專利名稱：一種公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及近景攝影測量、數(shù)字圖像處理、計算機視覺以及公路工程等領(lǐng)域，進一 步是指一種公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
公路路面平整度是路面評價及路面施工驗收中的一個重要指標。平整度直接反映 了車輛行駛的舒適度及路面的安全性和使用期限。路面平整度的檢測能為決策者提供重要 的信息，使決策者能為路面的維修、養(yǎng)護及翻修等作出優(yōu)化決策。另一方面，路面平整度的 檢測能準確地提供路面施工質(zhì)量的信息，為路面施工提供一個質(zhì)量評定的客觀指標。目前，路面平整度的檢測設(shè)備分為斷面類及反應(yīng)類兩大類，斷面類檢測設(shè)備是測 定路面表面凸凹情況的一種儀器，如最常用的3m直尺及連續(xù)式平整度儀。國際平整度指數(shù) (IRI)便是以此為基準建立的，這是平整度最基本的指標。反應(yīng)類檢測設(shè)備是測定由于路面 凹凸不平引起車輛顛簸的情況，這是司機和乘客直接感受到的平整度指標。因此，它實際上 是舒適性能指標。最常用的是車載式顛簸累積儀?，F(xiàn)已有更新的自動測試設(shè)備，如縱斷面 分析儀、路面平整度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測定車等。自1917年美國聯(lián)邦公路局使用第一種專用儀器測量路面的平整度以來，國外便 開始了公路路面平整度檢測設(shè)備的研究，至今已積累了許多較為成熟的技術(shù)。早期研制的 公路路面平整度檢測設(shè)備如美國的GMR斷面儀、英國TRRL改進研制的VBI顛簸累積儀、 澳大利亞的NAA SRA平整度儀等，已廣泛應(yīng)用于路面的檢測、公路施工工程的質(zhì)量評價及日 常養(yǎng)護管理中。但是，這些檢測設(shè)備均需要將傳感器附著于待測道路表面，因此檢測時不但 影響路面原有狀態(tài)，限制了測量精度、測量效率和檢測設(shè)備的移動速度，而且還增大了操作 者的勞動強度和測量輪的耐磨性能要求。近年來，隨著激光、超聲波、GPS衛(wèi)星定位及雷達 等高科技先進技術(shù)在全世界范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用，非接觸式公路路面平整度檢測設(shè)備應(yīng)運而 生。它主要以激光、超聲波、雷達等作為檢測手段，通過獲取公路路面的反饋信息進行公路 路面平整度的測量。總的來說，目前公路路面平整度檢測設(shè)備主要受傳感器的個數(shù)、類型和檢測方式 的限制，存在著設(shè)備成本較高、測量速度較慢、測量精度較低等問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng) 及方法，能夠在保證測量精度和測量效率的前提下，很好的控制測量成本。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明具體采用的基本技術(shù)方案是一種公路路面平整度 的攝像測量系統(tǒng)，包括安裝有攝像測量裝置的主車和設(shè)置有靶標的靶車；靶車上安裝有里 程編碼器和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊；主車上的攝像測量裝置包括可調(diào)節(jié)攝像機安置平臺，安裝 在可調(diào)節(jié)攝像機安置平臺上的攝像機、工控機和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，所述攝像機的信號輸 出端和所述靶車上的里程編碼器均通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊接入工控機的信號輸入端。
所述靶標與靶車活動聯(lián)接，所述靶標上部固定有人工合作標志，底部設(shè)有與路面 直接接觸的輪子。進一步的，至少有一個靶標上設(shè)置有兩個或兩個以上的人工合作標志。進一步的，所述人工合作標識采用的是紅外發(fā)光標志。根據(jù)實施例得出的優(yōu)選方案，作為所述攝像機采用的是工業(yè)攝像機，且該工業(yè)攝 像機帶有電動鏡頭。所述電動鏡頭具體為電動三可變鏡頭。所述可調(diào)節(jié)攝像機安置平臺為 攝像機云臺。本發(fā)明還提出一種與上述公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)相應(yīng)的攝像測量方法， 包括如下具體步驟1)將安裝有攝像測量裝置的主車與設(shè)有人工合作標志的靶車分別放于待測路面 上，且將所述攝像測量裝置的攝像機對準人工合作標志；2)靶車靜止時，攝像機采集一幀圖像，利用亞像素定位方法對該幀圖像中所有人 工合作標志的中心定位，以此作為每一個人工合作標志的初始位置；3)按預(yù)定速度推動靶車向主車運動，實時采集人工合作標志運動的序列圖像，并 對人工合作標志進行定位，得到每幀圖像中人工合作標志的中心坐標，將得到的中心坐標 與步驟1中采集得到的人工合作標志在第一幀圖像中的中心坐標相比較，得出每一個人工 合作標志在運動過程中相對于初始位置的像素值偏移量，該像素值偏移量即為該點由于公 路不平而離開基準平面的像素值偏移量；4)根據(jù)上述得到的像素值偏移量，依照像素值偏移量與實際物理長度偏移量的對 應(yīng)關(guān)系K，得出實際的物理長度偏移量；5)利用步驟4求出的物理長度偏移量數(shù)據(jù)，按照國際平整度指數(shù)IRI的定義求出 待測路面的IRI，或再由IRI進一步通過公式σ = 0. 5926IRI+0. 013，求出待測路面的標
準差ο。作為優(yōu)選方案，所述步驟3中，為了保證在靶車向主車運動時，人工合作標志所成 圖像的大小保持不變，主車上的攝像機需進行自動聚焦調(diào)焦方法，所述步驟3中，在靶車向 主車運動時，攝像機的光軸不變，當(dāng)人工合作標志遠離攝像機時，攝像機的電動鏡頭的焦距 調(diào)大，其視場角變?。欢?dāng)人工合作標志離攝像機靠近時，攝像機的電動鏡頭焦距調(diào)小，其 視場角變大。而在以上調(diào)節(jié)焦距的過程中，鏡頭的光軸位置保持不變。以上就保證在系統(tǒng)測量 過程中人工合作標志所成圖像的大小基本保持不變。作為優(yōu)選方案，所述步驟4)中，像素值偏移量與實際物理長度偏移量的對應(yīng)關(guān) 系K的計算方法是首先測量得到靶車同一靶標上兩個人工合作標志之間的實際物理長度 Δ X1,再根據(jù)所拍攝圖像測出相對應(yīng)兩個人工合作標志之間的像素數(shù)目Δ χ2,則得到像素偏
hx、
移量與實際物理長度偏移量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)夂。
Ax2本發(fā)明所述公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)及方法采用攝像測量的方法通過跟 蹤和解算人工合作標志的偏移量從而得到公路路面的平整情況，其特征和關(guān)鍵技術(shù)在于一、圖像中人工合作標志的亞像素定位。為了保證系統(tǒng)的高精度，本系統(tǒng)采用亞像 素圖像定位技術(shù)。亞像素圖像定位技術(shù)就是通過研究先進的圖像處理方法，使圖像中目標定位精度高于圖像的物理分辨率?？梢圆捎孟嚓P(guān)濾波法、自適應(yīng)閾值重心法、灰度圖擬合法 等亞像素定位方法。亞像素定位方法可以參見于起峰、尚洋著《攝像測量學(xué)原理與應(yīng)用研 究》科學(xué)出版社P81-117，2009。二、攝像機在拍攝過程中的自動聚焦、調(diào)焦技術(shù)。其原理如圖4所示當(dāng)人工合作 標志離攝像機較遠時，電動鏡頭的焦距較大，其視場角1較??；而當(dāng)人工合作標志離攝像機 較近時，系統(tǒng)自動將電動鏡頭焦距調(diào)小，其視場角2較大。而在以上調(diào)節(jié)焦距的過程中，鏡 頭的光軸位置保持不變。以上就保證在系統(tǒng)測量過程中人工合作標志所成圖像的大小基本 保持不變。三、偏移量的計算方法。對人工合作標志運動的序列圖像進行定位，得到每幀圖 像中人工合作標志中心坐標，將這個序列坐標與人工合作標志在第一幀圖像中的坐標相比 較，得出人工合作標志在運動過程中相對于初始位置的偏差，該偏差即為公路路面不平而 離開基準平面的偏差。以上偏差均為像素值，為了給出最終的測量結(jié)果，還需要對攝像機采 集的圖像進行標定，給出與圖像像素值對應(yīng)的物理長度，其具體方法為先測量得到靶車同 一靶標上兩個人工合作標志之間的實際物理長度ΔΧι，在所拍攝圖像中測出這兩個人工合
r, ΔΧ,
作標志之間的像素數(shù)目Δ χ2,就得到像素偏移量與實際物理長度之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)K 二 Ο四、大氣影響的消除。公路的工作環(huán)境溫度有時很高，大氣湍流的對攝像測量系統(tǒng) 的影響很大，所以要采取相應(yīng)的措施來降低大氣湍流的影響，可以采用“滑動窗口濾波”等 方法消除大氣湍流對測量結(jié)果的影響。具體的“滑動窗口濾波”方法可以參見于起峰、尚洋 著《攝像測量學(xué)原理與應(yīng)用研究》科學(xué)出版社Ρ148-151，2009。本發(fā)明的意義在于1、測量精度高。選擇合適的硬件，其精度可以達到士 0.5mm左右，甚至更高。而激 光掃描非接觸測量系統(tǒng)的精度受激光測距的精度所限，其測量精度在Imm左右。2、攝像機與靶車之間的距離大范圍可調(diào)，若該距離大于100米時，可以很好地測 量路面的長波不平順數(shù)據(jù)。3、系統(tǒng)測量路面的寬度可以大于20米，測量效率極高。4、采樣點可以加密，且對系統(tǒng)成本影響不大。


圖1為公路路面平整度的攝像測量方法及裝置的應(yīng)用示意圖；圖2為公路路面平整度的攝像測量方法及裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為公路路面平整度的攝像測量裝置的主車上設(shè)備的連接示意圖；圖4為公路路面平整度的攝像測量方法中自動聚焦、調(diào)焦側(cè)視原理圖；圖5為公路路面平整度的攝像測量方法中偏移量計算原理圖。1-主車2-靶車3-靶標4-輪子5-路面6_里程編碼器7-無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊8-直流電源9-人工合作標志10-工業(yè)攝像機11-電動鏡頭 12-云臺13-工控機14-解碼控制器15-路面平整度數(shù)據(jù)16-光軸17-通訊電纜θ r 視角 1 θ 2-視角 2
具體實施例方式如圖1所示，本實施例提出的公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)由主車1和靶車2 兩部分組成，在靶車2上根據(jù)測量點密度需求固定一定數(shù)量的靶標3，靶標3和靶車2是活 動聯(lián)接，上部固定有帶直流電源8的人工合作標志9，下部是和路面直接接觸的輪子4。因 此，當(dāng)靶車2在路面5上前進時，路面的平整情況就可以通過人工合作標志9來反映出來。 另外，靶車上安裝有里程編碼器7和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊7。主車上安裝一套攝像測量系統(tǒng)， 由帶電動鏡頭11的工業(yè)攝像機10、用于放置工業(yè)攝像機10的云臺12、工控機13以及無線 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊7等組成。系統(tǒng)工作時，靶車前進，人工合作標志9發(fā)光工作，主車攝像測量系統(tǒng)中的攝像機 實時拍攝人工合作標志9的圖像，圖像傳輸給工控機，工控機從圖像中的多個標志中提取 與電動鏡頭調(diào)節(jié)參數(shù)對應(yīng)的圖像特征量，包括人工合作標志之間的圖像距離、人工合作標 志的清晰度和人工合作標志的明暗，驅(qū)動電動鏡頭進行正確調(diào)節(jié)，使人工合作標志成像始 終清晰，且視場大小基本保持恒定；處理軟件進一步從圖像中提取人工合作標志的精確位 置，對比當(dāng)前時刻的標志位置與初始時刻的標志位置，可以測量出該時刻路面平整度的偏 差值；同時，靶車將里程信息通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送至主車工控機中。在上述測量過程中，所采用的針對運動標志的自動調(diào)焦、聚焦方案可采用公開號 為CN 101021417的發(fā)明專利申請?zhí)岢龅囊环N長直軌道幾何參數(shù)的攝像測量方法，該方法 可以讓電動鏡頭自動調(diào)節(jié)焦距以使測量視場始終保持不變，且成像質(zhì)量始終清晰，保證在 測量范圍內(nèi)高精度得到測量結(jié)果。同時，選擇合適的電動鏡頭完全可以使測量距離在300 米以上。如圖2所示，所述公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)中，主車上的攝像測量裝置包 括可調(diào)節(jié)攝像機安置平臺，安裝在可調(diào)節(jié)攝像機安置平臺上的攝像機10、工控機13和無線 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊7，所述攝像機的信號輸出端和所述靶車上的里程編碼器6均通過無線數(shù)據(jù) 收發(fā)模塊7接入工控機13的信號輸入端。如圖3所示，所述主車上設(shè)備的連接關(guān)系是所述主車1上的攝像機帶有電動鏡 頭，其中該電動鏡頭11通過通訊電纜17經(jīng)解碼控制器14與工控機13的控制端聯(lián)接，所述 工業(yè)攝像機10的信號輸出端經(jīng)通訊電纜17將采集到的圖像信息發(fā)送至工控機13的的圖 像采集卡。圖4所示為系統(tǒng)的側(cè)視原理圖。當(dāng)紅外合作標志離攝像機較遠時，如圖4中實線 標志位置，電動鏡頭的焦距較大，其視場角1的角度θ工較??；而當(dāng)紅外合作標志離攝像機 較近時，如圖4中虛線標志位置，系統(tǒng)自動將電動鏡頭焦距調(diào)小，其視場角2的角度92較 大。而在以上調(diào)節(jié)焦距的過程中，鏡頭的光軸16位置保持不變。以上就保證在系統(tǒng)測量過 程中紅外合作標志所成圖像的大小基本保持不變。如圖5所示，為公路路面平整度的攝像測量方法中偏移量計算原理圖。X軸處于大 地水平面內(nèi)，Y軸處于與水平面垂直的面內(nèi)，且二者都垂直于主車攝像機的光軸。虛線十字 表示人工合作標志在第一幀圖像中的初始位置，實線十字表示人工合作標志在當(dāng)前幀圖像 中的位置，而Ay則是兩個十字絲之間的Y坐標差值。本實施例所述公路路面平整度的測量步驟有
1)如圖1所示，將主車與靶車分別放于待測路面上；2)靶車靜止時采集一幀圖像，利用亞像素定位技術(shù)對該幀圖像中所有人工合作標 志的中心定位，以此作為每一個人工合作標志的初始位置；3)按一定速度推動靶車向主車運動，實時采集人工合作標志運動的序列圖像，并 進行定位，得到每幀圖像中人工合作標志的中心坐標，將這個序列坐標與步驟1中采集得 到的人工合作標志在第一幀圖像中的坐標相比較，得出每一個人工合作標志在運動過程中 相對于初始位置的像素值偏移量，該像素值偏移量即為該點由于公路不平而離開基準平面 的像素值偏移量；4)根據(jù)上述得到的像素值偏移量，依照像素值偏移量與實際物理長度偏移量的對 應(yīng)關(guān)系K，得出實際的物理長度偏移量；5)利用第4步求出的偏移量數(shù)據(jù)，按照國際平整度指數(shù)(IRI)的定義求出待測路 面的IRI，還可以由IRI進一步通過公式σ = 0. 5926IRI+0. 013，求出待測路面的標準差
權(quán)利要求
一種公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)，其特征是，包括安裝有攝像測量裝置的主車和設(shè)置有靶標的靶車；靶車上安裝有里程編碼器和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊；主車上的攝像測量裝置包括可調(diào)節(jié)攝像機安置平臺，安裝在可調(diào)節(jié)攝像機安置平臺上的攝像機、工控機和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，所述攝像機的信號輸出端和所述靶車上的里程編碼器均通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊接入工控機的信號輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)，其特征是，所述靶標與靶車 活動聯(lián)接，所述靶標上部固定有人工合作標志，底部設(shè)有與路面直接接觸的輪子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)，其特征是，至少有一個靶標 上設(shè)置有兩個或兩個以上的人工合作標志。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)，其特征是，所述人工合作標 識采用的是紅外發(fā)光標志。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)，其特征是，所述攝像 機采用的是工業(yè)攝像機，且該工業(yè)攝像機帶有電動鏡頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)，其特征是，所述電動鏡頭具 體為電動三可變鏡頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)，其特征是，所述可調(diào)節(jié)攝像 機安置平臺為攝像機云臺。
8.一種與權(quán)利要求1所述公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)相應(yīng)的攝像測量方法，其特 征是，包括如下具體步驟1)將安裝有攝像測量裝置的主車與設(shè)有人工合作標志的靶車分別放于待測路面上，且 將所述攝像測量裝置的攝像機對準人工合作標志；2)靶車靜止時，攝像機采集一幀圖像，利用亞像素定位方法對該幀圖像中所有人工合 作標志的中心定位，以此作為每一個人工合作標志的初始位置；3)按預(yù)定速度推動靶車向主車運動，實時采集人工合作標志運動的序列圖像，并對人 工合作標志進行定位，得到每幀圖像中人工合作標志的中心坐標，將得到的中心坐標與步 驟1中采集得到的人工合作標志在第一幀圖像中的中心坐標相比較，得出每一個人工合作 標志在運動過程中相對于初始位置的像素值偏移量，該像素值偏移量即為該點由于公路不 平而離開基準平面的像素值偏移量；4)根據(jù)上述得到的像素值偏移量，依照像素值偏移量與實際物理長度偏移量的對應(yīng)關(guān) 系K，得出實際的物理長度偏移量；5)利用步驟4求出的物理長度偏移量數(shù)據(jù)，按照國際平整度指數(shù)IRI的定義求出待測 路面的IRI，或再由IRI進一步通過公式σ = 0. 5926IRI+0. 013，求出待測路面的標準差 σ ο
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述攝像測量方法，其特征是，所述步驟3中，在靶車與主車作相 對運動時，攝像機的光軸不變，當(dāng)人工合作標志遠離攝像機時，攝像機的電動鏡頭的焦距調(diào) 大，其視場角變??；而當(dāng)人工合作標志離攝像機靠近時，攝像機的電動鏡頭焦距調(diào)小，其視 場角變大。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述攝像測量方法，其特征是，所述步驟4)中，像素值偏移量 與實際物理長度偏移量的對應(yīng)關(guān)系K的計算方法是首先測量得到靶車同一靶標上兩個人工合作標志之間的實際物理長度Δ Xl，再根據(jù)所拍攝圖像測出相對應(yīng)兩個人工合作標志之”Δχ,間的像素數(shù)目Δ χ2,則得到像素偏移量與實際物理長度偏移量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)夂=。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種公路路面平整度的攝像測量系統(tǒng)，包括安裝有攝像測量裝置的主車和設(shè)置有靶標的靶車；靶車上安裝有里程編碼器和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊；主車上的攝像測量裝置包括可調(diào)節(jié)攝像機安置平臺，安裝在可調(diào)節(jié)攝像機安置平臺上的攝像機、工控機和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，所述攝像機的信號輸出端和所述靶車上的里程編碼器均通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊接入工控機的信號輸入端。相應(yīng)的，也提出了一種基于上述攝像測量系統(tǒng)的測量方法。該攝像測量系統(tǒng)及方法能夠在保證測量精度和測量效率的前提下，很好的控制測量成本。
文檔編號E01C23/01GK101881000SQ20101019770
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者于起峰, 伏思華, 姜廣文, 胡浩軍 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)