基于图像处理的路面病害检测技

基于图像处理的路面病害检测技（CCD摄像技术）CCD摄像技术是被广泛使用的路面裂缝检测技术之一。CCD摄像机具有较高的动态范围、分辨率和灵敏度，电子快门可用于动态场景图像采集。由于计算机视频、计算机图像技术的发展，通过视频采集卡和图像采集卡即可将CCD摄像机的视频信号采集到计算机的内存中，实时显示、存储和处理。同时，随着计算机硬件的迅速发展，基于CCD摄像机的数字化图像系统成本大大降低。基于CCD摄像机的路面裂缝识别系统一般都是采用高精度的摄像机捕捉路面图像，以模拟或者数字形式进行存储，再利用图像处理和模式识别技术进行后处理。虽然目前还没有被认为是很完善的系统出现，但是如果发展新的图像处理算法和裂缝识别方法，开发出高精度的路面裂缝识别系统还是可能的。除此之外，有些研究者开发出图像实时采集的硬件系统大大提高了图像采集存储的速度如利用DSP实现快速图像信息采集存储以及图像的预处理。典型检测系统组成典型检测系统硬件基本构成包括：载体车、CCD摄像机、计算机、图像采集卡、辅助照明设备、距离测量仪、稳压电源等几部分。将系统设计成车载式，可以使系统在正常交通下进行工作。采用高性能的摄像系统及图像处理系统，确保在较高的车速下获取可靠、清晰的路面图像，准确地分析出路面裂缝的各种特征参数。考虑到所拍摄路面的宽度，结合摄像机的特性，选择所需摄像机的数量，并在检测车上固定好摄像机的安装角度、高度和位置。当采用模拟摄像机时，需要安装图像捕捉卡，把模拟信号转化为数字信号，传入计算机。CCD摄像机是借助光学系统将光信号转化为电信号，形成视频信号。摄像机的成像受被测路面的光照条件影响很大，光照强度过强、过弱或光照不均匀都不利于成像。为了保证系统在任何环境下都能正常工作，需配置辅助照明设备，提供均匀的光照条件，保证图像质量。为了实现裂缝的精确定位，距离测量仪也是必不可少的。另外，稳定的电源是保证系统正常工作的必要条件。系统的工作流程可分为三部分:图像获取、图像处理和图像解释。图像的获取是通过安装在检测车上的摄像机和计算机来实现的。拍摄的路面图像经过数字化，传入计算机进行存储。路面图像的数据量非常大，一般需要经过压缩后再进行存储，数据处理可以实时或离线地进行。数字图像处理和解释是系统的核心，包括图像预处理、裂缝特征识别和裂缝评价。一般处理流程为先对裂缝图像进行滤波处理，减少噪声，进而对裂缝边缘进行增强，提取裂缝特征信息，最后是识别裂缝类型、计算裂缝特征值、统计裂缝数量，并依据裂缝评价标准输出结果。CCD和采集卡的工作原理CCD是英文ChargeCoupledDevice即电荷耦合器件的缩写，它是一种特殊半导体器件，上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。CCD在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转换成电信号的作用，相当于光学传统相机中的胶卷。CCD上感光元件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列。当其表面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光元件所产生的信号，就构成了一个完整的画面。衡量CCD好坏的指标很多，有像素数量、CCD尺寸、灵敏度、信噪比、动态范围、光谱感应曲线等，其中像素数以及CCD尺寸是最常用的判断指标。像素数是指CCD上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果CCD没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响，因此，理论上CCD的像素数量应该越多越好。但CCD像素数的增加会使制造成本以及成品率下降产。所以，在选择CCD时要根据具体的应用寻找一种折中的方案，达到性能与成本的最佳配合。图像采集卡有多种各类、规格，但尽管其设计和特性不同，大多数采集卡的基本原理相同。近年来，数字视频产品取得了显著发展。数字视频产品通常需要对动态图像进行实时采集和处理，因此产品受图像采集卡的性能影响很大。由于早期图像采集卡以帧存为核心，处理图像时需读写帧存，对于动态画面还需“冻结”图像，同时由于数据传输速率的限制，因此图像处理速度缓慢。90年代初，INTEL公司提出了PCI（PeripheralComponentInterconnect）局部总线规范。PCI总线数据传输宽度为32/64位，允许系统设备直接或间接连接其上，设备间可通过局部总线完成数据的快速传送，从而较好地解决了数据传输的瓶颈问题。由于PCI总线的高速度，数字视频信号只需经过一个简单的缓存器即可直接存储到计算机内存，供计算机进行图像处理，也可将采集到内存的图像信号传送到计算机的显示卡显示，甚至可以将数字视频信号经PCI总线直接发送到显示卡，在计算机终端上实时显示活动图像。采集卡上装有一块缓存，它是一种先进先出（FIFO）的存储器，起到采集卡向PCI总线传输视频信号时的速度匹配作用。对于高分辨率的图像采集，宜选用缓存较大的图像采集卡。3．采集软件的设计采集软件在逻辑上是介于摄像机及采集卡硬件和图像数据之间的一种工具软件，它通过一定的人机交互操作将采集卡获取的数字信息转换成特定的视频格式，并将其存储到计算机硬盘中。采集软件主要完成采集指令解释、内存空间分配、数据格式转换、数据压缩、视频存储、用户操作响应等功能。采集软件设计时，既要考虑硬件驱动，又要考虑用户接口的实用性。同时，为了达到一定的性能要求，还需要采用一些特殊的方法。通常，高速视频采集系统都采用压缩和存储分开进行的方式。在采集过程中，为了防止由于处理和存储超时导致失帧，尽量避免数据压缩、图像变换等比较耗时的处理，将视频数据保存为连续的无压缩的大文件格式。然后，在视频导出过程中根据应用需要导出为一定的压缩格式。这样设计的采集软件最大限度地保证了视频数据无失帧的保存，但同时在采集过程中需要的存储空间也更大。在低速视频采集的场合，可以采用在线压缩和预处理的方式，这样可以有效减小存储空间。路面病害图像采集系统中，采用了高分辨率的线阵摄像机，采集时的行频达到了10000行/秒，因此要保证路面图像的无失帧采集和保存，就必须采用离线压缩的方式，采集完成后，再将数据压缩导出。而路况图像采集时，因为频率较低，可以采用在线压缩和预处理的方式。4．图像位置坐标的测定和一致性图像位置坐标分两类，里程位置和GPS位置。前者主要用来进行公路养护施工过程中的定位，GPS位置可以用来实现路面病害信息与GIS信息的关联。系统通过里程编码器和GPS接收机，在图像采集的同时获取系统当前的位置。由于实际公路上的里程桩间的距离并非完全一致，而且常表现出不确定性，为了公路养护施工的方便，通常以里程桩为依据，每间隔一定的距离（比如1公里）进行里程校正。根据这一系列校正值对，通过线性内插的方法，可以将每张图像对应的公路里程位置精确计算出来。如图3-5所示，横轴为实际的桩号，纵轴为此桩号处的图像的序号，图中一系列的点对应采集过程中的校正值对，对于任意一张图像，由其序号查此表即可得到其对应的里程位置。显然，校正值对越密集，通过内插方法得到的位置也就越准确。图像测量裂缝是一种很常见的路面破损，裂缝级别的判定主要依据裂缝宽度。传统的调查方法是通过尺子量出裂缝宽度，再根据一定的分级标准将这些裂缝分为轻、重两个级别。通过视频检测的方式确定裂缝宽度是一种间接的测量方式，但却有着很多的优点，例如非接触的方式、无需阻断交通、可以实现自动化等。视频检测的定量化使其在公路路面病害检测领域的应用取得了长足的发展。其核心思想就是将路面投影到二维像平面的均匀网格中，根据路面与图像之间严格的几何投影关系，通过计算二维像平面中目标的尺寸，间接的度量出其对应的路面目标的尺寸。原理如图3-14所示：由图可知，路面病害尺寸与它在像平面的成像有着线性的对应的关系，即图像中病害的尺寸与路面病害的实际尺寸是成正比的。实际中，通过对软件做标定，可以找到这种比例关系，从而可通过对图像进行量测而计算得路面裂缝的宽度。1．单裂缝面积的测量单裂缝面积的测量，是在目前技术水平下，较易实现自动化的一种应用。按交通部现行规范要求，裂缝的面积按照“缝长（m）×0.2m”计算。可见裂缝的换算面积与裂缝的长度成正比。只要采用上节的方法量测出裂缝的长度，即可计算出裂缝的换算面积。为了实现裂缝面积的自动计算，我们利用了破损识别中的分区思想，将图像分成连续的小区域，通过模式识别的方法识别出裂缝后，我们可以得到此条裂缝对应的小区域的数目，以及每个小区域内裂缝的斜率，进而得到裂缝的长度值。原理如图3-15所示：2．龟裂、块裂、松散、坑槽面积的测量龟裂、块裂、松散、坑槽这几种路面破损相对于单裂缝，要复杂得多，体现在图像上，主要表现为纹理结构复杂、不规则。因为这几种病害的不规则性，很难通过某一种算法自动识别病害区域。但仍然可以通过图像测量的方法间接计算破损区域的面积。这几种类型的病害区域可以通过多边形区域近似的描述，我们只要计算出包络的多边形的面积，将其转换为路面区域的面积，即可得到病害区域面积的估计值。在图像学中，多边形区域面积的计算通过有两种方法，解多边形法和像素计数法。解多边形法的其指导思想是，将图像中的多边形区域当作二维像平面中的几何图像，利用解析几何的方法，通过角点坐标计算出多边形区域的面积，再利用投影关系计算出对应的路面面积。这种方法的特点是计算速度快，尤其在多边形区域面积较大，但边数不太多的情况下，此方法的优势很明显。像素计数法是利用操作系统应用编程接口中提供的一些图像函数，由已知的角点坐标统计出多边形中的像素数，再根据投影关系换算成路面面积。这种方法的特点是计算精确，但速度较慢，尤其在多边形区域面积较大时，耗时较多。实际中，这两种方法要配合使用，以达到速度和准确性的统一。3．车辙面积测量车辙类病害以面积来表示，但车辙面积的测量离不开深度的测量。相关养护规范[3]中规定，车辙深度以25毫米为基准，小于25毫米者为轻，大于25毫米者为重。轻重级别不同，在计算综合破损率时采用的权重也有区别。因为车辙宽度有一定的规律性，车辙面积的计算采用长度乘以宽度系数的方法，[3]中列出的车辙面积计算公式为：长度(m)×0.4(m)。车辙检测所得的数据通常为车辙深度随里程位置分布的表格，我们通过二分法，依车辙深度对里程位置进行分类，即可得到一系列车辙轻重级别不同的里程位置。再统计出检测路段中轻度车辙和重度车辙的长度。有了不同程度的车辙长度值，通过以上公式就可以计算得到某一路段内不同程度的车辙的面积。4．路面变形面积的测量路面变形除了上面提到的车辙外，还有沉陷、波浪拥包等，这些变形类破损的面积计算可以采用小面元积分的思想。在3.1.4中，我们通过结构光辅助三维测量的方法，可以得到每一条经路面调制的激光线所对应的路面变形的深度及位置信息。因为路面变形往往是一个区域，一条变形的激光线对应着变形区域的一个条带，所以整个变形区域的面积需要多条激光线描述。我们可用如图所示的方法估算变形区域的面积。图中所示的一个路面拥包由4条（实际中激光线的条数依系统而有所不同）激光线来表征，由每条激光线的变形可以计算出一个路面变形条带的面积，多个条带的面积求和，即可得到变形区域的估算面积。