賈 磊

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國(guó)高速公路的快速建設(shè)發(fā)展，隧道作為公路線上的咽喉工程，需要定期檢查維護(hù)，以確保其正常運(yùn)行。當(dāng)前，我國(guó)高速公路隧道檢測(cè)以人工方式為主，檢測(cè)效果并不理想。一是因?yàn)闄z測(cè)時(shí)需要封閉交通，檢測(cè)時(shí)間不充足；二是因?yàn)樗淼纼?nèi)環(huán)境惡劣，光照不足，給人工檢測(cè)帶來了諸多不便；三是難以對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行重復(fù)判斷，準(zhǔn)確性不足。同時(shí)，隨著科技水平提高，國(guó)內(nèi)各地建起了許多特長(zhǎng)隧道，傳統(tǒng)的人工方式已經(jīng)不能滿足檢測(cè)任務(wù)要求[1]?！豆匪淼鲤B(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG H12—2015）指出，為了提高隧道養(yǎng)護(hù)質(zhì)量和技術(shù)水平，有必要積極采用隧道養(yǎng)護(hù)新設(shè)備，使我國(guó)隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)盡快達(dá)到較先進(jìn)水平。

目前，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家先后開發(fā)出了基于機(jī)器視覺技術(shù)的路面檢測(cè)車，具有檢測(cè)效率高、人為因素少、無需封閉交通等優(yōu)點(diǎn)，在路面檢測(cè)中已經(jīng)有較為成熟的應(yīng)用案例。而這類自動(dòng)化智能檢測(cè)設(shè)備在公路隧道中還鮮有應(yīng)用[2]。

針對(duì)上述問題，為了將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于公路隧道檢測(cè)，通過本項(xiàng)目的研究，提出一套公路隧道車載檢測(cè)系統(tǒng)的方案，對(duì)于提高公路隧道養(yǎng)護(hù)質(zhì)量有重要意義。

1 總體方案設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺的車載公路隧道襯砌檢測(cè)方法，其核心是利用相機(jī)對(duì)隧道襯砌進(jìn)行連續(xù)拍照，將照片存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，然后再經(jīng)過圖像處理軟件，提取出襯砌裂縫信息，諸如裂縫的幾何尺寸與具體位置等，最后對(duì)裂縫的總數(shù)以及嚴(yán)重程度做出統(tǒng)計(jì)性的評(píng)價(jià)，為隧道養(yǎng)護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐[3]。

該檢測(cè)方法主要基于工業(yè)領(lǐng)域機(jī)器視覺檢測(cè)原理[4]，利用先進(jìn)的工業(yè)相機(jī)系統(tǒng)對(duì)隧道襯砌圖像進(jìn)行快速采集，代替效率低下的人工檢測(cè)。采集到的圖像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上，通過專業(yè)的圖像處理軟件進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的識(shí)別、分類、測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，總體上對(duì)裂縫現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)需要安裝在專用的檢測(cè)車輛上，其硬件組成如圖1所示。本項(xiàng)目根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)構(gòu)架圖在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)設(shè)備進(jìn)行組裝、調(diào)試和優(yōu)化，并取得了階段性的成果。

1.1 工業(yè)相機(jī)

工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成有序的電信號(hào)。選擇合適的相機(jī)也是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，相機(jī)的選擇不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等，同時(shí)也與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式直接相關(guān)。

工業(yè)相機(jī)中按傳感器結(jié)構(gòu)特性分為面陣相機(jī)與線陣相機(jī)兩種。由于自身工作原理的局限性，面陣CCD攝像機(jī)不適于連續(xù)、高精度對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)完成捕捉，而線陣CCD相機(jī)恰恰相反，其在機(jī)器視覺系統(tǒng)中一般用于被測(cè)物連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，尤其適合運(yùn)動(dòng)速度較快、分辨率要求較高的情況，同時(shí)也能降低應(yīng)用成本。因此，在隧道檢測(cè)車的設(shè)計(jì)中，鑒于采集圖像的精度要求和時(shí)間限制，選擇線陣相機(jī)[5]。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖

隧道襯砌斷面是一個(gè)近似于半圓的形狀。一般來說，隧道斷面周長(zhǎng)為20 m以內(nèi)，為了獲取完整的隧道斷面圖像，以精度1 mm計(jì)算，需要相機(jī)擁有20 k的分辨率，這需要幾臺(tái)相機(jī)組合在一起同時(shí)拍攝。同時(shí)，考慮到拍攝過程中并不封閉隧道內(nèi)交通，因此，檢測(cè)車在行進(jìn)過程中不可避免旁邊會(huì)有其他車輛通過，這會(huì)對(duì)拍攝造成一定的影響。因此，本項(xiàng)目采用單次行進(jìn)過程中只拍隧道半幅的方案，利用相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相機(jī)的翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)車走左車道拍左半幅，反之亦然。此時(shí)只需要3臺(tái)4 k分辨率的相機(jī)即可滿足精度要求，降低了系統(tǒng)的整體成本。

1.2 光源系統(tǒng)

隧道內(nèi)光照不均勻，且整體亮度較低。若想拍出理想的照片，保證裂縫等特征具有足夠的對(duì)比度，光源必須足夠亮。同時(shí)，在足夠亮的光照條件下，可將相機(jī)的感光參數(shù)調(diào)低，降低隧道中粉塵等顆粒物對(duì)照片的影響，減少噪點(diǎn)，使得圖片更加清晰。并且必須保證光源的均勻性，使拍出的照片整體亮度一致，以便于圖像的自動(dòng)識(shí)別。

基于機(jī)器視覺的檢測(cè)系統(tǒng)中常用的照明光源有激光、鹵素?zé)簟ED等。這幾種光源都有成熟的應(yīng)用案例，但是需要根據(jù)公路隧道內(nèi)的特定環(huán)境進(jìn)行選擇。

鹵素?zé)舭l(fā)光效率高、顯色性好，但對(duì)于隧道內(nèi)的裂縫等特征，采用8位或12位色深的灰度圖即可滿足要求，一般不需要彩色圖，因此其顯色性好的優(yōu)點(diǎn)并不適用于隧道檢測(cè)。同時(shí)鹵素?zé)粜枰?jīng)常更換燈泡，使用成本高。

LED光源具有單色性好、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性及均勻性好和亮度便于調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，通過組合多個(gè)LED可以得到合適的照明條件。但若采用常亮的LED光源系統(tǒng)，為保證足夠的亮度，則整體功耗太高，會(huì)增加供電系統(tǒng)的成本。若采用高頻曝閃的方式，在高頻拍照時(shí)，LED光源曝閃頻率與拍攝頻率難以適配，會(huì)導(dǎo)致某些幀無法正常曝光。

激光光源亮度高，均勻性較好，功耗低，為常亮光源。可以通過光源鏡頭將光打成需要的形狀和范圍，具有良好的普適性。通過簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)將線陣相機(jī)和光源進(jìn)行配準(zhǔn)，就可滿足使用要求。

綜上，采用激光光源作為本項(xiàng)目的照明系統(tǒng)。

1.3 定位系統(tǒng)

為了保證所拍攝的圖片尺寸與被拍攝物體的實(shí)際尺寸相對(duì)應(yīng)，需要保證二維圖像兩個(gè)方向上的像素個(gè)數(shù)匹配實(shí)際尺寸。垂直于檢測(cè)車行進(jìn)方向通過調(diào)整線陣相機(jī)的分辨率以及相機(jī)與隧道內(nèi)壁的距離來調(diào)整實(shí)現(xiàn)；而行進(jìn)方向上為了獲得連續(xù)完整的圖片，要求線陣相機(jī)所拍的幀幅數(shù)與檢測(cè)車的行進(jìn)速度相匹配。在路面檢測(cè)車的應(yīng)用中，通常采用安裝在汽車輪轂上的編碼器來進(jìn)行車速匹配。

假設(shè)垂直于行進(jìn)方向圖像分辨率為R（mm/像素），由于汽車輪轂與編碼器同軸固定，傳動(dòng)比為1∶1，則：

式中：l為檢測(cè)車行進(jìn)距離，m；f為編碼器一圈脈沖數(shù)，Hz；D 為輪胎直徑，m。

可以看出，R與f正相關(guān)。為了使拍出的圖片比例真實(shí)，則要求調(diào)整f以保證兩個(gè)方向上的圖像分辨率一致。因此，選擇可編程的增量型編碼器，通過調(diào)整編碼器分辨率，以適配不同圖像分辨率的需求。

由于只安裝一個(gè)編碼器，但要同時(shí)觸發(fā)3臺(tái)相機(jī)，為了保證3臺(tái)相機(jī)同步觸發(fā)，選用編碼器脈沖分配器將信號(hào)分為同步的3路信號(hào)對(duì)線陣相機(jī)進(jìn)行觸發(fā)。同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集卡將編碼器計(jì)數(shù)采集到計(jì)算機(jī)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，保證圖片與隧道內(nèi)實(shí)際位置一一對(duì)應(yīng)。

1.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

單個(gè)相機(jī)每秒數(shù)據(jù)量，以時(shí)速80 km/h，精度1 mm計(jì)算，相機(jī)像素為1×4 096。相機(jī)拍攝圖片為灰度點(diǎn)位圖，灰度等級(jí)256=28，則每個(gè)像素點(diǎn)占8位（1Byte），單個(gè)相機(jī)每次快門得到的圖片為4 096/1 024=4 KB。時(shí)速 80 km/h=2.23×104mm/s即所需拍攝頻率22.3 kHz。則每秒數(shù)據(jù)=4 KB×22.3 kHz≈90 MB。

為了保證如此大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，本項(xiàng)目采用RAID0結(jié)構(gòu)的磁盤陣列工控機(jī)，提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率，保證采集圖像的完整存儲(chǔ)。

1.5 傳感器系統(tǒng)

由于人為駕駛原因，汽車時(shí)刻在隧道斷面中的位置不能保持一致，可能導(dǎo)致相機(jī)鏡頭與隧道內(nèi)壁的距離不一致，鏡頭與隧道內(nèi)壁的夾角不一致。使得拍攝出的圖片存在一定失真的情況。并且由于隧道為曲面，而拍攝圖片為平面，這就導(dǎo)致圖片中的特征（裂縫等）較實(shí)際偏小，這就需要利用隧道的輪廓信息進(jìn)行修正。

圖2為通過激光掃描儀對(duì)隧道內(nèi)壁的測(cè)量結(jié)果，可以獲取檢測(cè)車在行進(jìn)時(shí)在隧道內(nèi)的相對(duì)位置。由于相機(jī)、光源等部件相對(duì)于掃描儀的位置是固定不變的，根據(jù)相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸，也就知道了相機(jī)、光源與隧道內(nèi)壁的距離和角度。

圖2 隧道內(nèi)壁掃描儀測(cè)量結(jié)果

同時(shí)，利用陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器可給出三軸方向上的線加速度和姿態(tài)角，實(shí)時(shí)測(cè)量汽車行進(jìn)姿態(tài)，以便于后期圖像處理對(duì)由于汽車行進(jìn)姿態(tài)引起的圖片變形進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)結(jié)合方向角與激光掃描儀測(cè)得的隧道斷面輪廓數(shù)據(jù)，可將隧道的實(shí)際三維輪廓描繪出來。

2 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，根據(jù)上述硬件進(jìn)行了組裝調(diào)試，并在隧道進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。

2.1 測(cè)試確定的重要參數(shù)

a）確定了不同車速下（50～70 km/h）相機(jī)的最佳曝光時(shí)間以及所需感光度（使圖片亮度保持穩(wěn)定）。

b）確定了相機(jī)的景深（指在攝影機(jī)鏡頭或其他成像器前沿能夠取得清晰圖像的成像所測(cè)定的被攝物體前后距離范圍）。

c）確定了相機(jī)放置的傾斜角度（防止拍攝物體反光導(dǎo)致過度曝光）。

圖3為通過將采集回來的圖像拼接起來的完整的隧道斷面圖，截取了其中50 m的長(zhǎng)度?？梢詮膱D中看出，通過該系統(tǒng)完成了對(duì)隧道襯砌斷面所有信息的采集，并且精度可達(dá)1 mm。

圖3 隧道斷面拼接圖像

2.2 試驗(yàn)過程中存在的問題

a）編碼器在產(chǎn)生的積累誤差會(huì)使拍攝得到的圖片無法正確定位，影響后續(xù)的養(yǎng)護(hù)工作，需要研究加以消除。

b）需要結(jié)合熱紅外攝像機(jī)等其他類型的檢測(cè)設(shè)備，提升系統(tǒng)對(duì)隧道襯砌檢測(cè)的全面性。

3 結(jié)語

本文提出了隧道襯砌車載檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其實(shí)施方法與工作原理進(jìn)行了闡述。根據(jù)檢測(cè)任務(wù)需求，對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)備選型依據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。最終在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了系統(tǒng)搭建，并且在隧道內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，初步達(dá)到了快速檢測(cè)的指標(biāo)要求。對(duì)于遇到的問題，需要在后續(xù)試驗(yàn)中改進(jìn)和完善。