TOF技術在路面裂縫自動檢測中的應用

段榮鑫

(內蒙古交通設計研究院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010010)

隨著我國經濟近三十年來的高速發展，高等級公路的建設里程已經位于世界前列，與此同時，早期建設的公路因為使用年限和所處周圍環境，路面破損問題越來越突出。路面結構層的變形加大、承受荷載的能力、耐久性、平整度與抗滑性能降低，致使車輛的安全速度降低、能量消耗增加、零部件磨損增大、碳排放增加，從而直接影響了公路的服務水平。以上這些問題的解決必須依賴公路養護，而準確的路面檢測就成為公路養護的前提條件,其中路面裂縫是衡量公路質量最重要的一個指標。路面裂縫是路面常見的破損狀態，包括縱向、橫向和網狀裂縫。現階段，我國的高等級公路路面裂縫檢測還是以人工為主，這就導致了效率低、檢測人員不安全、檢測誤差大等情況。隨著計算機性能的提高和數字攝像技術的發展，公路路面裂縫檢測技術也得到了發展。數字化的影像技術會使路面病害檢測和評估更加全面、準確、實時。

1 國內外數字化檢測的發展現狀

目前，各國技術人員對路面裂縫數字化自動檢測技術進行了很多相關的工作，這方面主要是利用前期攝像技術和后期的處理、識別技術，并以此開發了基于計算機程序算法的路面裂縫檢測識別系統。數字化檢測識別系統包括路面信息收集系統和路面圖像信息分類識別系統。通過以上系統的協同工作，可以完成對路面已有裂縫的記錄、篩查、識別，保存具體位置，并可實時上傳存儲。現在比較成熟的有日本的Komatsu系統、加拿大路德威(Roadware)公司生產的ARAN系統、澳大利亞的Hawkeye2000系統、美國的PCES 系統、瑞典的PAVUE系統等。

國內對于公路路面病害尤其是裂縫數字自動化檢測技術的工作研究發展較晚，大約開始于20世紀90年代。隨著近年來公路總里程的不斷增加，國內對于公路路面的養護和管理工作開始得到重視，目前我國已經開發出具有相似功能的檢測系統，現在比較先進的是南京理工大學開發的JG-1型激光三維路面狀況智能檢測系統以及CiCS路況快速檢測系統，其中CiCS是我國完全知識產權，由交通部公路科學研究院牽頭研究開發的路面檢測系統，它已經通過國家各項檢測，并應用到了許多省份的高等級公路路面病害檢測的工作中。

通過對比國內外對于路面病害檢測技術發展研究，可以預見，基于數字影像技術和AI圖像自動處理、識別的先進科技將成為路面病害自動檢測技術未來的發展趨勢。但是，目前國內外還沒有開發出一套適應性強、全面可靠的綜合檢測系統，因此，雖然產品較多，然而由于各種原因的限制，已有的系統還不是很成熟，未能得以全面應用。

2 TOF技術的特點

雖然目前基于影像視覺技術和數字圖像處理技術已經比較成熟，但在路面檢測這種特殊的應用場景下，尤其是在環境不斷發生變化或檢測時行駛速度不在規定的區間內，現有的識別效果會急劇下降。由于目前大多采用的是CDD高分辨率成像，在采集時并沒有深度這個信息，這就導致必須依賴后期的圖像處理，不僅后期工作量大而且效率不高，準確性也受到影響。近年來，隨著對于AI人工智能和深度信息測量技術的開發，很多光學測量技術被開發出來，他們都基于各種不同的技術實現了非接觸式三維深度的測量，這其中應用比較成熟和廣泛的有TOF(Time of Flight)、結構光和雙目立體成像。

表1 3種深度測量技術對比

這3種光學非接觸式的三維深度測量技術，它們各自采用的技術不同，技術規格也不盡相同。其中結構光和雙目成像出現得比較早，而TOF即飛行時間法是近幾年出現的新技術，但它相對于前兩種深度測量技術有著不小的技術優勢。由于TOF技術獨有的技術特征，可以預見它在路面病害檢測，尤其是路面裂縫測量上將有著很好地應用。

3 TOF技術在路面裂縫檢測中應用的可行性

TOF是Time of Flight的簡稱，也叫飛行時間測距法，它由發光元件、光學部件、傳感接收器、控制電路以及處理電路等幾部單元組成。TOF發光元件向被測物體連續發射光脈沖，光被被測物體反射后由光學部件收到，這樣就有了光從發射到返回的時間差，依據這個時間差就可以知道被測物體表面的具體情況，在收到足夠多的光信息后，就可以對被測物體的表面進行繪制。由于有了TOF攝像頭的作用，接收元件能夠比之前更快地獲取精度更高的景深信息和更大范圍的3D建模。相較于結構光和雙目成像，被測物體的表面情況的細節和范圍都可以得到更好的反映。

圖1 TOF工作原理

通過光反射探測的TOF相機可以認為是一種接收光脈沖的雷達系統，它通過光脈沖不停地照射和返回接收，像雷達一樣對空間中的物體進行感知并繪制。TOF系統可以測量所有發出的光線從空間中的物體返回的時間，并將它與已有的影像照片相融合，借此創建包含影像信息和深度信息的空間被測物體的模型。

TOF技術采用主動光探測方式，利用照射光信號與反射光信號的時間差來進行距離的計算，所以，TOF的相機照到路面等被測物體后，得到不間斷的高頻圖像，可以建立整個路面的三維信息，從而不需要圖像后期處理即可繪制整個路面實際現狀，配合先進的算法，可以快速檢測路面病害情況。

4 TOF路面裂縫檢測設備的集成

TOF檢測系統與雙目立體視覺或三角測量等系統相比，整個系統非常緊湊，與激光掃描系統相比，不需要機械運動部件，與傳統的激光測距相比能夠以一張鏡頭合成有深度信息的圖像。從TOF系統中的輸出信號中已經有了空間的信息，僅需要很小的處理器單元即可完成提取，而其他光學非接觸式三維深度測量，需要非常繁復的算法，還需要更強大的處理器單元。另一方面，TOF相機可以不斷測量場景中的距離，可達到每秒160幀以上。

正是由于TOF的特點，使它能夠與道路裂縫檢測載體集成，雖然硬件成本較高，但是其算法開發難度低、系統體積小，而且在集成多個攝像頭后，TOF裂縫檢測設備有更寬的掃描范圍和更高的精度。由于TOF檢測設備的體積小巧、掃描距離遠，它不僅可以集成在汽車等地面行動的載體上，還可以集成在無人機等飛行器上。

當TOF系統使用無人機作為載體時，無人機上只需集成TOF相機、傳感器以及存儲設備，而復雜的計算與處理部分可以放到地面處理系統，使無人機部分不僅減少重量和體積，還只消耗很小的能量。由于無人機飛行高度的可調，使該系統能夠很好地適應不同等級、不同寬度的公路，也能很好地適應公路的平縱面線形。由于所生成的結構是整個公路路面的裂縫分布情況，可以很好地依據我國瀝青路面裂縫評價標準，結合我國路面管理系統，建立完善的路面裂縫評價系統，使此項技術能在我國得到更好的推廣應用。

5 結束語

通過了解國內外各種路面裂縫檢測技術可以知道，現階段國內外還主要采用數字圖像處理技術識別路面裂縫，由于路面圖像特性，使它的準確度有限。而TOF相機技術的使用，在路面檢測過程中可以建立整個路面的三維立體圖像。而且TOF的各項優點使它可以很好地和各種載體集成，適應各種不同的路況和環境要求。TOF集成系統可以符合我國各種高等級路面裂縫評價標準，最大程度地促進我國高等級公路的養護和管理。