利用數字圖像獲取路面三維構造的裝置的製作方法

2023-11-30 15:41:26 1

專利名稱：利用數字圖像獲取路面三維構造的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於工程檢測技術領域，具體涉及到一種結合物理光學原理和數字圖像處理技術對道路表面構造進行三維恢復以評價其紋理特徵的裝置。
背景技術：
路面構造深度是路面檢測的一項重要內容，根據現行規範規定，用於評價路面抗滑性能的指標主要有平均構造深度(MTD)、平均斷面深度(MPD)以及摩擦係數(f)。平均構造深度(MTD)最常見的是採用鋪砂法進行測試並通過計算得到相應指標，計算前通常需要先利用鋪砂法確定閾值，應用較為不便，且該方法實施起來費時費力、效率低下、測試結果受人為因素影響很大，另外測試時需要封閉車道，影響交通通行能力。平均斷面深度(MPD)可通過雷射斷面儀進行快速測定，測試結果較鋪砂法精確很多，但設備比較昂貴，且MPD值是通過路面斷面輪廓線計算得到，以線代面，是一種二維指標，評價較為片面，不能完整、準確的反映路面真實情況，尤其是對高度指標，有很大局限性。摩擦係數較多的是採用擺式摩擦儀(BPT)進行測量，該方法精度較低，擺值易受灑水量和橡膠塊硬度的影響，數據獲得難度大，存在很多弊端。平均構造深度和平均斷面深度都是從宏觀的角度來表徵路面的抗滑能力，摩擦係數則是從微觀出發評價路面抗滑性能的優劣。由於傳統的路面構造測試技術都存在一定的缺點，不能直觀、準確、完整的表徵路面三維紋理構造情況，隨著科技的迅猛發展，高精度微測和計算機技術的進步，國內外的許多專家對此進行了深入的創新研究，提出了一些全新的路面紋理構造檢測技術。灰度圖像法國內最早是華南理工大學的王端宜教授提出將數字圖像應用於路面構造深度檢測中。該方法主要通過圖像上各區域明暗變化來判斷目標物的高低起伏情況。灰度圖像法能夠通過單張圖像快速、簡單的恢復路面的三維形貌，效率高、不汙染路面、操作簡單，但它沒有考慮到路面色彩和光照條件的影響，造成圖像信息的大量缺失，圖像合成效果也差，評價結果精確度較低。近些年來，國外也有專家提出採用四源立體光度技術對路面的斷面構造深度進行檢測。即將四個光源分布在不同的方向照射路面，拍攝路面圖像，恢復其高度值，並在所得路面三維圖像上提取斷面輪廓線，計算MPD值。該方法在恢復路面結構的時候能夠兼顧橫向和縱向的斷面深度情況，因而能夠較為全面的表徵路面紋理構造特徵，但重建圖像仍然以灰度圖像的形式進行處理，信息損失量大，圖像合成效果比較差，易造成路面形貌失真，評價結果精度低。反射式光纖傳感法光纖傳感技術是一種以光的全反射現象為理論基礎，以光波作為載體來對被測物的信號進行傳輸和感知的一種新型技術，具有結構簡單、靈敏度高、非接觸式測量、可實現遠距離信號傳送等優點，哈爾濱工業大學的陳國明用該方法對集料的表面紋理進行了檢測，結果發現集料表面色彩的不均勻性會造成紋理測試結果發生很大偏差。之後在集料表面鍍上一層真空鋁膜，方可得到較為準確的集料紋理結構，這使得該方法的實用性受到很大限制。可以看出傳統的測試技術多為路面宏觀構造的檢測，路面微觀構造的評價指標存在很大的缺失，也有人提出用粗糙度參數Ra來表徵路面細結構，使用雷射輪廓儀掃描來獲取路表輪廓曲線，在輪廓曲線上通過計算微觀紋理的高度相對於其高度中線的離散程度提取計算Ra，這在一定程度上反映了路面微觀構造，然而路面紋理在幾何學上呈現出錯綜複雜的狀態，具有不均一性，很難將細觀構造從中單獨的提取出來，且Ra的數量級比較小，這使得其計算結構受到路面宏觀構造的較大影響。也有人利用數字圖像表徵路表面構造方面的研究，但是其多為通過獲取灰色圖像，對集料幾何特性和混合料表面構造特性進 行二維參數表徵，這樣容易存在誤差大，精確度不高的問題。因此提出一種檢測快速、精度高，且能夠同時兼顧路面宏觀構造和微觀形貌的三維測試方法是非常必要的。

實用新型內容本實用新型所要解決的一個技術問題在於克服現有技術中路面構造檢測技術的缺陷，提供了一種能夠全面、精確地利用數字圖像獲取路面三維構造的裝置。本實用新型解決技術問題的技術方案是利用數字圖像獲取路面三維構造的裝置，包括底盤，在底盤上設置有固定支架，在固定支架的外部設置活動套筒，活動套筒的上端延伸至固定支架的頂端，在底盤上沿固定支架一側還設置螺旋杆，螺旋杆的頂端穿過活動套筒延伸至活動套筒的頂部與調節螺旋嚙合，在活動套筒的中段設置有與螺旋杆嚙合且可隨著螺旋杆旋轉而上下活動的託盤，在託盤上設置有照相單元和分布在照相單元外圍的三色光源，照相單元通過導線與計算機處理單元聯接，三色光源通過導線與恆流器聯接。上述三色光源是LED光源，三色光源包括紅光光源、藍光光源和綠光光源，均勻分布在照相單元的外圍。上述紅光光源、藍光光源和綠光光源上均設置有濾波片。本實用新型的工作原理是通過三個分離的、不同顏色的光源照射道路表面紅光(長光譜帶)、綠光(中等光譜帶)和藍光(短光譜帶)，隨著路面高度方向的改變，光譜的輻射強度分布也發生變化，生成三種不同光譜的圖像後，借鑑朗伯體(LAMBERT)模型，在忽略自身投影和內部反射的作用下，利用完全漫反射表面具有均勻的反射作用且對於空間內無限遠處的點光源S，反射光強I與表面法向和入射光線的夾角成比例，可根據一定的算法可計算其在x、y方向上的梯度值(P，q);將得到的梯度值進行傅立葉變換，根據Frankot-Chellappa全局積分算法,通過三維重建來復原路面構造特徵。本實用新型在三個不同光源方向照射條件下，拍攝多幅圖像，加強約束條件，利用圖像光強計算物體表面的方向梯度，完成物體表面三維重建，能夠精確、完整地實現路面的三維構造重建，便於對路面性能進行評價與研究，其大部分操作過程依賴於計算機進行，無需專業人員，操作簡便，誤差較小，還能夠獲取圖像信息完整、準確，提高了數值仿真程度，評價精度高；本實用新型的裝置結構簡單，只需3 5分鐘便可以獲取路面的三維構造，測試效率高；與雷射法相比，本實用新型只需常見的LED光源即可完成獲取工作，無需額外採購昂貴的雷射器。
圖I為本實用新型的裝置的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步詳細說明，但本實用新型不限於該實施例的結構。本實施例的利用數字圖像獲取路面三維構造的裝置，參見圖1，由活動套筒I、調節螺旋2、螺旋杆3、照相單元4、三色光源5、濾波片6、託盤7、恆流器8、底盤9、固定支架10、計算機處理單元11聯接構成。在底盤9上，設置有固定支架10，在固定支架10的外部套設活動套筒1，活動套筒I的上端延伸至固定支架10的頂端，在底盤9上沿固定支架10—側還設置有一個與固定支架10平行的螺旋杆3，螺旋杆3的頂端穿過活動套筒I延伸至活動套筒I的頂部與調節螺旋2嚙合，在活動套筒I的中段設置有與螺旋杆3嚙合且可隨著螺旋杆3旋轉而上下活動·的託盤7，在託盤7的中部設置有照相單元4，照相單元4通過導線與計算機處理單元11聯接，在照相單元4的周圍分布有由紅色光源、綠色光源和藍色光源組成的三色光源5，每個光源採用LED光源，其照射角度是相同，在每個光源的鏡頭前端裝有濾波片6，經過濾波片6過濾，能夠得到單一波長的光，各個光源分別通過導線與恆流器8聯接，可以實時調整光源的光照強度。使用時，將固定支架10固定在測試路面上，通過旋轉調節螺旋2帶動螺旋杆3轉動，調整託盤7的高度，至照相單元4與光源所在平面距路面高度設置為lm，調整三色光源5的照射角度，以及通過恆流器8調整光源的光照強度，使其照射區域完全重合，調整照相單元4的光圈、快門、ISO等參數，拍攝的照片設置為RAW格式，色彩空間設置為「AdobeRGB」，按照拍攝區域的面積為150mmX 150mm,圖像的大小為4272X2848像素拍攝在紅、綠、藍三色光源5下的測試路面的二維圖像，通過導線將圖像的數字信息發送到計算機處理單元11，有計算機處理單元11依據設定好的程序，對二維圖像進行濾波處理，計算出路面圖像反射強度的梯度值，再進行傅立葉變換，根據Frankot-Chellappa全局積分算法計算測試路面的高度值，實現三維重建。
權利要求1.一種利用數字圖像獲取路面三維構造的裝置，其特徵在於包括底盤(9)，在底盤(9)上設置有固定支架(10)，在固定支架(10)的外部設置活動套筒(1)，活動套筒(I)的上端延伸至固定支架(10)的頂端，在底盤(9)上沿固定支架(10)—側還設置螺旋杆(3)，螺旋杆(3)的頂端穿過活動套筒(I)延伸至活動套筒(I)的頂部與調節螺旋(2)嚙合,在活動套筒(I)的中段設置有與螺旋杆(3)嚙合且可隨著螺旋杆(3)旋轉而上下活動的託盤(7)，在託盤(7)上設置有照相單元(4)和分布在照相單元(4)外圍的三色光源(5)，照相單元(4)通過導線與計算機處理單元(11)聯接，三色光源(5)通過導線與恆流器(8)聯接。
2.根據權利要求I所述的利用數字圖像獲取路面三維構造的裝置，其特徵在於所述三色光源(5)是LED光源，三色光源(5)包括紅光光源、藍光光源和綠光光源，均勻分布在照相單元(4)的外圍。
3.根據權利要求2所述的利用數字圖像獲取路面三維構造的裝置，其特徵在於所述紅光光源、藍光光源和綠光光源上均設置有濾波片(6)。
專利摘要本實用新型涉及一種利用數字圖像獲取路面三維構造的裝置，包括底盤，在底盤上設置有固定支架，在固定支架的外部設置活動套筒，活動套筒的上端延伸至固定支架的頂端，在底盤上沿固定支架一側還設置螺旋杆，螺旋杆的頂端穿過活動套筒延伸至活動套筒的頂部與調節螺旋嚙合，在活動套筒的中段設置有與螺旋杆嚙合且可隨著螺旋杆旋轉而上下活動的託盤，在託盤上設置有照相單元和分布在照相單元外圍的三色光源，照相單元通過導線與計算機處理單元聯接，三色光源通過導線與恆流器聯接，本實用新型結構簡單，只需3～5分鐘便可以獲取路面的三維構造，測試效率高；與雷射法相比，而且只需常見的LED光源即可完成獲取工作，無需額外採購昂貴的雷射器。
文檔編號G01B11/24GK202676140SQ20122029925
公開日2013年1月16日 申請日期2012年6月25日 優先權日2012年6月25日
發明者劉亞敏, 韓森, 劉延強, 徐鷗明, 趙晶, 邵鵬康, 陳杰, 常嶸, 武濤 申請人:長安大學