CN101881000B - 一种公路路面平整度的摄像测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种公路路面平整度的摄像测量系统，包括安装有摄像测量装置的主车和设置有靶标的靶车；靶车上安装有里程编码器和无线数据收发模块；主车上的摄像测量装置包括可调节摄像机安置平台，安装在可调节摄像机安置平台上的摄像机、工控机和无线数据收发模块，所述摄像机的信号输出端和所述靶车上的里程编码器均通过无线数据收发模块接入工控机的信号输入端。相应的，也提出了一种基于上述摄像测量系统的测量方法。该摄像测量系统及方法能够在保证测量精度和测量效率的前提下，很好的控制测量成本。

Description

一种公路路面平整度的摄像测量系统及方法

技术领域

本发明涉及近景摄影测量、数字图像处理、计算机视觉以及公路工程等领域，进一步是指一种公路路面平整度的摄像测量系统及方法。

背景技术

公路路面平整度是路面评价及路面施工验收中的一个重要指标。平整度直接反映了车辆行驶的舒适度及路面的安全性和使用期限。路面平整度的检测能为决策者提供重要的信息，使决策者能为路面的维修、养护及翻修等作出优化决策。另一方面，路面平整度的检测能准确地提供路面施工质量的信息，为路面施工提供一个质量评定的客观指标。

目前，路面平整度的检测设备分为断面类及反应类两大类，断面类检测设备是测定路面表面凸凹情况的一种仪器，如最常用的3m直尺及连续式平整度仪。国际平整度指数(IRI)便是以此为基准建立的，这是平整度最基本的指标。反应类检测设备是测定由于路面凹凸不平引起车辆颠簸的情况，这是司机和乘客直接感受到的平整度指标。因此，它实际上是舒适性能指标。最常用的是车载式颠簸累积仪。现已有更新的自动测试设备，如纵断面分析仪、路面平整度数据采集系统测定车等。

自1917年美国联邦公路局使用第一种专用仪器测量路面的平整度以来，国外便开始了公路路面平整度检测设备的研究，至今已积累了许多较为成熟的技术。早期研制的公路路面平整度检测设备如：美国的GMR断面仪、英国TRRL改进研制的VBI颠簸累积仪、澳大利亚的NAA SRA平整度仪等，已广泛应用于路面的检测、公路施工工程的质量评价及日常养护管理中。但是，这些检测设备均需要将传感器附着于待测道路表面，因此检测时不但影响路面原有状态，限制了测量精度、测量效率和检测设备的移动速度，而且还增大了操作者的劳动强度和测量轮的耐磨性能要求。近年来，随着激光、超声波、GPS卫星定位及雷达等高科技先进技术在全世界范围内的推广应用，非接触式公路路面平整度检测设备应运而生。它主要以激光、超声波、雷达等作为检测手段，通过获取公路路面的反馈信息进行公路路面平整度的测量。

总的来说，目前公路路面平整度检测设备主要受传感器的个数、类型和检测方式的限制，存在着设备成本较高、测量速度较慢、测量精度较低等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种公路路面平整度的摄像测量系统及方法，能够在保证测量精度和测量效率的前提下，很好的控制测量成本。

为实现上述发明目的，本发明具体采用的基本技术方案是：一种公路路面平整度的摄像测量系统，包括安装有摄像测量装置的主车和设置有靶标的靶车；靶车上安装有里程编码器和无线数据收发模块；主车上的摄像测量装置包括可调节摄像机安置平台，安装在可调节摄像机安置平台上的摄像机、工控机和无线数据收发模块，所述摄像机的信号输出端和所述靶车上的里程编码器均通过无线数据收发模块接入工控机的信号输入端。

所述靶标与靶车活动联接，所述靶标上部固定有人工合作标志，底部设有与路面直接接触的轮子。

进一步的，至少有一个靶标上设置有两个或两个以上的人工合作标志。

进一步的，所述人工合作标识采用的是红外发光标志。

根据实施例得出的优选方案，作为所述摄像机采用的是工业摄像机，且该工业摄像机带有电动镜头。所述电动镜头具体为电动三可变镜头。所述可调节摄像机安置平台为摄像机云台。

本发明还提出一种与上述公路路面平整度的摄像测量系统相应的摄像测量方法，包括如下具体步骤：

1)将安装有摄像测量装置的主车与设有人工合作标志的靶车分别放于待测路面上，且将所述摄像测量装置的摄像机对准人工合作标志；

2)靶车静止时，摄像机采集一帧图像，利用亚像素定位方法对该帧图像中所有人工合作标志的中心定位，以此作为每一个人工合作标志的初始位置；

3)按预定速度推动靶车向主车运动，实时采集人工合作标志运动的序列图像，并对人工合作标志进行定位，得到每帧图像中人工合作标志的中心坐标，将得到的中心坐标与步骤1中采集得到的人工合作标志在第一帧图像中的中心坐标相比较，得出每一个人工合作标志在运动过程中相对于初始位置的像素值偏移量，该像素值偏移量即为该点由于公路不平而离开基准平面的像素值偏移量；

4)根据上述得到的像素值偏移量，依照像素值偏移量与实际物理长度偏移量的对应关系K，得出实际的物理长度偏移量；

5)利用步骤4求出的物理长度偏移量数据，按照国际平整度指数IRI的定义求出待测路面的IRI，或再由IRI进一步通过公式：σ＝0.5926IRI+0.013，求出待测路面的标准差σ。

作为优选方案，所述步骤3中，为了保证在靶车向主车运动时，人工合作标志所成图像的大小保持不变，主车上的摄像机需进行自动聚焦调焦方法，所述步骤3中，在靶车向主车运动时，摄像机的光轴不变，当人工合作标志远离摄像机时，摄像机的电动镜头的焦距调大，其视场角变小；而当人工合作标志离摄像机靠近时，摄像机的电动镜头焦距调小，其视场角变大。

而在以上调节焦距的过程中，镜头的光轴位置保持不变。以上就保证在系统测量过程中人工合作标志所成图像的大小基本保持不变。

作为优选方案，所述步骤4)中，像素值偏移量与实际物理长度偏移量的对应关系K的计算方法是：首先测量得到靶车同一靶标上两个人工合作标志之间的实际物理长度Δx₁，再根据所拍摄图像测出相对应两个人工合作标志之间的像素数目Δx₂，则得到像素偏移量与实际物理长度偏移量之间的转换系数

本发明所述公路路面平整度的摄像测量系统及方法采用摄像测量的方法通过跟踪和解算人工合作标志的偏移量从而得到公路路面的平整情况，其特征和关键技术在于：

一、图像中人工合作标志的亚像素定位。为了保证系统的高精度，本系统采用亚像素图像定位技术。亚像素图像定位技术就是通过研究先进的图像处理方法，使图像中目标定位精度高于图像的物理分辨率。可以采用相关滤波法、自适应阈值重心法、灰度图拟合法等亚像素定位方法。亚像素定位方法可以参见于起峰、尚洋著《摄像测量学原理与应用研究》科学出版社P81-117，2009。

二、摄像机在拍摄过程中的自动聚焦、调焦技术。其原理如图4所示：当人工合作标志离摄像机较远时，电动镜头的焦距较大，其视场角1较小；而当人工合作标志离摄像机较近时，系统自动将电动镜头焦距调小，其视场角2较大。而在以上调节焦距的过程中，镜头的光轴位置保持不变。以上就保证在系统测量过程中人工合作标志所成图像的大小基本保持不变。

三、偏移量的计算方法。对人工合作标志运动的序列图像进行定位，得到每帧图像中人工合作标志中心坐标，将这个序列坐标与人工合作标志在第一帧图像中的坐标相比较，得出人工合作标志在运动过程中相对于初始位置的偏差，该偏差即为公路路面不平而离开基准平面的偏差。以上偏差均为像素值，为了给出最终的测量结果，还需要对摄像机采集的图像进行标定，给出与图像像素值对应的物理长度，其具体方法为先测量得到靶车同一靶标上两个人工合作标志之间的实际物理长度Δx₁，在所拍摄图像中测出这两个人工合作标志之间的像素数目Δx₂，就得到像素偏移量与实际物理长度之间的转换系数

四、大气影响的消除。公路的工作环境温度有时很高，大气湍流的对摄像测量系统的影响很大，所以要采取相应的措施来降低大气湍流的影响，可以采用“滑动窗口滤波”等方法消除大气湍流对测量结果的影响。具体的“滑动窗口滤波”方法可以参见于起峰、尚洋著《摄像测量学原理与应用研究》科学出版社P148-151，2009。

本发明的意义在于：

1、测量精度高。选择合适的硬件，其精度可以达到士0.5mm左右，甚至更高。而激光扫描非接触测量系统的精度受激光测距的精度所限，其测量精度在1mm左右。

2、摄像机与靶车之间的距离大范围可调，若该距离大于100米时，可以很好地测量路面的长波不平顺数据。

3、系统测量路面的宽度可以大于20米，测量效率极高。

4、采样点可以加密，且对系统成本影响不大。

附图说明

图1为公路路面平整度的摄像测量方法及装置的应用示意图；

图2为公路路面平整度的摄像测量方法及装置的结构框图；

图3为公路路面平整度的摄像测量装置的主车上设备的连接示意图；

图4为公路路面平整度的摄像测量方法中自动聚焦、调焦侧视原理图；

图5为公路路面平整度的摄像测量方法中偏移量计算原理图。

1-主车  2-靶车  3-靶标  4-轮子  5-路面  6-里程编码器

7-无线数据收发模块  8-直流电源  9-人工合作标志

10-工业摄像机  11-电动镜头  12-云台  13-工控机

14-解码控制器  15-路面平整度数据  16-光轴  17-通讯电缆

θ₁-视角1  θ₂-视角2

具体实施方式

如图1所示，本实施例提出的公路路面平整度的摄像测量系统由主车1和靶车2两部分组成，在靶车2上根据测量点密度需求固定一定数量的靶标3，靶标3和靶车2是活动联接，上部固定有带直流电源8的人工合作标志9，下部是和路面直接接触的轮子4。因此，当靶车2在路面5上前进时，路面的平整情况就可以通过人工合作标志9来反映出来。另外，靶车上安装有里程编码器7和无线数据收发模块7。主车上安装一套摄像测量系统，由带电动镜头11的工业摄像机10、用于放置工业摄像机10的云台12、工控机13以及无线数据收发模块7等组成。

系统工作时，靶车前进，人工合作标志9发光工作，主车摄像测量系统中的摄像机实时拍摄人工合作标志9的图像，图像传输给工控机，工控机从图像中的多个标志中提取与电动镜头调节参数对应的图像特征量，包括人工合作标志之间的图像距离、人工合作标志的清晰度和人工合作标志的明暗，驱动电动镜头进行正确调节，使人工合作标志成像始终清晰，且视场大小基本保持恒定；处理软件进一步从图像中提取人工合作标志的精确位置，对比当前时刻的标志位置与初始时刻的标志位置，可以测量出该时刻路面平整度的偏差值；同时，靶车将里程信息通过无线数据收发模块发送至主车工控机中。

在上述测量过程中，所采用的针对运动标志的自动调焦、聚焦方案可采用公开号为CN 101021417的发明专利申请提出的一种长直轨道几何参数的摄像测量方法，该方法可以让电动镜头自动调节焦距以使测量视场始终保持不变，且成像质量始终清晰，保证在测量范围内高精度得到测量结果。同时，选择合适的电动镜头完全可以使测量距离在300米以上。

如图2所示，所述公路路面平整度的摄像测量系统中，主车上的摄像测量装置包括可调节摄像机安置平台，安装在可调节摄像机安置平台上的摄像机10、工控机13和无线数据收发模块7，所述摄像机的信号输出端和所述靶车上的里程编码器6均通过无线数据收发模块7接入工控机13的信号输入端。

如图3所示，所述主车上设备的连接关系是：所述主车1上的摄像机带有电动镜头，其中该电动镜头11通过通讯电缆17经解码控制器14与工控机13的控制端联接，所述工业摄像机10的信号输出端经通讯电缆17将采集到的图像信息发送至工控机13的的图像采集卡。

图4所示为系统的侧视原理图。当红外合作标志离摄像机较远时，如图4中实线标志位置，电动镜头的焦距较大，其视场角1的角度θ₁较小；而当红外合作标志离摄像机较近时，如图4中虚线标志位置，系统自动将电动镜头焦距调小，其视场角2的角度θ₂较大。而在以上调节焦距的过程中，镜头的光轴16位置保持不变。以上就保证在系统测量过程中红外合作标志所成图像的大小基本保持不变。

如图5所示，为公路路面平整度的摄像测量方法中偏移量计算原理图。X轴处于大地水平面内，Y轴处于与水平面垂直的面内，且二者都垂直于主车摄像机的光轴。虚线十字表示人工合作标志在第一帧图像中的初始位置，实线十字表示人工合作标志在当前帧图像中的位置，而Δy则是两个十字丝之间的Y坐标差值。

本实施例所述公路路面平整度的测量步骤有：

1)如图1所示，将主车与靶车分别放于待测路面上；

2)靶车静止时采集一帧图像，利用亚像素定位技术对该帧图像中所有人工合作标志的中心定位，以此作为每一个人工合作标志的初始位置；

3)按一定速度推动靶车向主车运动，实时采集人工合作标志运动的序列图像，并进行定位，得到每帧图像中人工合作标志的中心坐标，将这个序列坐标与步骤1中采集得到的人工合作标志在第一帧图像中的坐标相比较，得出每一个人工合作标志在运动过程中相对于初始位置的像素值偏移量，该像素值偏移量即为该点由于公路不平而离开基准平面的像素值偏移量；

4)根据上述得到的像素值偏移量，依照像素值偏移量与实际物理长度偏移量的对应关系K，得出实际的物理长度偏移量；

5)利用第4步求出的偏移量数据，按照国际平整度指数(IRI)的定义求出待测路面的IRI，还可以由IRI进一步通过公式：σ＝0.5926IRI+0.013，求出待测路面的标准差σ。

Claims (10)

1.一种公路路面平整度的摄像测量系统，其特征是，包括安装有摄像测量装置的主车和设置有靶标的靶车；靶车上安装有里程编码器和无线数据收发模块；靶车设有人工合作标志；主车上的摄像测量装置包括可调节摄像机安置平台，安装在可调节摄像机安置平台上的摄像机、工控机和无线数据收发模块，所述摄像机的信号输出端和所述靶车上的里程编码器均通过无线数据收发模块接入工控机的信号输入端。

2.根据权利要求1所述公路路面平整度的摄像测量系统，其特征是，所述靶标与靶车活动联接，所述靶标上部固定有人工合作标志，底部设有与路面直接接触的轮子。

3.根据权利要求2所述公路路面平整度的摄像测量系统，其特征是，至少有一个靶标上设置有两个或两个以上的人工合作标志。

4.根据权利要求2所述公路路面平整度的摄像测量系统，其特征是，所述人工合作标识采用的是红外发光标志。

5.根据权利要求1-4之一所述公路路面平整度的摄像测量系统，其特征是，所述摄像机采用的是工业摄像机，且该工业摄像机带有电动镜头。

6.根据权利要求5所述公路路面平整度的摄像测量系统，其特征是，所述电动镜头具体为电动三可变镜头。

7.根据权利要求1所述公路路面平整度的摄像测量系统，其特征是，所述可调节摄像机安置平台为摄像机云台。

8.一种与权利要求1所述公路路面平整度的摄像测量系统相应的摄像测量方法，其特征是，包括如下具体步骤：

1)将安装有摄像测量装置的主车与设有人工合作标志的靶车分别放于待测路面上，且将所述摄像测量装置的摄像机对准人工合作标志；

2)靶车静止时，摄像机采集一帧图像，利用亚像素定位方法对该帧图像中所有人工合作标志的中心定位，以此作为每一个人工合作标志的初始位置；

3)按预定速度推动靶车向主车运动，实时采集人工合作标志运动的序列图像，并对人工合作标志进行定位，得到每帧图像中人工合作标志的中心坐标，将得到的中心坐标与步骤2中采集得到的人工合作标志在第一帧图像中的中心坐标相比较，得出每一个人工合作标志在运动过程中相对于初始位置的像素值偏移量，该像素值偏移量即为该点由于公路不平而离开基准平面的像素值偏移量；

4)根据上述得到的像素值偏移量，依照像素值偏移量与实际物理长度偏移量的对应关系K，得出实际的物理长度偏移量；

5)利用步骤4求出的物理长度偏移量数据，按照国际平整度指数IRI的定义求出待测路面的IRI，或再由IRI进一步通过公式：σ＝0.5926IRI+0.013，求出待测路面的标准差σ。

9.根据权利要求8所述摄像测量方法，其特征是，所述步骤3中，在靶车与主车作相对运动时，摄像机的光轴不变，当人工合作标志远离摄像机时，摄像机的电动镜头的焦距调大，其视场角变小；而当人工合作标志离摄像机靠近时，摄像机的电动镜头焦距调小，其视场角变大。

10.根据权利要求8或9所述摄像测量方法，其特征是，所述步骤4)中，像素值偏移量与实际物理长度偏移量的对应关系K的计算方法是：首先测量得到靶车同一靶标上两个人工合作标志之间的实际物理长度Δx₁，再根据所拍摄图像测出相对应两个人工合作标志之间的像素数目Δx₂，则得到像素偏移量与实际物理长度偏移量之间的转换系数

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