CN108460767B - 车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置与方法 - Google Patents

车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置与方法，旨在解决车载路面裂纹检测***路面单应主动解算问题。车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置主要由底座(1)、线激光器(2)、激光投线仪支架(3)、摄像机(4)、摄像机支架(5)、激光投线仪长支架(6)、投线仪套(7)与二维靶标板(8)组成。车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法由图像采集、投影点重建、激光线标定、路面动态重建与单应实时解算五个步骤组成，提供了一种结构简单、性能可靠的车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置与方法。

Description

车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置与方法
技术领域
本发明涉及一种交通检测领域的检测设备的辅助设备，更具体的说，它是一种车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置与方法。
背景技术
目前，车载路面裂纹检测***在重建摄像机拍摄的路面裂纹图像时，将路面看作一个整体的平面，假定路面平面与摄像机的相对位置不变。在标定摄像机时，要求汽车固定不动，拍摄多张靶标板图像进行摄像机标定，获取路面图像单应矫正矩阵H。每安装一次摄像机时，都需要摄像机标定，获取路面图像单应矫正矩阵H，标定的结果只能体现标定时汽车所处姿态的路面图像单应矫正矩阵H，这使得检测繁琐、效率低下、耗时长。因此，设计一种车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置与方法就十分必要。
发明内容
本发明针对解决在车辆运动过程中，车载路面裂纹检测***到路面之间的单应关系的动态标定的问题及每次安装摄像机时，需要对摄像机进行重新标定的问题，提出了一种车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置与方法。该方法主要由一部工业摄像机和四条与摄像机相对位置不变的线结构光构成，以四条线结构光在路面上的投影点作为基准，实现对路面图像单应矫正矩阵H的动态解算。
结合说明书附图，本发明采用如下技术方案予以实现:
一种车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置包括有底座、线激光器、激光投线仪支架、摄像机、摄像机支架、激光投线仪长支架、投线仪套与二维靶标板；
四个线激光器***四个投线仪套的内孔,螺栓穿过四个投线仪套侧面的螺纹孔,螺栓顶部与四个线激光器侧面面接触紧配合,螺栓穿过激光投线仪支架圆形底座的圆孔与底座螺纹固定连接，两个投线仪套侧面的螺纹孔与激光投线仪支架顶部的螺纹杆螺纹固定连接,螺栓穿过摄像机支架圆形底座的圆孔与底座螺纹固定连接，摄像机底部的螺纹孔与摄像机支架顶部的螺纹杆螺纹固定连接,螺栓穿过激光投线仪长支架圆形底座的圆孔与底座螺纹固定连接，两个投线仪套侧面的螺纹孔与激光投线仪长支架顶部的螺纹杆螺纹固定连接；
底座为钻有螺纹孔的钢板制成的方形零件；
线激光器为可发射一条线激光的圆柱形零件；
激光投线仪支架由一个圆形底座和一个圆杆焊接而成，圆杆顶部加工一段螺纹杆，激光投线仪支架的圆形底座加工三个圆孔；
摄像机支架由一个圆形底座和一个圆杆焊接而成，圆杆顶部加工一段螺纹杆，摄像机支架的圆形底座加工三个圆孔,摄像机支架的圆杆长于激光投线仪支架的圆杆；
激光投线仪长支架由一个圆形底座和一个圆杆焊接而成，圆杆顶部加工一段螺纹杆，激光投线仪长支架的圆形底座加工三个圆孔,激光投线仪长支架的圆杆长于摄像机支架的圆杆；
投线仪套为钢管加工制成圆型零件，投线仪套的侧面加工三个螺纹通孔；
二维靶标板为钢板加工的矩形零件,二维靶标板表面贴有规则几何图案。
一种车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法具体步骤如下：
第一步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的图像采集：
底座放置在汽车前方与汽车前端螺纹固定连接。二维靶标板放置在摄像机前的多个位置，开启四个线激光器，摄像机采集N幅二维靶标板以及四个线激光器投影点的图像；
第二步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的标定靶标激光投影点重建：
首先，对于第1条激光线，从N个包含线结构光的激光线与靶标板交点的靶标图像中得到N个交点的图像坐标。其次，对N个靶标板的图像采用Zhang标定法进行标定，可以获取摄像机的内参数
Figure BDA0001651350970000021
和每幅图片对应的旋转矩阵
Figure BDA0001651350970000022
平移向量tj＝[t1 t2 t3]T。
其中，旋转矩阵Rj由3个列向量rj,1，rj,2，rj,3组成。然后，利用N个交点的图像坐标
Figure BDA0001651350970000023
摄像机的内参数A，各个
Figure BDA0001651350970000024
所属的图片对应的旋转矩阵Rj包含的列向量rj,1、rj,2和对应的平移向量tj求得N个交点在靶标坐标系下的三维坐标
Figure BDA0001651350970000025
其数学表达式如下：
Figure BDA0001651350970000026
其中，
Figure BDA0001651350970000027
为N个交点在图像坐标系下的二维坐标。
依据N个交点在靶标坐标系下的三维坐标
Figure BDA0001651350970000028
求得N个交点在摄像机坐标系下的三维坐标,其数学表达式如下：
Figure BDA0001651350970000031
其中，Rj，tj为各个交点在靶标坐标系下的三维坐标
Figure BDA0001651350970000032
所属的图片对应的旋转矩阵和平移向量，
Figure BDA0001651350970000033
为N个交点在摄像机坐标系下的三维坐标。
对于另外三条结构光的激光线，可以根据以上步骤求出每条激光线所对应的N个交点在摄像机坐标系下的三维坐标。
第三步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的基准激光线的标定：
首先，对于第1条激光线，设该条激光的两点式参数为a1、a2、a3、a4、a5、a6，则线激光方程为
Figure BDA0001651350970000034
从第二步获得的该条线激光的N个交点在摄像机坐标系下的三维坐标
Figure BDA0001651350970000035
中选取两个点
Figure BDA0001651350970000036
将
Figure BDA0001651350970000037
中的X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标赋予a1、a2、a3作为其初值。将三维向量
Figure BDA0001651350970000038
的X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标赋予a4、a5、a6作为其初值。其次，构造N个向量
Figure BDA0001651350970000039
对于每个向量
Figure BDA00016513509700000310
使其与向量
Figure BDA00016513509700000311
做向量积并取模得到N个向量积的模，将这些向量积的模分别除以向量
Figure BDA00016513509700000312
的模，得到每个交点到线激光的距离dj(j＝1,2,3,…,N)，其数学表达式如下
Figure BDA00016513509700000313
其中，dj是关于a1、a2、a3、a4、a5、a6的函数，
Figure BDA00016513509700000314
Figure BDA00016513509700000315
最后，令dj(j＝1,2,3,…,N)的和
Figure BDA00016513509700000316
最小，采用LM算法解算出优化后的a1、a2、a3、a4、a5、a6的值。根据优化后的激光线上的两点(a4+a1 a5+a2 a6+a3)T和(a1 a2 a3)T以及Plücker点坐标的对偶形式可以将该线激光表示为
Figure BDA0001651350970000041
对于另外三条结构光的激光线，可以根据以上步骤求出每条激光线的Plücker坐标
Figure BDA0001651350970000042
第四步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的路面平面动态重建：
首先，从图像中获取四个投影点在图像坐标系下的坐标
Figure BDA0001651350970000043
投影点在激光线上并满足摄像机投影模型，因此四个投影点在摄像机坐标系下的坐标
Figure BDA0001651350970000044
满足
Figure BDA0001651350970000045
其中，
Figure BDA0001651350970000046
为四个投影点在图像坐标系下的坐标，
Figure BDA0001651350970000047
为第三步获取的摄像机坐标系下的线激光的Plücker坐标，矩阵A为摄像机内参数。由SVD分解法获得投影点在摄像机坐标系下的坐标
Figure BDA0001651350970000048
然后，设摄像机坐标系下路面平面的坐标为四维向量
Figure BDA0001651350970000049
设四个投影点
Figure BDA00016513509700000410
都在模拟平面πRC上，则有
Figure BDA00016513509700000411
其中，πRC中包含有四个未知数
Figure BDA00016513509700000412
由该方程解算出摄像机坐标系下的路面平面的坐标πRC。
第五步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的路面图像单应实时解算：
首先，激光投影点在第四步求解的路面平面πRC的垂足坐标表示为
Figure BDA00016513509700000413
垂足在路面平面πRC上，其数学表达式如下
Figure BDA00016513509700000414
其中，
Figure BDA00016513509700000415
其次，分别给定路面平面上三个不同点的X轴坐标和Y轴坐标，求得三个路面平面上的点的坐标
Figure BDA00016513509700000416
投影点
Figure BDA00016513509700000417
与垂足
Figure BDA00016513509700000418
所构成的向量
Figure BDA0001651350970000051
垂直于路面平面上的已知的三个点中的两个点构成的向量
Figure BDA0001651350970000052
其数学表达式如下
Figure BDA0001651350970000053
联立以上三个方程解出垂足坐标
Figure BDA0001651350970000054
最后，以
Figure BDA0001651350970000055
为原点建立路面坐标系并取垂足坐标
Figure BDA0001651350970000056
的前两个坐标的对应齐次坐标作为路面坐标系下垂足点的世界坐标
Figure BDA0001651350970000057
其投影关系的数学表达式如下
Figure BDA0001651350970000058
其中，
Figure BDA0001651350970000059
为路面坐标系下垂足点的世界坐标，
Figure BDA00016513509700000510
为投影点在图像坐标系下的坐标，由SVD分解法求得路面图像单应矫正矩阵H。
在汽车行驶过程中，第二步到第五步是循环进行的步骤。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用了路面单应动态解算方法在真实的路面条件下，利用摄像机与四个线结构光实现了路面图像单应矫正矩阵H的解算。
2.本***将一台工业摄像机固定安装在汽车车头的一个主架上，四个线结构光的激光器两两一组通过两端焊有矩形钢板的圆柱形钢杆固定在主架上，使四个线激光的投影点处于像平面上的左上、右上、左下、右下四个区域，将线激光器通电并调好摄像机。这样既可以实现调整线激光发射方向的功能又可以在不影响路面裂纹识别的基础上便于投影点的识别。
附图说明
图1是车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置的轴测图；
图2是车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置中底座1的轴测图；
图3是车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置中线激光器2的轴测图；
图4是车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置中激光投线仪支架3的轴测图；
图5是车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置中摄像机4的轴测图；
图6是车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置中摄像机支架5的轴测图；
图7是车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置中激光投线仪长支架6的轴测图；
图8是车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置中投线仪套7的轴测图；
图9是车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置中二维靶标板8的轴测图；
图10是车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法中求得在摄像机坐标系下激光线与靶标交点坐标的流程图；
图11是车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法中求得在摄像机坐标系下激光线Plücker坐标的流程图；
图12是车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法中求得在摄像机坐标系下路面平面坐标的流程图；
图13是车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法中求得路面图像单应矫正矩阵H的流程图；
图中：1.底座，2.线激光器，3.激光投线仪支架，4.摄像机，5.摄像机支架，6.激光投线仪长支架，7.投线仪套，8.二维靶标板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述:
参阅图1至图9，车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置包括有底座1、线激光器2、激光投线仪支架3、摄像机4、摄像机支架5、激光投线仪长支架6、投线仪套7与二维靶标板8。
底座1为钻有螺纹孔的钢板制成的方形零件,线激光器2为可发射一条线激光的圆柱形零件，投线仪套7为钢管加工制成圆型零件，投线仪套7的侧面加工三个螺纹通孔,四个线激光器2***四个投线仪套7的内孔,螺栓穿过四个投线仪套7侧面的螺纹孔,螺栓顶部与四个线激光器2侧面面接触紧配合。激光投线仪支架3由一个圆形底座和一个圆杆焊接而成，圆杆顶部加工一段螺纹杆，激光投线仪支架3的圆形底座加工三个圆孔,螺栓穿过激光投线仪支架3圆形底座的圆孔与底座1螺纹固定连接，两个投线仪套7侧面的螺纹孔与激光投线仪支架3顶部的螺纹杆螺纹固定连接。摄像机支架5由一个圆形底座和一个圆杆焊接而成，圆杆顶部加工一段螺纹杆，摄像机支架5的圆形底座加工三个圆孔,摄像机支架5的圆杆长于激光投线仪支架3的圆杆。螺栓穿过摄像机支架5圆形底座的圆孔与底座1螺纹固定连接，摄像机4底部的螺纹孔与摄像机支架5顶部的螺纹杆螺纹固定连接。激光投线仪长支架6由一个圆形底座和一个圆杆焊接而成，圆杆顶部加工一段螺纹杆，激光投线仪长支架6的圆形底座加工三个圆孔,激光投线仪长支架6的圆杆长于摄像机支架5的圆杆,螺栓穿过激光投线仪长支架6圆形底座的圆孔与底座1螺纹固定连接，两个投线仪套7侧面的螺纹孔与激光投线仪长支架6顶部的螺纹杆螺纹固定连接，二维靶标板8为钢板加工的矩形零件，二维靶标板8表面贴有规则几何图案。
参阅图10至图13，本发明所提供的车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法可分为以下五步：
第一步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的图像采集：
本装置将一台工业摄像机固定安装在汽车车头的一个主架上，四个线结构光的激光器两两一组通过两端焊有矩形钢板的圆柱形钢杆固定在主架上，使四个线激光的投影点处于像平面上的左上、右上、左下、右下四个区域，将线激光器通电并调好摄像机。这样既可以实现调整线激光发射方向的功能又可以在不影响路面裂纹识别的基础上便于投影点的识别。
底座1放置在汽车前方与汽车前端螺纹固定连接。二维靶标板8放置在摄像机4前的多个位置，开启四个线激光器2，摄像机4采集N幅二维靶标板8以及四个线激光器2投影点的图像；
第二步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的标定靶标激光投影点重建：
在汽车行驶过程中，汽车的位置相对于路面是实时变化的，而摄像机坐标系相对汽车车身坐标系相对固定，因此选取摄像机坐标系作为路面裂纹检测的全局坐标系。由于四个线结构光激光器相对于摄像机位置固定，因此需要在摄像机坐标系下解算四条线激光的坐标。考虑到每条线激光在路面上有一个投影点，路面图像单应矫正矩阵H是3×3的矩阵，含有8个自由度的，一组图像坐标系-世界坐标系对应点可以提供2个方程，这样至少需要四组对应点就可以解算出路面图像单应矫正矩阵H。理论上采用的对应点越多，解出的路面图像单应矫正矩阵H越精确，但同时会增加计算时间，影响解算效率并影响路面裂纹的提取效果。因此，本***采用四条线结构光在路面上的投影点作为基准。
首先，对于第1条激光线，从N个包含线结构光的激光线与靶标板交点的靶标图像中得到N个交点的图像坐标。其次，对N个靶标板的图像采用Zhang标定法进行标定，可以获取摄像机的内参数
Figure BDA0001651350970000071
和每幅图片对应的旋转矩阵
Figure BDA0001651350970000072
平移向量tj＝[t1 t2 t3]T。
其中，旋转矩阵Rj由3个列向量rj,1，rj,2，rj,3组成。然后，利用N个交点的图像坐标
Figure BDA0001651350970000073
摄像机的内参数A，各个
Figure BDA0001651350970000074
所属的图片对应的旋转矩阵Rj包含的列向量rj,1、rj,2和对应的平移向量tj求得N个交点在靶标坐标系下的三维坐标
Figure BDA0001651350970000075
其数学表达式如下：
Figure BDA0001651350970000076
其中，
Figure BDA0001651350970000081
为N个交点在图像坐标系下的二维坐标。
依据N个交点在靶标坐标系下的三维坐标
Figure BDA0001651350970000082
求得N个交点在摄像机坐标系下的三维坐标,其数学表达式如下：
Figure BDA0001651350970000083
其中，Rj，tj为各个交点在靶标坐标系下的三维坐标
Figure BDA0001651350970000084
所属的图片对应的旋转矩阵和平移向量，
Figure BDA0001651350970000085
为N个交点在摄像机坐标系下的三维坐标。
对于另外三条结构光的激光线，可以根据以上步骤求出每条激光线所对应的N个交点在摄像机坐标系下的三维坐标。
第三步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的基准激光线的标定：
由于四个线结构光激光器相对于摄像机位置固定，可以用激光线作为基准，且为了解算出激光线在路面上的投影点在摄像机坐标系下的坐标，因此，需要在摄像机坐标系下解算四条线激光的Plücker坐标。以一条线激光为例，两个交点就可以确定线激光的Plücker坐标，但是这种做法解算的线激光误差较大，为了减小误差，车载路面裂纹检测***使用了多个交点解算线激光。解算线激光时，先使用两点式表示线激光，并对其6个参数赋予初值，然后计算出N个交点各自到该直线的距离，利用LM优化法使距离的和最小，可以获取优化后的6个参数，最后使用这6个参数表示这条线激光的Plücker坐标。
首先，对于第1条激光线，设该条激光的两点式参数为a1、a2、a3、a4、a5、a6，则线激光方程为
Figure BDA0001651350970000086
从第二步获得的该条线激光的N个交点在摄像机坐标系下的三维坐标
Figure BDA0001651350970000087
中选取两个点
Figure BDA0001651350970000088
将
Figure BDA0001651350970000089
中的X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标赋予a1、a2、a3作为其初值。将三维向量
Figure BDA00016513509700000810
的X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标赋予a4、a5、a6作为其初值。其次，构造N个向量
Figure BDA00016513509700000811
对于每个向量
Figure BDA00016513509700000812
使其与向量
Figure BDA00016513509700000813
做向量积并取模得到N个向量积的模，将这些向量积的模分别除以向量
Figure BDA00016513509700000814
的模，得到每个交点到线激光的距离dj(j＝1,2,3,…,N)，其数学表达式如下
Figure BDA0001651350970000091
其中，dj是关于a1、a2、a3、a4、a5、a6的函数，
Figure BDA0001651350970000092
Figure BDA0001651350970000093
最后，令dj(j＝1,2,3,…,N)的和
Figure BDA0001651350970000094
最小，采用LM算法解算出优化后的a1、a2、a3、a4、a5、a6的值。根据优化后的激光线上的两点(a4+a1 a5+a2 a6+a3)T和(a1 a2 a3)T以及Plücker点坐标的对偶形式可以将该线激光表示为
Figure BDA0001651350970000095
对于另外三条结构光的激光线，可以根据以上步骤求出每条激光线的Plücker坐标
Figure BDA0001651350970000096
第四步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的路面平面动态重建：
当使用四条线结构光在路面上的投影点作为基准解算路面图像单应矫正矩阵H时，要求这四个投影点处于共面的状态，但受路面凹凸不平的影响，这四个点是不共面的，因此，需要先建立一个模拟平面来模拟路面平面，再利用投影到模拟路面平面上的四个点来解算路面图像单应矫正矩阵H。以一幅路面图像的单应矫正矩阵H为例，在录像过程中可以获取一帧图像中的四个投影点，这四个点同时满足投影点在激光线上的关系和摄像机-图像的投影关系，可以结算出这四个投影点在摄像机坐标系下的坐标，进而用这四个投影点求解模拟路面平面在摄像机坐标系下的坐标。
首先，从图像中获取四个投影点在图像坐标系下的坐标
Figure BDA0001651350970000097
投影点在激光线上并满足摄像机投影模型，因此四个投影点在摄像机坐标系下的坐标
Figure BDA0001651350970000098
满足
Figure BDA0001651350970000099
其中，
Figure BDA00016513509700000910
为四个投影点在图像坐标系下的坐标，
Figure BDA00016513509700000911
为第三步获取的摄像机坐标系下的线激光的Plücker坐标，矩阵A为摄像机内参数。由SVD分解法获得投影点在摄像机坐标系下的坐标
Figure BDA0001651350970000101
然后，设摄像机坐标系下路面平面的坐标为四维向量
Figure BDA0001651350970000102
设四个投影点
Figure BDA0001651350970000103
都在模拟平面πRC上，则有
Figure BDA0001651350970000104
其中，πRC中包含有四个未知数
Figure BDA0001651350970000105
由该方程解算出摄像机坐标系下的路面平面的坐标πRC。
第五步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的路面图像单应实时解算：
车载路面裂纹检测***的摄像机在拍摄路面裂纹图像时，为了消除路面裂纹信息失真的问题，需要对路面裂纹到摄像机拍摄的图像间的单应关系进行解算。每一帧图像都对应一个路面图像单应矫正矩阵H，在使用四条线结构光在路面上的投影点作为基准解算路面图像单应矫正矩阵H时，要求这四个投影点处于共面的状态。在第四步中已经解算出模拟平面在摄像机坐标系下的坐标，因此，需要将四个投影点向模拟平面上进行投影，得到四个投影点的像点，这四个像点是共面的，进而获取四个像点在摄像机坐标系下的坐标。然后，以左上角的像点作为原点，右上角的像点与原点的连线作为X轴建立平面坐标系，这样，就可以获取四个像点在模拟平面坐标系下的二维坐标。最后，利用四个像点在模拟平面坐标系下的二维坐标与四个投影点在图像坐标系下的二维坐标求解出路面图像单应矫正矩阵H。
首先，激光投影点在第四步求解的路面平面πRC的垂足坐标表示为
Figure BDA0001651350970000106
垂足在路面平面πRC上，其数学表达式如下
Figure BDA0001651350970000107
其中，
Figure BDA0001651350970000108
其次，分别给定路面平面上三个不同点的X轴坐标和Y轴坐标，求得三个路面平面上的点的坐标
Figure BDA0001651350970000109
投影点
Figure BDA00016513509700001010
与垂足
Figure BDA00016513509700001011
所构成的向量
Figure BDA00016513509700001012
垂直于路面平面上的已知的三个点中的两个点构成的向量
Figure BDA00016513509700001013
其数学表达式如下
Figure BDA0001651350970000111
联立以上三个方程解出垂足坐标
Figure BDA0001651350970000112
最后，以
Figure BDA0001651350970000113
为原点建立路面坐标系并取垂足坐标
Figure BDA0001651350970000114
的前两个坐标的对应齐次坐标作为路面坐标系下垂足点的世界坐标
Figure BDA0001651350970000115
其投影关系的数学表达式如下
Figure BDA0001651350970000116
其中，
Figure BDA0001651350970000117
为路面坐标系下垂足点的世界坐标，
Figure BDA0001651350970000118
为投影点在图像坐标系下的坐标，由SVD分解法求得路面图像单应矫正矩阵H。
在汽车行驶过程中，第二步到第五步是循环进行的步骤。

Claims (9)

1.一种车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置，其特征在于，所述的车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置包括有底座(1)、线激光器(2)、激光投线仪支架(3)、摄像机(4)、摄像机支架(5)、激光投线仪长支架(6)、投线仪套(7)与二维靶标板(8)；
四个线激光器(2)***四个投线仪套(7)的内孔,螺栓穿过四个投线仪套(7)侧面的螺纹孔,螺栓顶部与四个线激光器(2)侧面面接触紧配合,螺栓穿过激光投线仪支架(3)圆形底座的圆孔与底座(1)螺纹固定连接，两个投线仪套(7)侧面的螺纹孔与激光投线仪支架(3)顶部的螺纹杆螺纹固定连接,螺栓穿过摄像机支架(5)圆形底座的圆孔与底座(1)螺纹固定连接，摄像机(4)底部的螺纹孔与摄像机支架(5)顶部的螺纹杆螺纹固定连接,螺栓穿过激光投线仪长支架(6)圆形底座的圆孔与底座(1)螺纹固定连接，两个投线仪套(7)侧面的螺纹孔与激光投线仪长支架(6)顶部的螺纹杆螺纹固定连接。
2.按照权利要求1所述的车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置，其特征在于所述的底座(1)为钻有螺纹孔的钢板制成的方形零件。
3.按照权利要求1所述的车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置，其特征在于所述的线激光器(2)为可发射一条线激光的圆柱形零件。
4.按照权利要求1所述的车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置，其特征在于所述的激光投线仪支架(3)由一个圆形底座和一个圆杆焊接而成，圆杆顶部加工一段螺纹杆，激光投线仪支架(3)的圆形底座加工三个圆孔。
5.按照权利要求1所述的车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置，其特征在于所述的摄像机支架(5)由一个圆形底座和一个圆杆焊接而成，圆杆顶部加工一段螺纹杆，摄像机支架(5)的圆形底座加工三个圆孔,摄像机支架(5)的圆杆长于激光投线仪支架(3)的圆杆。
6.按照权利要求1所述的车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置，其特征在于所述的激光投线仪长支架(6)由一个圆形底座和一个圆杆焊接而成，圆杆顶部加工一段螺纹杆，激光投线仪长支架(6)的圆形底座加工三个圆孔,激光投线仪长支架(6)的圆杆长于摄像机支架(5)的圆杆。
7.按照权利要求1所述的车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置，其特征在于所述的投线仪套(7)为钢管加工制成圆型零件，投线仪套(7)的侧面加工三个螺纹通孔。
8.按照权利要求1所述的车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置，其特征在于所述的二维靶标板(8)为钢板加工的矩形零件,二维靶标板(8)表面贴有规则几何图案。
9.按照权利要求1-8所述的车载路面裂纹检测***路面单应主动解算装置的解算方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的图像采集：
底座(1)放置在汽车前方与汽车前端螺纹固定连接；二维靶标板(8)放置在摄像机(4)前的多个位置，开启四个线激光器(2)，摄像机(4)采集N幅二维靶标板(8)以及四个线激光器(2)投影点的图像；
第二步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的标定靶标激光投影点重建：
在汽车行驶过程中，汽车的位置相对于路面是实时变化的，而摄像机坐标系相对汽车车身坐标系相对固定，因此选取摄像机坐标系作为路面裂纹检测的全局坐标系；由于四个线结构光激光器相对于摄像机位置固定，因此需要在摄像机坐标系下解算四条线激光的坐标，考虑到每条线激光在路面上有一个投影点，路面图像单应矫正矩阵H是3×3的矩阵，含有8个自由度的，一组图像坐标系-世界坐标系对应点可以提供2个方程，这样至少需要四组对应点就可以解算出路面图像单应矫正矩阵H；理论上采用的对应点越多，解出的路面图像单应矫正矩阵H越精确，但同时会增加计算时间，影响解算效率并影响路面裂纹的提取效果；因此，本***采用四条线结构光在路面上的投影点作为基准；
首先，对于第1条激光线，从N个包含线结构光的激光线与靶标板交点的靶标图像中得到N个交点的图像坐标；其次，对N个靶标板的图像采用Zhang标定法进行标定，可以获取摄像机的内参数
Figure FDA0001651350960000021
和每幅图片对应的旋转矩阵
Figure FDA0001651350960000022
平移向量tj＝[t1 t2 t3]T；其中，旋转矩阵Rj由3个列向量rj,1，rj,2，rj,3组成；然后，利用N个交点的图像坐标
Figure FDA0001651350960000023
摄像机的内参数A，各个
Figure FDA0001651350960000024
所属的图片对应的旋转矩阵Rj包含的列向量rj,1、rj,2和对应的平移向量tj求得N个交点在靶标坐标系下的三维坐标
Figure FDA0001651350960000025
其数学表达式如下：
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>j</mi><mi>W</mi></msubsup><mo>=</mo><msup><mrow><mo>&lsqb;</mo><mrow><mi>A</mi><mfenced open = "[" close = "]"><mtable><mtr><mtd><msub><mi>r</mi><mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mtd><mtd><msub><mi>r</mi><mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mtd><mtd><msub><mi>t</mi><mi>j</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow><mo>&rsqb;</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><msubsup><mi>c</mi><mi>j</mi><mi>M</mi></msubsup><mo>=</mo><msup><mfenced open = "[" close = "]"><mtable><mtr><mtd><msubsup><mi>C</mi><mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mn>1</mn></mrow><mi>W</mi></msubsup></mtd><mtd><msubsup><mi>C</mi><mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mn>2</mn></mrow><mi>W</mi></msubsup></mtd><mtd><msubsup><mi>C</mi><mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mn>3</mn></mrow><mi>W</mi></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mi>T</mi></msup></mrow>
Figure FDA0001651350960000026
其中，
Figure FDA0001651350960000027
为N个交点在图像坐标系下的二维坐标；
依据N个交点在靶标坐标系下的三维坐标
Figure FDA0001651350960000028
求得N个交点在摄像机坐标系下的三维坐标,其数学表达式如下：
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>j</mi><mi>C</mi></msubsup><mo>=</mo><mfenced open = "[" close = "]"><mtable><mtr><mtd><msub><mi>R</mi><mi>j</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>t</mi><mi>j</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><msubsup><mi>C</mi><mi>j</mi><mi>W</mi></msubsup><mo>=</mo><msup><mfenced open = "[" close = "]"><mtable><mtr><mtd><msubsup><mi>C</mi><mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mn>1</mn></mrow><mi>C</mi></msubsup></mtd><mtd><msubsup><mi>C</mi><mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mn>2</mn></mrow><mi>C</mi></msubsup></mtd><mtd><msubsup><mi>C</mi><mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mn>3</mn></mrow><mi>C</mi></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mi>T</mi></msup></mrow>
Figure FDA0001651350960000031
其中，Rj，tj为各个交点在靶标坐标系下的三维坐标
Figure FDA0001651350960000032
所属的图片对应的旋转矩阵和平移向量，
Figure FDA0001651350960000033
为N个交点在摄像机坐标系下的三维坐标；
对于另外三条结构光的激光线，可以根据以上步骤求出每条激光线所对应的N个交点在摄像机坐标系下的三维坐标；
第三步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的基准激光线的标定：
由于四个线结构光激光器相对于摄像机位置固定，可以用激光线作为基准，且为了解算出激光线在路面上的投影点在摄像机坐标系下的坐标，需要在摄像机坐标系下解算四条线激光的Plücker坐标；以一条线激光为例，两个交点就可以确定线激光的Plücker坐标，但是这种做法解算的线激光误差较大，为了减小误差，车载路面裂纹检测***使用了多个交点解算线激光；解算线激光时，先使用两点式表示线激光，并对其6个参数赋予初值，然后计算出N个交点各自到该直线的距离，利用最小二乘法使点到直线距离的和最小，可以获取优化后的6个参数，最后使用这6个优化后的参数表示这条线激光的Plücker坐标；
首先，对于第1条激光线，设该条激光的两点式参数为a1、a2、a3、a4、a5、a6，则线激光方程为
Figure FDA0001651350960000034
从第二步获得的该条线激光的N个交点在摄像机坐标系下的三维坐标
Figure FDA0001651350960000035
中选取两个点
Figure FDA0001651350960000036
将
Figure FDA0001651350960000037
中的X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标赋予a1、a2、a3作为其初值；将三维向量
Figure FDA0001651350960000038
的X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标赋予a4、a5、a6作为其初值；其次，构造N个向量
Figure FDA0001651350960000039
对于每个向量
Figure FDA00016513509600000310
使其与向量
Figure FDA00016513509600000311
做向量积并取模得到N个向量积的模，将这些向量积的模分别除以向量
Figure FDA00016513509600000312
的模，得到每个交点到线激光的距离dj(j＝1,2,3,…,N)，其数学表达式如下
Figure FDA00016513509600000313
其中，dj是关于a1、a2、a3、a4、a5、a6的函数，
Figure FDA0001651350960000041
Figure FDA0001651350960000042
最后，令dj(j＝1,2,3,…,N)的和
Figure FDA0001651350960000043
最小，采用LM算法解算出优化后的a1、a2、a3、a4、a5、a6的值；根据优化后的激光线上的两点(a4+a1 a5+a2 a6+a3)T和(a1 a2 a3)T以及Plücker点坐标的对偶形式可以将该线激光表示为
<mrow><msup><mi>L</mi><mo>*</mo></msup><mo>=</mo><mfenced open = "[" close = "]"><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mrow><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>6</mn></msub></mrow></mtd><mtd><mrow><mo>-</mo><msubsup><mi>a</mi><mn>5</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>6</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mo>-</mo><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>6</mn></msub></mrow></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mrow><mo>-</mo><msub><mi>a</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>6</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>a</mi><mn>5</mn><mn>2</mn></msubsup></mtd><mtd><mrow><mo>-</mo><msub><mi>a</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub></mrow></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mrow><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>4</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>6</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>6</mn></msub></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>4</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>
Figure FDA0001651350960000044
对于另外三条结构光的激光线，可以根据以上步骤求出每条激光线的Plücker坐标
Figure FDA0001651350960000045
第四步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的路面平面动态重建：
当使用四条线结构光在路面上的投影点作为基准解算路面图像单应矫正矩阵H时，要求这四个投影点处于共面的状态，但受路面凹凸不平的影响，这四个点是不共面的，因此，需要先建立一个模拟平面来模拟路面平面，再利用投影到模拟平面上的四个点来解算路面图像单应矫正矩阵H；以一幅路面图像的单应矫正矩阵H为例，在图像采集过程中可以获取一帧图像中的四个投影点，这四个点同时满足投影点在激光线上的关系和摄像机-图像的投影关系，可以解算出这四个投影点在摄像机坐标系下的坐标，进而用这四个投影点求解模拟平面在摄像机坐标系下的坐标；
首先，从图像中获取四个投影点在图像坐标系下的坐标
Figure FDA0001651350960000046
投影点在激光线上并满足摄像机投影模型，因此四个投影点在摄像机坐标系下的坐标
Figure FDA0001651350960000047
满足
Figure FDA0001651350960000048
其中，
Figure FDA0001651350960000049
为四个投影点在图像坐标系下的坐标，
Figure FDA00016513509600000410
为第三步获取的摄像机坐标系下的线激光的Plücker坐标，矩阵A为摄像机内参数；由SVD分解法获得投影点在摄像机坐标系下的坐标
Figure FDA00016513509600000411
然后，设摄像机坐标系下路面平面的坐标为四维向量
Figure FDA00016513509600000412
设四个投影点
Figure FDA00016513509600000413
都在模拟平面πRC上，则有
<mrow><mfenced open = "[" close = "]"><mtable><mtr><mtd><msubsup><mi>C</mi><mn>1</mn><mrow><msup><mi>RC</mi><mi>T</mi></msup></mrow></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>C</mi><mn>2</mn><mrow><msup><mi>RC</mi><mi>T</mi></msup></mrow></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>C</mi><mn>3</mn><mrow><msup><mi>RC</mi><mi>T</mi></msup></mrow></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>C</mi><mn>4</mn><mrow><msup><mi>RC</mi><mi>T</mi></msup></mrow></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mfenced open = "[" close = "]"><mtable><mtr><mtd><msubsup><mi>&pi;</mi><mn>1</mn><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>&pi;</mi><mn>2</mn><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>&pi;</mi><mn>3</mn><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>&pi;</mi><mn>4</mn><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfenced open = "[" close = "]"><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>
Figure FDA0001651350960000051
其中，πRC中包含有四个未知数
Figure FDA0001651350960000052
由该方程解算出摄像机坐标系下的路面平面的坐标πRC；
第五步：车载路面裂纹检测***路面单应主动解算方法的路面图像单应实时解算：
车载路面裂纹检测***的摄像机在拍摄路面裂纹图像时，为了消除路面裂纹信息失真的问题，需要对路面裂纹到摄像机拍摄的图像间的单应关系进行解算；每一帧图像都对应一个路面图像单应矫正矩阵H，在使用四条线结构光在路面上的投影点作为基准解算路面图像单应矫正矩阵H时，要求这四个投影点处于共面的状态；在第四步已经解算出路面平面在摄像机坐标系下的坐标，因此，需要将四个投影点向路面平面上进行投影，得到四个投影点的像点，这四个像点是共面的，进而获取四个像点在摄像机坐标系下的坐标；然后，以左上角的像点作为原点，右上角的像点与原点的连线作为X轴建立平面坐标系，这样，就可以获取四个像点在路面平面坐标系下的二维坐标；最后，利用四个像点在路面平面坐标系下的二维坐标与四个投影点在图像坐标系下的二维坐标求解出路面图像单应矫正矩阵H；
首先，激光投影点在第四步求解的路面平面πRC的垂足坐标表示为
Figure FDA0001651350960000053
垂足在路面平面πRC上，其数学表达式如下
Figure FDA0001651350960000054
其中，
Figure FDA0001651350960000055
其次，分别给定路面平面上三个不同点的X轴坐标和Y轴坐标，求得三个路面平面上的点的坐标
Figure FDA0001651350960000056
投影点
Figure FDA0001651350960000057
与垂足
Figure FDA0001651350960000058
所构成的向量
Figure FDA0001651350960000059
垂直于路面平面上的已知的三个点中的两个点构成的向量
Figure FDA00016513509600000510
其数学表达式如下
Figure FDA00016513509600000511
联立以上三个方程解出垂足坐标
Figure FDA00016513509600000512
最后，以
Figure FDA00016513509600000513
为原点建立路面坐标系并取垂足坐标
Figure FDA00016513509600000514
的前两个坐标的对应齐次坐标作为路面坐标系下垂足点的世界坐标
Figure FDA00016513509600000515
其投影关系的数学表达式如下
Figure FDA0001651350960000061
其中，
Figure FDA0001651350960000062
为路面坐标系下垂足点的世界坐标，
Figure FDA0001651350960000063
为投影点在图像坐标系下的坐标，由SVD分解法求得路面图像单应矫正矩阵H；
在汽车行驶过程中，第二步到第五步是循环进行的步骤。
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