CN101812824A - 基于影像云纹法的路面平整度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于影像云纹法的路面平整度检测装置及检测方法，包括车体、车轮、设于车内底板上的基准栅、位于所述基准栅一方的光源、滤波器、聚焦透镜以及位于另一方的CCD摄像机，所述测量装置还包括一台笔记本电脑和打印输出设备。所述电脑与所述CCD摄像机连接，电脑内装有图像处理软件，可以实时存储并且处理路面图像。本发明把影像云纹法引入路面检测中，实现了检测的自动化和全场数字化，且具有操作简单、易于实现、成本低、精度高等优点。

Description

基于影像云纹法的路面平整度检测装置及检测方法

技术领域：

本发明涉及一种路面平整度的检测方式，特别是基于影像云纹法的路面平整度检测装置及检测方法。

背景技术：

目前，我国高速公路通车里程快速增长。路面平整度是表征乘车舒适性和安全性的重要指标，也是反映路面使用性能的重要指标，因而是道路使用者判断道路好坏的直接依据。如何更快、更好、更准确的获取路面平整度成为各级公路交通部门十分关注的问题。

上个世纪70、80年代，国内路面平整度测量设备主要有水平仪、3m直尺等，测试精度低、速度慢，效率低，并依靠人工操作。到90年代初，检测手段有一定的提高，如连续式平整度仪，但仍存在可重复性差、测试速度慢的缺点。现在国内采取的路面平整度检测设备主要有接触式机械装置和道路智能检测车两类，接触式机械装置在使用过程中有检测精度不高、检测效率低、仪器笨重等缺点，道路检测车虽然能达到相关国家标准规定的检测精度，检测效率也大大提高了，但大都需要使用多个激光传感器来获取路面信息，使得设备价格昂贵，装置的结构复杂。

影像云纹法是测量物体离面位移场的一种实验分析方法，影像云纹法的原理如图1所示，平行光照射到置于被测物体上的基准光栅，其影像投在物体上，在摄像机面上得到投影到物体表面的光栅和基准栅进行叠加的图像，产生几何干涉条纹图，通过对所得图像进行处理，获取物体的表面状态信息。

影像云纹法在我国的运用研究主要集中在人类工程学、航空技术、工程地质等领域，用于对平面位移、空间隆起和凹陷的监测。相关研究表明：由于影像云纹法需要的光学设备原理简单、价格低廉、操作方法简单易于实现，很适合表面测量，因而在高速公路路面自动检测领域有着广阔的应用前景。

发明内容：

本发明提供一种结构新颖、操作方便的基于影像云纹法的路面平整度检测装置及检测方法，以实现检测到的路面平整度值在达到精确要求的同时大大降低成本，提高检测效率。

本发明所采用技术方案如下：

本发明的基于影像云纹法的路面平整度检测装置由车体、车轮、设于车内底板上基准栅、位于所述基准栅一侧的光源、滤波器、聚焦透镜，位于另一侧的CCD摄像机、位于所述基准栅下方的路面、终端处理设备和打印输出设备组成。光源、滤波器、聚焦透镜呈线性排列，光源发出的光条可以覆盖纵向路面，光源发出的光线和基准栅的法线成α角，进入CCD摄像机的入射光线与基准栅成β角。CCD摄像机可以获取路面的云纹图像信息。终端处理设备与CCD摄像机相连接。

本发明的优点：

(1)采用激光光源，其单色性比较，使得获取的云纹图像的干涉条纹对比度好；

(2)通过更换不同栅线密度的栅板，使得测量仪的灵敏度能根据测量精度在一定范围进行调节；

(3)采用数码CCD摄像头将得到的云纹图像传输到笔记本电脑中，并可电脑屏幕上的图像聚集效果进行实时动态调节，可以用图像处理软件进行数字图像处理和分析，获得的结果精度高、重复性好；

(4)非接触、无损；

(5)结构简洁、容易实现、成本低；

(6)测量效率高。

附图说明

图1是本发明的结构主视图；

图2是本发明的结构仰视图。

附图标记：

光源1、滤波器2、聚焦透镜3、基准栅4、CCD摄像机5、路面6、终端处理设备7、打印输出设备8、车体9、车轮10。

具体实施方式：

实施例1、基于影像云纹法的路面平整度检测装置，其中：它由车体9、车轮10、设于车内底板上基准栅4、位于所述基准栅4一侧的光源1、滤波器2、聚焦透镜3，位于另一侧的CCD摄像机5、位于所述基准栅4下方的路面6、终端处理设备7和打印输出设备8组成；光源1、滤波器2、聚焦透镜3呈线性排列，光源1发出的光条可以覆盖纵向路面6，光源1发出的光线和基准栅4的法线成α角，进入CCD摄像机5的入射光线与光栅4成β角；CCD摄像机5可以获取路面6的云纹图像信息；终端处理设备7与CCD摄像机5相连接。

实施例2、基于影像云纹法的路面平整度检测方法的详细实施步骤如下：

首先，车体9由牵引车拉着向前行驶，激光光源1发出的光条经过空间滤波器2形成面积较大的光场，再经聚焦透镜3后变成平行光，透过基准光栅4形成影像投射到路面6上，影像和基准栅4本身发生相互干涉形成干涉云纹图像。CCD摄像机5把这种干涉云纹图像拍摄并保存下来传入终端处理设备7，并可参照终端处理设备7屏幕上的图像聚集效果进行实时动态调节。

其次，云纹图像经过终端处理设备7内的图像处理软件进行滤波处理，消除干扰信息，从而获得精确的路面纵向轮廓曲线云纹图像。

再次，在所得的路面纵向轮廓曲线云纹图像上，以250mm的距离取离散高程点，并把相关数据代入IRI计算模型，从而得到该被测路段的路面IRI指标。

最后，数据存储、分析和打印。

路面高程差计算方法如下：

设基准栅4的节距(相邻栅线之间的间隔)为p，入射光与栅法线成α角，射到摄像机的光线与栅法线成β角，BD之间各级条纹的级数为N，路面6上E点与光栅上C点的高度差为h，则由几何关系易知：

Np＝htanα+htanβ                  (1)

所以有：

$h=\frac{\mathrm{Np}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\β}}---\left(2\right)$

如果α＝0°，即光源采取垂直投射的方式，光斑比较小，光强集中度高，不容易因被测物体表面和激光器的位置变化而扩大云纹图像上的光斑，所以当被测物体表面比较粗糙，或处于振动或其他不稳定状态时，引起的测量误差小。

如果β＝0°，即CCD摄像机采取垂直接收方式，其测量范围较小，所以，β角度需满足一定条件。由于路面是比较粗糙且不透明的，其发光特性接近余弦辐射体，入射的激光束打到路面，经散射后的光符合朗伯定律。按照朗伯辐射体亮度不随角度θ变化的定义有：

I_θ＝I₀cosθ                      (3)

根据公式(3)，朗伯辐射体单位表面积向空间规定方向单位立体角内辐射的通量和该方向与表面法线方向的夹角θ的余弦成正比。当光源采取垂直投射的方式入射到被测路面时，CCD摄像机与路面法线的夹角值越小，cosθ越大，接收的光强越强。但夹角太小，将会影响系统分辨率，若夹角太大，cosθ越小，CCD摄像机接收到的光强信号越弱，可能会引起有用信息的丢失。综合考虑以上因素，并为了让测量结果计算简便，β角度取45°，可以满足系统的精度要求。

若选择α＝0°，β＝45°，则(2)式可化为：

h＝Np                             (4)

这样就能很方便的从云纹图像中得到N值，由于p是已知的，根据(4)式即可求得每一条云纹代表的高程差。

表1是α、β的优选方案：

	一	二	三	四
					α	0.21°	0.23°	0.24°	0.25°
β	15.3°	30.6°	45.5°	60.7°
					光强	太强	一般	较好	较弱
系统分辨率	较差	一般	较好	较差
					动态高程差的相对误差	高于±10％	高于±10％	±0.1-±1.8％	高于±10％

结论：

如果0°≤α≤0.25°，即光源采取接近垂直投射的方式，光斑比较小，光强集中度高，不容易因被测物体表面和激光器的位置变化而扩大云纹图像上的光斑，所以当被测物体表面比较粗糙，或处于振动或其他不稳定状态时，引起的测量误差小。

如果β＝0°，即CCD摄像机采取垂直接收方式，其测量范围较小，所以，β角度需满足一定条件。由于路面是比较粗糙且不透明的，其发光特性接近余弦辐射体，入射的激光束打到路面，经散射后的光符合朗伯定律。按照朗伯辐射体亮度不随角度θ变化的定义有：I_θ＝I₀cosθ；即朗伯辐射体单位表面积向空间规定方向单位立体角内辐射的通量和该方向与表面法线方向的夹角θ的余弦成正比。当光源采取垂直投射的方式入射到被测路面时，CCD摄像机与路面法线的夹角值越小，cosθ越大，接收的光强越强。但夹角太小，将会影响系统分辨率，若夹角太大，cosθ越小，CCD摄像机接收到的光强信号越弱，可能会引起有用信息的丢失。综合考虑以上因素，并为了让测量结果计算简便，因此可以在：15.3°≤β≤60.7°内选择β角的范围，β角度取45°左右，可以满足系统的精度要求。

实施例3、基于影像云纹法的路面平整度检测装置，包括光源1、滤波器2、聚焦透镜3、基准栅4、CCD摄像机5、终端处理设备7、车体9和车轮10；其中：车体9内的底板上设有基准栅4，光源1、滤波器2、聚焦透镜3均位于基准栅4的一侧，CCD摄像机5位于基准栅4另一侧，路面6位于基准栅4的下方，车体9和车轮10连接并设置于路面6上；终端处理设备7与所述CCD摄像机5相连接。

实施例4、基于影像云纹法的路面平整度检测装置，包括光源1、滤波器2、聚焦透镜3、基准栅4、CCD摄像机5、终端处理设备7、车体9和车轮10；其中：车体9内的底板上设有基准栅4，光源1、滤波器2、聚焦透镜3均位于基准栅4的一侧，CCD摄像机5位于基准栅4另一侧，路面6位于基准栅4的下方，车体9和车轮10连接并设置于路面6上；终端处理设备7与所述CCD摄像机5相连接；光源1发出的光条可以覆盖纵向路面6，光源1发出的光线和基准栅4的法线成α角，进入CCD摄像机5的入射光线与基准栅4成β角；α角和β角的范围为：0°≤α≤0.25°，15.3°≤β≤60.7°。

实施例5、基于影像云纹法的路面平整度检测装置，其中：α角是0.24°；β角是45.5°。其余同实施例4。

实施例6、基于影像云纹法的路面平整度检测检测方法，该检测方法涉及的基于影像云纹法的路面平整度检测装置包括光源1、滤波器2、聚焦透镜3、基准栅4、CCD摄像机5、终端处理设备7、车体9和车轮10；其中：车体9内的底板上设有基准栅4，光源1、滤波器2、聚焦透镜3均位于基准栅4的一侧，CCD摄像机5位于基准栅4另一侧，路面6位于基准栅(4)的下方，车体9和车轮10连接并设置于路面6上；终端处理设备7与所述CCD摄像机5相连接；光源1发出的光条可以覆盖纵向路面6，光源1发出的光线和基准栅4的法线成α角，进入CCD摄像机5的入射光线与基准栅4成β角；α角和β角的范围为：0°≤α≤0.25°，15.3°≤β≤60.7°；其检测方法为：

车体9由牵引车拉着向前行驶，激光光源1发出的光条经过空间滤波器2形成面积较大的光场，再经聚焦透镜3后变成平行光，透过基准光栅4形成影像投射到路面6上，影像和基准栅4本身发生相互干涉形成干涉云纹图像；CCD摄像机5把这种干涉云纹图像拍摄并保存下来传入终端处理设备7，并可参照终端处理设备7屏幕上的图像聚集效果进行实时动态调节。

实施例7、基于影像云纹法的路面平整度检测装置，其中：云纹图像经过终端处理设备7内的图像处理软件进行滤波处理，消除干扰信息，从而获得精确的路面纵向轮廓曲线云纹图像；在所得的路面纵向轮廓曲线云纹图像上，以300mm的距离取离散高程点，并把相关数据代入IRI计算模型，从而得到该被测路段的路面IRI指标；得到的检测数据由打印输出设备8打印。其余同实施例6。

实施例8、种基于影像云纹法的路面平整度检测装置，其中：打印输出设备8与终端处理设备7相连接。其余同实施例6。

实施例9、基于影像云纹法的路面平整度检测装置，其中：终端处理设备7可以是笔记本电脑。其余同实施例1-8中的任意一种。

实施例10、基于影像云纹法的路面平整度检测装置，其中：光源1是激光光源或者卤钨灯。其余同实施例1-6中的任意一种。

实施例11、基于影像云纹法的路面平整度检测装置，其中：检测装置可更换不同栅线密度的基准栅4。其余同实施例1-6中的任意一种。

实施例12、基于影像云纹法的路面平整度检测装置，其中：所述基准栅4的栅板可以是玻璃或者精密透明板。其余同实施例1-6中的任意一种。

实施例13、基于影像云纹法的路面平整度检测装置，其中：CCD摄像机5可以是数码相机。其余同实施例1-6中的任意一种。

Claims (7)

1.一种基于影像云纹法的路面平整度检测装置，包括光源(1)、滤波器(2)、聚焦透镜(3)、基准栅(4)、CCD摄像机(5)、终端处理设备(7)、车体(9)和车轮(10)；其特征在于：车体(9)内的底板上设有基准栅(4)，光源(1)、滤波器(2)、聚焦透镜(3)均位于基准栅(4)的一侧，CCD摄像机(5)位于基准栅(4)另一侧，路面(6)位于基准栅(4)的下方，车体(9)和车轮(10)连接并设置于路面(6)上；终端处理设备(7)与所述CCD摄像机(5)相连接。

2.一种基于影像云纹法的路面平整度检测装置，包括光源(1)、滤波器(2)、聚焦透镜(3)、基准栅(4)、CCD摄像机(5)、终端处理设备(7)、车体(9)和车轮(10)；其特征在于：车体(9)内的底板上设有基准栅(4)，光源(1)、滤波器(2)、聚焦透镜(3)均位于基准栅(4)的一侧，CCD摄像机(5)位于基准栅(4)另一侧，路面(6)位于基准栅(4)的下方，车体(9)和车轮(10)连接并设置于路面(6)上；终端处理设备(7)与所述CCD摄像机(5)相连接；光源1发出的光条可以覆盖纵向路面6，光源(1)发出的光线和基准栅(4)的法线成α角，进入CCD摄像机(5)的入射光线与基准栅(4)成β角；α角和β角的范围为：0°≤α≤0.25°，15.3°≤β≤60.7°。

3.如权利要求2所述的一种基于影像云纹法的路面平整度检测装置，其特征在于：α角是0.24°；β角是45.5°。

4.一种基于影像云纹法的路面平整度检测方法，该检测方法涉及的基于影像云纹法的路面平整度检测装置包括光源(1)、滤波器(2)、聚焦透镜(3)、基准栅(4)、CCD摄像机(5)、终端处理设备(7)、车体(9)和车轮(10)；其特征在于：车体(9)内的底板上设有基准栅(4)，光源(1)、滤波器(2)、聚焦透镜(3)均位于基准栅(4)的一侧，CCD摄像机(5)位于基准栅(4)另一侧，路面(6)位于基准栅(4)的下方，车体(9)和车轮(10)连接并设置于路面(6)上；终端处理设备(7)与所述CCD摄像机(5)相连接；光源1发出的光条可以覆盖纵向路面6，光源(1)发出的光线和基准栅(4)的法线成α角，进入CCD摄像机(5)的入射光线与基准栅(4)成β角；α角和β角的范围为：0°≤α≤0.25°，15.3°≤β≤60.7°；其检测方法为：

车体(9)由牵引车拉着向前行驶，激光光源(1)发出的光条经过空间滤波器(2)形成面积较大的光场，再经聚焦透镜(3)后变成平行光，透过基准光栅(4)形成影像投射到路面(6)上，影像和基准栅(4)本身发生相互干涉形成干涉云纹图像；CCD摄像机(5)把这种干涉云纹图像拍摄并保存下来传入终端处理设备(7)，并可参照终端处理设备(7)屏幕上的图像聚集效果进行实时动态调节。

5.如权利要求4所述的一种基于影像云纹法的路面平整度检测装置，其特征在于：云纹图像经过终端处理设备(7)内的图像处理软件进行滤波处理，消除干扰信息，从而获得精确的路面纵向轮廓曲线云纹图像；在所得的路面纵向轮廓曲线云纹图像上，以300mm的距离取离散高程点，并把相关数据代入IRI计算模型，从而得到该被测路段的路面IRI指标；得到的检测数据由打印输出设备(8)打印。

6.如权利要求4所述的一种基于影像云纹法的路面平整度检测装置，其特征在于：打印输出设备(8)与终端处理设备(7)相连接。

7.如权利要求1-6中的任意一项所述的一种基于影像云纹法的路面平整度检测装置，其特征在于：终端处理设备(7)可以是笔记本电脑。

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