CN103292736A - 基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别方法与装置。其技术方案由两部分组成：一是基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别装置；二是基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别方法。该装置的结构是：显微放大镜头(2)垂直地安装在支架(6)的上支架左端处，显微放大镜头(2)的尾部与CCD摄像机(1)连接；自动载物台(5)安装在支架(6)的底座上，自动载物台(5)位于显微放大镜头(2)的正下方，线阵激光器(3)安装在斜支架上，安装后的线阵激光器(3)的中心线与显微放大镜头(2)的中心线的交点位于自动载物台(5)上方的2cm处。计算机(8)中装有显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别软件。本发明具有自动化、精度高和三维可视化的特点。

Description

基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别方法与装置

技术领域

本发明属于沥青路面检测技术领域。具体涉及一种基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别方法与装置。

背景技术

我国公路建设发展起步较晚，但发展很迅速，截止2006年底全国高速公路通车里程达4．5万公里，仅次于美国位居世界第二，高速公路网络效益日益明显，预计到2020年，以高速公路为主组成的国道主干线，将形成“五纵七横”的总体布局，是全国公路网主骨架和综合运输大通道的重要组成部分，极大的改善我国的综合运输结构，提高综合运输效率，其中绝大部分为沥青路面。

与此同时，高速公路的兴建和公路等级的普遍提高使我国公路交通运输出现了里程长、车速快、流量大的特点，由此也引发了交通安全问题，交通事故频频发生。根据公安部交通管理局的统计资料，2005年我国共发生公路交通事故450254起，死亡98738人，受伤469911人，直接财产损失18．8亿元，给国家造成了巨大的经济损失和不良的社会影响。

造成交通安全事故的因素除了驾驶员不当行为与恶劣天气状况外，绝大程度上取决于路表纹理构造。国外研究资料也表明，路面表面纹理构造能够影响路面的耐磨性、轮胎与路面的摩擦力、车辆的噪声、外部路面的噪声、行车的安全性和舒适性以及轮胎的磨损等各个方面的性质。故对沥青路面微观形貌的研究已引起国内外科技人员的极大关注。

目前，国内对路面微观形貌的研究取得了很大进展。以哈工大、长安大学、武汉科技大学和武汉理工大学等为代表的高校和科研合作机构对路面微观形貌的测量方法和装置等已经研究的较为深入，具备了对路面微观形貌的提取能力。即大多采用CCD相机来获取微观形貌图像，通过图像处理来进行形貌的研究。但是，由于CCD相机分辨率和放大倍率的影响，很难获取高倍率和微观形貌特征细致的研究图像，再加上图像处理过程中开运算、闭运算、锐化和滤波等再次剔除了微观形貌的细节和细微特征，所反映的不是真实全面的微观形貌特征。

随着医学、工业技术发展和工程质量要求的提高，细胞和工件等的研究提升到了显微视觉领域。世界各国也在显微视觉领域取得了相应客观的成果，但都局限在机械行业的微装配、微操作、微夹持、精密定位和激光焊接，生物方面的基因工程微注射与细胞的观测测量，生态环境方面的水质监测，潜艇制造方面的油雾滴测量，控制领域里的机器人视觉系统与控制，材料方面的研磨表面形貌提取和三维重建等等领域。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷。目的是提供一种能实现自动化微观检测、检测精度高和三维可视化的基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别方法与装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案由两部分组成：一是基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别装置；二是基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别方法。

基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别装置包括电源柜、计算机、CCD摄像机、显微放大镜头、自动载物台、线阵激光器和支架。

支架由上支架、底座、竖直架和斜支架组成。竖直架的上端和下端对应地水平固定有上支架和底座，上支架和底座分别与竖直架相互垂直，斜支架的一端固定在竖直架的上部，另一端固定在上支架，斜支架与竖直架的夹角为45°。

显微放大镜头垂直地安装在支架的上支架左端处，显微放大镜头的尾部与CCD摄像机连接。自动载物台安装在支架的底座上，自动载物台位于显微放大镜头的正下方，线阵激光器安装在斜支架上，安装后的线阵激光器的中心线与显微放大镜头的中心线的交点位于自动载物台上方的2cm处。

CCD摄像机、线阵激光器、自动载物台和计算机的电源接口分别通过电缆与电源柜中对应的接线端子连接，计算机的千兆网卡接口通过网线与CCD摄像机的千兆网口和自动载物台的RJ45接口分别连接。

计算机中装有显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别软件。

所述的显微视觉沥青路面微观形貌特征识别软件的主流程为：

S1、初始化；

S2、设置自动载物台微运动步长λ；

S3、自动载物台运动一次；

S4、采集图像；

S5、图像平滑；

S6、图像锐化；

S7、图像滤波；

S8、提取光刀中心线；

S9、确定世界三维坐标；

S10、数据存储；

S11、是否达到自动载物台步数上限，若未达到则返回S3，若达到则进入S12；

S12、进行沥青试件4表面三维重构；

S13、结束检测。

所述显微视觉沥青路面微观形貌特征识别软件的主流程中的确定世界三维坐标是：

当前自动载物台(5)微运动n步对应的X向坐标位移为S，即S＝nλ；线阵激光器(3)投射的光条与沥青试件(4)表面相交的轮廓线上的点的过渡世界三维坐标为(X′,Y,Z)，世界三维坐标为(X,Y,Z)，其对应的二维显微图像点坐标为(x,y)；

其根据下式确定世界三维坐标(X,Y,Z)，

$x+\frac{l_1{X}^{\′}+l_{2}Y+l_{3}Z+l_4}{l_9{X}^{\′}+l_{10}Y+l_{11}Z+1}=0$

$y+\frac{l_5{X}^{\′}+l_{6}Y+l_{7}Z+l_8}{l_9{X}^{\′}+l_{10}Y+l_{11}Z+1}=0---\left(1\right)$

aX′+bY+cZ+d＝0

X＝X′+S

式(1)中：(l₁,l₂,l₃…,l₁₀,l₁₁)为CCD摄像机的待标定参数，通过标定予以确定；

(a,b,c,d)为线阵激光器的待标定参数，通过标定予以确定。

基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别方法的步骤是：

步骤一：取沥青试件，将其放在自动载物台上。

步骤二：计算机通过显微视觉沥青路面微观形貌特征识别软件发送指令，控制自动载物台向前微运动一个步长λ，计算机再输出触发信号给CCD摄像机，CCD摄像机立即拍摄线阵激光器投射在沥青试件表面上形成的光条显微图像，经显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别软件处理，得到沥青试件光条所在位置的表面轮廓线上所有点的三维世界坐标。

步骤三：重复步骤二直到达到自动载物台运动步数上限值。

步骤四：将步骤二和步骤三中得到的轮廓线上所有点集的三维世界坐标进行拟合插值，实现三维重构。

所述的沥青试件的长为4～10cm，宽为2～4cm，高为2cm。

本发明提供的基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别装置，该装置的显微放大镜头垂直地安装在支架的上支架左端处，显微放大镜头的尾部与CCD摄像机连接；自动载物台安装在支架的底座上，自动载物台位于显微放大镜头的正下方，线阵激光器安装在斜支架上，安装后的线阵激光器的中心线与显微放大镜头的中心线的交点位于自动载物台上方的2cm处。

检测方法是：启动所述显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别装置，先将待测沥青试件放在自动载物台上，显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别软件控制自动载物台向前微运动一个步长，然后输出触发信号经计算机传输给CCD摄像机，CCD摄像机立即拍摄线阵激光器投射在沥青试件表面上形成的光条显微图像，经显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别软件处理后得到沥青试件光条所在位置的表面轮廓线上所有点的三维世界坐标。重复上述过程，直到达到自动载物台微运动步数上限值，最后得到轮廓线上所有点集的三维世界坐标,再进行拟合插值，实现三维图像重构。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下主要优点：

1、本发明在CCD摄像机前增加显微放大镜头，能够得到显微视觉下的沥青试件微观形貌信息，进而能捕捉到沥青试件真实细微特征，提高了检测精度。

2、本发明采用线阵激光器，实现了沥青表面微观形貌深度信息的提取。

3、本发明采用的自动载物台能沿X方向上的微运动，进行三维扫描，再通过拟合插值得到三维重构图像，实现了沥青路面微观形貌的三维可视化。

4、本发明采用的显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别软件能实现路面的自动化检测。

因此，本发明具有自动化、精度高和三维可视化的特点。

附图说明

图1是本发明一种结构示意图；

图2是本发明的一种软件主流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

实施例1

一种基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别方法与装置。

本实施例由两部分组成：一是基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别装置；二是基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别方法。

基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别装置如图1所示，包括电源柜7、计算机8、CCD摄像机1、显微放大镜头2、自动载物台5、线阵激光器3和支架6。

支架6由上支架、底座、竖直架和斜支架组成；竖直架的上端和下端对应地水平固定有上支架和底座，上支架和底座分别与竖直架相互垂直，斜支架的一端固定在竖直架的上部，另一端固定在上支架，斜支架与竖直架的夹角为45°。

显微放大镜头2垂直地安装在支架6的上支架左端处，显微放大镜头2的尾部与CCD摄像机1连接；自动载物台5安装在支架6的底座上，自动载物台5位于显微放大镜头2的正下方，线阵激光器3安装在斜支架上，安装后的线阵激光器3的中心线与显微放大镜头2的中心线的交点位于自动载物台5上方的2cm处。

CCD摄像机1、线阵激光器3、自动载物台5和计算机8的电源接口分别通过电缆与电源柜7中对应的接线端子连接，计算机8的千兆网卡接口通过网线与CCD摄像机1的千兆网口和自动载物台5的RJ45接口分别连接。

计算机8中装有显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别软件。

本实施例所述的显微视觉沥青路面微观形貌特征识别软件的主流程如图2所示，具体为：

S1、初始化；

S2、设置自动载物台5微运动步长λ；

S3、自动载物台5运动一次；

S4、采集图像；

S5、图像平滑；

S6、图像锐化；

S7、图像滤波；

S8、提取光刀中心线；

S9、确定世界三维坐标；

S10、数据存储；

S11、是否达到自动载物台5步数上限，若未达到则返回S3，若达到则进入S12；

S12、进行沥青试件表面三维重构；

S13、结束检测。

本实施例所述显微视觉沥青路面微观形貌特征识别软件的主流程中的确定世界三维坐标是：

当前自动载物台(5)微运动n步对应的X向坐标位移为S，即S＝nλ；线阵激光器(3)投射的光条与沥青试件(4)表面相交的轮廓线上的点的过渡世界三维坐标为(X′,Y,Z)，世界三维坐标为(X,Y,Z)，其对应的二维显微图像点坐标为(x,y)；

根据下式确定世界三维坐标(X,Y,Z)，

$x+\frac{l_1{X}^{\′}+l_{2}Y+l_{3}Z+l_4}{l_9{X}^{\′}+l_{10}Y+l_{11}Z+1}=0$

$y+\frac{l_5{X}^{\′}+l_{6}Y+l_{7}Z+l_8}{l_9{X}^{\′}+l_{10}Y+l_{11}Z+1}=0---\left(1\right)$

aX′+bY+cZ+d＝0

X＝X′+S

式(1)中：(l₁,l₂,l₃…,l₁₀,l₁₁)为CCD摄像机1的待标定参数，标定后，(l₁,l₂,l₃…,l₁₀,l₁₁)为(0.0407，-0.0171，0.0235，-4.0000，-0.0250，0，0.0433，-7.5000，-0.0148，-0.0470，-0.0086)；(a,b,c,d)为线阵激光器3的待标定参数，通过标定，(a,b,c,d)为(1.4000,-0.1000,-0.3000,-1)。

基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别方法的步骤是：

步骤一：取沥青试件4，将其放在自动载物台5上。

步骤二：计算机8通过显微视觉沥青路面微观形貌特征识别软件发送指令，控制自动载物台5向前微运动一个步长5μm，计算机8再输出触发信号给CCD摄像机1，CCD摄像机1立即拍摄线阵激光器3投射在沥青试件4表面上形成的光条显微图像，经显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别软件处理，得到沥青试件4光条所在位置的表面轮廓线上所有点的三维世界坐标。

步骤三：重复步骤二直到达到自动载物台8运动步数上限值。

步骤四：将步骤二和步骤三中得到的轮廓线上所有点集的三维世界坐标进行拟合插值，实现三维重构。

所述的沥青试件4的长为4～10cm，宽为2～4cm，高为2cm。

本具体实施方式提供的基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别装置，该装置的显微放大镜头2垂直地安装在支架6的上支架左端处，显微放大镜头2的尾部与CCD摄像机1连接；自动载物台5安装在支架6的底座上，自动载物台5位于显微放大镜头2的正下方，线阵激光器3安装在斜支架上，安装后的线阵激光器3的中心线与显微放大镜头2的中心线的交点位于自动载物台5上方的2cm处。

检测方法是：启动所述显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别装置，先将待测沥青试件4放在自动载物台5上，显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别软件控制自动载物台5向前微运动一个步长λ，然后输出触发信号经计算机8传输给CCD摄像机1，CCD摄像机1立即拍摄线阵激光器3投射在沥青试件4表面上形成的光条显微图像，经显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别软件处理后得到沥青试件4光条所在位置的表面轮廓线上所有点的三维世界坐标。重复上述过程，直到达到自动载物台5微运动步数上限值，最后得到轮廓线上所有点集的三维世界坐标,再进行拟合插值，实现三维图像重构。

由于采用上述技术方案，本具体实施方式与现有技术相比，具有以下主要优点：

1、本具体实施方式在CCD摄像机1前增加显微放大镜头2，能够得到显微视觉下的沥青试件4微观形貌信息，进而能捕捉到沥青试件4真实细微特征，提高了检测精度。

2、本具体实施方式采用线阵激光器3，实现了沥青表面微观形貌深度信息的提取。

3、本具体实施方式采用的自动载物台5能沿X方向上的微运动，进行三维扫描，再通过拟合插值得到三维重构图像，实现了沥青路面微观形貌的三维可视化。

4、本具体实施方式采用的显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别软件能实现路面的自动化检测。

因此，本具体实施方式具有自动化、精度高和三维可视化的特点。

Claims (5)

1.一种基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别装置，其特征在于所述装置包括电源柜(7)、计算机(8)、CCD摄像机(1)、显微放大镜头(2)、自动载物台(5)、线阵激光器(3)和支架(6)；

支架(6)由上支架、底座、竖直架和斜支架组成；竖直架的上端和下端对应地水平固定有上支架和底座，上支架和底座分别与竖直架相互垂直，斜支架的一端固定在竖直架的上部，另一端固定在上支架，斜支架与竖直架的夹角为45°；

显微放大镜头(2)垂直地安装在支架(6)的上支架左端处，显微放大镜头(2)的尾部与CCD摄像机(1)连接；自动载物台(5)安装在支架(6)的底座上，自动载物台(5)位于显微放大镜头(2)的正下方，线阵激光器(3)安装在斜支架上，安装后的线阵激光器(3)的中心线与显微放大镜头(2)的中心线的交点位于自动载物台(5)上方的2cm处；

CCD摄像机(1)、线阵激光器(3)、自动载物台(5)和计算机(8)的电源接口分别通过电缆与电源柜(7)中对应的接线端子连接，计算机(8)的千兆网卡接口通过网线与CCD摄像机(1)的千兆网口和自动载物台(5)的RJ45接口分别连接；

计算机(8)中装有显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别软件。

2.根据权利要求1所述的基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别装置，其特征在于所述的显微视觉沥青路面微观形貌特征识别软件的主流程为：

S1、初始化；

S2、设置自动载物台(5)微运动步长λ；

S3、自动载物台(5)运动一次；

S4、采集图像；

S5、图像平滑；

S6、图像锐化；

S7、图像滤波；

S8、提取光刀中心线；

S9、确定世界三维坐标；

S10、数据存储；

S11、是否达到自动载物台(5)步数上限，若未达到则返回S3，若达到则进入S12；

S12、进行沥青试件(4)表面三维重构；

S13、结束检测。

3.根据权利要求2所述的基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别装置，其特征在于所述确定世界三维坐标是：

当前自动载物台(5)微运动n步对应的X向坐标位移为S，即S＝nλ；线阵激光器(3)投射的光条与沥青试件(4)表面相交的轮廓线上的点的过渡世界三维坐标为(X′,Y,Z)，世界三维坐标为(X,Y,Z)，其对应的二维显微图像点坐标为(x,y)；

根据下式确定世界三维坐标(X,Y,Z)，

$x+\frac{l_1{X}^{\′}+l_{2}Y+l_{3}Z+l_4}{l_9{X}^{\′}+l_{10}Y+l_{11}Z+1}=0$

$y+\frac{l_5{X}^{\′}+l_{6}Y+l_{7}Z+l_8}{l_9{X}^{\′}+l_{10}Y+l_{11}Z+1}=0---\left(1\right)$

aX′+bY+cZ+d＝0

X＝X′+S

式(1)中：(l₁,l₂,l₃…,l₁₀,l₁₁)为CCD摄像机(1)的待标定参数，通过标定予以确定；

(a,b,c,d)为线阵激光器(3)的待标定参数，通过标定予以确定。

4.一种基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别方法，其特征在于所述方法为：

步骤一：取沥青试件(4)，将其放在自动载物台(5)上；

步骤二：计算机(8)通过显微视觉沥青路面微观形貌特征识别软件发送指令，控制自动载物台(5)向前微运动一个步长λ，计算机(8)再输出触发信号给CCD摄像机(1)，CCD摄像机(1)立即拍摄线阵激光器(3)投射在沥青试件(4)表面上形成的光条显微图像，经显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别软件处理，得到沥青试件(4)光条所在位置的表面轮廓线上所有点的三维世界坐标；

步骤三：重复步骤二直到达到自动载物台(8)运动步数上限值；

步骤四：将步骤二和步骤三中得到的轮廓线上所有点集的三维世界坐标进行拟合插值，实现三维重构。

5.根据权利要求4所述的基于显微视觉的沥青路面微观形貌特征识别方法，其特征在于所述的沥青试件(4)的长为4～10cm，宽为2～4cm，高为2cm。

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