表 了当时最先进的硬件技术。但是它的缺陷在于不能识别裂缝类型，而且为了控制光照条件只能在夜 间工作，车速也必须限制在1 0 k m h 。 随着计算机技术和视频技术的发展，使得实时捕捉并存储路面图像成为可能。如美国的p c e s 系统，该系统采用了线扫描摄像机来采集路面数据。在此之前，线扫描摄像机主要用一r 制造行业、 工业和半导体行业的表面检测，从未用于路而工程领域。所以，这种方法其有一定的创新性。不过， 即使线扫描摄像机的分辨率和性能比传统的面阵扫描摄像机好，仍需要做大量的工作。此外，当时 的图像捕捉和处理技术还不成熟，所以这个系统没有得到推广。 初期的肇于摄像机的路面裂缝识别系统是一种基十人工或计算机辅助的人工评价，即半自动化 的检测。由工作人员检查存储在计算机硬盘上的路面| 墨| 像，在图像上标注出裂缝，再由计算机进行 统计。后来的计算机辅助半自动裂缝识别系统通过一些路血图像处理算法进行裂缝识别，提高了系 统一动化水平。1 。这些算法的摹本目的是从一个值图像中抽取裂缝特征。值图像一般通过确定 一个最佳阚值来得到，犬于蚓值的像素被认为是背景，设为白色像素；小于阈值的认为是裂缝，设 为黑色像素，从而提取出裂缝。但是，由于路向图像中存在许多随机的噪声信息，确定一个适用于 所有路面图像的阈值很困难，这样的处理并不能很准确地识别裂缝。所以，- t 作人员还必须仔细检 食处理过的i 莹| 像，人工纠正漏检和误检。 1 9 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 ns n a i t h 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7 阵列，分两步对公路路面图像进行并列处理来识别裂 缝等j i j i 害。1 9 9 9 年，c a l i f o r n i a 人学公路研究中心的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 t c o n c r e t ef a t i g u e c r a c k m o n i t o ra n d a n a l y s i s u s i n g d i g i t a l i m a g e a n a l y s i st e c h n i q u e s ”的论文”，文中 3 东南大学硕士学位论文 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 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。 目前，美国、英国和日本等发达国家凭借其遥遥领先的硬件水平和强大的软件开发能力，都已 推出了高等级公路路面榆测的产品，其性能和参数精度都已达到了很高的水平。产品有选用红外热 像仪、超声波、激光和高分辨率c c d 摄像机，结合高性能的计算机处理系统和测试车构建成完整的 公路检测系统。同时t 产品开发的软件系统界面友好、算法科学并具有较高的运行速度，能很好的 满足图像采集的处理速度。据报道英国公路管理局资助研制的“交通状况调查高速路况探测车”已 研制成功“。这种车町利用摄像机对路面进行扫描，并通过车前安装的2 0 个激光传感器对道路状况 进行探测，可发现2 毫米宽的裂缝。此外，它还町以在高速公路上以1 0 0 公里以上的时速探测道路 状况，可将每年的道路检测量提高五倍以上。 目前，国际上研究的重点是在图像处理分析的具体软件算法上，原因是路面本身的多样性和路 面损坏的复杂性，使得单一的常规图像处理算法无法完成所有类型的识别。因此，应用图像处理技 术来识别路面病害，主要是在高等级的沥青混凝土路面和水泥混凝土路而上，而且必要时需采用其 它的硬件技术作为辅助，如采用可控光源进行晚上量测，可以排除阴影的干扰，受交通的影响也不 大；采用激光或红外传感器等进行辅助测量，增加分类与识别参数等。即便如此，到目前为止，国 际上还没有一个公认的路面病害图像处理算法。 1 2 3 国内研究概况 在国内，由于我国高等级公路建设起步较晚，路面检测与评价技术水平总体上还比较落后，对 公路质量状况和长期使用性能难以做出科学的分析、评价和预测，对出现的路而过早损坏等问题无 法从根本上解决。我国正掀起一场大规模的高等级公路建设热潮，尽快提高我国路面检测与评价技 术水平势在必行当前高速公路路面养护中，养护部fj 的路况检测手段摹本上仍以低等级公路的检 测与养护思路为主，即主要靠养护巡查( 肉眼判断为主) ，仅在运营管理单位认为有必要进行大中修 时，方委托有条件的检测单位进行检测。对路况的检测方法也基本上为一些效率与技术含量较低的 方法，且多以人工方式为主，检测结果受人为因素影响较大。如现行规范提到的人工调查破损、贝 克曼粱测定承载力、j 米尺或连续式平整度仪测定平整度、人工铺沙法或摆式仪法钡6 定抗滑能力， 地质钻探榆查结构完整性等。在高速公路检测中，这些方法已存在以下不足和需要改进的地方：人工 调查破损工作效率低、危险性大，受调查人员自身对破损认识程度的影响大，尤其很难获得完全连 续的、真实的路面表而网像。1 “。 9 0 年代末，随着我国公路特别是高等级公路建设的迅速发展，全国各省也相继开发研制各种检 测仪器和图像处理软件。使我国的公路检测水平得到了很大的提高。但是，由于成本以及时技术 条件等其它凶素的制约，所研制的检测仪器仍停留在模拟摄像机摄像，然后，根据磁带的回放进行 人工的离线处理，由于无法对病害的损坏程度进行科学的计算和分析。因此，无论是检测水平还是 处理速度，都已不能满足目前高速发展的公路建设事业的需要。 圉内也有研制出的沥青路面病害检测仪“。，该仪器由摄像髓视和数据处理两部分组成，装有摄 像系统的检测乍在1 5 k m h 左右的午速f 完成对“病害”的摄像任务，并经监视确认“病害”l 孥| 像清 晰无误后，将录有“病害”资料的录像带转垒室内，利用计算机进行数据处理。该仪器能对沥青路 面病害进行自动检测、分析和统计，为公路管理和养护部门的决策提供科学依据。 科学技术的高速发展，推动了国内外公路的榆测水平。近年来，我国路面病害榆测系统研究已 经取得了一定的发展，很多研究者提出了基于c c d 摄像机的路曲裂缝谚5 另u 技术，利用数图像处理 技术解决路面裂缝自动识别的问题“1 。哈尔滨r ：业大学从2 0 0 1 年开始了设备与算法方血的研究，己 取得了阶段性的成粜”。2 0 0 2 年l o 月，国内首辆数据采集和后期数据处理两部分组成的路而智能检 测车j g - 1 型南南京理工大学唐振民等研制成功。武汉大学空间信息与嘲络通信技术研发中心根据国 4 第一一章绪论 内公路检测的现状开发了拥有自主知识产权的s i n c r t m 车载智能路面自动检测系统“”，采用g p s 和距离传感器对路面病害特征进行定位，精度较高，缺点是榆测裂缝和平整度的精度较差。 2 0 0 3 年4 月，河北省交通科学研究院研制出了“沥青路面车辙试验系统“”1 。但是由于应用场 合的不同、路面本身的多样性和路面损坏的复杂性，并没有通用的病害检测算法。 目前国内路而病害检测的研究，有的是摹于路面采集车，专门对病害图像采集、测量和分类 有的是针对路面裂缝的，以找出裂缝的边缘和测出裂缝的尺寸，为公路管理和养护部门的决策提供 依据。本课题将路面病害检测与沥青路面微波热再生技术相结合，针对坑槽类病害进行目标提取， 且把处理结果作为控制参数传给沥青路面微波热再生智能工程车的控制系统。用来控制微波加热器 打开范围，目前还未见有这样的应用。 1 3 论文的主要研究内容 1 3 1 课题所要解决的问题 针对我国公路的快速发展以及日常维护性修补技术的现状，本项目研发的微波热再生路面修补 工程车，将微波加热技术应用到路面修补中。为了实现路面修补工程车的智能控制，在加热器i ：作 之前需要检测路面状况以确定各个加热参数。为此，本课题运用c c d 摄像机、图像采集卡、计算机 等建立路面i 訇像采集平台，并利用该平台进行路面图像的采集与处理技术研究，确定坑槽病害的范 围，以作为确定加热器的加热范嗣依据。具体研究内容如下： 1 、建立路面图像采集系统实验平台 根据实际需要，建立由c c d 摄像机、图像采集卡、计算机等构成的路面图像自动采集实验平台。 利用该平台进行图像的采集以及完成相关的实验。 2 ，病害网像目标提取研究 利用图像处理系统对采集到的病害l 墨| 像进行处理，包括将2 4 位彩色图像转换为8 位灰度图像、 图像平滑预处理，图像分割，着重探讨了适合路面坑洞病害的阈值分割方法，并将阈值分割与区域 生长相结合，最终提取出病害目标。 3 、崮像畸变校正研究 针对广角镜头引起的桶形畸变和摄像机倾斜安装引起的倾斜畸变，采用基于控制对象的方法， 采集畸变阿像并确定控制点，建立坐标变换模型，应用线性插值技术。最终实现畸变图像的校正。 4 、特征提取与加热范围参数的确定 设计沥青路面加热参数，针对其中加热范围参数，通过算法找出病害的外接矩形，根据加热器 的排列方式对病害图像进行划分，将病害与加热器喇叭口对应，给出加热范围参数作为加热控制器 的打开范围依据。 1 3 2 课题解决方案的设计 红外热成像技术、激光技术、雷达技术和超声波技术研制的产品成本高，技术复杂，冈此在公 路路而绢害检测中的应h 】极少。采刚模拟摄像机摄取处理的技术，采集的图像是模拟的视频信号图 像，检测精度小高并且在图像的处理过程中要求人工进行转录、监测等，自动化程度有待提高。 c c d 是电荷耦合器件的简称，是一种微型图像传感器，既有光电转换功能，又其有信号电荷的 存储、转移和读出功能。它能把一幅窄问域分钿的| 等l 像变换为一列按时间域离散分布的电信号。并 且具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、象元尺寸小、几何精度高、抗振动和潮湿及成本低的 特点。由于c c d 图像传感器是以时间积分方式l ：作的，光积分时间可以在很宽的范围内调节，所以 输卅信弓易于与计算机连接，进行数字化处理。随着数字摄像技术的发展，c c d 摄像机的转换速度 与像素点数以及其它性能都比以往自了很大提高，计算机进行图像处理的能力、速度、容量也都发 东南大学碗仁学位论文 生了很大变化，硬件上已具备开发此类技术的条件。斟此，本文决定选用c c d 技术和数字图像处理 技术相结合的方法，对高等级公路沥青路而坑槽类病害进行识别。 本课题中，由于处理对象是沥青路【丘i 坑槽类病害图像，考虑到沥青路面的多纹理性会给提取坑 槽目标带来很大影响，在图像处理方面设计了以下方案： 1 、灰度变换 公路路面灰度图像提供的“病害”信息与彩色图像基本相当，但信息处理量远小于彩色图像， 因此对采集到图像进行灰度变换，将2 4 位彩色图像转换为8 位灰度图像。 2 、畸变校正 由于采用广角镜头，且倾斜安装，会产生桶形畸变和倾斜畸变，因此要进行图像畸变校正。 3 、图像预处理 对图像进行适当的预处理可有效消除或减少拍摄过程引入图像中的噪声干扰。 4 、阈值分割 采用基于区域的阈值分割方法，它利用了图像中要提取的目标物体与其背景在灰度特性上的差 异，把图像视为具有不同灰度级的两类区域( 目标和背景) 的组合，选取一个阈值，以确定图像中 每个像素点应该属于目标还是属于背景区域，从而产生相应的二值图像。 5 ，区域生长法提取坑洞病害目标 对阈值分割后的图像，运用区域生长法消除背景中的沥青颗粒噪声，从而得到坑洞目标。 6 、确定加热范围参数 分析微波加热需要考虑的加热参数，并根据提取出的坑槽病害目标和加热器喇叭的排列方式确 定加热范围参数，以文本文件传递给控制部分。 本文根据所设计的方案，对各种图像处理算法进行试验，并从实际处理效果进行比较，找出最 适合的方法，最后，通过模块化设计，实现整个系统功能的集成。 1 4 论文的内容安排 本文共分为六章，具体安排如下： 第一章：介绍课题的背景和意义、国内外研究概况，论文所做的丁作以及全文的安排。 第二章：介绍路面病害检测系统总体设计，包括系统的软、硬件构成，所选用的一些实验平台 和实验设备。 第三章：详细讨论沥青路面病害图像的处理过程，包括图像的灰度转换、图像预处理、闽值分 割、区域生长的算法与实验结果。 第四章：研究图像畸变校正，详细讨论了畸变产生的原因以及非线性畸变模型、几何畸变校正 的原理与方法，以及对畸变图像进行校正。 第五章：设计了沥青路面病害加热参数，并针对提取m 的病害目标，确定其中微波加热器的加 热范围参数。采用面向对象的方法，创建图像处坪函数库，实现系统功能的集成。 第六章：对本文所做的工作进行总结，指出本系统的不足以及改进的方向。 6 第，：章路面病害检测系统总体设计 第二章路面病害检测系统总体设计 本章以微波修补路面工程车视觉方面的基本要求为基点，阐述组成该系统的软、硬件设计思想 及框架。介绍本课题中机器视觉系统的构架以及所采用的相关设备、开发平台。 2 1 需求分析 根据本项目研制的微波修路丁程车路面病害检测的要求，本系统要能采集到路面病害图像，并 正确提取出坑槽病窖目标，确定加热范围参数，为控制部分提供控制微波加热器加热范围的依据。 为了实现需求，本课题需要建立路面图像采集系统实验平台，利用该系统采集到图像，并进行 图像校正实验，为后续的处理提供准确的原始图像。利用图像处理系统对采集到的病害图像进行处 理，包括将彩色图像转换为灰度图像、图像预处理、图像分割，一最终提取出病害目标，然后通过算 法找出病害的外接矩形，计算出病害图像与加热器单元坐标问的映射关系，确定加热参数。 要能实现需求该路面病害检测系统必需满足以下几个要求： 1 、检测精度 要使系统能正确提取出病害目标，根据病害目标确定加热范围参数，并能将参数文件传递给控 制部分，实现加热控制。 2 、检测速度 要满足工业现场的应用，必须满足其速度要求； 3 、软件的可扩展性 系统软件设计时除了考虑目前需要的功能外，还需考虑到后续功能的扩展，具有可扩展性。 2 2 系统总体设计 本文的研究内容是路面病害检测问题，为此所建立的路面病害自动检测系统应包含路面破损信 息采集和数据处理两项功能： 在对路面破损自动检测系统功能分解以及对国内外自动检测系统分析的基础上，本文设计的病 害图像检测系统是由计算机、嗣像采集卡、c c d 摄像机和图像处理软件组成。图2 - 1 为系统组成示 意图： 其中： 1 、附属装置 图2 - 1 路由病害检测系统组成 7 东南大学硕士学位论文 包括摄像机的安装架、电源设备以及照明设备等用以支撑整个实验甲台的装置。 2 、图像采集予系统 建立路面图像采集系统实验平台，利用c c d 摄像机和图像采集卡实时采集路面病害图像并输入 计算机。 3 、图像处理子系统 采用一系列的图像处理技术，对采集到的彩色图像进行灰度转换、校正图像畸变、提取出路面 病害目标，根据病害目标与加热器单元坐标间的映射关系确定加热范围参数，并把参数写入文本文 件，供控制部分读入以实现控制功能。 由于本文的主要目的是进行算法的研究，因此，工作重点集中在通过计算机对采样和量化后的 数字图像的处理上。计算机进行数据处理的流程图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 病害图像处理流程 2 3 机器视觉硬件系统设计 机器视觉系统丰要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示”“。系统的总 体结构大体上分为两种：一种是传统的山光源、光学系统，c c d c m o s 相机、计算机、图像处理单 元( 或图像采集卡) 、机器视觉处理软件、人机接v i 、通讯接口等设备组成的机器视觉系统结构；另 外一种是基丁i 嵌入式技术的“聪明相机”( s m a r l c a m e r a ) ”1 。 嵌入式视觉系统虽然体积小、重最轻，但开发难度大，抗二f 二扰蚀变能力筹，j r ：业现场的适应性 较差。考虑到实际的应用环境，本文决定采用计算机、图像采集卡，c c d c m o s 的机器视觉系统结 构。系统结构如图2 - 3 所示。 第二章路面病害检测系统总体设计 换 图2 - 3 机器视觉硬件系统结构 包含病害的路面场景经光学系统后成像于c c d 的光敏面上，通过c c d 摄像机把光信号转变为 电信号后输入到图像采集卡，采集卡完成对信号的a i d 转换，得到一帧帧的数字图像，存储在帧缓 冲存储器内。此时信号分为两路，一路用于实时显示视频图像，信号经显卡传输到显示器显示输出。 这期间需要c p u 通过计算机总线、显卡的显示控制模块来控制具体的信息传递。另一路用于图像的 采集和存储，最终图像存储在计算机的内存或硬盘上。 2 3 1 图像采集卡的选择 图像采集卡是图像采集部分和图像处理部分的接口。图像经过采样、量化以后转换为数字图像 并输入、存储到帧存储器的过程，叫做采集数字化。由于图像信号的传输需要很高的传输速度，通 用的传输接口不能满足要求，凶此需要图像采集卡。图像采集卡还提供数字i o 的功能。 在机器视觉系统中，输入输出的控制很重要。系统中常要根据处珥! 过程的需要来决定摄像机的 拍摄时问。如果采用了可重设的摄像机，需要产生重设信号。在一些系统中，由于需要设定拍摄的 帧率，应该有像素时钟发生器。外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的 同步，它可以保证不同设备输出的视频信号具有相同的帧行起止时间。为了实现外同步，需要给摄 像机输入一个复合同步信号或复合视频信号。如果图像采集卡已经具有数字i o 功能，能够产生摄 像机和其他电子设备所需的选通、触发及其它电子信号，对系统是很有用的，否则将需要独立的数 字i o 卡。 本系统使用的是大恒公司的d h - c g 3 0 0 视频采集卡，图2 - 4 为所采用的图像采集卡外观。 d h - c g 3 0 0 视频采集卡具有使用灵活、集成度高、功耗低等特点，它秉承了p c i 图像卡的特点，即 图像采集传输基本不占用c p u 时间，并可将图像直接传送到计算机内存或显存。i 警i2 5 为i 冬i 像采集 卡工作流程，图像采集卡安装在计算机内，通过计算机的p c i 总线将数：化后的图像信息写入计算 机的内存中暂存。其中数字化分为两步：a d 转换及点处理，a d 转换过程是对视频的模拟信号进 行采样，点处理过程是将得到的信号转换为可存储在计算机中的位图格式。 图2 4d h - c g 3 0 0 图像采集卡 9 幕一 悉 | 圉嚣 圆摹 东南大学硕：l 学位论文 l 开始( 初始化指定设备，申请资源) l 参数设置( 视频采集窗口，源路，制式 、数据格式 l l 采集图像到屏幕或者采集图像到内存 ( 采集、停止、读取、存储) 结束( 释放资源) 图2 - 5 图像采集卡工作流程 d h - c g 3 0 0 技术性能及特点： 三路复合视频和一路y c 输入，软件切换； 支持p a l ，n t s c 或黑白视频输入； 图像分辨率最高：p a l ：7 6 8 x 5 7 6 x 2 4b i t 、n t s c ：6 4 0 x 4 8 0 ，2 4b i t ： 亮度、对比度、色调、色饱和度软件可调； 支持计算机内容与网像同屏显示，图形覆盖功能： 支持任意形状的图像采集； 支持裁剪与比例压缩模式； 支持r g b 8 8 8 8 、r g b 8 8 8 、r g b 5 6 5 、r g b 5 5 5 及2 5 6 色模式： 支持单场，单帧、连续场、连续帧的采集方式： 支持中断方式( d o s 环境下提供巾断接口) ； 支持单机多卡； 提供d o s 、w i n d o w s9