基于深度相機(jī)的碎石撒布質(zhì)量檢測(cè)方法

金肅靜，羅 佳，顧海榮，劉 勝，韓 帥

(1.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院，浙江 杭州 311305；2.長安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；3.浙江省道橋檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311112；4.麗水市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，浙江 麗水 323050)

0 引言

碎石封層技術(shù)是一種高效、經(jīng)濟(jì)、快速的路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)，運(yùn)用碎石封層車將一定級(jí)配的碎石及瀝青同步鋪灑在路面上，通過膠輪壓路機(jī)或自然行車碾壓形成單層瀝青碎石磨耗層，在公路工程中應(yīng)用廣泛[1-3]。

碎石撒布的覆蓋率是碎石封層施工質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[4]，會(huì)影響基層表面整體受力及瀝青面層的抗裂能力，進(jìn)而影響道路的使用壽命[5]。目前國內(nèi)對(duì)碎石覆蓋率計(jì)算方法已開展了部分研究，張國華[6]通過計(jì)算瀝青噴灑量和碎石撒布量來衡量碎石封層的施工質(zhì)量和覆蓋率；謝立揚(yáng)[7]在假定試驗(yàn)數(shù)據(jù)按正態(tài)分布的情況下，以撒布概率作為碎石撒布質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)；高曉剛[8]等人通過超聲波測(cè)量以及均方差來判斷碎石撒布的覆蓋率。以上技術(shù)都未能直接觀測(cè)封層表面數(shù)據(jù)，碎石覆蓋率評(píng)價(jià)方法不夠完善。

路面構(gòu)造深度是表征路面微觀構(gòu)造的重要指標(biāo)[9]。國內(nèi)外獲取路面構(gòu)造深度的檢測(cè)方法有鋪沙法、排水測(cè)定法和激光斷面檢測(cè)法[10]。鋪沙法將已知體積的標(biāo)準(zhǔn)沙均勻地鋪灑在路面上，沙的體積與所攤鋪面積之比為路面的構(gòu)造深度，操作簡單，但對(duì)標(biāo)準(zhǔn)沙的尺寸、干濕度均有嚴(yán)格要求，檢測(cè)速度慢；排水測(cè)定法是通過檢測(cè)一定體積的水通過路面所消耗的時(shí)間來反映構(gòu)造深度，但水的流動(dòng)性不易控制，測(cè)量復(fù)雜；激光斷面檢測(cè)法[11]采用激光傳感器采集數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果精確，但設(shè)備昂貴。華南理工大學(xué)王端宜[12]提出采用數(shù)碼相機(jī)獲取路面圖像，運(yùn)用圖像點(diǎn)的明暗差異表示路表的凹凸程度，再通過比例修正得到路表構(gòu)造深度，此種方法易受路面紋理結(jié)構(gòu)和光照影響。

針對(duì)上述問題，本研究對(duì)碎石封層施工中的碎石撒布質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究。采用深度相機(jī)獲取碎石封層的表面圖像和深度圖像，根據(jù)表面圖像像素點(diǎn)的灰度差異，提出了基于最大類間方差法和形態(tài)學(xué)方法的碎石覆蓋率算法，快速準(zhǔn)確地識(shí)別分離碎石輪廓，并計(jì)算碎石的覆蓋率；通過深度圖像數(shù)據(jù)，構(gòu)建碎石封層表面的空間曲面，計(jì)算碎石封層的構(gòu)造深度；對(duì)碎石封層的碎石撒布覆蓋率和表面構(gòu)造深度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 碎石封層表面圖像的獲取

相比于超聲波、雷達(dá)、激光等傳感器，視覺傳感器的成本更低，并且可同時(shí)獲取碎石的彩色圖像，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。常見的基于視覺傳感器的深度數(shù)據(jù)獲取方法有雙目測(cè)距法、結(jié)構(gòu)光投影法和飛行時(shí)間法[13]。雙目測(cè)距法和結(jié)構(gòu)光投影法更依賴純圖像匹配，容易受環(huán)境光干擾，室外效果差，隨檢測(cè)距離增加，精度會(huì)變降低[14]，而飛行時(shí)間法受環(huán)境光的干擾少，測(cè)量精度更高。本研究利用基于飛行時(shí)間法原理的深度相機(jī)采集數(shù)字圖像，研究碎石封層的覆蓋率和構(gòu)造深度檢測(cè)方法。

基于飛行時(shí)間法(TOF)原理的深度相機(jī)可以測(cè)量光脈沖在傳感器與物體表面之間的飛行時(shí)間[15]，飛行時(shí)間與光速的乘積是測(cè)量距離的兩倍。被測(cè)物體與相機(jī)之間距離的計(jì)算公式如下:

(1)

式中，D為被檢測(cè)面與深度相機(jī)之間的距離；c為光速，3×108m/s;Δφ為發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的相位差；f為信號(hào)的調(diào)制頻率。圖1為圖像采集試驗(yàn)裝置。

圖1 圖像采集裝置Fig.1 Image acquisition device

將L515型深度相機(jī)固定在相機(jī)托架上，通過調(diào)整水平支架和豎直支架的位置，使深度相機(jī)與碎石封層表面保持平行，深度相機(jī)信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)連接，采集碎石封層的圖像。

2 碎石封層表面的覆蓋率計(jì)算

碎石覆蓋率也就是圖像中碎石顆粒像素占整個(gè)圖像像素總數(shù)的百分比。為了準(zhǔn)確區(qū)分圖像中的碎石與瀝青類別，研究了一種基于最大類間方差法和形態(tài)學(xué)方法的碎石封層覆蓋率算法。

2.1 基于最大類間方差法的顆粒分離

計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理時(shí)，會(huì)將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成為一個(gè)二維矩陣[16]。本研究采集的碎石封層圖像為彩色圖像，為了分析圖像像素點(diǎn)灰度變化，并減少計(jì)算量，將采集到的三通道的彩色圖像轉(zhuǎn)換為單通道的灰度圖像。

Gray=0.299R+0.587G+0.114B，

(2)

式中，R為紅色通道像素的亮度級(jí)別；G為綠色通道像素的亮度級(jí)別；B為藍(lán)色通道像素的亮度級(jí)別。

對(duì)灰度化后碎石封層圖像進(jìn)行二值化處理[17]，凸顯出封層表面的碎石輪廓。最大類間方差法(OTSU)，是一種基于全局的二值化算法。首先根據(jù)圖像的灰度特性，假設(shè)一分割閾值，將碎石封層圖像分為碎石前景和瀝青背景兩類，根據(jù)前景和背景兩類像素的均值和在全局像素中的比例，計(jì)算前景和背景的方差。封層圖像中的碎石被錯(cuò)分為背景或部分瀝青背景被錯(cuò)分為前景時(shí)，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的方差變??；前景和背景之間的類間方差越大，說明構(gòu)成圖像的兩個(gè)類間的差別越大。

(3)

式中，nq為灰度值為q的像素?cái)?shù)量；n為圖像中像素的總數(shù)。

為了得到合適的分離閾值k，獲得最大類間方差：

(4)

(5)

P2(k)=1-P1(k)，

(6)

(7)

根據(jù)最大類間方差法不斷迭代計(jì)算出碎石圖像的最優(yōu)分割閾值，利用最優(yōu)閾值來對(duì)碎石的二值化圖像進(jìn)行處理，得到如圖2比較好的分割效果，可以明顯的描繪出碎石輪廓，白色部分為碎石顆粒。

圖2 分割后碎石圖像Fig.2 Gravel image after segmentation

2.2 形態(tài)學(xué)方法優(yōu)化碎石圖像

利用最大類間方差法可以有效的分割出碎石顆粒，但此時(shí)的碎石圖像還存在一些不足，如碎石顆粒間彼此連接、邊界模糊、一些碎石的內(nèi)部存在空洞[18]，應(yīng)對(duì)分割后圖像進(jìn)行優(yōu)化處理。本研究采用形態(tài)學(xué)方法優(yōu)化碎石圖像，形態(tài)學(xué)方法分為開運(yùn)算和閉運(yùn)算。

首先對(duì)分割后的碎石封層圖像進(jìn)行開運(yùn)算，消除碎石輪廓圖像邊緣的狹小突刺，斷開碎石輪廓之間細(xì)小狹長的部分[19]。再進(jìn)行閉運(yùn)算填補(bǔ)碎石輪廓圖像中內(nèi)部的小孔和邊緣缺口，連接細(xì)小狹窄的斷裂部分確保連通區(qū)域的完整性，平滑連通區(qū)域的邊緣。

對(duì)二值圖像進(jìn)行開閉運(yùn)算后的效果如圖3所示。

圖3 開閉運(yùn)算處理分割后圖像Fig.3 Processing segmented image by opening and closing operations

圖3(a)為開運(yùn)算處理后圖像，設(shè)置開運(yùn)算的閾值為2像素。與二值化處理后的碎石圖像相比，可以明顯看到消除了其中碎石邊緣比較狹小的突刺。圖3(b)為閉運(yùn)算處理后的圖像，填補(bǔ)了碎石輪廓內(nèi)部的一些小孔，平滑了碎石區(qū)域的邊緣，優(yōu)化出一個(gè)最佳的碎石輪廓圖像。

碎石和瀝青同時(shí)鋪灑時(shí)，在碎石封層圖像中會(huì)有一些小徑的碎石或?yàn)r青顆粒，對(duì)封層整體性能影響比較小，因此剔除一些小徑顆粒。圖4為剔除直徑3 mm以下的小顆粒狀后的碎石圖像。

圖4 剔除小顆粒Fig.4 Removing small particles

利用下式計(jì)算碎石撒布的覆蓋率指標(biāo)。

(8)

式中，ψ為碎石覆蓋率；R為碎石封層圖像中碎石的面積(像素?cái)?shù))；A為整幅圖像的面積(像素?cái)?shù))。

3 碎石封層的表面構(gòu)造深度

路面的構(gòu)造深度是指一定面積的路表面凹凸不平的平均深度，是評(píng)價(jià)路面質(zhì)量的重要指標(biāo)[20]，以較低的成本快速獲得高精度的路面構(gòu)造深度指標(biāo)是道路路面檢測(cè)的難度和重點(diǎn)[10,21]。本研究采用深度相機(jī)獲取碎石封層深度圖像，通過距離封層表面的深度數(shù)據(jù)計(jì)算路面構(gòu)造深度，對(duì)碎石封層的撒布質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

利用深度相機(jī)獲取的碎石封層深度數(shù)據(jù)如圖5所示，其中X，Y為獲取深度數(shù)據(jù)的像素坐標(biāo)，Z軸為深度圖像上每像素點(diǎn)深度相機(jī)距封層表面的距離，在深度圖像上不同的深度表現(xiàn)為不同的顏色。

圖5 封層表面深度數(shù)據(jù)Fig.5 Surface depth data of seal

圖6為封層表面某一斷面的深度信息，其中F0為整個(gè)深度信息的平均值，斷面曲線的波峰與波谷表示每點(diǎn)像素深度，每點(diǎn)的構(gòu)造深度為每像素點(diǎn)深度與平均深度的偏差值，整個(gè)斷面曲線的平均構(gòu)造深度為所有像素點(diǎn)的平均偏差值。

圖6 斷面深度信息Fig.6 Section depth information

根據(jù)深度相機(jī)獲取的整個(gè)表面深度數(shù)據(jù)，可以直觀地觀察到碎石封層表面凹凸不平的起伏程度，整個(gè)表面的深度數(shù)據(jù)減去平均深度并進(jìn)行卷積二重積分計(jì)算，得到給定區(qū)域碎石封層的構(gòu)造空間曲面體積V，并根據(jù)測(cè)量的碎石面積A計(jì)算出該測(cè)量表面的平均構(gòu)造深度H。

(9)

式中，F(xiàn)0為深度相機(jī)距離表面的平均深度；F(x,y)為獲取的每像素點(diǎn)的深度數(shù)據(jù)；D為所測(cè)量表面的區(qū)域面積；V為空間曲面構(gòu)造出的體積。

(10)

式中，H為基于深度信息的平均路面構(gòu)造深度；A為測(cè)量的碎石封層表面積；φ為像素圖像與實(shí)際圖像的比例系數(shù)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬直徑在9.5～19 mm的碎石顆粒封層鋪撒后的狀態(tài)，利用深度相機(jī)分別在距封層表面200 mm和300 mm處采集30幅碎石封層圖像，對(duì)獲取的彩色圖像利用最大類間方差法和形態(tài)學(xué)處理，描述封層圖像上碎石邊緣輪廓，并計(jì)算碎石的覆蓋率，如圖7所示。

圖7 30幅碎石封層表面覆蓋率和閾值Fig.7 Thirty pieces of gravel seal surface coverage and threshold

圖7(b)為距表面200 mm和300 mm高度利用最大類間方差法計(jì)算的分割閾值，不同高度下的圖像分割閾值接近。圖7(a)為距表面200 mm和300 mm 高度下計(jì)算出的碎石覆蓋率，兩個(gè)高度的覆蓋率趨勢(shì)相同，計(jì)算的覆蓋率在50%左右，碎石覆蓋率誤差在2%之內(nèi)，表明該碎石覆蓋率檢測(cè)算法的準(zhǔn)確性。

我國公路工程中常用的構(gòu)造深度檢測(cè)方法為鋪沙法。本研究在碎石級(jí)配為9.5～19 mm的典型碎石封層路段隨機(jī)選擇5處封層表面，進(jìn)行深度信息檢測(cè)方法與鋪沙法的對(duì)比試驗(yàn)，采集的每段碎石封層面積為300 mm×300 mm，基于深度相機(jī)獲取的深度信息檢測(cè)和鋪沙法檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 5段碎石封層表面的檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Inspection data of 5-segment gravel seal surface

圖8為5段碎石封層表面基于深度相機(jī)獲取深度信息計(jì)算的表面構(gòu)造深度和鋪沙法獲得的構(gòu)造深度的比較曲線，兩曲線趨勢(shì)相同，且深度信息構(gòu)造深度的最大檢測(cè)誤差在3%之內(nèi)，結(jié)果表明利用深度相機(jī)獲取深度圖像計(jì)算的路面構(gòu)造深度可對(duì)碎石封層表面進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。

圖8 5段碎石封層路面構(gòu)造深度比較Fig.8 Comparison of pavement structure depths of 5-segment gravel seal

5 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)有碎石撒布質(zhì)量檢測(cè)方法未能直接觀測(cè)分析碎石封層表面問題，提出一種基于深度相機(jī)獲取碎石封層彩色圖像和深度信息，分析計(jì)算表面碎石覆蓋率和封層路面構(gòu)造深度，對(duì)碎石撒布質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。

(2)基于最大類間方差法和形態(tài)學(xué)方法，分離封層表面圖像中的碎石與瀝青，填補(bǔ)碎石內(nèi)部空洞，銳化碎石邊界，優(yōu)化碎石輪廓，獲得封層表面的碎石覆蓋率；對(duì)獲取整個(gè)表面的深度圖像信息進(jìn)行二重積分計(jì)算，構(gòu)建給定區(qū)域圖像碎石封層空間曲面，并通過各像素點(diǎn)深度偏差值計(jì)算碎石封層的平均構(gòu)造深度。

(3)在不同高度下采集多幅碎石封層圖像進(jìn)行覆蓋率計(jì)算，誤差在2%之內(nèi)；分別選擇5段不同碎石封層路段，比較深度圖像路面構(gòu)造深度與鋪沙法獲取的構(gòu)造深度，最大誤差在3%之內(nèi)，表明該方法可用于碎石封層表面撒布質(zhì)量的檢測(cè)。