路面裂縫的結(jié)構(gòu)光車載檢測技術(shù)研究

劉希偉

（新疆公路橋梁試驗檢測中心有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 831000）

0 引言

基于2d影像的檢測路面裂縫技術(shù)，因為難于克服路面陰影、污漬、不均光照等不利因素的干擾，測量結(jié)果經(jīng)常會存在相當(dāng)數(shù)量的誤判或者漏檢。針對2d影像裂縫檢測技術(shù)所存在的技術(shù)不足，3d結(jié)構(gòu)光檢測技術(shù)相繼得到開發(fā)應(yīng)用。該技術(shù)利用3d識別和信息獲取優(yōu)勢，形成抗御環(huán)境光干擾能力強，細節(jié)獲取更充分，影像反應(yīng)更接近真實物態(tài)，識別精度更高等技術(shù)優(yōu)勢，被越來越廣泛地應(yīng)用到路面裂縫檢測中。

1 線結(jié)構(gòu)光掃描檢測原理

1.1 線激光掃描原理

路面裂縫的結(jié)構(gòu)光檢測技術(shù)屬于非接觸式路面裂縫檢測技術(shù)，應(yīng)用線激光三角檢測原理實現(xiàn)裂縫測量，具體見圖1所示。圓柱體代表攝像機，立方體代表線激光器，攝像機光軸與線激光器光平面的交點建立水平測量基準(zhǔn)面，θ1為測量基準(zhǔn)面法線與線激光器光平面的夾角，θ2為測量基準(zhǔn)面法線與攝像機光軸的夾角。按θ1的角度，激光從一側(cè)投影激光平面至基準(zhǔn)面上面，在基準(zhǔn)面上構(gòu)成一條直線激光條紋。如果基準(zhǔn)面存在物體或變形，光條被調(diào)制發(fā)生變形。攝像機以θ2的角度從另一側(cè)檢識掃描反射光，經(jīng)過數(shù)理模型變換和識別處理，獲得掃描面的裂縫信息。結(jié)構(gòu)光檢測技術(shù)能夠形成對路面裂縫的3d識別系統(tǒng)，因此其裂縫識別更立體、直觀和準(zhǔn)確。

圖1 線激光檢測原理

1.2 感受器組合方式

依據(jù)線激光與攝像機的空間幾何關(guān)系，線結(jié)構(gòu)光感受器的結(jié)構(gòu)可分為3種，見圖2所示。

圖2 感受器組合方式

（1）垂直投射線激光到待測物體表面，攝像機從一側(cè)傾斜采集數(shù)據(jù)。

（2）線激光從一邊投射到被測物體表面，攝像機垂直捕獲數(shù)據(jù)。

（3）線激光被斜投射到被測物體表面，攝像機也從另一側(cè)斜向捕捉數(shù)據(jù)。見圖2具體所示，β是線激光平面和攝像機光平面之間的夾角[1]。

1.3 路面縫隙抗顛簸結(jié)構(gòu)光檢測模型

結(jié)構(gòu)光檢測路面縫隙抗顛簸模型見圖3所示。

圖3 路面縫隙抗顛簸結(jié)構(gòu)光檢測模型

當(dāng)承載平臺顛簸時，檢測面與線激光間的距離就會不停地變化，檢測分辨率因此深受干擾。為了克服這個問題，在圖3所示的感受器抗顛簸測量模型中，將攝像機鏡頭的光軸與檢測平面的交點水平移動至基準(zhǔn)面的下方，其與基準(zhǔn)面的距離就是顛簸量Δd的最大值，這樣即使顛簸過程中，檢測分辨率依然可以滿足檢測精度要求。

2 感受器參數(shù)計算與優(yōu)化選擇

2.1 感受器參數(shù)計算

檢測指標(biāo)包括：掃描速度v、測寬L、測深±ΔH，深度分辨率dz、縱向分辨率dy，橫向分辨率dx。

系統(tǒng)掃描獲得包含道路信息的光條影像，每條影像反映xoz平面的形態(tài)變化，dx表示鏡頭在x軸向上的分辨率，dz標(biāo)示鏡頭z軸向上的分辨率。dy表示系統(tǒng)與道路橫斷面采樣在y軸方向上的距離，其與幀率fps、掃描速率v之間的關(guān)系式：

感受器的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括檢測寬度l、高度H、鏡頭焦距f、攝像機光軸與光平面夾角β、鏡頭視區(qū)等。

（1）實際檢測寬度l與感受器數(shù)量n。假設(shè)單車道為3.75 m寬度，由于高度限制，單套感受器無法滿足這樣的寬度。為此采取了如下技術(shù)處理，檢測寬度≤2 m，使用1套感受器，檢測寬度＞2 m，則應(yīng)用2套感受器[2]。

（2）檢測高度H公式如下，其中θ為線激光器的扇形角度。

（3）鏡頭視區(qū)ROI公式：

（4）幀率fps公式如下，其中v為掃描速度，dy為縱向分辨率。

（5）鏡頭焦距f公式：

（6）攝像機光軸dz與光平面夾角β公式：

（7）檢測寬度l'計算公式：

（8）橫向分辨率dx'計算公式：

滿足dx'≤dx，返回結(jié)束；否則增加焦距f，記f'，從（6）或（5）重新開始計算。相對簡潔的是從（6）重新開始計算，該計算中深度分辨率變得更高。從（5）重新開始計算，深度分辨率不變，但感受器體積會縮小。

通過前述設(shè)計方法，可以得到滿足檢測系統(tǒng)要求的感受器結(jié)構(gòu)參數(shù)值和取值范圍。

2.2 感受器參數(shù)優(yōu)化選擇

2.2.1 感受器成像模型

感受器成像模型見圖4所示，其中包括3個坐標(biāo)系：Og-XgYgZg世界坐標(biāo)系、Oc-XcYZc攝像機坐標(biāo)系和O-XYZ影像坐標(biāo)系。Og-XgYgZg由Oc-XcYZc和激光平面確定。其中的Zq軸為攝像機光軸，Oc為攝像機光軸中心點。Zc軸與像平面的交點即為影像坐標(biāo)系O點，即像平面的中心，攝像機坐標(biāo)軸與影像坐標(biāo)軸平行，線激光平面與Zc軸的交點為世界坐標(biāo)系Og點。Yg軸垂直于線激光平面，Zg軸為Zc軸在線激光平面上的投影。

圖4 感受器的成像模型

2.2.2 感受器測量誤差分析

治療中體表光學(xué)監(jiān)測X、Y和Z方向分別平移(0.02±0.24)、(0.09±0.40)和(0.02±0.18) mm,CBCT驗證分別平移(0.01±0.37)、(0.03±0.24)和(0.03±0.19) mm，兩者比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義，t值分別為0.04、0.41和0.58，P值分別為0.97、0.68和0.57。

（1）間接測量誤差分析。依據(jù)線結(jié)構(gòu)光成像模型，通過直接測量感受器結(jié)構(gòu)參數(shù)和對應(yīng)的像點坐標(biāo)，根據(jù)已知的函數(shù)關(guān)系，可以計算出被測物體的坐標(biāo)值。通過函數(shù)關(guān)系將前述數(shù)學(xué)模型總結(jié)如下：

根據(jù)誤差分析理論，可獲得物體坐標(biāo)的測量誤差：

式中，k取Xg和Zg，i則取值H、f、X和Y，Δk表示感受器測量誤差，Δi表示感受器結(jié)構(gòu)參數(shù)的校準(zhǔn)誤差和測點坐標(biāo)的獲取誤差。出于方便計算考慮，式中測量誤差Δ取2的范數(shù)，即：

（2）測量誤差的因素影響關(guān)系。感受器測量誤差的影響因素有2個：一是物體像點坐標(biāo)獲取誤差；二是感受器參數(shù)或校準(zhǔn)誤差。對于給定的系統(tǒng)，感受器參數(shù)已基本被精確校準(zhǔn)，故基本可以忽略誤差。像點坐標(biāo)獲取算法確定后，假定像點誤差為定值，也就是ΔX=ΔY=δ，則感受器測量誤差：

2.2.3 感受器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

由以上分析可知，感受器在像面上的測量誤差分布并不規(guī)則。因此通過研究圖像平面中最大測量誤差像素點，分析感受器參數(shù)對誤差的影響，優(yōu)化感受器結(jié)構(gòu)參數(shù)。像面為2Tx×2Ty。像平面X=±Tx上，Y=Ty的邊緣點所對應(yīng)的最大測量誤差為：

在確定像點坐標(biāo)獲取算法后，δ值即得以確定，但探測寬度所要求的感受器參數(shù)H和f須給予確定。所以影響感受器測量誤差的主要是β，并且其影響呈現(xiàn)非線性特點。

可以采用優(yōu)化定義準(zhǔn)則的方式確定相關(guān)感受器參數(shù)。目標(biāo)函數(shù)即為上述關(guān)系式（13）。在考慮規(guī)格空間限制和滿足系統(tǒng)檢測指標(biāo)的前提下，盡可能獲得目標(biāo)函數(shù)的最小值，即為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.3 試驗計算與優(yōu)化結(jié)果

2.3.1 試驗初步計算結(jié)果

實例檢測寬度50 cm，縱向分辨率1 cm，橫向分辨率0.1 cm，深度分辨率0.1 cm，掃描速率為80 km/h。深度測量±10 cm：測量范圍10 cm，顛簸±10 cm，線激光扇角度 44°[3]。

基于感受器參數(shù)計算技術(shù)獲得的計算結(jié)果如下：H=61.9 cm，攝像機的幀頻為2 223fps，f=1.2 cm，67.69＞β＞22.49，β=25°得到攝像機的感受區(qū)域ROI≥（1 553，499），選擇ROI=（1 600、550）。然后基于0.17 cm的形變量、不同的顛簸和測深條件，進行測量，每個測量段的6個不同位置測量所得像素變化具體見表1所示。

表1 測量所得像素變化結(jié)果

檢測數(shù)據(jù)顯示，最大顛簸量和測深條件下，測量系統(tǒng)符合0.1 cm的深度分辨率功效要求，對工程測量具有應(yīng)用價值。

2.3.2 進一步優(yōu)化計算結(jié)果

上節(jié)計算得出67.69＞β＞22.49的結(jié)構(gòu)光角度組合成果，但這僅是一個取值區(qū)間。該節(jié)再借助上述感受器參數(shù)優(yōu)化確定選擇方法，進一步優(yōu)化取值。所獲得的感受器參數(shù)優(yōu)化仿真結(jié)果具體見圖5所示。曲線顯示，當(dāng)β取值47°時，獲得最小檢測誤差，因此β=47°即為最佳解，從而進一步提高了測量精度。

圖5 檢測誤差與β的影響關(guān)系

通過對前述感受器結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進結(jié)果，即β=47°時，檢測系統(tǒng)在不同顛簸條件下測量不同測深下的1.7 mm變形量，根據(jù)檢測面不同位置的像素變化結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，參數(shù)改進后，檢測系統(tǒng)的檢測精度有所增強。

3 結(jié)語

該文開展了路面裂縫的結(jié)構(gòu)光車載檢測技術(shù)研究，主要包括：

（1）介紹了線結(jié)構(gòu)光檢測原理，包括掃描原理、感受器組合方式、抗顛簸結(jié)構(gòu)光檢測模型等技術(shù)點。

（2）介紹了感受器參數(shù)計算與優(yōu)化選擇技術(shù)，包括感受器參數(shù)計算、感受器成像模型、感受器測量誤差分析、感受器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)點。

（3）介紹了試驗計算結(jié)果，驗證了該技術(shù)的工程適用性。