[发明专利]基于深度和灰度图像的路面裂缝检测装置和方法

说明书

技术领域

本申请属于测绘科学技术与仪器科学的交叉领域，涉及图像处理技术、移动精细定位技术与多传感器集成与同步控制技术，尤其涉及道路面裂缝检测方法及装置，其可以广泛应用于移动道路测绘、路面检测、轨道检测、隧道检测等测绘和交通领域。

背景技术

公路在使用过程中，受自然环境、行车荷载等诸多因素影响，公路表面逐渐形成多种破损，裂缝作为路面常见的破损形式，对公路的危害极大。为了节约养护资源，同时保障行车的安全、舒适性，需准确获取裂缝的位置、面积、程度等参数信息，为交通管理部门客观评价路面质量、科学决策养护管理方案提供依据。

裂缝是评价路面质量最重要的参数之一，是大部分病害的早期表现形式，直接影响着公路使用寿命和行车安全。传统路面裂缝检测技术基于人工视觉检查，效率低，工作强度大，检测速度慢，精度较低，并且在高速公路上进行人工检测时，检测人员人身安全受到了影响。

现有的车载多传感器集成同步控制方法将距离传感器与内部时钟结合，用于按空间间隔采样控制传感器的工作，并为传感器的采集数据提供时间戳。

现有的二维路面裂缝检测系统采用路面图像获取技术，即照明系统与照相机相结合的方式拍摄路面图像用以记录路面裂缝信息，并采用二维灰度信息处理技术分析路面裂缝。但是，二维路面裂缝检测技术对于检测光照不均、阴影、裂缝信息较弱的图像仍有欠缺，检测效果一直不理想，其仍是二维路面裂缝检测领域需要攻克的技术难题。

随着激光扫描技术、激光雷达技术、照相机立体视觉技术、结构光三维检测技术的发展，三维路面裂缝检测技术成为新的发展方向。三维路面裂缝检测技术直接获取路面的三维信息，从深度上区分路面与裂缝，不受光照不均、阴影等的影响，但是，在获取路面三维信息时，由于裂缝与路面凸起等导致的遮挡、路面材料反射特性的差异导致扫描的误差等原因，使得获取的数据中缺失了裂缝等的部分信息，直接影响三维裂缝的检测效果。

发明内容

如上所述，传统的二维路面裂缝检测系统采用路面图像获取技术，即照明系统与照相机相结合的方式拍摄路面图像以记录路面裂缝信息，并采用二维灰度信息处理技术分析路面裂缝。其缺点主要有：光照不均导致图像对比度过高，掩盖了裂缝的特征信息，裂缝的漏识别率与识别不全率高；阴影造成的裂缝虚假信息，裂缝的误识别率高；裂缝信息较弱，裂缝信息丢失，裂缝无法识别。有鉴于此，本发明以裂缝三维检测方法为主，直接获取道路面的三维信息，利用大功率准直线激光器，能够为道路裂缝所产生的剖面提供照明，照明范围集中，有效解决了光照不均和阴影的问题；在光电编码器的控制下，道路剖面的识别间隔可以在1mm以内，极大地提高了微小裂缝的识别与检测效果。

如上所述，现有的三维裂缝检测系统主要利用激光三维扫描和结构光成像技术。然而，由于高精度三维激光扫描仪设备昂贵，尽管其测量较远距离目标时对目标大小识别精度要求不高，应用优势很大，但是在扫描近距离目标时，由于扫描速率(单位时间内产生的激光点数)的限制，在高速情况下的点云密度远远不够(速度越快，单位时间内的断面越多，断面上激光点分布越少，激光点的分辨率越低)，精度很难达到道路面裂缝检测的需求。尽管基于结构光的路面裂缝三维检测技术具有数据精度高、特征丰富、对路面阴影、光照不均、裂缝信息较弱以及随机噪声不敏感等优势，但是，由于路面材料反射特性的差异，对结构光的吸收、镜面反射等容易导致数据的丢失与测量误差，由于结构光对扫描角度的限制，使得一定条件下的遮挡(例如结构光打到裂缝里面时，裂缝达到一定深度时，反射光被遮挡，无法被接收)直接引起测量数据的丢失，特别是裂缝信息的丢失。有鉴于此，本发明在结构光三维检测的基础上，同时获取每个坐标点的灰度信息，其目的是通过分析小范围内灰度的分布特征、深度的分布特征以及激光的线宽值分布特征来有效还原丢失的数据的测量误差，提高了道路面裂缝识别的准确率。

如上所述，现有的车载多传感器集成同步控制方法将距离传感器与内部时钟结合，用于按空间间隔采样控制传感器的工作，并为传感器的采集数据提供时间戳。其缺点是：没有将车辆行驶的线性参考坐标与采集的数据相关联，对于道路检测、轨道检测这类通常以线性参考坐标为基准的应用，空间定位表达十分不方便。有鉴于此，本发明通过GPS数据、高精度时间和里程数据的同步输出，快速建立GPS大地坐标系(WGS-84)与道路线性参考坐标系的转换模型。