本發(fā)明涉及路面采集技術領域。

背景技術：

路面不平度的采集方式隨著科技的發(fā)展多種多樣，但是更加精確的采集三維道路表面的信息一直是人們追求的目標。目前在車輛動力學領域，對于路面激勵的標準已是多年之前制定的，科技研究中需要的是真實路面的信息，因為三維道路表面形貌對于車輛的操作穩(wěn)定性、使用壽命、行駛安全性和平順性等起到關鍵作用，因此，實測三維道路表面三維數(shù)據(jù)對科技的進展和研究具有非常重要的意義。

現(xiàn)有的非接觸式路面不平度采集儀多為激光式路面不平度檢測儀，已經(jīng)得到較多的應用，但是此裝置精確度和方便性方面還是有待提高，不能全面地測量三維路面譜的數(shù)據(jù)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種非接觸式的三維道路表面形貌的采集方法和裝置，裝置簡單，操作方便，可以更加精確和方便地測量和提供三維道路表面形貌的數(shù)據(jù)信息。

為解決上述技術問題，本發(fā)明所采取的技術方案是：其特征在于：步驟包括：

(1)、標定初始條件：在控制及處理裝置中設定初始條件；在初始位置將相機設定為標準狀態(tài)，選定一塊水平的平面區(qū)域為初始區(qū)域，設定初始區(qū)域內所有點的高程值均為0；

(2)、采集測試區(qū)域路表圖像：利用采集車進行測試區(qū)域的路表圖像連續(xù)采集，采集測試區(qū)域路表圖像的速度即為車輛運行速度，在控制及處理裝置中設定采集頻率，利用電荷耦合器件chargecoupleddevice，也就是ccd相機采集測試區(qū)域路表圖像，并保持ccd相機始終與所述步驟1中的平面區(qū)域垂直；

(3)、計算三維坐標：控制及處理裝置利用數(shù)字圖像處理技術，根據(jù)測試區(qū)域與初始區(qū)域的高度差變化，計算得到各個測試區(qū)域的多點三維坐標并輸出三維坐標值數(shù)據(jù)；

(4)、根據(jù)輸出的多點三維坐標值數(shù)據(jù)、采集測試區(qū)域路表圖像的速度和采集頻率，通過matlab編程，把數(shù)據(jù)整合，得到測試區(qū)域的三維表面形貌信息。

作為優(yōu)選，步驟2中ccd相機采集測試區(qū)域路表圖像是使用兩個ccd相機同步進行高頻的采集，以獲得更加精確的路表圖像。

作為優(yōu)選，步驟3計算多點三維坐標方法為：控制及處理裝置在采集的第一張圖中自動定義若干晶格片作為初始的坐標；在隨后測量過程中，每個階段都采用攝影測量的技術，獲得每個晶格片的新的坐標；控制及處理裝置根據(jù)地面區(qū)域光的折射量，由測量得到的每個階段晶格片3d坐標值，計算出路表的三維坐標；計算的數(shù)據(jù)用圖形的方式表達，并可輸出為tift、jpeg的文件或以ascii格式輸出。

一種非接觸式的三維道路表面形貌的采集裝置，其特征在于：包括車體、一個以上ccd相機、相機支架的轉角調節(jié)機構和控制及處理裝置；所述控制及處理裝置設置在車體內，ccd相機、相機支架和轉角調節(jié)機構設置在車體尾部，且ccd相機伸出車體在車體外；轉角調節(jié)機構與相機支架相連接，ccd相機通過固定支座設置在相機支架上；ccd相機和轉角調節(jié)機構都與控制及處理裝置相連；通過控制及處理裝置控制轉角調節(jié)機構調節(jié)相機支架，進而調節(jié)ccd相機始終保持與所述平面區(qū)域垂直；ccd相機將采集到的測試區(qū)域路表圖像傳輸給控制及處理裝置。

作為優(yōu)選，轉角調節(jié)機構包括電機、凸輪和陀螺儀；陀螺儀和電機都連接控制及處理裝置，凸輪與電機的傳動軸相連；兩個支撐桿分別設置在相機支架兩側，相機支架兩端設置ccd相機，兩個支撐桿通過端部安裝的滾輪與凸輪相接觸；陀螺儀安裝在相機支架上，且電機設置在車體內；陀螺儀檢測到的相機支架位置傳輸給控制及處理裝置，控制及處理裝置經(jīng)過分析得到相機支架與相機標準位置時相機支架所處位置的角度差，進而控制及處理裝置控制電機帶動凸輪轉動來調節(jié)相機支架一直處于相對相機支架初始位置水平，保證ccd相機始終與所述初始平面區(qū)域垂直。

進一步地，還包括減震墊，減震墊固定在車體的底座上，減震墊通過連接桿與ccd相機的固定支座相連。

作為優(yōu)選，減震墊為橡膠墊。

作為優(yōu)選，ccd相機(2)為兩個，分別安裝在相機支架(3)兩端。

采用上述技術方案所產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明裝置簡單，操作方便，可以更加精確地測量和提供三維道路表面形貌的數(shù)據(jù)信息。上述方法開創(chuàng)了利用相機動態(tài)測量三維路面譜的方法，還可以通過調節(jié)相機的分辨率來改變采集頻率。現(xiàn)在大部分路面不平度采集儀采集的數(shù)據(jù)還都是二維數(shù)據(jù)，采樣的數(shù)據(jù)不全面。利用上述方式，可以得到測量范圍內的完整的三維道路表面形貌。上述裝置便于安裝和測量，在測量車速不高的的情況下，一般轎車就能滿足測量要求，有利于該測量方法今后的發(fā)展和應用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個實施例的正面示意圖；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3是本發(fā)明轉角調節(jié)機構的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明相機模型坐標系結構示意圖；

圖5是(xw,yw,zw)向(u,v)的變換流程圖。

圖中：1、車體；2、ccd相機；3、相機支架；4、控制及處理裝置；5、電機；6、凸輪；7、傳動軸；8、連接桿；9、減震墊；10、滾輪；11、陀螺儀；12、轉動副。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

一種非接觸式的三維道路表面形貌的采集方法的一個實施例，步驟包括：

(1)、標定初始條件：在控制及處理裝置中設定初始條件；在初始位置將相機設定為標準狀態(tài)，選定一塊水平的平面區(qū)域為初始區(qū)域，設定初始區(qū)域內所有點的高程值均為0；

(2)、采集測試區(qū)域路表圖像：利用采集車進行測試區(qū)域的路表圖像的連續(xù)采集，采集測試區(qū)域路表圖像的速度即為車輛運行速度，在控制及處理裝置中設定采集頻率，利用電荷耦合器件chargecoupleddevice，也就是ccd相機采集測試區(qū)域路表圖像，并保持ccd相機始終與所述步驟1中的平面區(qū)域垂直；

(3)、計算三維坐標：控制及處理裝置利用數(shù)字圖像處理技術，根據(jù)測試區(qū)域與初始區(qū)域的高度差變化，計算得到各個測試區(qū)域的多點三維坐標并輸出三維坐標值數(shù)據(jù)；

(4)、根據(jù)輸出的多點三維坐標值數(shù)據(jù)、采集測試區(qū)域路表圖像的速度和采集頻率，通過matlab編程，把數(shù)據(jù)整合，得到測試區(qū)域的三維表面形貌信息。

標定后的相機有較高的清晰度，通過標定確定采集區(qū)域的面積和單位面積中三維路面譜的采集點數(shù)。在正式測量之前，汽車運行至少200m，保證測量時車速的穩(wěn)定。使用過程中，保證電機、陀螺儀及計算機的電源不會中斷。

定義初始區(qū)域，在初始位置用一平板置于采集窗口底部，使其處于水平位置，保證初始位置的各個測點的坐標一致，均定義為零值。根據(jù)車速調節(jié)采集頻率，通過計算，使控制及處理裝置控制電機的轉動并進行數(shù)據(jù)的采集。通過控制及處理裝置控制伺服電機驅動凸輪運動，達到控制ccd相機支架轉角的目的，使相機支架3相對于初始位置一直處于水平位置。

步驟2中ccd相機采集測試區(qū)域路表圖像是使用兩個ccd相機同步進行高頻的采集，以獲得更加精確的路表圖像，ccd相機2采取動態(tài)采集的方式，區(qū)別于一般的相機利用靜態(tài)采集圖像的方式，采集的范圍更廣。

ccd相機上有許多排列整齊的電容，能感應光線，并將影像轉變成數(shù)字信號，ccd相機上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。ccd相機經(jīng)過標定以后，可以達到精確測量的目的，測量范圍可達20m²，最低分辨率達0.01mm，同時使用兩個相機，可以通過對比，得到更精確的數(shù)據(jù)。進行ccd相機標準狀態(tài)的設定，是通過二維圖像映射外部三維空間的一個最基本步驟，它要解決的就是三維空間坐標和二維圖像坐標的對應關系。通過變換矩陣，建立世界坐標系的物體的三維坐標點到二維圖像像素坐標系中像素點的空間對應關系，世界坐標系是系統(tǒng)的絕對坐標系，在沒有建立用戶坐標系之前畫面上所有點的坐標都是以該坐標系的原點來確定各自的位置的。

步驟3計算多點三維坐標方法為：控制及處理裝置在采集的第一張圖中自動定義若干晶格片作為初始的坐標；在隨后測量過程中，每個階段都采用攝影測量的技術，獲得每個晶格片的新的坐標；控制及處理裝置根據(jù)地面區(qū)域的光的折射量，由測量得到的每個階段晶格片3d坐標值，計算出路表的三維坐標；計算的數(shù)據(jù)用圖形的方式表達，并可輸出為tift、jpeg的文件或以ascii格式輸出。tift(taggedimagefileformat)和jpeg(jointphotographicexpertsgroup)(聯(lián)合圖像專家小組)都是一種圖像文件格式；ascii為ascii(americanstandardcodeforinformationinterchange，美國信息交換標準代碼)是基于拉丁字母的一套電腦編碼系統(tǒng)，主要用于顯示現(xiàn)代英語和其他西歐語言。它是現(xiàn)今最通用的單字節(jié)編碼系統(tǒng)，并等同于國際標準iso/iec646。

如圖1-3所示，為本發(fā)明一種非接觸式的三維道路表面形貌的采集裝置，包括車體1、一個以上ccd相機2、相機支架3的轉角調節(jié)機構和控制及處理裝置4；所述控制及處理裝置4設置在車體1內，ccd相機、相機支架3和轉角調節(jié)機構設置在車體1尾部，且ccd相機伸出車體1在車體1外；轉角調節(jié)機構與相機支架3相連接，ccd相機2通過固定支座分別設置在相機支架3上；ccd相機2和轉角調節(jié)機構都與控制及處理裝置4相連；通過控制及處理裝置4控制轉角調節(jié)機構調節(jié)相機支架3，進而調節(jié)ccd相機2始終保持與所述平面區(qū)域垂直；ccd相機2將采集到的測試區(qū)域路表圖像傳輸給控制及處理裝置4。

相機支架3與車體1中伸出的橫梁通過轉動副12相連，保證相機支架3相對于車體1只能實現(xiàn)轉動。

ccd相機(2)為兩個，分別安裝在相機支架(3)兩端，能更大更全面的采集路面信息。

所述轉角調節(jié)機構包括電機5、凸輪6和陀螺儀11；陀螺儀11和電機5都連接控制及處理裝置4，凸輪6與電機5的傳動軸7相連，電機5通過數(shù)據(jù)線與控制及處理裝置4相連；兩個支撐桿分別設置在相機支架3兩側，相機支架3兩端設置ccd相機2，且ccd相機2與地面垂直，兩個支撐桿通過端部設有的滾輪10與凸輪6相接觸；陀螺儀11安裝在相機支架3上，且電機5安裝在車體1內；陀螺儀11檢測到的相機支架3位置傳輸給控制及處理裝置4，控制及處理裝置4經(jīng)過分析得到相機支架3與相機標準位置時相機支架3所處位置的角度差，進而控制及處理裝置4控制電機5帶動凸輪6轉動來調節(jié)相機支架3一直處于相對相機支架3初始位置水平，保證ccd相機2始終與所述平面區(qū)域垂直。陀螺儀11用于測量相機轉角。陀螺儀11與控制及處理裝置4相連，實時接收相機支架3相對于初始位置的轉角，利用控制及處理裝置4控制伺服電機5轉動，通過控制及處理裝置4計算得到需要旋轉的角度，可以準確實時控制相機支架3的轉動，保證相機支架3相對于初始位置，一直處于水平位置。

由于相機支架3具有傳力不大、行程不大的特點，該機構使用凸輪6帶動滾輪10使從動橫桿擺動，在低速行駛時，凸輪6可以實現(xiàn)準確控制，陀螺儀11用于檢測相機支架3與初始水平位置時的角度差；控制及處理裝置4用于接收相機支架3所處位置，并與初始水平位置時進行比較得出角度差，根據(jù)比較結果，經(jīng)過控制及處理裝置4控制電機5帶動凸輪6來實時調整其角度，達到讓相機支架3一直處于相對初始位置水平的目的。

還包括減震墊9，減震墊9固定在車體1的底座上，減震墊9通過連接桿8與相機的固定支座相連。減震墊9為了保證ccd相機2的測量精度，防止采集裝置的振動或顫動。

減震墊9為橡膠墊。利用的是橡膠減震墊9的高彈態(tài)和高黏態(tài)的特點；橡膠的彈性是其卷曲分子的構像的變化產(chǎn)生的，橡膠分子間相互作用會妨礙分子鏈的運動，又表現(xiàn)出粘性特點，以致應力與應變往往處于不平衡的狀態(tài)。橡膠的這種卷曲的長縫分子結構及分子間存在的較弱的次級力，使得橡膠材料呈現(xiàn)出獨特的粘彈性能，因而具有良好的減震和緩沖性能。

相機設定為標準狀態(tài)即進行相機標定的原理如下：

1.理想的相機成像模型

在不考慮畸變的情況下，建立如圖4所示的相機模型。

物體到圖像之間的轉化，經(jīng)歷了下面四個坐標系的轉換：

1.1三維世界坐標系owxwywzw

這是基于不存在誤差的基礎上建立的坐標系，是一個理想的模型。這是后兩個模型的參考，可以作為對比的基礎。

1.2相機坐標系oxyz

該坐標系的原點是攝像機的光心，ccd像平面到原點的距離為f，即理想成像系統(tǒng)的有效焦距，坐標系的軸與光軸重合。

1.3相機圖像坐標系o'xy

該二維坐標系定義在ccd像平面上，其中光軸與像平面的交點定義為原點o'，x軸、y軸分別平行于x、y軸。

1.4計算機像平面坐標系ouv

在這一坐標系中，原點在圖像的左上角。這是一個建立在ccd像平面中的二維坐標系，u軸和v軸組成坐標系，前者為水平軸，后者為垂直軸，方向向右、向下。

上面我們討論的四個坐標系中，只有最后一個坐標系的單位是像素。前三者的單位都是毫米。

一個被測點p，其三維坐標為(xw,yw,zw)，像機坐標系為(x,y,z)，其經(jīng)過拍攝后，在相機圖像坐標系中的坐標為(x,y)，最后得到計算機像面坐標系的坐標(u,v)，這四步的變換過程如5所示。

2、坐標變換過程：

2.1、剛體變換(從世界坐標系到相機坐標系)

在剛體變換過程中世界坐標系中的一點到相機坐標系中的點，可以由一個旋轉矩陣r以及一個平移矩陣τ來描述，則存在如下剛體變換公式：

其中r為3x3的旋轉矩陣()，τ是一個三維平移向量，化為齊次坐標形式有：

2.2、畸變校正

在上面的坐標系公式推導的過程中，我們遵循的是線性相機模型，但是實際的相機由于鏡頭制作工藝等原因，使相機獲取的原始圖像是含有畸變的，畸變的圖像的像點、投影中心、空間點不存在共線關系，所以如果要想直接運用線性模型來描述三維世界空間的點與像點之間的關系，必須先對畸變的圖像進行校正。

畸變模型矯正公式為：

(xu,yu)為針孔線性模型計算出來的圖像點坐標的理想值，(x,y)是實際的圖像點的坐標，δx,δy是非線性畸變值，它與圖像點在圖像中的位置有關。

2.3、數(shù)字化圖像(理想圖像物理坐標系到圖像像素坐標系)

圖像物理坐標系的原點，也即光軸與像平面的交點在理想情況下應該是位于圖像的中心點，但是由于相機制造方面的原因，一般都是有偏離，只不過是鏡頭的制造工藝高低而偏離不同尺度而已，若圖像物理坐標系(x,y)原點在圖像坐標系(u,v)中的坐標為(u0,v0)，像面上每一個像素點在x軸，y軸方向上的物理尺寸為dx,dy，則圖像中任意一個像素在兩個坐標系中滿足如下關系：(注意每個物理像素都是有物理尺寸的，并且注意由于工藝原因每個像素點是一個長方形，并不是一個嚴格的正方形)

化為齊次坐標與矩陣形式為：

得到一個三維空間坐標點到實際圖像像素坐標點的映射，如下：

m1,m2分別是攝像機標定的內外參數(shù)，m1相機的內參數(shù)，m2為外部參數(shù)，包括旋轉矩陣r和平移矩陣τ。m為3*4矩陣，稱為投影矩陣；m1完全由fx、fy、u0、v0決定，只與相機內部結構有關，這些參數(shù)稱為攝像機內部參數(shù)；m2完全由相機相對于世界坐標系的方位決定，稱為相機的外部參數(shù)；xw為空間點的世界坐標系下的齊次坐標，(xw,yw,zw)為世界坐標系中的一個點。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。