專利名稱：基于結(jié)構(gòu)光投射的表面形狀圖象檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種道路表面形狀的非接觸測(cè)量技術(shù)，特別是一種基于結(jié)構(gòu)光投射的表 面形狀圖像檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
公路、特別是高速公路的路面，其在運(yùn)行一段時(shí)間后所形成的車轍、平整度差、錯(cuò) 臺(tái)等病害是公路例行檢驗(yàn)和年檢的重要項(xiàng)目，因?yàn)檫@些病害現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，不僅引起車體 顛簸、不舒適，而且會(huì)加速車輛的損傷，甚至引起交通事故，因此國(guó)際上一直把高速公 路的這些病害參數(shù)作為路面維修時(shí)機(jī)和方式的基本決策依據(jù)之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、光 電技術(shù)、高精度測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)國(guó)內(nèi)在路面檢測(cè)儀器與技術(shù)方面也有了巨大的發(fā) 展。近年來(lái)發(fā)展了一些較高速、非接觸式的車載檢測(cè)儀器如激光、超聲測(cè)平儀以及根據(jù) 三角測(cè)距原理而成的激光路面斷面高程儀，分別采用加速度傳感器、角速度傳感器修正 車體振動(dòng)形成的測(cè)量誤差，以及用二次差分原理的共梁雙密度高程測(cè)量方法等對(duì)路面車 轍參數(shù)進(jìn)行快速測(cè)量。上述裝置(系統(tǒng))利用激光傳感器或超聲傳感器對(duì)橫向車轍數(shù)據(jù) 采用橫向等間距(最少3點(diǎn))、縱向等間距采樣或"之"字形掃描采樣等方式得到。
如專利號(hào)為200310106457的實(shí)用新型公開(kāi)了一種"激光三維數(shù)字路形儀"，它包括
儀器載體車，在車體下一側(cè)設(shè)置平整度儀，車體后端設(shè)置激光路面破損狀況檢測(cè)儀及車
轍斷面儀。平整度儀由兩個(gè)共梁的高程計(jì)構(gòu)成；路面破損狀況檢測(cè)儀有對(duì)路面成小角度
照明的一族等角間隔多片光源與面陣CCD圖像探測(cè)器構(gòu)成；車轍斷面儀由對(duì)路面小角度
照明的片光源與面陣CCD圖像探測(cè)器構(gòu)成。其中車轍數(shù)據(jù)以"之"字形掃描采樣方式得
到，車體振動(dòng)帶來(lái)的影響沒(méi)有看到解決措施，其結(jié)果是測(cè)量精度難于保證，很難達(dá)到毫
米以下精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸式、快速檢測(cè)、高密度、數(shù)字化和圖像 直觀可見(jiàn)，可達(dá)毫米級(jí)精度，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)以里程標(biāo)志，以正確評(píng)價(jià)路面和指導(dǎo)維修的 基于結(jié)構(gòu)光投射的表面形狀圖像檢測(cè)系統(tǒng)，可應(yīng)用車轍、平整度、錯(cuò)臺(tái)、坑塘等多種道 路表面變化形成的病害檢測(cè)與測(cè)量。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為 一種基于結(jié)構(gòu)光投射的表面形狀圖像檢測(cè)系 統(tǒng)，包括檢測(cè)車體，其特征在于它還包括后視圖像采集系統(tǒng)、前視路況數(shù)字視頻采集系統(tǒng)、里程計(jì)、模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器和計(jì)算機(jī)，后視圖像采集系統(tǒng)采用高速CCD攝像
機(jī)，設(shè)置于檢測(cè)車體的尾部上方外側(cè)，其光軸垂直于所測(cè)路面；前視路況數(shù)字視頻采集
系統(tǒng)和模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器都與里程計(jì)連接，模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器設(shè)置于檢測(cè)車體后
部；里程計(jì)的一端與檢測(cè)車體的里程表相連；帶圖像采集卡的計(jì)算機(jī)設(shè)置于檢測(cè)車體內(nèi)，
通過(guò)網(wǎng)卡與高速CCD攝像機(jī)相連。
本發(fā)明的工作原理是結(jié)構(gòu)光測(cè)距原理，通過(guò)已知模式的主動(dòng)式結(jié)構(gòu)光投射，利用攝
像機(jī)被動(dòng)采集結(jié)構(gòu)光在路面的成像信息，采用高性能并行計(jì)算機(jī)對(duì)路面的圖像進(jìn)行處理
與分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)光模式的變形，再運(yùn)用視覺(jué)標(biāo)定原理恢復(fù)路表面變化的深度信息，并
定位出病害的位置。設(shè)置在車體上的模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器向路面投射出已知模式的結(jié)構(gòu)
光，該模式可為多線形或網(wǎng)格型、及相位編碼型，投射光與路面成小角度，并具有一定
的覆蓋范圍；高速CCD攝像機(jī)垂直路面被動(dòng)采集結(jié)構(gòu)光在路面的成像信息；采用視覺(jué)
標(biāo)定方法實(shí)現(xiàn)圖象空間與實(shí)際測(cè)量空間的映射，將變形后的結(jié)構(gòu)光與在標(biāo)準(zhǔn)模板上形成
的結(jié)構(gòu)光進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于變形后的結(jié)構(gòu)光圖像，通過(guò)預(yù)處理、灰度校正、二值化、細(xì)化
并計(jì)算線上每點(diǎn)到下切線的距離、根據(jù)模板圖像標(biāo)定確定圖像上橫向每個(gè)像素點(diǎn)所代表
的實(shí)際距離系等步驟可得到路面深度數(shù)據(jù)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是1、不用加速度傳感器，能有效消除車體
振動(dòng)對(duì)平整度測(cè)量的影響，并對(duì)平整度數(shù)據(jù)嚴(yán)格按里程標(biāo)志；2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，
具有連續(xù)性測(cè)量的特點(diǎn)，能直接給出道路表面形狀與變化數(shù)值，克服了多傳感器技術(shù)的
價(jià)格高，不能實(shí)現(xiàn)全車道測(cè)量與難于同步等困難；3、與相關(guān)專利比，采用直接測(cè)量方
法，由線結(jié)構(gòu)光照明路面，直接獲取和檢測(cè)的是道路表面變化量，不受車輛行駛造成的
傳感器顛簸等因素的影響，測(cè)量精度高，可達(dá)毫米級(jí)精度。


圖1為本發(fā)明的基于結(jié)構(gòu)光投射的表面形狀圖像檢測(cè)系統(tǒng)的總體示意圖。 圖2為本發(fā)明的各裝置連接示意圖。 圖3—圖5為本發(fā)明的基本原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的基本原理和具體結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 結(jié)合圖1，本發(fā)明所述的檢測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)車體5、后視圖像采集系統(tǒng)、前視路況數(shù) 字視頻采集系統(tǒng)7、里程計(jì)8、模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器2和計(jì)算機(jī)4組成。后視圖像采集系統(tǒng)主要包含高速CCD攝像機(jī)3，其直接安裝固定于檢測(cè)車體5的尾部上方外側(cè)。高速 CCD攝像機(jī)3的光軸垂直于所測(cè)路面6;模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器2安裝固定于檢測(cè)車體后 部的箱體1內(nèi)，距離地面20cni到30cm，其形成的模式化結(jié)構(gòu)光與路面形成一銳角a橫 向照射路面，由攝像機(jī)從其正上方被動(dòng)采集結(jié)構(gòu)光在路面的成像信息。
結(jié)合圖2，本發(fā)明的高速CCD攝像機(jī)3、前視路況數(shù)字視頻采集系統(tǒng)7和模式化結(jié) 構(gòu)光發(fā)射器2都由里程計(jì)8驅(qū)動(dòng)，里程計(jì)的一端與檢測(cè)車體5的里程表相連。帶圖像采 集卡的計(jì)算機(jī)4通過(guò)網(wǎng)卡與高速CCD攝像機(jī)3相連，將采集到的圖像信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù) 字網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行傳遞。
所述的模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器[2]向路面投射出已知模式的結(jié)構(gòu)光，該模式可為多線形 或網(wǎng)格型、及相位編碼型，投射光與路面成小角度，并具有一定的覆蓋范圍；高速CCD 攝像機(jī)3垂直路面被動(dòng)采集結(jié)構(gòu)光在路面的成像信息；采用視覺(jué)標(biāo)定方法實(shí)現(xiàn)圖象空間 與實(shí)際測(cè)量空間的映射，將變形后的結(jié)構(gòu)光與在標(biāo)準(zhǔn)模板上形成的結(jié)構(gòu)光進(jìn)行對(duì)比，對(duì) 于變形后的結(jié)構(gòu)光圖像，通過(guò)預(yù)處理、灰度校正、二值化、細(xì)化并計(jì)算線上每點(diǎn)到下切 線的距離、根據(jù)模板圖像標(biāo)定確定圖像上橫向每個(gè)像素點(diǎn)所代表的實(shí)際距離系等步驟可 得到路面深度數(shù)據(jù)。
參見(jiàn)圖3_圖5，本發(fā)明的基本原理是利用光的直線傳播特性當(dāng)一束光線以固定 高度和傾角射向地面時(shí)，若地面水平，從垂直地面的方向會(huì)觀測(cè)到一條直線；當(dāng)?shù)孛娌?是水平面時(shí)，突起部分會(huì)阻礙光線的前進(jìn)，凹陷部分會(huì)使光線走得更遠(yuǎn)，這樣從垂直地 面方向觀測(cè)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)得到的是一條曲線，突起部分曲線靠近光源而凹陷部分的曲線遠(yuǎn)離 光源。分析可得偏離的距離和突起(凹陷)的程度有直接的關(guān)系，并可通過(guò)視覺(jué)標(biāo)定技 術(shù)獲得其變化量的實(shí)際測(cè)量值。根據(jù)這個(gè)原理分析垂直地面方向的曲線形狀得到路面的 凹凸構(gòu)造情況。圖l模擬了一條光線運(yùn)行的軌跡，圖中x軸表示被測(cè)路面，z軸表示攝 像機(jī)拍攝方向，結(jié)構(gòu)光光線由o點(diǎn)射出。圖a為路面水平的情況，可以看到當(dāng)?shù)孛嫠?時(shí)，其照射點(diǎn)位于c點(diǎn)。圖b為路面出現(xiàn)凸起的情況，由于凸起的阻擋，光線的照射點(diǎn) 位于a點(diǎn)，從垂直地面的觀察角度看a、 c兩點(diǎn)的距離就是b、 c兩點(diǎn)的距離，由于照射 的角度是預(yù)先確定的，因此可以根據(jù)這個(gè)角度計(jì)算出凸起高度ab。圖c為路面出現(xiàn)凹陷 的情況，同理，可以得到凹陷深度ab。 .
權(quán)利要求
1、一種基于結(jié)構(gòu)光投射的表面形狀圖像檢測(cè)系統(tǒng)，包括檢測(cè)車體[5]，其特征在于它還包括后視圖像采集系統(tǒng)、前視路況數(shù)字視頻采集系統(tǒng)[7]、里程計(jì)[8]、模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器[2]和計(jì)算機(jī)[4]，后視圖像采集系統(tǒng)采用高速CCD攝像機(jī)[3]，設(shè)置于檢測(cè)車體[5]的尾部上方外側(cè)，其光軸垂直于所測(cè)路面[6]；前視路況數(shù)字視頻采集系統(tǒng)[7]和模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器[2]都與里程計(jì)[8]連接，模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器[2]設(shè)置于檢測(cè)車體[5]后部；里程計(jì)[8]的一端與檢測(cè)車體[5]的里程表相連；帶圖像采集卡的計(jì)算機(jī)[4]設(shè)置于檢測(cè)車體[5]內(nèi)，與高速CCD攝像機(jī)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)光投射的表面形狀圖像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于 里程計(jì)[8]的信號(hào)觸發(fā)結(jié)構(gòu)光發(fā)射器[2]、高速CCD攝像機(jī)[3]及前視路況數(shù)字視頻采集系 統(tǒng)[7]。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于結(jié)構(gòu)光投射的表面形狀圖像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征 在于計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)卡與高速CCD攝像機(jī)相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于結(jié)構(gòu)光投射的表面形狀圖像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征 在于所述的模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器[2]設(shè)置于檢測(cè)車體[5]后部的箱體[1]內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于結(jié)構(gòu)光投射的表面形狀圖像檢測(cè)系統(tǒng)。包括檢測(cè)車體，后視圖像采集系統(tǒng)、前視路況數(shù)字視頻采集系統(tǒng)、里程計(jì)、模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器和計(jì)算機(jī)，后視圖像采集系統(tǒng)采用高速CCD攝像機(jī)，設(shè)置于車體尾部上方外側(cè)，其光軸垂直于所測(cè)路面；前視路況數(shù)字視頻采集系統(tǒng)和模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器與里程計(jì)連接，模式化結(jié)構(gòu)光發(fā)射器設(shè)置于檢測(cè)車體后部；里程計(jì)的一端與檢測(cè)車體的里程表相連；帶圖像采集卡的計(jì)算機(jī)設(shè)置于檢測(cè)車體內(nèi)，與高速CCD攝像機(jī)相連。本發(fā)明為非接觸式，可快速檢測(cè)、可測(cè)精度高，圖像直觀可見(jiàn)，并可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)以里程標(biāo)志，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，能直接給出道路表面形狀與變化數(shù)值?？蛇m用于其他領(lǐng)域的表面結(jié)構(gòu)非接觸測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N21/88GK101470080SQ20071019238
公開(kāi)日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2007年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月26日
發(fā)明者吳允剛, 唐振民, 許中寧, 趙春霞 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)