專利名稱：一種瀝青混合料芯樣表面圖像采集儀的制作方法
一種瀝青混合料芯樣表面圖像采集儀
(-)技術領域 本發(fā)明屬于交通路面檢測技術領域，具體而言，涉及一種浙青混合料芯樣表面圖像采集儀。
背景技術：
在浙青路面質(zhì)量管理中，路面的宏觀性能與細觀結(jié)構分布息息相關，利用數(shù)字圖像技術對浙青混合料芯樣圖像的細觀結(jié)構進行定量分析來獲取路面的宏觀性能，成為路面質(zhì)量管理的有效手段。但由于芯樣經(jīng)鉆取和采樣后會造成破壞，并且長時間放置后，破損更為嚴重，為了后期更深入的研究，對其數(shù)字化保存顯得極為重要。目前，國內(nèi)外對浙青混合料芯樣圖像的采集主要有斷面圖像和拼接的表面圖像，斷面圖像采集主要包括人工切割與 CT斷層成像，人工切割處理上較為簡易，但是切割工作量大，并且難以標準化推廣，基于CT 斷面的芯樣圖像采集，設備極為昂貴，操作復雜，也難以推廣；拼接的表面圖像不僅存在拼接誤差，而且需要對曲面圖像進行還原才能進行后續(xù)分析，這對自動分析造成了很大障礙。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的是提供一種浙青混合料芯樣表面圖像采集儀，該采集儀是浙青混合料芯樣表面圖像的自動檢測設備，它克服了現(xiàn)有技術的不足，給浙青路面施工控制提供了有效手段。2、技術方案本發(fā)明一種浙青混合料芯樣表面圖像采集儀(以下簡稱圖像采集儀)，其特征在于，它是由機械支撐子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)以及圖像處理子系統(tǒng)三部分組成，由圖1所示。它們之間的位置連接關系是該圖像采集儀所有的硬件均置于機械支撐子系統(tǒng)的箱體內(nèi)部，其排列關系在下面將詳細表述。所述機械支撐子系統(tǒng)包括箱體、旋轉(zhuǎn)平臺及線掃描相機支架，其主要功能是實現(xiàn)光源屏蔽及浙青混合料芯樣的固定。它們之間的位置連接關系是旋轉(zhuǎn)平臺及線掃描相機支架位于箱體內(nèi)的兩端，它們之間的距離主要由線掃描相機的焦距決定；該箱體是根據(jù)系統(tǒng)的實際情況設計的長方體形狀金屬件，由浙青混合料芯樣的高度和相機焦距而定，其主要作用是屏蔽自然光和安裝硬件，箱體正對相機鏡頭的那塊板作為背景檔板，在制作時增厚2mm，加強屏蔽效果；該旋轉(zhuǎn)平臺選用的是天瑞中海旋轉(zhuǎn)臺；該線掃描相機支架是金屬結(jié)構支架，它采用雙T型槽結(jié)構實現(xiàn)相機在水平方向上的移動，采用圓柱緊固件實現(xiàn)相機在垂直方向上的移動及水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，以保證浙青混合料芯樣與線掃描相機之間的相對拍攝距離與拍攝角度可調(diào)，適應不同高度的浙青混合料芯樣。所述圖像采集子系統(tǒng)包括基于千兆網(wǎng)接口的線掃描相機(簡稱線掃描相機)、大功率LED照明光源、控制箱及控制板卡，其主要功能保證采集圖像的完整性與精確性。它們之間的位置連接關系是控制板卡裝在控制箱內(nèi)，控制箱裝在箱體的一側(cè)，將線掃描相機支架固定在箱體內(nèi)，并將線掃描相機固定在線掃描相機支架上，大功率LED照明光源裝在線掃描相機支架與旋轉(zhuǎn)平臺之間靠近旋轉(zhuǎn)平臺的一側(cè)。其中，綜合考慮接口、行像素、信噪比等指標，該線掃描相機選用的是工業(yè)線陣相機；該大功率LED照明光源并排安裝在2個照明支架上，在選用LED時，要求各個LED光譜的一致性要好，并為兩側(cè)的光源加裝濾光片，使照明光線均勻；該控制箱是長方體形狀；該控制板卡由12位二進制串行計數(shù)器4040、8選1 數(shù)據(jù)選擇器CD4051BC、4輸入與非門74LS00、同步計數(shù)器74LS16、3輸入與非門74LS10、雙 D觸發(fā)器4013、5V穩(wěn)壓器LM2575S-5.0、有源晶振、繼電器、二極管、電容以及電阻組成，按照電路原理圖要求將各個器件焊接在電路板上，組成能實現(xiàn)控制功能的電路板；所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括帶有千兆網(wǎng)接口的筆記本電腦及開發(fā)的圖像處理軟件，主要功能是控制系統(tǒng)硬件運作及對獲取的浙青混合料芯樣圖像進行處理分析。它們之間的關系是筆記本電腦位于 箱體外，圖像處理軟件裝在筆記本電腦內(nèi)部。其中，筆記本電腦要求帶有千兆網(wǎng)接口，并且可以運行相關的程序；其中，系統(tǒng)涉及的圖像處理軟件是 VISUALSTUDI0 2008 中文標準版和 opencv2. 0.本發(fā)明的拍攝對象是直徑為d = 100mm,高度h < 400mm的浙青混合料芯樣，其質(zhì)量:m < 3. 14*0. 05*0. 05*0. 4*2. 37t/m3 = 7. 5kg。(其中 d 直徑；h 高度；m 質(zhì)量；t/ m3 )該圖像采集儀中的USB數(shù)據(jù)采集器為Usb2821 ；增量式編碼器的分頻數(shù)為 500*180/1608 = 55. 9 ^ 56，編碼器的信號輸出形式為TTL。該圖像采集儀耗電30w，因此蓄電池容量大于30w、3AH(安時)即可。本發(fā)明選用蓄電池的容量為36w、5AH。其中，箱體采用不透光的鋁合金材質(zhì)制成，外形尺寸為長度為800mm，寬度為 300mm，高度為500mm ；箱體前后各有一個活動門，打開前門可以操作控制箱電源開關，打開后門可以放入和取出芯樣，在開始圖像采集之前，將兩門關閉。如此設計的箱體使采集到的圖像不受環(huán)境光源的影響，并且在保證了系統(tǒng)的堅固性的同時是系統(tǒng)的質(zhì)量達到最小。其中，該線掃描相機的型號是E2V工業(yè)線陣相機，相機的鏡頭采用的是尼康工業(yè)鏡頭 DiViiNA LMl GE 2010。其中，該旋轉(zhuǎn)平臺的型號是ERS100。其中，該大功率LED照明光源采用14個Iw大功率白光LED串聯(lián)而成。3、優(yōu)點及效果本發(fā)明一種浙青混合料芯樣表面圖像采集儀，芯樣轉(zhuǎn)動360度，通過編碼器觸發(fā)線陣相機連續(xù)拍攝。相比現(xiàn)有的芯樣圖像采集儀，本系統(tǒng)優(yōu)點主要有以下三點(1)精確控制電機與外觸發(fā)相機相結(jié)合，保證圖像完整性，并且避免了曲面失真， 提高了采集精度，為后續(xù)自動化處理提供了可能性；(2)采用人工光源與環(huán)境光屏蔽相結(jié)合，保證了環(huán)境對采集圖像沒有影響，統(tǒng)一了采集環(huán)境，保證了后續(xù)處理結(jié)果的統(tǒng)一；(3)攜帶方便，整個系統(tǒng)安裝在800mm*300mm*500mm的封閉箱體內(nèi)，可以在實驗室
或者野外工作。


圖1本發(fā)明圖像采集儀結(jié)構框2本發(fā)明圖像采儀機械結(jié)構正視圖
圖3本發(fā)明圖像采儀機械結(jié)構俯視4a-圖4b本發(fā)明圖像采集儀電路原理圖(一)圖5a-圖5e本發(fā)明圖像采集儀電路原理圖(二 )圖6a-圖6b本發(fā)明圖像采集儀電路原理圖(三)
圖7a-圖7e本發(fā)明圖像采集儀電路原理圖(四)圖8上位機軟件系統(tǒng)結(jié)構示意9本發(fā)明圖像采集儀工作流程示意10芯樣表面圖像分析流程圖示意11芯樣數(shù)據(jù)庫內(nèi)容圖12創(chuàng)建Excel報告流程示意中符號說明如下PC為帶有千兆網(wǎng)接口的筆記本電腦。Ul為有源晶振，其頻率為2. 048MHZ。U2為12位二進制穿行計數(shù)器，所選型號為4040。U3為8選1輸出，所選型號為⑶4051BC。U4為4輸入與非門，所選型號為74LS00。U5.U6為同步計數(shù)器，所選型號為74LS16。U7為3輸入與非門，所選型號為74LS10。U8為雙D觸發(fā)器，所選型號為4013。D1-D5為二極管，其中D4所選型號為為IN5879，其余所選型號為IN4007。U13為5V穩(wěn)壓器，所選型號為LM2575S-5. 0。K1-K3為繼電器。R1、R2 為電阻，Rl 為 200K, R2 為 IOOK0L1、L2 為電感，其中 Ll 為 22uH, L2 為 330uH。C1-C4 為電容，其中 C1、C2 為 0. IuF, C3 為 330uF/16V, C4 為 100uF/50V。C0N4和C0N10為單排4針端子，HEADER 10X2為雙排20針端子。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對發(fā)明進行進一步的詳細說明。本發(fā)明一種浙青混合料芯樣表面圖像采集儀，它主要用于浙青路面質(zhì)量管理上。 見圖1，它是由機械支撐子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)以及圖像處理子系統(tǒng)三部分組成；它們之間的位置連接關系是該圖像采集儀所有的硬件均置于機械支撐子系統(tǒng)的箱體內(nèi)部。參見圖1，打開筆記本電腦，運行編寫的操作軟件，通過點擊打開光源、轉(zhuǎn)臺開始及采集圖像按鈕，實現(xiàn)打開LED照明光源、啟動轉(zhuǎn)臺(帶動浙青混合料芯樣旋轉(zhuǎn)，保證采集的浙青混合料芯樣表面圖像的完整性與精確性)并開始采集浙青混合料芯樣表面圖像。采集到的圖像可以保存在電腦中已經(jīng)設置的路徑下，點擊軟件的圖像處理按鈕對采集到的圖像進行自動標記、水線分割算法等處理，最后以直方圖的形式顯示出圖像處理的結(jié)果。本圖像采集儀將浙青混合料芯樣倒立放置，因為該芯樣的上表面表平坦，倒立放置更容易固定。旋轉(zhuǎn)平臺到機柜的頂部預留40cm的空間，以便適應各種高度的浙青混合料芯樣。將芯樣夾持裝置來固定浙青混合料芯樣，并保證浙青混合料芯樣中心盡量與旋轉(zhuǎn)軸共線。旋轉(zhuǎn)平臺采用渦輪蝸桿結(jié)構，用直流電機驅(qū)動。在旋轉(zhuǎn)軸上安裝角度編碼器，將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為脈沖輸出，觸發(fā)相機對浙青混合料芯樣進行掃描。環(huán)境光源屏蔽滿足了浙青混合料芯樣測試過程大多在戶外進行的需要，由于戶外的光線具有很大的不確定性，在相機拍攝之前需要將戶外的自然光線進行屏蔽，采用獨立的人工光源提供拍攝照明。在設計照明光源時，應跟據(jù)線掃描相機的特點來進行設計，具體來說要考慮如下問題。1)線掃描相機每次只拍攝一條線，因此只需將待掃描的線狀區(qū)域照亮即可；2)由于線掃描相機的掃描頻率很高 ，相機的曝光時間就不能很長，這就要求照明光源的亮度要很高才行；3)還要考慮照明的均勻性問題和照射的角度問題，照明不均勻會使采集的圖像上產(chǎn)生明暗相間的條紋，而照射角度選取不好會使圖像產(chǎn)生高亮或者亮度很低的區(qū)域；4)為了能夠改變所采集的圖像的亮度，最好能夠控制照明光源的亮度。參見圖2，該系統(tǒng)的USB2821數(shù)據(jù)采集器通過筆記本電腦的USB數(shù)據(jù)口與筆記本電腦相連，實現(xiàn)了筆記本電腦對該系統(tǒng)的控制；網(wǎng)線分別插入選用的E2V工業(yè)線陣相機與筆記本電腦的千兆網(wǎng)接口，實現(xiàn)了線掃描相機與筆記本電腦的連接。參見圖3，該系統(tǒng)要分析的浙青混合料芯樣固定在旋轉(zhuǎn)平臺上，由旋轉(zhuǎn)平臺實現(xiàn)芯樣的轉(zhuǎn)動；系統(tǒng)所用的線掃描相機通過相機支架固定。旋轉(zhuǎn)平臺與線掃描相機之間的距離是由相機的焦距所決定的。參見圖4a-圖4b，該系統(tǒng)的控制板卡主要由12位二進制串行計數(shù)器4040、8選1 數(shù)據(jù)選擇器CD4051BC、4輸入與非門74LS00、同步計數(shù)器74LS16、3輸入與非門74LS10、雙D 觸發(fā)器4013、5V穩(wěn)壓器LM2575S-5.0、有源晶振、繼電器、二極管、電容以及電阻組成。兩個二 _十六進制可預置同步加法計數(shù)器74LS161 (16)串聯(lián)組成64進制加法計數(shù)器，計數(shù)器的輸出信號及第二片計數(shù)器的異步置零端經(jīng)過與非門作為D觸發(fā)器的輸入信號和時鐘信號。 USB2821數(shù)據(jù)采集卡采集到的信號經(jīng)由圖7a-圖7e接口電路輸入到控制電路；圖4a_圖4b 和圖6a-圖6b的部分為本控制電路的計算部分，根據(jù)系統(tǒng)要求達到的技術指標以及所選用器件的技術參數(shù)，得到控制系統(tǒng)要達到技術指標所需的控制信號；圖5a_圖5e的部分包含了電源管理模塊和繼電器控制電路，電源管理模塊為系統(tǒng)提供5V的穩(wěn)定電壓以保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，繼電器驅(qū)動電路將控制信號輸出到旋轉(zhuǎn)平臺控制端、線掃描相機觸發(fā)同步電路端和照明光源控制端。參見圖8，本系統(tǒng)的軟件部分主要包括浙青混合料芯樣采集控制子系統(tǒng)、浙青混合料芯樣圖像分析子系統(tǒng)及浙青混合料芯樣檢測報告生成子系統(tǒng)。上位機軟件系統(tǒng)由圖像采集子系統(tǒng)、圖像分析子系統(tǒng)以及報表生成子系統(tǒng)構成在開發(fā)浙青混合料芯樣采集控制子系統(tǒng)軟件的內(nèi)容如下1)通過動態(tài)鏈接庫dll文件和USB接口驅(qū)動完成計算機與硬件裝置的連接。dll 文件一般由接口轉(zhuǎn)換驅(qū)動模塊提供，它包含了一組函數(shù)，接口驅(qū)動通過調(diào)用這些接口函數(shù)， 實現(xiàn)計算機和硬件裝置間的數(shù)據(jù)傳輸。軟件根據(jù)USB通信協(xié)議，通過USB接口給圖像采集掃描裝置中的電機發(fā)送控制信號，電機轉(zhuǎn)動帶動上面的浙青混合料芯樣同時轉(zhuǎn)動，線掃描相機在浙青混合料芯樣轉(zhuǎn)動時捕獲到其表面照片，在該芯樣轉(zhuǎn)動一圈后系統(tǒng)自動控制其停止運動；2)采集控制子系統(tǒng)將線掃描相機所捕獲的若干張照片進行自動無縫拼接，構成一幅完整的芯樣表面圖像；最后采集控制子系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫接口層，在數(shù)據(jù)庫中動態(tài)生成每幅圖像相應的數(shù)據(jù)表，將每幅浙青混合料芯樣圖像直接以常用圖像格式或JPEG標準壓縮格式存入圖像數(shù)據(jù)庫保存。在開發(fā)浙青混合料芯樣圖像分析子系統(tǒng)時軟件的內(nèi)容如下1)對原始圖像進行預處理，包含圖像灰度變換、圖像增強、圖像平滑等部分。對于采集到浙青混合料圖像，先建立灰度直方圖，通過直方圖均衡來對灰度圖像進行增強，圖像平滑模塊主要是通過均值濾波和中值濾波對圖像中的噪聲進行處理，避免噪聲對后續(xù)研究造成影響。
2)針對采集到的浙青混合料圖像的自身特點以及算法的復雜性和計算機運行速度等因素考慮，利用閉值分割算法對經(jīng)過預處理后圖像進行分割，主要目的是將當前研究對象與背景分離。為了研究浙青混合料組成結(jié)構，需要對圖像的像素進行分類，將圖像分割為一些特定的區(qū)域或?qū)ο?，并對其做定量分析。圖像的邊緣檢測選取傳統(tǒng)的邊緣檢測算子Carmy進行邊緣檢測，邊緣跟蹤則主要針對二值圖像采用邊緣跟蹤來得到浙青混合料的邊緣圖像。圖像數(shù)學形態(tài)學的處理則主要通過數(shù)學形態(tài)學方法來對浙青混合料圖像進行處理，主要運用了不同模板的腐蝕、膨脹、開運算和閉運算來對浙青混合料分割圖像中粘連顆粒進行分離。在邊緣跟蹤技術方面采用先進行區(qū)域標記，而后對標記的區(qū)域的外邊界，采用連通區(qū)域的輪廓跟蹤方法進行跟蹤，保證了對于既存在外邊界又存在內(nèi)孔洞(內(nèi)邊界)的物體區(qū)域優(yōu)先跟蹤其外邊界。3)對采集圖像進行特征提取。主要的圖像特征包括如下幾類級配曲線、石料結(jié)構特征、石料形態(tài)特征(集料顆粒的高度、寬度、周長、面積、圓形度、矩形度等幾何特征)、 孔洞分布、不均勻性指標、其他缺陷(例如裂縫、缺損)。在開發(fā)浙青混合料芯樣報表生成子系統(tǒng)時軟件的內(nèi)容如下系統(tǒng)可以根據(jù)圖像分割的結(jié)果，計算可以用于施工控制的各種細觀結(jié)構指標。采集的指標可以分為五類反映壓實工藝指標，反映級配指標，反映離析程度指標，反映針片狀含量指標和結(jié)構參數(shù)。
權利要求
1.一種浙青混合料芯樣表面圖像采集儀，其特征在于它是由機械支撐子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)以及圖像處理子系統(tǒng)三部分組成，它所有的硬件均置于機械支撐子系統(tǒng)的箱體內(nèi)部；所述機械支撐子系統(tǒng)包括箱體、旋轉(zhuǎn)平臺及線掃描相機支架，其功能是實現(xiàn)光源屏蔽及浙青混合料芯樣的固定；旋轉(zhuǎn)平臺及線掃描相機支架位于箱體內(nèi)的兩端，它們之間的距離由線掃描相機的焦距決定；該箱體是根據(jù)系統(tǒng)的實際情況設計的長方體形狀金屬件，由浙青混合料芯樣的高度和線掃描相機焦距而定，其作用是屏蔽自然光和安裝硬件，箱體正對相機鏡頭的那塊背景檔板在制作時增厚2mm，加強屏蔽效果；該旋轉(zhuǎn)平臺選用的是天瑞中海旋轉(zhuǎn)臺；該線掃描相機支架是金屬結(jié)構支架，它采用雙T型槽結(jié)構實現(xiàn)相機在水平方向上的移動，采用圓柱緊固件實現(xiàn)相機在垂直方向上的移動及水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，以保證浙青混合料芯樣與線掃描相機之間的相對拍攝距離與拍攝角度可調(diào)，適應不同高度的浙青混合料芯樣；所述圖像采集子系統(tǒng)包括基于千兆網(wǎng)接口的線掃描相機、大功率LED照明光源、控制箱及控制板卡，其功能是保證采集圖像的完整性與精確性；控制板卡裝在控制箱內(nèi)，控制箱裝在箱體的一側(cè)，將線掃描相機支架固定在箱體內(nèi)，并將線掃描相機固定在線掃描相機支架上，大功率LED照明光源裝在線掃描相機支架與旋轉(zhuǎn)平臺之間靠近旋轉(zhuǎn)平臺的一側(cè)；該線掃描相機選用的是工業(yè)線陣相機；該大功率LED照明光源并排安裝在2個照明支架上， 并為兩側(cè)的光源加裝濾光片，使照明光線均勻；該控制箱是長方體形狀；該控制板卡由12 位二進制串行計數(shù)器4040、8選1數(shù)據(jù)選擇器CD4051BC、4輸入與非門74LS00、同步計數(shù)器 74LS16、3輸入與非門74LS10、雙D觸發(fā)器4013、5V穩(wěn)壓器LM2575S-5. O、有源晶振、繼電器、 二極管、電容以及電阻組成，按照電路圖要求將各個器件焊接在電路板上，組成能實現(xiàn)控制功能的電路板；所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括帶有千兆網(wǎng)接口的筆記本電腦及開發(fā)的圖像處理軟件，其功能是控制系統(tǒng)硬件運作及對獲取的浙青混合料芯樣圖像進行處理分析；筆記本電腦位于箱體外，圖像處理軟件裝在電腦內(nèi)部；系統(tǒng)涉及的圖像處理軟件是VISUAL STUDIO 2008中文標準版和opencv2. 0。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種浙青混合料芯樣表面圖像采集儀，其特征在于該箱體采用不透光的鋁合金材質(zhì)制成，外形尺寸是長度為800mm，寬度為300mm，高度為500mm。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種浙青混合料芯樣表面圖像采集儀，其特征在于該線掃描相機選用的是E2V工業(yè)線陣相機，相機的鏡頭采用的是尼康工業(yè)鏡頭DiViiNA LMlGE 2010。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種浙青混合料芯樣表面圖像采集儀，其特征在于該旋轉(zhuǎn)平臺的型號是天瑞中海ERS100。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種浙青混合料芯樣表面圖像采集儀，其特征在于該大功率LED照明光源采用14個Iw大功率白光LED串聯(lián)而成。
全文摘要
本發(fā)明一種瀝青混合料芯樣表面圖像采集儀，它是由機械支撐子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)以及圖像處理子系統(tǒng)三部分組成。它們之間的位置連接關系是該圖像采集儀所有的硬件均置于機械支撐子系統(tǒng)的箱體內(nèi)部。它的特點是綜合利用機械技術、電氣技術與軟件技術，采用豎立轉(zhuǎn)臺和線陣CCD，芯樣連續(xù)轉(zhuǎn)動360度，CCD攝像頭連續(xù)采集，克服了傳統(tǒng)芯樣表面圖像采集的曲面變形與拼接困難，同時通過編碼器觸發(fā)線陣相機拍攝，保證圖像采集的完整性，并且不會對芯樣造成損傷。本發(fā)明根據(jù)數(shù)字圖像處理軟件的分析結(jié)果，指導瀝青路面施工，具有顯著的經(jīng)濟效益和良好的應用前景。
文檔編號G01N21/88GK102243184SQ20111009248
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月13日 優(yōu)先權日2011年4月13日
發(fā)明者崔勇, 楊浩, 王秋生, 袁海文 申請人:北京航空航天大學