CN102243184B - 一种沥青混合料芯样表面图像采集仪 - Google Patents

Abstract

本发明一种沥青混合料芯样表面图像采集仪，它是由机械支撑子系统、图像采集子系统以及图像处理子系统三部分组成。它们之间的位置连接关系是：该图像采集仪所有的硬件均置于机械支撑子系统的箱体内部。它的特点是综合利用机械技术、电气技术与软件技术，采用竖立转台和线阵CCD，芯样连续转动360度，CCD摄像头连续采集，克服了传统芯样表面图像采集的曲面变形与拼接困难，同时通过编码器触发线阵相机拍摄，保证图像采集的完整性，并且不会对芯样造成损伤。本发明根据数字图像处理软件的分析结果，指导沥青路面施工，具有显著的经济效益和良好的应用前景。

Description

一种沥青混合料芯样表面图像采集仪

(一)技术领域

本发明属于交通路面检测技术领域，具体而言，涉及一种沥青混合料芯样表面图像采集仪。

(二)背景技术

在沥青路面质量管理中，路面的宏观性能与细观结构分布息息相关，利用数字图像技术对沥青混合料芯样图像的细观结构进行定量分析来获取路面的宏观性能，成为路面质量管理的有效手段。但由于芯样经钻取和采样后会造成破坏，并且长时间放置后，破损更为严重，为了后期更深入的研究，对其数字化保存显得极为重要。目前，国内外对沥青混合料芯样图像的采集主要有断面图像和拼接的表面图像，断面图像采集主要包括人工切割与CT断层成像，人工切割处理上较为简易，但是切割工作量大，并且难以标准化推广，基于CT断面的芯样图像采集，设备极为昂贵，操作复杂，也难以推广；拼接的表面图像不仅存在拼接误差，而且需要对曲面图像进行还原才能进行后续分析，这对自动分析造成了很大障碍。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种沥青混合料芯样表面图像采集仪，该采集仪是沥青混合料芯样表面图像的自动检测设备，它克服了现有技术的不足，给沥青路面施工控制提供了有效手段。

2、技术方案：本发明一种沥青混合料芯样表面图像采集仪(以下简称图像采集仪)，其特征在于，它是由机械支撑子系统、图像采集子系统以及图像处理子系统三部分组成，由图1所示。它们之间的位置连接关系是：该图像采集仪所有的硬件均置于机械支撑子系统的箱体内部，其排列关系在下面将详细表述。

所述机械支撑子系统包括箱体、旋转平台及线扫描相机支架，其主要功能是实现光源屏蔽及沥青混合料芯样的固定。它们之间的位置连接关系是：旋转平台及线扫描相机支架位于箱体内的两端，它们之间的距离主要由线扫描相机的焦距决定；该箱体是根据系统的实际情况设计的长方体形状金属件，由沥青混合料芯样的高度和相机焦距而定，其主要作用是屏蔽自然光和安装硬件，箱体正对相机镜头的那块板作为背景档板，在制作时增厚2mm，加强屏蔽效果；该旋转平台选用的是天瑞中海旋转台；该线扫描相机支架是金属结构支架，它采用双T型槽结构实现相机在水平方向上的移动，采用圆柱紧固件实现相机在垂直方向上的移动及水平面内的旋转，以保证沥青混合料芯样与线扫描相机之间的相对拍摄距离与拍摄角度可调，适应不同高度的沥青混合料芯样。

所述图像采集子系统包括基于千兆网接口的线扫描相机(简称线扫描相机)、大功率LED照明光源、控制箱及控制板卡，其主要功能保证采集图像的完整性与精确性。它们之间的位置连接关系是：控制板卡装在控制箱内，控制箱装在箱体的一侧，将线扫描相机支架固定在箱体内，并将线扫描相机固定在线扫描相机支架上，大功率LED照明光源装在线扫描相机支架与旋转平台之间靠近旋转平台的一侧。其中，综合考虑接口、行像素、信噪比等指标，该线扫描相机选用的是工业线阵相机；该大功率LED照明光源并排安装在2个照明支架上，在选用LED时，要求各个LED光谱的一致性要好，并为两侧的光源加装滤光片，使照明光线均匀；该控制箱是长方体形状；该控制板卡由12位二进制串行计数器4040、8选1数据选择器CD4051BC、4输入与非门74LS00、同步计数器74LS16、3输入与非门74LS10、双D触发器4013、5V稳压器LM2575S-5.0、有源晶振、继电器、二极管、电容以及电阻组成，按照电路原理图要求将各个器件焊接在电路板上，组成能实现控制功能的电路板；

所述数据处理子系统包括带有千兆网接口的笔记本电脑及开发的图像处理软件，主要功能是控制系统硬件运作及对获取的沥青混合料芯样图像进行处理分析。它们之间的关系是笔记本电脑位于箱体外，图像处理软件装在笔记本电脑内部。其中，笔记本电脑要求带有千兆网接口，并且可以运行相关的程序；其中，系统涉及的图像处理软件是VISUALSTUDIO 2008中文标准版和opencv2.0.

本发明的拍摄对象是：直径为d＝100mm，高度：h＜400mm的沥青混合料芯样，其质量：m＜3.14*0.05*0.05*0.4*2.37t/m3＝7.5kg。(其中d：直径；h：高度；m：质量；t/m3：)

该图像采集仪中的USB数据采集器为Usb2821；增量式编码器的分频数为：500*180/1608＝55.9≈56，编码器的信号输出形式为TTL。

该图像采集仪耗电30w，因此蓄电池容量大于30w、3AH(安时)即可。本发明选用蓄电池的容量为36w、5AH。

其中，箱体采用不透光的铝合金材质制成，外形尺寸为长度为800mm，宽度为300mm，高度为500mm；箱体前后各有一个活动门，打开前门可以操作控制箱电源开关，打开后门可以放入和取出芯样，在开始图像采集之前，将两门关闭。如此设计的箱体使采集到的图像不受环境光源的影响，并且在保证了系统的坚固性的同时是系统的质量达到最小。

其中，该线扫描相机的型号是E2V工业线阵相机，相机的镜头采用的是尼康工业镜头DiViiNA LM1 GE 2010。

其中，该旋转平台的型号是ERS100。

其中，该大功率LED照明光源采用14个1w大功率白光LED串联而成。

3、优点及效果：

本发明一种沥青混合料芯样表面图像采集仪，芯样转动360度，通过编码器触发线阵相机连续拍摄。相比现有的芯样图像采集仪，本系统优点主要有以下三点：

(1)精确控制电机与外触发相机相结合，保证图像完整性，并且避免了曲面失真，提高了采集精度，为后续自动化处理提供了可能性；

(2)采用人工光源与环境光屏蔽相结合，保证了环境对采集图像没有影响，统一了采集环境，保证了后续处理结果的统一；

(3)携带方便，整个系统安装在800mm*300mm*500mm的封闭箱体内，可以在实验室或者野外工作。

(四)附图说明

图1本发明图像采集仪结构框图

图2本发明图像采仪机械结构正视图

图3本发明图像采仪机械结构俯视图

图4a-图4b本发明图像采集仪电路原理图(一)

图5a-图5e本发明图像采集仪电路原理图(二)

图6a-图6b本发明图像采集仪电路原理图(三)

图7a-图7e本发明图像采集仪电路原理图(四)

图8上位机软件系统结构示意图

图9本发明图像采集仪工作流程示意图

图10芯样表面图像分析流程图示意图

图11芯样数据库内容

图12创建Excel报告流程示意图

图中符号说明如下：

PC为带有千兆网接口的笔记本电脑。

U1为有源晶振，其频率为2.048MHZ。

U2为12位二进制穿行计数器，所选型号为4040。

U3为8选1输出，所选型号为CD4051BC。

U4为4输入与非门，所选型号为74LS00。

U5、U6为同步计数器，所选型号为74LS16。

U7为3输入与非门，所选型号为74LS10。

U8为双D触发器，所选型号为4013。

D1-D5为二极管，其中D4所选型号为为IN5879，其余所选型号为IN4007。

U13为5V稳压器，所选型号为LM2575S-5.0。

K1-K3为继电器。

R1、R2为电阻，R1为200K，R2为100K。

L1、L2为电感，其中L1为22uH，L2为330uH。

C1-C4为电容，其中C1、C2为0.1uF，C3为330uF/16V，C4为100uF/50V。

CON4和CON10为单排4针端子，HEADER 10×2为双排20针端子。

(五)具体实施方式

下面将结合附图对发明进行进一步的详细说明。

本发明一种沥青混合料芯样表面图像采集仪，它主要用于沥青路面质量管理上。见图1，它是由机械支撑子系统、图像采集子系统以及图像处理子系统三部分组成；它们之间的位置连接关系是该图像采集仪所有的硬件均置于机械支撑子系统的箱体内部。

参见图1，打开笔记本电脑，运行编写的操作软件，通过点击打开光源、转台开始及采集图像按钮，实现打开LED照明光源、启动转台(带动沥青混合料芯样旋转，保证采集的沥青混合料芯样表面图像的完整性与精确性)并开始采集沥青混合料芯样表面图像。采集到的图像可以保存在电脑中已经设置的路径下，点击软件的图像处理按钮对采集到的图像进行自动标记、水线分割算法等处理，最后以直方图的形式显示出图像处理的结果。

本图像采集仪将沥青混合料芯样倒立放置，因为该芯样的上表面表平坦，倒立放置更容易固定。旋转平台到机柜的顶部预留40cm的空间，以便适应各种高度的沥青混合料芯样。将芯样夹持装置来固定沥青混合料芯样，并保证沥青混合料芯样中心尽量与旋转轴共线。旋转平台采用涡轮蜗杆结构，用直流电机驱动。在旋转轴上安装角度编码器，将旋转角度转换为脉冲输出，触发相机对沥青混合料芯样进行扫描。

环境光源屏蔽满足了沥青混合料芯样测试过程大多在户外进行的需要，由于户外的光线具有很大的不确定性，在相机拍摄之前需要将户外的自然光线进行屏蔽，采用独立的人工光源提供拍摄照明。在设计照明光源时，应跟据线扫描相机的特点来进行设计，具体来说要考虑如下问题。

1)线扫描相机每次只拍摄一条线，因此只需将待扫描的线状区域照亮即可；

2)由于线扫描相机的扫描频率很高，相机的曝光时间就不能很长，这就要求照明光源的亮度要很高才行；

3)还要考虑照明的均匀性问题和照射的角度问题，照明不均匀会使采集的图像上产生明暗相间的条纹，而照射角度选取不好会使图像产生高亮或者亮度很低的区域；

4)为了能够改变所采集的图像的亮度，最好能够控制照明光源的亮度。

参见图2，该系统的USB2821数据采集器通过笔记本电脑的USB数据口与笔记本电脑相连，实现了笔记本电脑对该系统的控制；网线分别插入选用的E2V工业线阵相机与笔记本电脑的千兆网接口，实现了线扫描相机与笔记本电脑的连接。

参见图3，该系统要分析的沥青混合料芯样固定在旋转平台上，由旋转平台实现芯样的转动；系统所用的线扫描相机通过相机支架固定。旋转平台与线扫描相机之间的距离是由相机的焦距所决定的。

参见图4a-图4b，该系统的控制板卡主要由12位二进制串行计数器4040、8选1数据选择器CD4051BC、4输入与非门74LS00、同步计数器74LS16、3输入与非门74LS10、双D触发器4013、5V稳压器LM2575S-5.0、有源晶振、继电器、二极管、电容以及电阻组成。两个二-十六进制可预置同步加法计数器74LS161(16)串联组成64进制加法计数器，计数器的输出信号及第二片计数器的异步置零端经过与非门作为D触发器的输入信号和时钟信号。USB2821数据采集卡采集到的信号经由图7a-图7e接口电路输入到控制电路；图4a-图4b和图6a-图6b的部分为本控制电路的计算部分，根据系统要求达到的技术指标以及所选用器件的技术参数，得到控制系统要达到技术指标所需的控制信号；图5a-图5e的部分包含了电源管理模块和继电器控制电路，电源管理模块为系统提供5V的稳定电压以保证系统稳定工作，继电器驱动电路将控制信号输出到旋转平台控制端、线扫描相机触发同步电路端和照明光源控制端。

参见图8，本系统的软件部分主要包括沥青混合料芯样采集控制子系统、沥青混合料芯样图像分析子系统及沥青混合料芯样检测报告生成子系统。上位机软件系统由图像采集子系统、图像分析子系统以及报表生成子系统构成

在开发沥青混合料芯样采集控制子系统软件的内容如下：

1)通过动态链接库dll文件和USB接口驱动完成计算机与硬件装置的连接。dll文件一般由接口转换驱动模块提供，它包含了一组函数，接口驱动通过调用这些接口函数，实现计算机和硬件装置间的数据传输。软件根据USB通信协议，通过USB接口给图像采集扫描装置中的电机发送控制信号，电机转动带动上面的沥青混合料芯样同时转动，线扫描相机在沥青混合料芯样转动时捕获到其表面照片，在该芯样转动一圈后系统自动控制其停止运动；

2)采集控制子系统将线扫描相机所捕获的若干张照片进行自动无缝拼接，构成一幅完整的芯样表面图像；最后采集控制子系统通过数据库接口层，在数据库中动态生成每幅图像相应的数据表，将每幅沥青混合料芯样图像直接以常用图像格式或JPEG标准压缩格式存入图像数据库保存。

在开发沥青混合料芯样图像分析子系统时软件的内容如下：

1)对原始图像进行预处理，包含图像灰度变换、图像增强、图像平滑等部分。对于采集到沥青混合料图像，先建立灰度直方图，通过直方图均衡来对灰度图像进行增强，图像平滑模块主要是通过均值滤波和中值滤波对图像中的噪声进行处理，避免噪声对后续研究造成影响。

2)针对采集到的沥青混合料图像的自身特点以及算法的复杂性和计算机运行速度等因素考虑，利用闭值分割算法对经过预处理后图像进行分割，主要目的是将当前研究对象与背景分离。为了研究沥青混合料组成结构，需要对图像的像素进行分类，将图像分割为一些特定的区域或对象，并对其做定量分析。图像的边缘检测选取传统的边缘检测算子Canny进行边缘检测，边缘跟踪则主要针对二值图像采用边缘跟踪来得到沥青混合料的边缘图像。图像数学形态学的处理则主要通过数学形态学方法来对沥青混合料图像进行处理，主要运用了不同模板的腐蚀、膨胀、开运算和闭运算来对沥青混合料分割图像中粘连颗粒进行分离。在边缘跟踪技术方面采用先进行区域标记，而后对标记的区域的外边界，采用连通区域的轮廓跟踪方法进行跟踪，保证了对于既存在外边界又存在内孔洞(内边界)的物体区域优先跟踪其外边界。

3)对采集图像进行特征提取。主要的图像特征包括如下几类：级配曲线、石料结构特征、石料形态特征(集料颗粒的高度、宽度、周长、面积、圆形度、矩形度等几何特征)、孔洞分布、不均匀性指标、其他缺陷(例如裂缝、缺损)。

在开发沥青混合料芯样报表生成子系统时软件的内容如下：系统可以根据图像分割的结果，计算可以用于施工控制的各种细观结构指标。采集的指标可以分为五类：反映压实工艺指标，反映级配指标，反映离析程度指标，反映针片状含量指标和结构参数。

生成的报表如下：

参见图8，上位机软件系统由图像采集子系统、图像分析子系统以及报表生成子系统构成。通过eBUS-PureGEV Package 1.3.3.1743WinXP x86软件采集沥青混合料芯样图像并保存，由图像处理子系统经过软件处理得到统计直方图，得出路面图像具有以下特征：

(1)灰度直方图呈典型的双峰分布，但目标(石料)所占比例较大；

(2)目标(石料)的灰度值较高，背景(沥青)的灰度值较低；

(3)背景在拍摄条件较好的情况下，其灰度分布是均匀的；

(4)由于各地建造路面时取材不同，目标(石料)的大小不均匀，形状各异、颜色分布也不一致，同时由于切割造成横截面上有不规则的纹理。但总体来说，目标的灰度比背景要高；局部区域，目标与背景的灰度值很接近。

因此，直接使用传统的阈值分割方法虽然可以分割出大部分的目标，可以作为上层知识，用于指导水线分割。但由于目标灰度分布范围广、内部区域不均匀，较小的目标与背景灰度很接近等，造成分割结果会出现大量空洞、粘连，且灰度与背景近似的小石料被误判成背景，因此需要对分割结果做进一步滤波处理。

水线分割是一种可以有效解决目标粘连和重叠问题的分割方法，对弱边缘也很敏感，可以检测到具有微小变换的区域。利用测地形态学的基本运算可以组成各种性能强大的滤波器，有效解决目标平滑、孔洞填充等问题。因此，本发明结合测地形态学、OTSU和水线分割算法对沥青芯样图片进行分割，可以实现较细粒度下的石料自动检测，并完整的保持石料的形状，为后续分析提供可靠的数据。本图像采集仪选用蓄电池的容量为36w、5AH。

参见图9，该图像采集仪运行的流程如下：

(1)由操作人员通过笔记本电脑上的人机界面设定线扫描相机生成图片的尺寸。

(2)通过笔记本USB端口1驱动控制板卡启动直流电机，从而使芯样保持一个稳定的同轴转速。

(3)在旋转过程中，通过角度编码器生脉冲触发线扫描相机即完成一次拍摄。

(4)在沥青混合料芯样旋转360°之后线扫描相机生成一幅完整的沥青混合料芯样表面图像，并将图像通过USB端口2输入至电脑中。

(5)生成的图片在上位机软件中进行分析处理，生成评价报告，并将相应的数据存储至数据库中。

参见图10，该图像采集仪运行自行编写的图象处理软件。点击“载入图像”按钮，将保存在指定路径(本系统的指定路径为D:\My Documents\My Pictures)的图像载入；对原始图像进行预处理，包含图像灰度变换、图像增强、图像平滑等部分；针对采集到的沥青混合料芯样图像的自身特点以及算法的复杂性和计算机运行速度等因素考虑是否计算集料、空隙比例；如不用计算集料、空隙比例，图像经过二值化数学形态学处理、边缘跟踪、特征提取及参数计算的过程，完成对图像的分析处理；如需计算集料空隙比例，则利用灰度差提取集料、空隙，然后显示处理结果，完成对载入图像得分析处理。

参见图12，该图像采集仪的软件系统通过数据库管理采集的沥青混合料芯样信息与图片，数据库包含的信息参见图11，系统可以根据用户指定的需求生成沥青混合料芯样信息的报表，其报表流程如下：通过引用Excel对象库、创建Excel对象、调用模板、填入数据、保存报表、撤销Excel对象得过程，完成报表得创建。

在开发沥青混合料质量控制子系统时，首先建立评价指标体系，然后通过文献收集和积累大量试验数据实现一次量化，再对文献中的重要结论和试验结果进行分析、判断、提出有价值的指标，实现第二次量化，最后结合实例完善整个评价指标体系。沥青路面的性能受沥青性质、集料性质、集料级配组成、沥青含量以及施工过程中的压实性能、施工温度和环境等因素的影响。由于影响因素众多，加之沥青混合料芯样数量的有限性，对评价指标体系的提出带来一定的复杂性，既不能面面俱到一一评价，又要尽量涵盖各方面性能，所提出的指标要有意义，能够灵敏地区分性能的好坏。系统通过对数据库中的图像特征数据进行计算，对沥青混合料的质量进行评价与控制。

Claims (5)

1.一种沥青混合料芯样表面图像采集仪，其特征在于：它是由机械支撑子系统、图像采集子系统以及图像处理子系统三部分组成，它所有的硬件均置于机械支撑子系统的箱体内部；

所述机械支撑子系统包括箱体、旋转平台及线扫描相机支架，其功能是实现光源屏蔽及沥青混合料芯样的固定；旋转平台及线扫描相机支架位于箱体内的两端，它们之间的距离由线扫描相机的焦距决定；该箱体是根据系统的实际情况设计的长方体形状金属件，由沥青混合料芯样的高度和线扫描相机焦距而定，其作用是屏蔽自然光和安装硬件，箱体正对相机镜头的那块背景档板在制作时增厚2mm，加强屏蔽效果；该旋转平台选用的是天瑞中海旋转台；该线扫描相机支架是金属结构支架，它采用双T型槽结构实现相机在水平方向上的移动，采用圆柱紧固件实现相机在垂直方向上的移动及水平面内的旋转，以保证沥青混合料芯样与线扫描相机之间的相对拍摄距离与拍摄角度可调，适应不同高度的沥青混合料芯样；

所述图像采集子系统包括基于千兆网接口的线扫描相机、大功率LED照明光源、控制箱及控制板卡，其功能是保证采集图像的完整性与精确性；控制板卡装在控制箱内，控制箱装在箱体的一侧，将线扫描相机支架固定在箱体内，并将线扫描相机固定在线扫描相机支架上，大功率LED照明光源装在线扫描相机支架与旋转平台之间靠近旋转平台的一侧；该线扫描相机选用的是工业线阵相机；该大功率LED照明光源并排安装在2个照明支架上，并为两侧的大功率LED照明光源加装滤光片，使照明光线均匀；该控制箱是长方体形状；该控制板卡由12位二进制串行计数器4040、8选1数据选择器CD4051BC、4输入与非门74LS00、同步计数器74LS16、3输入与非门74LS10、双D触发器4013、5V稳压器LM2575S-5.0、有源晶振、继电器、二极管、电容以及电阻组成，按照电路图要求将各个器件焊接在电路板上，组成能实现控制功能的电路板；

所述图像处理子系统包括带有千兆网接口的笔记本电脑及开发的图像处理软件，其功能是控制系统硬件运作及对获取的沥青混合料芯样图像进行处理分析；笔记本电脑位于箱体外，图像处理软件装在电脑内部；系统涉及的图像处理软件是VISUAL STUDIO2008中文标准版和opencv2.0。

2.根据权利要求1所述的一种沥青混合料芯样表面图像采集仪，其特征在于：该箱体采用不透光的铝合金材质制成，外形尺寸是长度为800mm，宽度为300mm，高度为500mm。

3.根据权利要求1所述的一种沥青混合料芯样表面图像采集仪，其特征在于：该线扫描相机选用的是E2V工业线阵相机，相机的镜头采用的是尼康工业镜头DiViiNA LM1GE2010。

4.根据权利要求1所述的一种沥青混合料芯样表面图像采集仪，其特征在于：该旋转平台的型号是天瑞中海ERS100。

5.根据权利要求1所述的一种沥青混合料芯样表面图像采集仪，其特征在于：该大功率LED照明光源采用14个1w大功率白光LED串联而成。

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