运用影像云纹法检测公路路面平整度的探究

[摘 要]随着我国高速公路的不断发展,增长的高速公路里程同时给道路管理养护部门的压力也不断增加.路面高程是表征路面平整度的重要参数,而路面平整度是表征乘车舒适性和安全性的重要指标,也是道路使用者判断道路好坏的直接依据.如何更快、更好、更准确地获取路面平整度成为当前各级公路交通部门十分关注的问题.本文从影像云纹法的角度研究了路面平整度获取方法.该方法采用Labview编写程序,开发路面高程成像采集软件,利用Labview内置的影像处理技术去除噪声干扰后,分割出路面等高面,并可用Matlab软件绘制出路面三维图像.检测系统具备不易受干扰、操作方便、易于实现、成本低、无损等优点,有广泛的应用前景.

[关 键 词]影像云纹法；路面；探究

中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）17-0073-01现在国内采用的路面平整度检测设备主要有直接接触式机械装置和道路智能检测车两类.直接接触式机械装置在使用过程中有检测精度不高、检测效率低、仪器笨重等缺点.上个世纪70、80年代,国内路面平整度测量设备主要有水平仪、3m直尺等,测试精度低、速度慢、效率低,并依靠人工操作.到90年代初,检测手段有了一定的提高,如连续式平整度仪,但仍存在可重复性差、测试速度慢的缺点.而当前阶段的道路检测车虽然能达到相关国家标准规定的检测精度,检测效率也大大提高了,但大都需要使用多个激光传感器来获取路面信息,使得设备昂贵,装置的结构复杂,在实际运用中难以推广.而运用影像云纹法来检测路面平整度,能实现路面等高面获取的自动化和全场数字化.并且仅采用一套光学系统及相关软硬件便能实现现有平整度检测设备需要激光测距仪和加速度传感器才能实现的平整度检测功能,大大降低了路面平整度检测设备的成本.

一、影像云纹法的基本原理

影像云纹法起源于1948年,但是直到1970年才得以应用和改进.它是测量物体离面位移场的一种实验分析方法,其原理如图1所示,平行光照射到置于被测物体上的基准光栅,其影像投在物体上,由于物体表面的光栅和基准栅进行了叠加,所以会产生几何干涉条纹图,可以用摄像机实时记录这些干涉条纹图.通过对所得图像进行处理,获取物体的表面状态信息.光源和摄像机处于同一水平面,他们之间的距离为d.光栅平面与观测面平行且相距为H,黑色栅线之间的间距为p.等高面h1及h2是由光源的投射线及摄像机的接受光线的交叉点相连产生.等高间距h大致可以通过h等于pH/d计算.影像云纹法在我国的运用研究主要集中在人类工程学、航空技术、工程地质等领域,用于对平面位移、空间隆起和凹陷的监测.相关研究表明：由于影像云纹法需要的光学设备原理简单、低廉、操作方法简单易于实现,很适合表面测量,因而在公路路面自动检测领域有广阔的应用前景.

二、基于影像云纹法的路面高程获取系统

影像云纹法设备的设计与构建需要有一定的灵活性,以确定相关参数的合适范围,如光栅大小、光栅栅线间距、光栅平面的高度、光源及摄像机的光线的分离、光强及理想等高间距等.根据上述要求,本系统设计了车体、行走轮、设于车内底板上的基准栅、位于所述基准栅左上方的光源、滤波器、聚焦透镜以及位于右上方的8位黑白CCD摄像机（如图2）,光源可以是激光光源或者卤钨灯,基准栅的栅板可以是玻璃或者精密透明板栅,并且其栅线密度可以根据测量精度的要求进行更换,本系统的电脑内可以安装用Labview编写的控制软件以及美国国家仪器（NI）有限公司生产的影像采集卡,用于控制各部件的运行以及处理路面云纹图像,以实现路面图像的实时存储和处理.本系统还包括打印输出设备.其测量过程如下.

车体由牵引车拉着向前行驶,激光光源发出的光条经过空间滤波器形成面积较大的光场,再经聚焦透镜后转化成平行光,透过基准光栅形成影像投射到路面上,影像和基准栅本身发生相互干涉形成干涉云纹图像.CCD摄像机把这种云纹干涉图像拍摄并保存下来传入电脑,与此同时,可参照电脑屏幕上的图像聚集效果进行实时动态调节.其次,云纹图像经过电脑内的Labview编写的图像处理软件进行滤波处理,消除干扰信息,从而获得精确的路面纵向轮廓曲线云纹图像.再次,在经过处理之后的路面纵向轮廓曲线云纹图像上,取离散高程点,最后根据高程值把路面以三维立体图的形式表现出来.最后,数据存储、分析和结果打印.

三、路面云纹图像分析

这一阶段工作主要包括路面云纹图像增强,云纹级数和光栅节距的标注和离面位移的计算.最后将获得的等高线云纹图按实际所需要的方向切取若干起伏特征剖面,可以为路面平整度的分析提供重要的基础资料.二元对比和中线提取是图像分析能否成功实现的重要因素.二元对比增强是从图像背景中提取感兴趣特征的过程.最常用的特征提取方法是分析图像的直方图.一般而言,大多数云纹干涉图的直方图拥有.

四、路面等高面的获取

本系统用Labview软件开发了路面高程差的计算程序,CCD摄像机获取云纹干涉图像之后,利用Labview内置的影像处理技术去除云纹干涉图像进行噪声干扰,然后进行二值化处理,并提取出二值化后的云纹干涉图像的中线.随后,定义某一次得到的图像为原始图,其下一幅图像为相关图.接下来给原始图中的某一干涉条纹指定一个顺序,并根据每个干涉条纹相对于原始图中其他条纹和相关图中条纹的相对位置进行分类以确定条纹级序.二值化条纹级序确定之后,路面高程值就很容易计算了.最后,根据所得高程值,用Matlab软件作出的路面等高面.为了验证本系统,再用实际测量所得数据绘制出路面等高面,结果表明：本系统所获取的路面表面图和实际测量所得数据绘制出的路面等高面具有很好的相关性.

五、结语

结合机器视觉技术和图像处理技术,本研究设计了基于影像云纹法的路面平整度检测方法.此方法可以快速获取路表图像,并可以根据图像处理结果绘制出路面表面等高面.实际测量所得数据绘制的路面表面等高面验证了本系统的准确性.系统在实际应用中能大大降低路面平整度检测设备的成本,因而具备很好的实际应用价值.