CN110749289A - 路面三维纹理形貌精确测量装置及方法 - Google Patents

路面三维纹理形貌精确测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种路面三维纹理形貌精确测量装置及方法，所述测量装置包括线状激光发射器和双目摄像机，由所述线状激光发射器发射激光约束线，对路面待测区域进行扫描；同时，所述双目摄像机完成激光约束线扫描状态下路面待测区域的视频拍摄；然后，基于MATLAB编程在计算机上实现视频读取、激光约束线目标提取、子区域分割、激光约束线目标质心取亮、子区域视差求解、合成视差矩阵和三维重构等步骤操作，最终完成路面三维形貌的测量。同现行常用的路面纹理形貌测试方法相比，本公开能够方便地实现路面纹理形貌的三维测量，并大幅度改善路面三维纹理形貌的测量精度和分辨率，其分辨率达到像素级。

Description

路面三维纹理形貌精确测量装置及方法
技术领域
本公开属于道路工程检测及交通安全评价领域，具体而言，涉及路面三维纹理形貌精确测量装置及方法。
背景技术
良好的路面抗滑性能是行车安全的重要保证，而大量的研究又表明路面抗滑性能同其表面三维纹理形貌间关系紧密，路面抗滑性能的好坏直接取决于路面三维纹理形貌的构成与分布。国际道路协会认为路面纹理形貌是影响抗滑性能最主要的因素，影响路面抗滑性能的形貌主要包括微观纹理形貌和宏观纹理形貌。其中，宏观纹理形貌，其波长为0.5mm～50mm，高度尺寸为0.5mm～20mm。这种构造主要由级配、集料粒径、集料形状和集料排列等因素决定；微观纹理形貌，其波长小于0.5mm，高度尺寸介于1μm～0.5mm。这种纹理构造直接与轮胎真实接触，是对沥青胶浆和集料表面微观构造等特性的直接反映。因此，通过检测路面纹理形貌是评价路面抗滑性能的重要方式之一。
目前，常用的路面纹理形貌的测量方法主要有：铺砂法、环形形貌测试法和激光构造深度法等。但是这些测量方法分辨率低，精度并不高，难以达到微观纹理形貌0.5mm的精度要求。更为重要的是这些测量方法主要用于表征形貌沿高程方向的特征属性，很少涉及水平横向、水平纵向及形状等其它方面，即其测量结果为二维信息，并非三维纹理形貌。但研究却表明形貌波长特性、形状特性均会限制影响路面抗滑力的形成。所以，开发稳定可靠、高分辨率、高精度的路面三维形貌检测设备，是实现路面三维纹理形貌精确测量的前提，更是多角度建立形貌类表征指标，更好服务于交通安全的基础。
发明内容
针对现行路面纹理测量方法存在精度不足、分辨率差、难以全面表达三维信息等问题，本公开提供一种路面三维纹理形貌精确测量装置及方法，可以实现路面三维纹理形貌的精确检测，具有精确、分辨率高、重复性强、操作方便等特点。所检测的路面三维纹理形貌，可以从多个方面构建不同属性的表征指标，用于全面分析和评价路面纹理形貌特性，为进一步完善路面抗滑性能检测与评价提供技术支撑。
根据本公开实施例的一方面，提供一种路面三维纹理形貌测量方法，包括：发射激光约束线，对路面待测区域进行扫描；通过双目摄像机完成所述激光约束线扫描状态下所述路面待测区域的视频图像拍摄；所述视频图像的处理方法如下：逐帧读取所述视频图像，并从每帧中提取激光约束线目标，根据所述激光约束线目标的提取结果，完成由所述激光约束线划分的子区域的分割，并对分割后所述子区域中所述激光约束线目标的质心取亮；对每个分割所述子区域，采用半全局匹配算法完成像素点对的匹配，求解每个所述子区域的视差；对每个分割所述子区域的视差进行组合叠加，形成整个所述路面待测试区域的合成视差矩阵；根据所述双目摄像机的参数和所述合成视差矩阵，进行三维重构，完成所述路面待测区域三维纹理形貌的测量。
在上述的路面三维纹理形貌测量方法，所述激光约束线目标的提取方法包括：根据所述视频图像中R、G、B颜色分量分布的不同，将所述路面待测区域和背景进行初步分离，再结合图像的形态学操作，提取出面积最大的目标区域，完成图像去背景；对去背景的图像，进行去相关色度拉升操作，根据去相关色度拉后图像中R、G颜色分量的差异，完成所述激光约束线目标的提取。
根据本公开实施例的另一方面，提供一种路面三维纹理形貌测量装置，包括：
支撑装置；线状激光发射器，位于所述支撑装置上，用于发射激光约束线对路面待测区域进行扫描；双目摄像机，位于所述支撑装置上，用于完成所述激光约束线扫描状态下所述路面待测区域的视频图像拍摄；以及处理器，其被构建为实施所述的视频图像的处理方法。
在上述的路面三维纹理形貌测量装置，所述支撑装置包括：垂直伸缩式支架；两个平行的导轨，其安装在所述支架上，其中所述双目摄像机可滑动地安装在所述两个平行的导轨中的一个上，所述线状激光发射器可滑动地安装在所述两个平行的导轨中的另一个上。
在上述的路面三维纹理形貌测量装置，所述线状激光发射器通过多自由度调节装置安装在所述两个平行的导轨中的所述一个上。
在上述的路面三维纹理形貌测量装置，还包括用于对所述双目摄像机所拍摄的所述路面待测区域进行补光的光源。
移动所述线状激光发射器，通过其发射的所述激光约束线对所述路面待测区域进行扫描，并拍摄视频图像，逐步完成子区域分割和匹配，实现路面三维纹理形貌的检测。与现有技术相比，本公开的有益效果是：第一，本公开通过视频图像感知技术，以信息化、智能化为牵引，通过计算机编程，实现对路面三维纹理形貌的自动感知和获取，符合智慧交通的发展理念；第二，不同于传统的路面纹理形貌检测方法，本公开提供了一种快捷、高分辨率、高精度的测量装置，可以精确测量出路面的三维纹理形貌信息。相对于二维纹理形貌信息，本公开提供的装置和方法，可用于构建多重属性的表征指标，用于全面评价和分析路面抗滑性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。
图1示出了根据本公开的一个实施例的路面三维纹理形貌精确测量装置的结构示意图。
图2示出了根据本公开的一个实施例的测试装置的结构示意图。
图3示出了根据本公开的一个实施例的激光线扫描装置的结构示意图。
图4示出了根据本公开的一个实施例的支撑装置的结构示意图。
图5示出了本公开使用的路面所取沥青混合料芯样试件图。
图6示出了图5所示试件三维纹理形貌的测量效果图。
图7示出了点状激光定位情况图。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的一个实施例路面三维纹理形貌精确测量装置，所述测量装置包括测试装置I、激光线扫描装置II和支撑装置III，其中测试装置I和激光线扫描装置II分别活动设置在支撑装置III的两个平行导轨III-5上。
图2示出了根据本公开的一个实施例的测试装置I，测试装置I包括滑块I-1、双目摄像机I-3、光源I-4。滑块I-1可滑动地安装在所述两个平行的导轨中的一个上，双目摄像机I-3固定在滑块I-1上。通过滑块I-1在所述导轨上的滑动来调节双目摄像机I-3的位置。当滑块I-1位置被确定时，通过拧紧其上的紧固螺钉I-6，将其固定在所述导轨上。光源I-4用于对双目摄像机I-3所拍摄的所述路面待测区域进行补光。
在一种可能的实施方式中，双目摄像机I-3中镜头的外径为15mm，中心间距为6cm，分辨率及帧率为2560×960@24fps。光源I-4可为中空环形结构，内径为16mm，外径为34mm，工作电压为24V，功率为3.5W，且亮度可调节。两个光源I-4分别外套在双目摄像机I-3中左右两个相机上。每个光源I-4可由3个以120°角均匀分布的紧固螺钉I-5加以固定。
图3示出了根据本公开的一个实施例的激光线扫描装置II，激光线扫描装置II包括一个或多个线状激光发射器II-1、底座II-3和滑块II-5。滑块II-5可滑动地安装在所述两个平行的导轨中的另一个上。底座II-3通过紧固螺栓II-4固定在滑块II-5上，一个或多个线状激光发射器II-1通过万向节II-2安装在底座II-3上。万向节II-2用于调整线状激光发射器II-1的照射方向。通过移动滑块II-5实现线状激光发射器II-1发射的激光约束线对目标物体的全局扫描。在全局扫描时，滑块II-5的移动速度可控制在2.0mm/s左右，以保证所述激光约束线能够扫描到目标待测区域，并被测试装置I的双目摄像机I-3所拍摄到。双目摄像机I-3通过数据线I-2将其拍摄的所述激光约束线扫描状态下所述路面待测区域的视频图像传输到计算机的处理器进行处理，以得到路面三维纹理形貌。
图4示出了根据本公开的一个实施例的支撑装置III，支撑装置III的两个平行导轨III-5通过螺丝III-4固定在垂直伸缩式支架III-3上。其中垂直伸缩式支架III-3固定在基座III-1上。垂直伸缩式支架III-3包括套筒和设置在套筒内的立柱，通过螺栓III-2来调节所述立柱在所述套筒中的位置，实现对支撑装置III高度的控制。作为替代，垂直伸缩式支架III-3也可是电动的。
所述测量装置对如图5所示的路面沥青混合料芯样试件(路面待测区域)进行测试的方法如步骤(1)～(11)。
(1)调整所述测量装置和沥青混合料芯样试件的位置关系，使试件位于双目摄像机I-3正下方，且能被双目摄像机I-3中左右两个相机同时完整拍摄。
(2)打开光源I-4，调节其亮度，使双目摄像机I-3能够拍摄出清晰的视频图像，其中双目摄像机I-3正下方的照度可维持在150LUX～300LUX。
(3)使用棋盘法标定双目摄像机I-3，获取所述左右两个相机的参数。
(4)开启并移动激光发射器II-1，通过其发射的激光约束线，对芯样试件进行扫描。同时开启双目摄像机I-3，完成所述激光约束线扫描状态下芯样试件的视频拍摄。
(5)可基于MATLAB编程在计算机上逐帧读取步骤(4)中的视频图像。
(6)根据步骤(3)获取的相机参数，对步骤(5)中获取的视频图像进行分离和校正。
(7)对步骤(6)的图像进行去背景和灰度化操作，提取激光约束线目标。去背景的具体操作是：根据图像中R、G、B颜色分量分布的不同，将待测目标物体和背景进行初步分离。再结合膨胀、填充和腐蚀等图像的形态学操作，提取出面积最大的目标区域，即完成图像去背景。提取所述激光约束线目标的操作如下：对去背景的图像，进行去相关色度拉升操作，根据去相关色度拉后图像中R、G颜色分量的差异，完成所述激光约束线的提取。
(8)对于不同帧数的视频图像，分别按照步骤(7)提取所述激光约束线目标，并根据所述激光约束线目标的提取结果，完成由所述激光约束线划分的子区域的分割，并对分割后所述子区域中所述激光约束线目标的质心取亮，所述激光约束线目标的质心处灰度值可取255，以强化像素点对的匹配。
(9)针对步骤(8)中分割得到的每个所述子区域，采用半全局匹配(SemiGlobal)算法完成像素点对的匹配，求解每个所述子区域的视差。
(10)对每个分割所述子区域的所述视差进行组合叠加，形成整个路面待测试区域的合成视差矩阵。
(11)根据步骤(3)中的相机参数和步骤(10)中的所述合成视差矩阵，按式(1)的公式进行三维重构，最终完成路面待测区域三维纹理形貌的测量，见图6。由图6可知，本公开测量的路面三维纹理形貌，其分辨率达到像素级。
Figure BDA0002230802660000051
所述式(1)中，(X,Y,Z)为所述路面待测区域的空间坐标；D为所述合成视差矩阵；B为双目摄像机I-3中左右相机间的基线距离；(u0，v0)为双目摄像机I-3的中心坐标；fx和fy分别为双目摄像机I-3在X和Y方向上的有效焦距；(u，v)为所述路面待测区域在双目摄像机I-3中左相机中的图像像素坐标。
为了进一步分析和评价所述测量装置的检测精度，采用点状激光器在待测试件表面标记出7个位置点，参见图7。使用精度为0.01mm的游标卡尺测试7个位置点高程，以1#点位基准点，计算不同点位的高程差，分别计算绝对偏差和相对偏差。同时采用MATLAB编程在计算机上求解激光点位在点位图上的理论视差，计算计算视差和理论间的偏差。具体测量结果见表1。
表1本实施例的测量结果分析和评价表
Figure BDA0002230802660000061
表1中，测量的试件三维形貌，对于视差分析，视差最大偏差不大于1个像数，平均视差偏差只有0.1140个像素；对于高程差分析，平均绝对偏差和平均相对偏差分别为0.0361mm和7.51％。其绝对偏差0.0361mm小于0.5mm，达到路面三维纹理形貌中微观纹理形貌测量精度的要求。即使是最大偏差，其高程差的最大绝对偏差只有0.1025mm，最大相对偏差只有26.74％，小于30％。以上结果均表明本公开提供的所述测量装置及方法能够精确地检测出路面的三维纹理形貌。
综上，本公开提供的路面三维纹理形貌精确测量装置和方法，通过一条激光约束线对路面测试区域进行全局扫描，同时拍摄视频图像，对激光约束线进行目标识别并提取，分割出多个子区域，标亮激光约束线质心坐标位置，形成强制匹配，实现了路面三维纹理形貌的精确测量，有助于进一步推动道路检测技术向信息化、自动化和智能化方向的发展和应用。

Claims (7)

1.一种路面三维纹理形貌测量方法，其特征在于，包括：
发射激光约束线，对路面待测区域进行扫描；
通过双目摄像机完成所述激光约束线扫描状态下所述路面待测区域的视频图像拍摄；
所述视频图像的处理方法如下：
逐帧读取所述视频图像，并从每帧中提取激光约束线目标，根据所述激光约束线目标的提取结果，完成由所述激光约束线划分的子区域的分割，并对分割后所述子区域中所述激光约束线目标的质心取亮；
对每个分割所述子区域，采用半全局匹配算法完成像素点对的匹配，求解每个所述子区域的视差；
对每个分割所述子区域的视差进行组合叠加，形成整个所述路面待测试区域的合成视差矩阵；
根据所述双目摄像机的参数和所述合成视差矩阵，进行三维重构，完成所述路面待测区域三维纹理形貌的测量。
2.根据权利要求1所述的路面三维纹理形貌测量方法，其特征在于，按公式(1)进行所述三维重构
Figure FDA0002230802650000011
所述式(1)中，(X,Y,Z)为所述路面待测区域的空间坐标；D为所述合成视差矩阵；B为所述双目摄像机中左右相机间的基线距离；(u0，v0)为所述双目摄像机的中心坐标；fx和fy分别为所述双目摄像机在X和Y方向上的有效焦距；(u，v)为所述路面待测区域在所述双目摄像机中左相机中的图像像素坐标。
3.根据权利要求1所述的路面三维纹理形貌测量方法，其特征在于，所述激光约束线目标的提取方法包括：根据所述视频图像中R、G、B颜色分量分布的不同，将所述路面待测区域和背景进行初步分离，再结合图像的形态学操作，提取出面积最大的目标区域，完成图像去背景；对去背景的图像，进行去相关色度拉升操作，根据去相关色度拉后图像中R、G颜色分量的差异，完成所述激光约束线目标的提取。
4.一种路面三维纹理形貌测量装置，其特征在于，包括：
支撑装置；
线状激光发射器，位于所述支撑装置上，用于发射激光约束线对路面待测区域进行扫描；
双目摄像机，位于所述支撑装置上，用于完成所述激光约束线扫描状态下所述路面待测区域的视频图像拍摄；以及
处理器，其被构建为实施根据权利要求1至3之一所述的视频图像的处理方法。
5.根据权利要求4所述的路面三维纹理形貌测量装置，其特征在于，所述支撑装置包括：
垂直伸缩式支架；
两个平行的导轨，其安装在所述支架上，其中所述双目摄像机可滑动地安装在所述两个平行的导轨中的一个上，所述线状激光发射器可滑动地安装在所述两个平行的导轨中的另一个上。
6.根据权利要求5所述的路面三维纹理形貌测量装置，其特征在于，所述线状激光发射器通过多自由度调节装置安装在所述两个平行的导轨中的所述一个上。
7.根据权利要求4或5或6所述的路面三维纹理形貌测量装置，其特征在于，还包括用于对所述双目摄像机所拍摄的所述路面待测区域进行补光的光源。
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