路面裂缝检测系统关键技术的研究与开发

发布时间：2020-08-08 17:49

【摘要】：路面裂缝识别属于图像纹理分类问题。近年来,在路面裂缝检测领域,主要研究方向围绕在高效、准确地测量计算出路面上各类裂缝信息,特别是初期较为细小的裂缝。由于高速路面上的裂缝本身存在不规则的方向变化,并掺杂有正常沥青石子间的纹理、油斑、物体影斑、车辙、标线等复杂的噪音源,路面裂缝的自动识别分类仍然存在许多难点。使用传统的人工检测路面裂缝周期往往达到3～6个月,严重制约了道路养护决策,已经在一定程度了失去了时效性;同时,使用人工进行路面裂缝检测受到检测技术自动化程度不足、检测人员主观判断程度高等因素的作用,精准度和稳定性往往也受到影响。论文研究了使用机器学习技术和图像处理技术对高速路面中的裂缝进行分类识别和参数测量的方法。通过机器学习实现对路面图像中存在裂缝的路面图像区域的标识,主要包括裂缝样本选择、特征值计算、分类器训练和裂缝外接矩形计算。使用优化的Haar模板和改进检测机制改进减少了路面裂缝分类器训练所需时间,并提高了路面裂缝识别检测速度。论文中对裂缝特征测量主要利用裂缝骨架和轮廓信息求取裂缝长度、宽度、面积等各项参数。裂缝骨架提取应用了细化算法,然后对细化得到的裂缝骨架进行毛刺消除和骨架跟踪。在长度计算上,论文采用直线拟合法对裂缝分段求取长度,然后再计算总长;在裂缝方向上通过判断拟合直线斜率完成裂缝方向进一步判定;在宽度计算上,论文设计一种算法在骨架的邻域内搜索裂缝轮廓边缘,实现裂缝宽度计算;在块度计算上,根据块度的定义,设计一种最小闭合骨架单元搜索算法搜索计算网状裂缝的块度值;在面积计算上,设计一种面积计算方法实现对网状类裂缝的面积计算。最后,论文在Visual Studio 2015平台上利用OpenCV对高速路面实测图像的分析识别、裂缝参数测量进行编程实现。论文设计的系统对评定、鉴定高速路面裂缝破损,缩短路面养护周期具有重要应用价值和经济效益,同时该系统也可以应用于桥梁、隧道等诸多领域。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP274;TP391.41;U418.6
【图文】：

相机,外观,路面,图像采集

这种计算流程能有效提高裂缝几何参数计算速度，同时排除大量的非裂缝区域也有助于提高裂缝几何参数的计算精度。2.1 路面图像采集及纹理特点在路面图像采集过程中采集车运行速度高，路面干扰纹理多，实现图像的快速采集和降低采集过程中的图像噪音有利于路面图像的下一步处理此外。路面图像采集过程中需要注意路面光照条件、相机采集频率和车速的匹配。路面图像采集时使用 EoSens 25CXP 高速相机、NIKON 14mm 镜头与 microEnable5 VQ8-CXP6D 型图像采集卡进行，采用 CX DIN to DIN 5m 线缆进行数据传输。其CoaXPress 接口可以满足 EoSens CXP 系列高速摄像机在超过 100 米的范围内高帧速率传输百万像素级图像，可以实现在 PC 端的图像高速接受和处理，此接口的速率高达25Gbit/s。采集速度可以达到每秒采集 81 幅图像的速度，采集过程中使用独立光源补光，采集车及相机外观如图 2.1 所示。路面图像采集路段为 G22 高速 K62-K87 上行段。

路面裂缝,类型

c) 龟裂 d) 块状裂缝图 2.2 常见路面裂缝类型需要对路面裂缝表现出的纹理特征特点进行全面分析，常见的路面裂缝如图 2.2 示。通过对两万余张路面图像库中存在的裂缝分析后，将路面裂缝特征归结为以下几点1)从灰度图的灰度值上分析，出现裂缝的图像区域较正常路面的图像区域要暗，灰度值低。2)在相机拍摄的路面图像中，能被分辨到的路面裂缝在视觉上存在一定的连续性在灰度图中裂缝区域与正常路面区域交界处存在着较大的梯度变化，灰度值的剧烈变在视觉层面上表现为裂缝的轮廓。3)路面裂缝检测系统需要识别计算的裂缝有包含横向裂缝、纵向裂缝的单向类裂以及包含龟裂、块状裂缝的网状类裂缝，在视觉层面上裂缝目标都具有不同的几何参数并且对于平行于行车方向的纵向裂缝和垂直于行车方向的横向裂缝，在裂缝走向上具一定规律。4)对于包含横向裂缝和网状裂缝的单向类裂缝、包含龟裂和块状裂缝的网状类

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完成对路面裂缝的查找和裂缝几何参数计算的数据准备。不同于传统的使用预处理手段突出路面图像中裂缝特征的方法，在使用的裂缝分类算法进行裂缝区域标识前，需要尽可能保留图像的原有细节。路面图像噪音作为路面裂缝纹理特征的一部分，对丰富路面纹理信息有着重要帮助，为了保证原有路面裂缝纹理特征的完整性，使用原始路面图像进行裂缝分类器训练。在进行裂缝几何参数测量计算时，对标识得到的裂缝图像使用图像测量原理，设计裂缝各项几何参数计算算法，通过图像分割、裂缝轮廓与骨架提取、方向链码跟踪裂缝骨架、直线拟合、8 邻域搜索等算法实现裂缝长度、方向、宽度、块度和面积的计算，最终完成裂缝破损等级评估工作。本系统功能模块关系如图 2.3 所示，主要目的概括为：1)能够自动完成对路面图像库中的裂缝区域四个角点的标识；2)对裂缝区域内的各项裂缝几何参数进行测量；3)完成裂缝类型、破损程度等评定，并建立裂缝。

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