TWI448606B - 表面檢測裝置與方法 - Google Patents

Description

表面檢測裝置與方法

本發明係指一種表面檢測裝置，尤指一種用以檢測道路鋪面之表面檢測裝置。

目前國內對於道路上鋪面之檢測，大致可分為人工調查方式與自動調查方法兩大類。人工調查方式是依據ASTM D6433之規範進行，實施時至少需要兩個工程師互助進行，但其破壞種類和嚴重程度是由視覺審視去評估，其檢測結果容易流於主觀，且較易產生人為疏失。

自動調查方法則是利用超音波、雷射感應器、照相機、攝影機、顯現特徵的儀器或雷射感應器等，來蒐集現地的鋪面資料，其利用所擷取到的影像來取代現地樣本，其檢測結果較人工調查方式為佳。

但現有的鋪面自動調查方法，特別是利用照相機、攝影機捕捉數位影像資料，再配合影像辨識，以影像處理的方法來進行鋪面檢測的方法，多數會遭遇到以下之困難：(1)檢測結果受日光照射之干擾，當道路檢測於日間進行時，道路面會投射出各式影響影像品質之陰影如路樹、路燈、電桿、建築物等所產生之陰影，其陰影除造成影像處理之困難外亦降低檢測之效率；(2)檢測結果受外在光源之影響。道路檢測若於日光照度不足時，通常周圍環境會以光具輔助提高道路之能見度，如路燈、車輛照明設備等外在光源，其各式外在光源將會造成影像中產 生光度不均之問題；(3)檢測結果受車道線對影像所產生之影響。車道線不屬鋪面破損，但其卻會造成影像處理之困擾；以及(4)檢測結果受路面髒汙對影像所產生之影響。路面髒汙如：油漬、水漬等，並不屬於鋪面破損，但路面髒汙卻會造成影像判別之困難，路面髒汙極易造成檢測誤判之情況。

職是之故，申請人鑑於習知技術中所產生之缺失，有必要構思更新穎的表面檢測裝置與方法，俾克服前述之缺失，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，本案之發明人終構思出本案「表面檢測裝置與方法」，能夠克服上述缺點，以下為本案之簡要說明。

本發明提出將雙光源(dual-light)照明設備，分別配置於影像擷取裝置之左右兩側，並將所有設備搭載於機器人載具上，其影像擷取方法係以單側光具提供光源並擷取第一張影像後，換以另一側光具提供光源並擷取第二張影像，再將此方式所取得之影像，透過運算模組進行演算法之運算用以做為鋪面檢測之依據，其演算法係將兩張影像相減後合為單一影像，此將突顯鋪面上不平整之處。

因此根據本發明的第一構想，提出一種表面檢測裝置，其包括：一對光源模組，每一光源模組分別從不同角度依序地以閃光的方式對一鋪面提供照明；一影像感應器，在每次照明時拍攝該鋪面之影像；以及一運算模組，電連接於該影像感應器 並以一影像相減法處理該等影像。

較佳地，本發明所提供之表面檢測裝置，還包括：一控制電路模組，係用以控制該光源與該影像感應器之開啟與關閉。

較佳地，本發明所提供之表面檢測裝置，還包括：一移動載具，用以搭載該對光源模組、該控制電路模組、該影像感應器與該運算模組。

較佳地，該光源模組為一燈泡、一燈管、一閃光燈、一LED燈、各種照明設備或者其組合。

較佳地，該影像感應器為一數位相機、一數位攝影機、一網路攝影機、具有感光元件之影像感應裝置、各種影像擷取設備或者其組合。

較佳地，該運算模組為一筆記型電腦、一桌上型電腦、一運算主機、一嵌入式運算系統、各種具有運算能力之設備或者其組合。

較佳地，該移動載具為一工程車、一智慧型檢測車、一微型檢測載具或者一自主式機器人。

因此根據本發明的第二構想，提出一種表面檢測裝置，其包括：複數光源，每一光源從不同方向依序地對一物件提供照明；一影像感應器，在每次照明時擷取該物件之影像；以及一運算模組，電連接於該影像感應器並以一影像相減法處理該等影像。

因此根據本發明的第三構想，提出一種表面檢測方法，其包括：從不同方向依序地對一平坦物件提供照明；在每次照明時擷取該平坦物件之影像；以及以一影像相減法處理該等影像。

較佳地，該影像相減法包括步驟：將每一影像相互減除；以及將減除後之影像合成為單一影像。

本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。

請參閱第一圖，其係為本發明之第一實施例之示意圖。本發明的表面檢測裝置100包括一對光源模組101a與101b、待測物102、影像感應器103、控制電路模組104與運算模組105，其中影像感應器103電連接於運算模組105，而光源模組101a與101b則經由控制電路模組104與運算模組105電連接。

光源模組101a與101b為燈泡、燈管、閃光燈、LED燈、各種照明設備或者其組合；待測物102較佳為平坦物件，如：道路、柏油路面、水泥路面等等；影像感應器103較佳為數位相機、數位攝影機、網路攝影機、具有感光元件，如：CCD或者CMOS，之影像感應裝置、各種影像擷取設備或者其組合；運算模組105較佳為筆記型電腦、桌上型電腦、運算主機、嵌入式運算系統、各種具有運算能力之設備或者其組合；控制電路模組104較佳為具有RS236模組之控制電路，由運算模組105發出的各種控制指令，可經由控制電路模組104轉發給光源模組101a與101b。

第一圖中的每一個光源模組101a與101b，會從不同的方向，依序地朝待測物102發射光線，或者每一個光源模組101a 與101b是以快閃(flash)或者瞬閃(pulse)的方式，依序地對待測物102提供照明，而影像感應器103會在每次照明時，拍攝該鋪面之影像，而獲得一對影像，這對影像會傳輸到運算模組105，運算模組會對這對影像執行影像相減(image subtraction)演算法。

請參閱第二圖，其係為本發明之第二實施例之示意圖。在第二實施例中，為了檢測柏油道路201之鋪面S上，是否存在有坑洞、裂隙、破損、不平整之處，首先將數位相機204之焦距(focus)對準在鋪面S，再將兩個LED閃燈模組202與203架設在不同位置，並且從不同角度依序向鋪面S發射閃光，舉例：LED閃燈模組202先發射閃光，接著LED閃燈模組203後發射閃光，在LED閃燈模組202與203發射閃光之同時，數位相機204會對應每一次的閃光，同步擷取鋪面之影像。

請繼續參閱第三圖，其係為本發明之第三實施例之示意圖。本發明之表面檢測裝置300，包括光源模組、控制電路模組、影像感應器與運算模組等組件，皆可架設在移動載具301，借由使用移動載具301搭載表面檢測裝置300，並預先規劃移動載具301之行動路徑，如：以網格式移動或者隨機移動等方式，則本發明之表面檢測裝置可以迅速確實的針對一般道路進行柏油鋪面檢測；移動載具301較佳為工程車、智慧型檢測車、微型檢測載具或者自主式機器人。

借由第四圖(a)與(b)的分解動作示意圖，可以更清楚瞭解以上之影像感應/拍攝過程；在第四圖(a)中，當第一閃燈402啟動閃光以照明鋪面S時，數位相機404便同步拍攝鋪面S之影像；在第四圖(b)中，當第二閃燈403啟動閃光以照明鋪面S時，數 位相機404同步拍攝鋪面S之影像。

請參閱第五圖(a)、(b)與(c)，其說明影像相減法之運作原理。第五圖(a)、(b)與(c)中的舖面S上具有坑洞C；第五圖(a)，LED閃燈模組202啟動，數位相機204朝舖面S上坑洞C方向拍設影像P1，坑洞C所在的畫素(pixel)上，會出現較深色的陰影H1，第五圖(b)，LED閃燈模組203啟動，數位相機204朝舖面S上坑洞C方向拍設影像P2，則在坑洞C所在的畫素(pixel)上，會出現較深色的陰影H2。

然後對每一張影像都進行灰階處理，將每個畫素之顏色轉換成為灰階值，然後將兩張影像P1與P2彼此相減，相減後如第五圖(c)所揭示，在沒有陰影H1或者H2的畫素上，兩張影像的同一畫素之灰階值，其相減後必然為零，稱為零值畫素，但是在有陰影H1與H2的畫素上，兩張影像相減後，該畫素上會出現差值R而不為零，稱為非零值畫素，根據非零值畫素之排列狀態，即可檢知鋪面的狀況，是否存在有任何坑洞、裂隙、破損或者不平整之處等等瑕疵。

請參閱附件(a)、(b)與(c)，其分別揭示影像P1與P2，影像P1與P2是兩張具有顯著坑洞C之鋪面S的照片。附件(a)的影像P1，光線是從鋪面的左側投射到鋪面S上，由於光線在坑洞C後方產生的陰影，可明顯辨別出坑洞C的存在；附件(b)的影像P2，光線是從鋪面的右側投射到鋪面S上，但由於光線經過坑洞C時，因投射角度的關係，並未在經過坑洞C時產生陰影，因此從影像P2上比較無法明顯辨別出坑洞C的存在；附件(c)為當對影像P1與P2進行影像相減後所獲得的差值影 像PD，差值影像PD內呈現黑色的部份表示零值畫素，即鋪面S上屬於平坦的部份，而呈現非黑色的部份表示非零值畫素，即鋪面S上屬於不平坦或者有瑕疵的部份；從附件(c)中也可明顯的辨識出坑洞C的位置，因其高程落差較大，因此兩張影像相減後，在該處之差值R也會比較大。

綜上所述，可歸納出一種表面檢測方法，請參閱第六圖，其揭示本發明之表面檢測方法之流程圖。該表面檢測方法，其包括：步驟601：提供光源模組與影像感應器；步驟602：光源模組從不同方向依序地對平坦物件提供照明；步驟603：影像感應器在每次光源模組的照明時，擷取該平坦物件之影像；步驟604：以影像相減演算法處理該等影像，俾辨識出該平坦物件之表面之不平整處。

本發明之表面檢測裝置至少包括以下優勢：(1)本發明最大競爭性為其有效克服目前本領域無法處理之光度不均及鋪面髒污之問題，並可提供高識別度之影像資料；(2)本發明可整合於舊有系統其所提供之影像資料可相容於舊有演算法，故可提高本發明進入現有產業之可行性；(3)本發明可有效降低道路檢測過程中，日光對影像所造成之影響。道路檢測於日間進行時，道路面會投射出各式影響影像品質之陰影如路樹、路燈、電桿、建築物等所產生之陰影，其陰影除造成影像處理之困難外亦降低檢測之效率，利用本發明可有效克服陰影之影響；(4)本發明可有效降低道路檢測過程中，外在光源對影像所造成之影響。道路檢測若於日光照度不足時，通常周圍環境會 以光具輔助提高道路之能見度，如路燈、車輛照明設備等外在光源，其各式外在光源將會造成影像中產生光度不均之問題，本發明可有效克服光度不均之影響；(5)本發明可減低檢測過程中，車道線對影像所產生之影響。車道線不屬鋪面破損，但其卻會造成影像處理之困擾，本發明可有效消除車道線對影像所造成之影響；(6)本發明可減低檢測過程中，路面髒汙對影像所產生之影響。路面髒汙如：油漬、水漬等，並不屬於鋪面破損，但路面髒汙卻會造成影像判別之困難，路面髒汙極易造成檢測誤判之情況，本發明可有效去除路面髒汙對影像所造成之影響；(7)提供高辨別度之影像資料並有效突顯鋪面破損特徵；以及(8)大幅降低檢測所需成本。

本案實為一難得一見，值得珍惜的難得發明，惟以上所述者，僅為本發明之最佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

100‧‧‧表面檢測裝置

101a、101b‧‧‧光源模組

102‧‧‧待測物

103‧‧‧影像感應器

104‧‧‧控制電路模組

105‧‧‧運算模組

201‧‧‧柏油道路

202、203‧‧‧LED閃燈模組

204‧‧‧數位相機

300‧‧‧表面檢測裝置

301‧‧‧移動載具

404‧‧‧數位相機

402‧‧‧第一閃燈

403‧‧‧第二閃燈

S‧‧‧鋪面

C‧‧‧坑洞

P1、P2‧‧‧影像

PD‧‧‧差值影像

H1、H2‧‧‧陰影

R‧‧‧差值

601‧‧‧提供光源模組與影像感應器

602‧‧‧從不同方向依序地對平坦物件提供照明

603‧‧‧在每次照明時擷取該平坦物件之影像

604‧‧‧以影像相減演算法處理該等影像

第一圖 係為本發明之第一實施例之示意圖；第二圖 係為本發明之第二實施例之示意圖；第三圖 係為本發明之第三實施例之示意圖；第四圖(a) 係揭示啟動第一閃燈以擷取影像之示意圖； 第四圖(b) 係揭示啟動第二閃燈以擷取影像之示意圖；第五圖(a)~(c) 係揭示本發明之影像擷取過程之示意圖；以及第六圖 係為本發明之表面檢測方法之流程圖。

202、203．．．LED閃燈模組

204．．．數位相機

S．．．鋪面

C．．．坑洞

H1、H2．．．陰影

R．．．差值

Claims (10)

1. 一種表面檢測裝置，其包括：一對光源模組，每一光源模組分別從不同角度依序地以閃光的方式對一鋪面提供照明；一影像感應器，在每次照明時拍攝該鋪面之影像；以及一運算模組，電連接於該影像感應器並以一影像相減法處理該等影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之表面檢測裝置，還包括：一控制電路模組，係用以控制該光源與該影像感應器之開啟與關閉。
3. 如申請專利範圍第2項所述之表面檢測裝置，還包括：一移動載具，用以搭載該對光源模組、該控制電路模組、該影像感應器與該運算模組。
4. 如申請專利範圍第1項所述之表面檢測裝置，其中該光源模組為一燈泡、一燈管、一閃光燈、一LED燈、各種照明設備或者其組合。
5. 如申請專利範圍第1項所述之表面檢測裝置，其中該影像感應器為一數位相機、一數位攝影機、一網路攝影機、具有感光元件之影像感應裝置、各種影像擷取設備或者其組合。
6. 如申請專利範圍第1項所述之表面檢測裝置，其中該運算模組為一筆記型電腦、一桌上型電腦、一運算主機、一嵌入式運算系統、各種具有運算能力之設備或者其組合。
7. 如申請專利範圍第3項所述之表面檢測裝置，其中該移動載具為一工程車、一智慧型檢測車、一微型檢測載具或者一自主式機器人。
8. 一種表面檢測裝置，其包括：一光源，其於不同方向依序地對一物件提供照明；一影像感應器，在每次照明時擷取該物件之影像；以及一運算模組，電連接於該影像感應器並以一影像相減法處理該等影像。
9. 一種表面檢測方法，其包括：從不同方向依序地對一平坦物件提供照明；在每次照明時擷取該平坦物件之影像；以及以一影像相減法處理該等影像。
10. 如申請專利範圍第8項所述之表面檢測方法，其中該影像相減法包括步驟：將每一影像相互減除；以及將減除後之影像合成為單一影像。