路面表面破損自動采集分析系統研究與應用

前 言

隨著我國高速公路總里程的日益增加，公路養護量越來越大，但目前國內對高速公路以及高等級公路的路面破損檢測主要還是通過人工檢測來進行，效率低下，很難做到周期性及時性，同時檢測人員的安全也無法得到保證。

路面表面破損自動采集分析系統是將計算機信息技術、數字圖像采集存儲技術、高頻閃光燈技術、距離定位技術結合為一體的路面破損檢測設備，能夠替代傳統的人工目測方式對路面表面破損狀況進行快速、高效的檢測。

系統構成

路面表面破損自動采集分析系統由車載路表破損自動采集系統(路面攝像系統)和室內路表破損分析評價系統(路面狀況智能識別系統)兩部分組成。

路表破損自動采集系統

系統結構見圖1。

路表破損自動采集系統由高分辨率路面攝像機(1296×1024)、高頻閃光燈、路況攝像機、距離測定儀、大容量儲存設備、車載計算機等組成，能以不低于72km/h的車速對所要檢測的路面進行全覆蓋采集。系統實現了高頻閃光燈與攝像機的同步問題，完全滿足光線不足時路面拍攝的需要，系統還很好的解決了采集速度與車速的匹配問題，不會出現由于車速的變化而引起大量重復或遺漏采集的現象。該采集裝置于2003年10月8日獲得由國家知識產權局頒發的實用新型專利證書，專利號為ZL02264720.1。

路表破損分析評價系統

路表破損分析評價系統包括自動識別模塊、人工識別模塊、分析評價模塊組成。可以通過自動識別模塊對采集的路面圖像進行連續識別，判別出不存在破損的圖像并將其剔除，然后通過人工識別模塊對存在破損的圖像進行人工識別，最后分析評價模塊對評價結果進行分類統計，得到檢測路段的詳細破損信息及相應技術指標(如破損率DR及評價指數PCI)。路表破損圖像分析評價系統能從圖像中分辨出橫裂、縱裂、龜裂、坑槽、松散、修補損壞等破損類型，對單條裂縫的最小識別尺寸為2mm。路面破損自動識別的虛警率為4％，漏檢率為4％。

系統工作流程

路表破損分析評價系統使用流程圖

技術難點

照明系統

因為高分辨率攝像機的感光度比較低，一般高速公路的路面反射率也較低，而在高速行駛情況下進行拍攝又要求攝像機具有很快的快門速度。在低感光度、低反射率、高快門速度的條件下要想得到高質量的圖像，對外界光線就提出了非常嚴格的要求。用于攝影的閃光燈基本上用的是脈沖閃光燈，是通過一個充電電容器使其放電來獲得極短時間內的大能量，可以產生連續光源不能獲得的極強的瞬時功率。從而獲得極強的瞬時光輸出，其光強可以滿足路面圖像采集的要求，使用高頻閃光燈最難解決的問題是解決攝像機與閃光燈的同步問題，因為閃光燈的每點亮一次的時間很短，而攝像機高速采集的快門速度工作在微秒級，如何確保攝像機與閃光燈之間的同步是系統關鍵所在。

本系統研制設計了精確的時間同步電路卡，通過精確調整攝像機觸發信號和閃光燈觸發信號的時間關系(脈沖寬度、相互間的時間延時等，可精確到us級)，使閃光燈和攝像機之間建立了很好的同步關系。

采集頻率

本項目中采用的是用行駛距離來控制圖像采集，采用自主開發的精確距離定位儀，可以根據車速實時對采集頻率進行調整，不會因為車速的變化而造成大量地重復或遺漏采集。距離信號的采集由脈沖采集卡本身的CPU來完成，只是在采集間隔到達時才跟采集系統通訊，對系統資源占用很低，準確度很高，但對檢測速度的要求很低。

圖像的自動識別

通過對大量病害圖像數據的分析對各類破損的特征進行分析和總結，設計識別算法對圖像進行預處理以及病害目標的提取和識別，判別出不存在破損的圖像并將其剔除，大大減輕人工操作量。

系統創新之處

(1)本系統開發了精確的距離測定裝置來采集距離信號，可通過用戶設定的采集距離間隔來控制路面圖像和路況圖像的采集，圖像的采集頻率只與行駛的距離相關，會根據車速的變化自動調節，有效的避免了目前國內外同類系統按照時間間隔來采集圖像，因車速變化而導致的大量重復采集和遺漏采集的現象。

(2)本系統開發了精確的同步裝置，通過微秒級的信號調節電路來調節閃光燈觸發信號和路面攝像機觸發信號的關系，實現了高頻閃光燈與路面攝像機的準確同步。

(3)系統采用了高效的壓縮方式進行了圖像的采集壓縮存儲，可以在幾種可選的壓縮比例(4:1，10:1，20:1)的壓縮比例下得到高質量的JPEG格式的路面圖像，大大提高了系統性能。

(4)高分辨率路面圖像(1296×1024)的采集和路況圖像的采集以及距離的定位在同一個系統中完成，路面圖像、路況圖像與所在位置存在一一對應關系，用戶可方便地了解特定位置的路況信息。

(5)分析評價系統能靈活地以多種方式(按指定間隔分段評價、按子路段分段評價、全部范圍、指定范圍、指定子路段)得到所需要的評價指標(破損率DR和評價指數PCI)及詳細破損信息表，給用戶的使用帶來了極大的方便。

(6)本系統成功的解決了瀝青、水泥等各種路面圖像采集及處理，并獲得了國家實用新型專利。

應用

應用本系統完成了對省內多條路段的路面破損檢測及定量分析，檢測總里程近萬公里，主要包括以下路段：

京滬高速公路

廣靖高速公路

蘇嘉杭高速公路

南京機場高速公路

寧合高速公路

南京繞城公路

連徐高速公路

312國道(水泥路面)