CN106949847A - 一种非接触式的三维道路表面形貌的采集方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式的三维道路表面形貌的采集方法和装置；涉及路面采集技术领域；方法包括设定初始条件、采集测试区域路表图像、计算三维坐标、获得三维表面形貌信息；装置包括车体、一个以上CCD相机、相机支架的转角调节机构和控制及处理装置；装置简单，操作方便，可以更加精确和方便地测量三维道路表面形貌的数据信息。

Description

一种非接触式的三维道路表面形貌的采集方法和装置
技术领域
本发明涉及路面采集技术领域。
背景技术
路面不平度的采集方式随着科技的发展多种多样，但是更加精确的采集三维道路表面的信息一直是人们追求的目标。目前在车辆动力学领域，对于路面激励的标准已是多年之前制定的，科技研究中需要的是真实路面的信息，因为三维道路表面形貌对于车辆的操作稳定性、使用寿命、行驶安全性和平顺性等起到关键作用，因此，实测三维道路表面三维数据对科技的进展和研究具有非常重要的意义。
现有的非接触式路面不平度采集仪多为激光式路面不平度检测仪，已经得到较多的应用，但是此装置精确度和方便性方面还是有待提高，不能全面地测量三维路面谱的数据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种非接触式的三维道路表面形貌的采集方法和装置，装置简单，操作方便，可以更加精确和方便地测量和提供三维道路表面形貌的数据信息。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其特征在于：步骤包括：
(1)、标定初始条件：在控制及处理装置中设定初始条件；在初始位置将相机设定为标准状态，选定一块水平的平面区域为初始区域，设定初始区域内所有点的高程值均为0；
(2)、采集测试区域路表图像：利用采集车进行测试区域的路表图像连续采集，采集测试区域路表图像的速度即为车辆运行速度，在控制及处理装置中设定采集频率，利用电荷耦合器件Charge Coupled Device，也就是CCD相机采集测试区域路表图像，并保持CCD相机始终与所述步骤1中的平面区域垂直；
(3)、计算三维坐标：控制及处理装置利用数字图像处理技术，根据测试区域与初始区域的高度差变化，计算得到各个测试区域的多点三维坐标并输出三维坐标值数据；
(4)、根据输出的多点三维坐标值数据、采集测试区域路表图像的速度和采集频率，通过MATLAB编程，把数据整合，得到测试区域的三维表面形貌信息。
作为优选，步骤2中CCD相机采集测试区域路表图像是使用两个CCD相机同步进行高频的采集，以获得更加精确的路表图像。
作为优选，步骤3计算多点三维坐标方法为：控制及处理装置在采集的第一张图中自动定义若干晶格片作为初始的坐标；在随后测量过程中，每个阶段都采用摄影测量的技术，获得每个晶格片的新的坐标；控制及处理装置根据地面区域光的折射量，由测量得到的每个阶段晶格片3D坐标值，计算出路表的三维坐标；计算的数据用图形的方式表达，并可输出为TIFT、JPEG的文件或以ASCII格式输出。
一种非接触式的三维道路表面形貌的采集装置，其特征在于：包括车体、一个以上CCD相机、相机支架的转角调节机构和控制及处理装置；所述控制及处理装置设置在车体内，CCD相机、相机支架和转角调节机构设置在车体尾部，且CCD相机伸出车体在车体外；转角调节机构与相机支架相连接，CCD相机通过固定支座设置在相机支架上；CCD相机和转角调节机构都与控制及处理装置相连；通过控制及处理装置控制转角调节机构调节相机支架，进而调节CCD相机始终保持与所述平面区域垂直；CCD相机将采集到的测试区域路表图像传输给控制及处理装置。
作为优选，转角调节机构包括电机、凸轮和陀螺仪；陀螺仪和电机都连接控制及处理装置，凸轮与电机的传动轴相连；两个支撑杆分别设置在相机支架两侧，相机支架两端设置CCD相机，两个支撑杆通过端部安装的滚轮与凸轮相接触；陀螺仪安装在相机支架上，且电机设置在车体内；陀螺仪检测到的相机支架位置传输给控制及处理装置，控制及处理装置经过分析得到相机支架与相机标准位置时相机支架所处位置的角度差，进而控制及处理装置控制电机带动凸轮转动来调节相机支架一直处于相对相机支架初始位置水平，保证CCD相机始终与所述初始平面区域垂直。
进一步地，还包括减震垫，减震垫固定在车体的底座上，减震垫通过连接杆与CCD相机的固定支座相连。
作为优选，减震垫为橡胶垫。
作为优选，CCD相机(2)为两个，分别安装在相机支架(3)两端。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明装置简单，操作方便，可以更加精确地测量和提供三维道路表面形貌的数据信息。上述方法开创了利用相机动态测量三维路面谱的方法，还可以通过调节相机的分辨率来改变采集频率。现在大部分路面不平度采集仪采集的数据还都是二维数据，采样的数据不全面。利用上述方式，可以得到测量范围内的完整的三维道路表面形貌。上述装置便于安装和测量，在测量车速不高的的情况下，一般轿车就能满足测量要求，有利于该测量方法今后的发展和应用。
附图说明
图1是本发明一个实施例的正面示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明转角调节机构的结构示意图；
图4是本发明相机模型坐标系结构示意图；
图5是(xw,yw,zw)向(u,v)的变换流程图。
图中：1、车体；2、CCD相机；3、相机支架；4、控制及处理装置；5、电机；6、凸轮；7、传动轴；8、连接杆；9、减震垫；10、滚轮；11、陀螺仪；12、转动副。
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详细的说明。
一种非接触式的三维道路表面形貌的采集方法的一个实施例，步骤包括：
(1)、标定初始条件：在控制及处理装置中设定初始条件；在初始位置将相机设定为标准状态，选定一块水平的平面区域为初始区域，设定初始区域内所有点的高程值均为0；
(2)、采集测试区域路表图像：利用采集车进行测试区域的路表 图像的连续采集，采集测试区域路表图像的速度即为车辆运行速度，在控制及处理装置中设定采集频率，利用电荷耦合器件Charge Coupled Device，也就是CCD相机采集测试区域路表图像，并保持CCD相机始终与所述步骤1中的平面区域垂直；
(3)、计算三维坐标：控制及处理装置利用数字图像处理技术，根据测试区域与初始区域的高度差变化，计算得到各个测试区域的多点三维坐标并输出三维坐标值数据；
(4)、根据输出的多点三维坐标值数据、采集测试区域路表图像的速度和采集频率，通过MATLAB编程，把数据整合，得到测试区域的三维表面形貌信息。
标定后的相机有较高的清晰度，通过标定确定采集区域的面积和单位面积中三维路面谱的采集点数。在正式测量之前，汽车运行至少200m，保证测量时车速的稳定。使用过程中，保证电机、陀螺仪及计算机的电源不会中断。
定义初始区域，在初始位置用一平板置于采集窗口底部，使其处于水平位置，保证初始位置的各个测点的坐标一致，均定义为零值。根据车速调节采集频率，通过计算，使控制及处理装置控制电机的转动并进行数据的采集。通过控制及处理装置控制伺服电机驱动凸轮运动，达到控制CCD相机支架转角的目的，使相机支架3相对于初始位置一直处于水平位置。
步骤2中CCD相机采集测试区域路表图像是使用两个CCD相机同步进行高频的采集，以获得更加精确的路表图像，CCD相机2采取动态采集的方式，区别于一般的相机利用静态采集图像的方式，采集的范围更广。
CCD相机上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号，CCD相机上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD相机经过标定以后，可以达到精确测量的目的，测量范围可达20m2，最低分辨率达0.01mm，同时使用两个相机，可以通过对比，得到更精确的数据。进行CCD相机标准状态的设定，是通过二 维图像映射外部三维空间的一个最基本步骤，它要解决的就是三维空间坐标和二维图像坐标的对应关系。通过变换矩阵，建立世界坐标系的物体的三维坐标点到二维图像像素坐标系中像素点的空间对应关系，世界坐标系是系统的绝对坐标系，在没有建立用户坐标系之前画面上所有点的坐标都是以该坐标系的原点来确定各自的位置的。
步骤3计算多点三维坐标方法为：控制及处理装置在采集的第一张图中自动定义若干晶格片作为初始的坐标；在随后测量过程中，每个阶段都采用摄影测量的技术，获得每个晶格片的新的坐标；控制及处理装置根据地面区域的光的折射量，由测量得到的每个阶段晶格片3D坐标值，计算出路表的三维坐标；计算的数据用图形的方式表达，并可输出为TIFT、JPEG的文件或以ASCII格式输出。TIFT(Tagged Image File Format)和JPEG(JointPhotographic Experts Group)(联合图像专家小组)都是一种图像文件格式；ASCII为ASCII(American Standard Code for Information Interchange，美国信息交换标准代码)是基于拉丁字母的一套电脑编码系统，主要用于显示现代英语和其他西欧语言。它是现今最通用的单字节编码系统，并等同于国际标准ISO/IEC 646。
如图1-3所示，为本发明一种非接触式的三维道路表面形貌的采集装置，包括车体1、一个以上CCD相机2、相机支架3的转角调节机构和控制及处理装置4；所述控制及处理装置4设置在车体1内，CCD相机、相机支架3和转角调节机构设置在车体1尾部，且CCD相机伸出车体1在车体1外；转角调节机构与相机支架3相连接，CCD相机2通过固定支座分别设置在相机支架3上；CCD相机2和转角调节机构都与控制及处理装置4相连；通过控制及处理装置4控制转角调节机构调节相机支架3，进而调节CCD相机2始终保持与所述平面区域垂直；CCD相机2将采集到的测试区域路表图像传输给控制及处理装置4。
相机支架3与车体1中伸出的横梁通过转动副12相连，保证相机支架3相对于车体1只能实现转动。
CCD相机(2)为两个，分别安装在相机支架(3)两端，能更大更全面的采集路面信息。
所述转角调节机构包括电机5、凸轮6和陀螺仪11；陀螺仪11和电机5都连接控制及处理装置4，凸轮6与电机5的传动轴7相连，电机5通过数据线与控制及处理装置4相连；两个支撑杆分别设置在相机支架3两侧，相机支架3两端设置CCD相机2，且CCD相机2与地面垂直，两个支撑杆通过端部设有的滚轮10与凸轮6相接触；陀螺仪11安装在相机支架3上，且电机5安装在车体1内；陀螺仪11检测到的相机支架3位置传输给控制及处理装置4，控制及处理装置4经过分析得到相机支架3与相机标准位置时相机支架3所处位置的角度差，进而控制及处理装置4控制电机5带动凸轮6转动来调节相机支架3一直处于相对相机支架3初始位置水平，保证CCD相机2始终与所述平面区域垂直。陀螺仪11用于测量相机转角。陀螺仪11与控制及处理装置4相连，实时接收相机支架3相对于初始位置的转角，利用控制及处理装置4控制伺服电机5转动，通过控制及处理装置4计算得到需要旋转的角度，可以准确实时控制相机支架3的转动，保证相机支架3相对于初始位置，一直处于水平位置。
由于相机支架3具有传力不大、行程不大的特点，该机构使用凸轮6带动滚轮10使从动横杆摆动，在低速行驶时，凸轮6可以实现准确控制，陀螺仪11用于检测相机支架3与初始水平位置时的角度差；控制及处理装置4用于接收相机支架3所处位置，并与初始水平位置时进行比较得出角度差，根据比较结果，经过控制及处理装置4控制电机5带动凸轮6来实时调整其角度，达到让相机支架3一直处于相对初始位置水平的目的。
还包括减震垫9，减震垫9固定在车体1的底座上，减震垫9通过连接杆8与相机的固定支座相连。减震垫9为了保证CCD相机2的测量精度，防止采集装置的振动或颤动。
减震垫9为橡胶垫。利用的是橡胶减震垫9的高弹态和高黏态的特点；橡胶的弹性是其卷曲分子的构像的变化产生的，橡胶分子间相互作用会妨碍分子链的运动，又表现出粘性特点，以致应力与应变往往处于不平衡的状态。橡胶的这种卷曲的长缝分子结构及分子间存在的较弱的次级力，使得橡胶材料呈现出独特的粘弹性能，因而具有良好的减震和缓冲性能。
相机设定为标准状态即进行相机标定的原理如下：
1.理想的相机成像模型
在不考虑畸变的情况下，建立如图4所示的相机模型。
物体到图像之间的转化，经历了下面四个坐标系的转换：
1.1三维世界坐标系OWXWYWZW
这是基于不存在误差的基础上建立的坐标系，是一个理想的模型。这是后两个模型的参考，可以作为对比的基础。
1.2相机坐标系Oxyz
该坐标系的原点是摄像机的光心，CCD像平面到原点的距离为f，即理想成像系统的有效焦距，坐标系的轴与光轴重合。
1.3相机图像坐标系O'XY
该二维坐标系定义在CCD像平面上，其中光轴与像平面的交点定义为原点O'，X轴、Y轴分别平行于x、y轴。
1.4计算机像平面坐标系Ouv
在这一坐标系中，原点在图像的左上角。这是一个建立在CCD像平面中的二维坐标系，u轴和v轴组成坐标系，前者为水平轴，后者为垂直轴，方向向右、向下。
上面我们讨论的四个坐标系中，只有最后一个坐标系的单位是像素。前三者的单位都是毫米。
一个被测点P，其三维坐标为(xw,yw,zw)，像机坐标系为(x,y,z)，其经过拍摄后，在相机图像坐标系中的坐标为(X,Y)，最后得到计算机像面坐标系的坐标(u,v)，这四步的变换过程如5所示。
2、坐标变换过程：
2.1、刚体变换(从世界坐标系到相机坐标系)
在刚体变换过程中世界坐标系中的一点到相机坐标系中的点，可以由一个旋转矩阵R以及一个平移矩阵τ来描述，则存在如 下刚体变换公式：
其中R为3X3的旋转矩阵()，τ是一个三维平移向量，化为齐次坐标形式有：
2.2、畸变校正
在上面的坐标系公式推导的过程中，我们遵循的是线性相机模型，但是实际的相机由于镜头制作工艺等原因，使相机获取的原始图像是含有畸变的，畸变的图像的像点、投影中心、空间点不存在共线关系，所以如果要想直接运用线性模型来描述三维世界空间的点与像点之间的关系，必须先对畸变的图像进行校正。
畸变模型矫正公式为：
(xu,yu)为针孔线性模型计算出来的图像点坐标的理想值，(x,y)是实际的图像点的坐标，δx,δy是非线性畸变值，它与图像点在图像中的位置有关。
2.3、数字化图像(理想图像物理坐标系到图像像素坐标系)
图像物理坐标系的原点，也即光轴与像平面的交点在理想情况下应该是位于图像的中心点，但是由于相机制造方面的原因，一般都是有偏离，只不过是镜头的制造工艺高低而偏离不同尺度而已，若图像物理坐标系(x,y)原点在图像坐标系(u,v)中的坐标为(u0,v0)，像面上每一个像素点在x轴，y轴方向上的物理尺寸为dx,dy，则图像中任意一个像素在两个坐标系中满足如下关系：(注意每个物理像素都是有物理尺寸的，并且注意由于工艺原因每个像素点是一个长方形，并不是 一个严格的正方形)
化为齐次坐标与矩阵形式为：
得到一个三维空间坐标点到实际图像像素坐标点的映射，如下：
M1,M2分别是摄像机标定的内外参数，M1相机的内参数，M2为外部参数，包括旋转矩阵R和平移矩阵τ。M为3*4矩阵，称为投影矩阵；M1完全由fx、fy、u0、v0决定，只与相机内部结构有关，这些参数称为摄像机内部参数；M2完全由相机相对于世界坐标系的方位决定，称为相机的外部参数；XW为空间点的世界坐标系下的齐次坐标，(XW,YW,ZW)为世界坐标系中的一个点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非接触式的三维道路表面形貌的采集方法，其特征在于：步骤包括：
(1)、标定初始条件：在控制及处理装置中设定初始条件；在初始位置将相机设定为标准状态，选定一块水平的平面区域为初始区域，设定初始区域内所有点的高程值均为0；
(2)、采集测试区域路表图像：利用采集车进行测试区域的路表图像连续采集，采集测试区域路表图像的速度即为车辆运行速度，在控制及处理装置中设定采集频率，利用电荷耦合器件Charge Coupled Device，也就是CCD相机采集测试区域路表图像，并保持CCD相机始终与所述步骤1中的平面区域垂直；
(3)、计算三维坐标：控制及处理装置利用数字图像处理技术，根据测试区域与初始区域的高度差变化，计算得到各个测试区域的多点三维坐标并输出三维坐标值数据；
(4)、根据输出的多点三维坐标值数据、采集测试区域路表图像的速度和采集频率，通过MATLAB编程，把数据整合，得到测试区域的三维表面形貌信息。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式的三维道路表面形貌的采集方法，其特征在于所述步骤2中CCD相机采集测试区域路表图像是使用两个CCD相机同步进行高频的采集，以获得更加精确的路表图像。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式的三维道路表面形貌的采集方法，其特征在于所述步骤3计算多点三维坐标方法为：控制及处理装置在采集的第一张图中自动定义若干晶格片作为初始的坐标；在随后测量过程中，每个阶段都采用摄影测量的技术，获得每个晶格片的新的坐标；控制及处理装置根据地面区域光的折射量，由测量得到的每个阶段晶格片3D坐标值，计算出路表的三维坐标；计算的数据用图形的方式表达，并可输出为TIFT、JPEG的文件或以ASCII格式输出。
4.一种非接触式的三维道路表面形貌的采集装置，其特征在于：包括车体(1)、一个以上CCD相机(2)、相机支架(3)的转角调节机构和控制及处理装置(4)；所述控制及处理装置(4)设置在车体(1)内，CCD相机(2)、相机支架和转角调节机构设置在车体尾部，且CCD相机(2)伸出车体(1)在车体(1)外；转角调节机构与相机支架(3)相连接，CCD相机(2)通过固定支座设置在相机支架(3)上；CCD相机(2)和转角调节机构都与控制及处理装置(4)相连；通过控制及处理装置(4)控制转角调节机构调节相机支架(3)，进而调节CCD相机(2)始终保持与所述平面区域垂直；CCD相机(2)将采集到的测试区域路表图像传输给控制及处理装置(4)。
5.根据权利要求4所述的一种非接触式的三维道路表面形貌的采集装置，其特征在于所述转角调节机构包括电机(5)、凸轮(6)和陀螺仪(11)；陀螺仪(11)和电机(5)都连接控制及处理装置(4)，凸轮(6)与电机(5)的传动轴(7)相连；两个支撑杆分别设置在相机支架(3)两侧，相机支架(3)上设置CCD相机(2)，两个支撑杆通过端部安装的滚轮(10)与凸轮(6)相接触；陀螺仪(11)安装在相机支架(3)上，且电机(5)设置在车体(1)内；陀螺仪(11)检测到的相机支架(3)位置传输给控制及处理装置(4)，控制及处理装置(4)经过分析得到相机支架(3)与相机标准位置时相机支架(3)所处位置的角度差，进而控制及处理装置(4)控制电机(5)带动凸轮(6)转动来调节相机支架(3)一直处于相对相机支架(3)初始位置水平，保证CCD相机(2)始终与所述初始平面区域垂直。
6.根据权利要求4所述的一种非接触式的三维道路表面形貌的采集装置，其特征在于还包括减震垫(9)，减震垫(9)固定在车体(1)的底座上，减震垫(9)通过连接杆(8)与CCD相机(2)的固定支座相连。
7.根据权利要求6所述的一种非接触式的三维道路表面形貌的采集装置，其特征在于所述减震垫(9)为橡胶垫。
8.根据权利要求4所述的一种非接触式的三维道路表面形貌的采集装置，其特征在于所述CCD相机(2)为两个，分别安装在相机支架(3)两端。
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