劉希偉
(新疆公路橋梁試驗(yàn)檢測(cè)中心有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 831000)
基于2d影像的檢測(cè)路面裂縫技術(shù),因?yàn)殡y于克服路面陰影、污漬、不均光照等不利因素的干擾,測(cè)量結(jié)果經(jīng)常會(huì)存在相當(dāng)數(shù)量的誤判或者漏檢。針對(duì)2d影像裂縫檢測(cè)技術(shù)所存在的技術(shù)不足,3d結(jié)構(gòu)光檢測(cè)技術(shù)相繼得到開發(fā)應(yīng)用。該技術(shù)利用3d識(shí)別和信息獲取優(yōu)勢(shì),形成抗御環(huán)境光干擾能力強(qiáng),細(xì)節(jié)獲取更充分,影像反應(yīng)更接近真實(shí)物態(tài),識(shí)別精度更高等技術(shù)優(yōu)勢(shì),被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到路面裂縫檢測(cè)中。
路面裂縫的結(jié)構(gòu)光檢測(cè)技術(shù)屬于非接觸式路面裂縫檢測(cè)技術(shù),應(yīng)用線激光三角檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)裂縫測(cè)量,具體見(jiàn)圖1所示。圓柱體代表攝像機(jī),立方體代表線激光器,攝像機(jī)光軸與線激光器光平面的交點(diǎn)建立水平測(cè)量基準(zhǔn)面,θ1為測(cè)量基準(zhǔn)面法線與線激光器光平面的夾角,θ2為測(cè)量基準(zhǔn)面法線與攝像機(jī)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(jī)以θ2的角度從另一側(cè)檢識(shí)掃描反射光,經(jīng)過(guò)數(shù)理模型變換和識(shí)別處理,獲得掃描面的裂縫信息。結(jié)構(gòu)光檢測(cè)技術(shù)能夠形成對(duì)路面裂縫的3d識(shí)別系統(tǒng),因此其裂縫識(shí)別更立體、直觀和準(zhǔn)確。
圖1 線激光檢測(cè)原理
依據(jù)線激光與攝像機(jī)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(jiàn)圖2所示。
圖2 感受器組合方式
(1)垂直投射線激光到待測(cè)物體表面,攝像機(jī)從一側(cè)傾斜采集數(shù)據(jù)。
(2)線激光從一邊投射到被測(cè)物體表面,攝像機(jī)垂直捕獲數(shù)據(jù)。
(3)線激光被斜投射到被測(cè)物體表面,攝像機(jī)也從另一側(cè)斜向捕捉數(shù)據(jù)。見(jiàn)圖2具體所示,β是線激光平面和攝像機(jī)光平面之間的夾角[1]。
結(jié)構(gòu)光檢測(cè)路面縫隙抗顛簸模型見(jiàn)圖3所示。
圖3 路面縫隙抗顛簸結(jié)構(gòu)光檢測(cè)模型
當(dāng)承載平臺(tái)顛簸時(shí),檢測(cè)面與線激光間的距離就會(huì)不停地變化,檢測(cè)分辨率因此深受干擾。為了克服這個(gè)問(wèn)題,在圖3所示的感受器抗顛簸測(cè)量模型中,將攝像機(jī)鏡頭的光軸與檢測(cè)平面的交點(diǎn)水平移動(dòng)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(guò)程中,檢測(cè)分辨率依然可以滿足檢測(cè)精度要求。
檢測(cè)指標(biāo)包括:掃描速度v、測(cè)寬L、測(cè)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(cè)寬度l、高度H、鏡頭焦距f、攝像機(jī)光軸與光平面夾角β、鏡頭視區(qū)等。
(1)實(shí)際檢測(cè)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(wú)法滿足這樣的寬度。為此采取了如下技術(shù)處理,檢測(cè)寬度≤2 m,使用1套感受器,檢測(cè)寬度>2 m,則應(yīng)用2套感受器[2]。
(2)檢測(cè)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(jī)光軸dz與光平面夾角β公式:
(7)檢測(cè)寬度l'計(jì)算公式:
(8)橫向分辨率dx'計(jì)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(jì)算。相對(duì)簡(jiǎn)潔的是從(6)重新開始計(jì)算,該計(jì)算中深度分辨率變得更高。從(5)重新開始計(jì)算,深度分辨率不變,但感受器體積會(huì)縮小。
通過(guò)前述設(shè)計(jì)方法,可以得到滿足檢測(cè)系統(tǒng)要求的感受器結(jié)構(gòu)參數(shù)值和取值范圍。
2.2.1 感受器成像模型
感受器成像模型見(jiàn)圖4所示,其中包括3個(gè)坐標(biāo)系:Og-XgYgZg世界坐標(biāo)系、Oc-XcYZc攝像機(jī)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(jī)光軸,Oc為攝像機(jī)光軸中心點(diǎn)。Zc軸與像平面的交點(diǎn)即為影像坐標(biāo)系O點(diǎn),即像平面的中心,攝像機(jī)坐標(biāo)軸與影像坐標(biāo)軸平行,線激光平面與Zc軸的交點(diǎn)為世界坐標(biāo)系Og點(diǎn)。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(cè)量誤差分析
治療中體表光學(xué)監(jiān)測(cè)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(yàn)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(wú)統(tǒng)計(jì)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(cè)量誤差分析。依據(jù)線結(jié)構(gòu)光成像模型,通過(guò)直接測(cè)量感受器結(jié)構(gòu)參數(shù)和對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo),根據(jù)已知的函數(shù)關(guān)系,可以計(jì)算出被測(cè)物體的坐標(biāo)值。通過(guò)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(cè)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(cè)量誤差,Δi表示感受器結(jié)構(gòu)參數(shù)的校準(zhǔn)誤差和測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的獲取誤差。出于方便計(jì)算考慮,式中測(cè)量誤差Δ取2的范數(shù),即:
(2)測(cè)量誤差的因素影響關(guān)系。感受器測(cè)量誤差的影響因素有2個(gè):一是物體像點(diǎn)坐標(biāo)獲取誤差;二是感受器參數(shù)或校準(zhǔn)誤差。對(duì)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(diǎn)坐標(biāo)獲取算法確定后,假定像點(diǎn)誤差為定值,也就是ΔX=ΔY=δ,則感受器測(cè)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(cè)量誤差分布并不規(guī)則。因此通過(guò)研究圖像平面中最大測(cè)量誤差像素點(diǎn),分析感受器參數(shù)對(duì)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(diǎn)所對(duì)應(yīng)的最大測(cè)量誤差為:
在確定像點(diǎn)坐標(biāo)獲取算法后,δ值即得以確定,但探測(cè)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(cè)量誤差的主要是β,并且其影響呈現(xiàn)非線性特點(diǎn)。
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(cè)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)。
2.3.1 試驗(yàn)初步計(jì)算結(jié)果
實(shí)例檢測(cè)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(cè)量±10 cm:測(cè)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(jì)算技術(shù)獲得的計(jì)算結(jié)果如下:H=61.9 cm,攝像機(jī)的幀頻為2 223fps,f=1.2 cm,67.69>β>22.49,β=25°得到攝像機(jī)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(cè)深條件,進(jìn)行測(cè)量,每個(gè)測(cè)量段的6個(gè)不同位置測(cè)量所得像素變化具體見(jiàn)表1所示。
表1 測(cè)量所得像素變化結(jié)果
檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示,最大顛簸量和測(cè)深條件下,測(cè)量系統(tǒng)符合0.1 cm的深度分辨率功效要求,對(duì)工程測(cè)量具有應(yīng)用價(jià)值。
2.3.2 進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算結(jié)果
上節(jié)計(jì)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(gè)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(jìn)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(jiàn)圖5所示。曲線顯示,當(dāng)β取值47°時(shí),獲得最小檢測(cè)誤差,因此β=47°即為最佳解,從而進(jìn)一步提高了測(cè)量精度。
圖5 檢測(cè)誤差與β的影響關(guān)系
通過(guò)對(duì)前述感受器結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)結(jié)果,即β=47°時(shí),檢測(cè)系統(tǒng)在不同顛簸條件下測(cè)量不同測(cè)深下的1.7 mm變形量,根據(jù)檢測(cè)面不同位置的像素變化結(jié)果數(shù)據(jù)顯示,參數(shù)改進(jìn)后,檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度有所增強(qiáng)。
該文開展了路面裂縫的結(jié)構(gòu)光車載檢測(cè)技術(shù)研究,主要包括:
(1)介紹了線結(jié)構(gòu)光檢測(cè)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(cè)模型等技術(shù)點(diǎn)。
(2)介紹了感受器參數(shù)計(jì)算與優(yōu)化選擇技術(shù),包括感受器參數(shù)計(jì)算、感受器成像模型、感受器測(cè)量誤差分析、感受器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)點(diǎn)。
(3)介紹了試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證了該技術(shù)的工程適用性。