基于機器視覺的公路隧道圖像快速采集系統

文/楊瑩

1 前言

截止2015年底，全國公路隧道為14006處、1268.39 萬米，其中，特長隧道744 處、329.98 萬米。公路隧道在運營階段由于各種因素會出現襯砌裂縫，裂縫會降低混凝土的承載力、防水性和耐久性，甚至會導致混凝土發生掉塊，影響行車安全。《公路隧道養護技術規范》JTG_H12-2015 相比2003年版本明確提出了“預防為主、防治結合”的工作原則，要求加強預防性養護。其中，在隧道結構檢查工作中從檢查內容和頻率出發，將日常檢查調整為經常檢查，一級、二級、三級養護等級公路檢查頻率分別為1 次/月、1 次/2月、1 次/3月。單純依靠人工檢查無法完成規范要求，研發基于機器視覺的公路隧道圖像快速采集系統尤為必要。

日本在2012年推出一款隧道檢測車，該檢測車以五十鈴中型卡車為載車平臺，檢測時速最高可達50 km/h，可以對0.2 mm 的裂縫進行檢測。德國研制的多功能隧道檢測設備TS3，最高檢測時速可以達到12 km/h，能夠檢測襯砌裂縫、變形、脫空等指標，一次掃描可以生成一張隧道表面影像、一張熱影成像圖片和一張三維測量調查圖片，可應用于公路隧道與鐵路隧道。我國在隧道自動化檢測技術發展方面，相對于國外的先進水平較為落后，目前采用的隧道裂縫檢測車多為引進國外技術進行國內組裝，自主研發產品較少。

本文旨在提出一套基于機器視覺的公路隧道圖像快速采集系統，集機器視覺、慣性導航、激光測量等多種先進技術于一體，完成對隧道表面狀態細節的高清圖像采集，匹配智能化的計算機識別軟件，滿足各種等級公路隧道的日常、定期、專項檢測要求。

2 采集系統工作原理

公路隧道圖像快速采集系統分為四個子系統，包括：圖像采集系統、慣性導航系統、數據存儲與處理系統、供電系統，其工作原理如圖1所示。

圖像采集系統包括三套激光器光源和工業線陣相機，將雙激光器和工業相機封裝于防護等級為IP65 名為LQ 的模塊中，如圖2所示。激光器選用功率15W，波長808nm，擴展角為75°的光源，光線亮度均勻、功率穩定、指向穩定性高。工業線陣相機選用行頻最快采集速度可以達到90km/h。

慣性導航系統包括編碼器、激光三維掃描儀、陀螺儀。編碼器安裝在汽車輪轂上，在汽車行進過程中與輪轂同軸轉動，根據不同車速提供與之適配的脈沖頻率，通過編碼脈沖分配器同時觸發三組線陣相機進行拍照。激光三維掃描儀用于在車輛行駛過程中測量得到隧道內壁的輪廓，利用隧道的輪廓信息進行修正裂縫寬度。陀螺儀固定在車上，實時測量三軸方向上的線加速度和姿態角，實時測量汽車行進姿態，以便于后期圖像處理對由于汽車行進姿態引起的圖片變形進行調整。同時結合方向角與激光掃描儀測得的隧道斷面輪廓數據，可將隧道的實際三維輪廓描繪出來，使檢測數據以更直觀的形式展現。

供電系統由柴油發電機與開關電源組成。其中柴油發電機為整個系統供電，開關電源通過將220V 交流電轉化為直流電為部分慣性導航設備供電。供電系統具有過載保護、短路保護、防雷保護等功能，保證了車載使用過程中的安全性。

數據存儲與處理系統由工控機、數據采集卡、千兆網卡等組成。工控機配備了高達32TB 的磁盤陣列，采用RAID0 結構，硬盤讀寫速度可達1GB/s。同時配置了高性能的CPU與主板，保證了系統在大量數據傳輸過程中的穩定性。通過數據采集卡將編碼器計數、激光掃描儀、陀螺儀數據采集到計算機上，進行數據記錄，保證圖像數據以及傳感器數據與隧道內實際位置一一對應，方便后續的數據處理工作。利用千兆網卡實現相機數據的同步存儲，降低了系統的冗余。

圖1

圖2

3 軟件系統設計

公路隧道圖像快速采集系統由視覺采集軟件和智能檢測軟件兩部分構成，視覺采集軟件滿足圖像采集及隧道全景展現需求，智能檢測軟件實現對慣性導航設備（陀螺儀、編碼器、激光三維掃描儀）的數據實時采集及所有設備的狀態監測。通過實時采集隧道圖像和斷面點云、車輛行駛速度和慣導數據，提供了隧道檢測產品中領先的工作流程，實現數據可視化和信息融合。為了配合隧道智能檢測系統總體開發要求，基于C#及.Net 技術開發的多維隧道智能檢測系統軟件，具備以下功能：

（1）軟件可同時控制三臺相機、陀螺儀、編碼器、激光三維掃描儀的協調工作，實現了隧道全景的拍攝；

（2）軟件可實現圖像采集、圖像顯示、圖像存儲以及常用的圖像處理功能，并提供數據庫支持；

（3）軟件可將采集圖片保存為多種格式，同時支持圖像灰度調整、平滑處理以及邊緣銳化等處理；

（4）軟件能夠實時顯示每臺線陣相機已存圖像的數量、未上傳的圖像數量以及每張圖像的像素。如圖3、圖4所示。

表1

圖3

圖4

圖5

圖6

4 現場測試

研發的該系統已部署在隧道智能快速檢測車上，自2017年6月投入使用以來，已完成國內多條高速公路的隧道檢測任務，累計檢測隧道180 座、單洞累計360 公里，合同額約238 萬元。以陽泉至娘子關一級公路水峪至娘子關段葦澤關隧道為例，利用該檢測系統形成的報告如表1所示，隧道斷面圖如圖6所示，與人工檢測的吻合度為99%。

5 結語

本文自主研發的基于機器視覺的公路隧道圖像快速采集系統，集機器視覺、慣性導航、激光測量等多種先進技術于一體，可完成對隧道表面狀態細節的高清圖像采集，匹配智能化的計算機識別軟件，滿足各種等級公路隧道的日常、定期、專項檢測要求。該系統檢測速度快，不影響隧道內的正常交通行駛，大幅提高了檢測效率、擺脫了傳統檢測方式因交通封閉所造成的各種不利影響，有很好的應用前景。