[發(fā)明專利]一種優(yōu)化雙相掃描路面的三維裂縫曲面輪廓檢測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911069593.6
• 申請日: 2019-11-05
• 公開（公告）號: CN110926359B
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮笑然;高堯;李偉;郝雪麗;賈彭斐;王孟
• 申請（專利權(quán)）人: 長安大學(xué)
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 西安恒泰知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61216
• 代理人: 李鄭建

1.一種優(yōu)化雙相掃描路面的三維裂縫曲面輪廓檢測方法，其特征在于，該方法具體以下步驟：

第一部分：圖像信息采集及處理

步驟1：使用激光三維成像設(shè)備采集路面三維圖像數(shù)據(jù)，并對采集的路面三維圖像數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行濾波處理，得到去噪后的三維圖像數(shù)據(jù)矩陣I；

步驟2：將濾波后的三維數(shù)據(jù)矩陣I按行排列，對數(shù)據(jù)矩陣I中每行數(shù)據(jù)批量進(jìn)行水平處理，得到數(shù)據(jù)矩陣I₁；

步驟2.1：使用尺寸為3*3的滑動窗口對數(shù)據(jù)矩陣I的第i行數(shù)據(jù)R_i按照式(1)進(jìn)行平滑操作，得到式(2)所述平滑的行數(shù)據(jù)矩陣R′_i；然后，對平滑的行數(shù)據(jù)矩陣R′_i進(jìn)行曲線擬合操作，從而得到式(3)所述數(shù)據(jù)矩陣R″_i；之后，按照式(4)創(chuàng)建具有與原始數(shù)據(jù)矩陣R_i相同尺寸的陣列Pro_i，存儲主表面輪廓數(shù)據(jù)值；

R_i＝(Z_i1，Z_i2，......，Z_in)，i＝1，2，......，m (1)

R′_i＝(Z′_i1，Z′_i2，......，Z′_in)，i＝1，2，......，m (2)

R″_i＝(Z″_i1，Z″_i2，......，Z″_in)，i＝1，2，......，m (3)

Pro_i＝(pro_i1，pro_i2，......，pro_in)，i＝1，2，......，m (4)

其中，m，n分別代表數(shù)據(jù)矩陣的行和列；

步驟2.2：使用下式(5)計(jì)算平滑值和擬合值之間的差值：

其中，Z′_ij和Z″_ij分別代表平滑數(shù)據(jù)矩陣和擬合數(shù)據(jù)矩陣，S_i表示第i行中平滑數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)之間的差異；

步驟2.3：使用以下式(6)計(jì)算平滑值和擬合值的絕對差值，然后使用式(7)評估Δ的重要性，如果該值滿足此原則，則標(biāo)記第j列，并將其存儲到新數(shù)組J中；

Δ＝|Z′_ij-Z″_ij| (6)

Δ＞5×S_i (7)

其中，Δ表示平滑數(shù)據(jù)矩陣和擬合數(shù)據(jù)矩陣之間的絕對差值；

步驟2.4：數(shù)組J中的列號，按照其值連續(xù)劃分并擴(kuò)展每個列區(qū)域，對列中的列號進(jìn)行排序；左右兩端延伸到曲線擬合結(jié)果和平滑結(jié)果的交點(diǎn)，擴(kuò)展后的列區(qū)域?qū)⒅匦麓鎯υ跀?shù)組J中；

列號的左端和右端應(yīng)分別滿足下式(8)和式(9)的條件：

(Z′_i(a-1)-Z″_i(a-1))×(Z′_ia-Z″_ia)≤0，a＝1，2，......，m (8)

(Z′_ia-Z″_ia)×(Z′_a(a+1)-Z″_i(a+1))≤0，a＝1，2，......，m (9)

其中，Z′_i(a-1)，Z′_ia，和Z′_i(a+1)和表示平滑數(shù)據(jù)矩陣中的三個鄰域，Z″_i(a-1)，Z″_ia，和Z″_i(a+1)表示擬合數(shù)據(jù)矩陣中的三個鄰域；

步驟2.5：使用式(10)將數(shù)據(jù)值指定為主要表面輪廓矩陣；如果特定列存儲在數(shù)組J中，則J中的特定值應(yīng)該用曲線擬合值替換，否則，使用平滑值作為主表面輪廓值；

其中，Z′_ij，Z″_ij分別表示平滑值和擬合值；

步驟2.6：使用式(11)計(jì)算原始數(shù)據(jù)矩陣R_i和主要表面輪廓值Pro_ij之間的標(biāo)準(zhǔn)方差，并將其表示為T_i：

其中，Z_ij表示原始數(shù)據(jù)值的位置，pro_ij表示PSP曲線中相應(yīng)的位置值；

步驟2.7：使用下式(12)評估R_i中的數(shù)據(jù)，如果結(jié)果滿足此條件，則將該點(diǎn)標(biāo)記為裂縫并將數(shù)據(jù)值指定為1，否則將其視為背景并設(shè)置為0；

|Z_ij-pro_ij|≥k×T_i (12)

其中，K代表行識別的參數(shù)，并且根據(jù)本文中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)K選擇2到5的值時，可以獲得最佳性能；

對數(shù)據(jù)矩陣I中的每個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行相同的操作，得到矩陣I₁，表示水平處理結(jié)果；

步驟3：與步驟2類似，從垂直方向即列方向進(jìn)行操作，可以獲得另一個數(shù)據(jù)矩陣I₂，表示圖像數(shù)據(jù)的垂直信息；

步驟4：將兩個數(shù)據(jù)矩陣I₁和I₂，相加，得到矩陣I₃。

步驟4.1：計(jì)算數(shù)據(jù)矩陣I₁和數(shù)據(jù)矩陣I₂的交點(diǎn)，從而得到I_n代表的初始矩陣I₃；

步驟4.2：對于那些滿足以下條件的點(diǎn)：存在于I₁或I₂中，但不存在于I_n中，計(jì)算I₁或I₂與I_n之間的最短距離，并將最短距離與指定閾值進(jìn)行比較；如果最短距離未超過閾值，則將結(jié)果存儲到矩陣I₃中；

步驟5：將步驟4獲得的矩陣I₃進(jìn)行過濾操作；

步驟5.1：使用8鄰域原理標(biāo)記I₃，對于矩陣I₃中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，按照從上到下，從左到右的順序掃描，查找未標(biāo)記的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并為這些數(shù)據(jù)點(diǎn)分配新標(biāo)記。然后判斷每個當(dāng)前中心點(diǎn)的8個鄰域是否是破裂點(diǎn)。如果區(qū)域內(nèi)存在未標(biāo)記的裂縫數(shù)據(jù)點(diǎn)，則該裂縫數(shù)據(jù)點(diǎn)將被分類到當(dāng)前掃描中心點(diǎn)所在的區(qū)域，將當(dāng)前中心點(diǎn)的標(biāo)記分配給新找到的裂縫數(shù)據(jù)點(diǎn)；并將中心更新到新的裂縫點(diǎn)，再次掃描并判斷新中心的8個鄰域，直到矩陣I₃中的所有點(diǎn)都被標(biāo)記；

步驟5.2：對于每個標(biāo)記的區(qū)域，首先計(jì)算零級距離，得到該區(qū)域的面積。然后評估該區(qū)域的值，小于閾值的區(qū)域表示一個孤立區(qū)域，該孤立區(qū)域應(yīng)視為噪聲區(qū)域，在濾波矩陣中賦值為0；

步驟6：結(jié)束處理，獲得僅包含裂縫信息I₄的二進(jìn)制圖像；

第二部分：裂縫檢測結(jié)果的定性分析與裂縫檢測結(jié)果的ROC曲線分析

(1)裂縫檢測結(jié)果的定性分析

選擇三種類型的路面裂縫樣品：即橫向裂縫，縱向裂縫和地圖裂縫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別采用單一的雙相掃描路面裂縫檢測方法和基于PSP的裂縫檢測算法對所有三種裂縫進(jìn)行對比試驗(yàn)；

所述基于PSP的裂縫檢測算法描述為路面裂縫圖像數(shù)據(jù)矩陣中含有兩個主要成分的信息，即：背景信息和裂縫信息；通常，表示背景信息的值遠(yuǎn)高于某個數(shù)據(jù)矩陣中的破裂區(qū)域，根據(jù)該特征，可從路面裂縫圖像獲得路面曲線的水平方向或垂直方向，然后將這些主要表面輪廓用作檢測圖像中出現(xiàn)的裂縫嚴(yán)重程度的參考；在獲得PSP曲線后，計(jì)算原始數(shù)據(jù)與相應(yīng)PSP曲線的相對值之間的差異，可以提供實(shí)際的路面裂縫信息；

(2)裂縫檢測結(jié)果的ROC曲線分析

另一個廣泛使用的性能評估指標(biāo)是接收器操作特性ROC曲線，以全面評估方法的性能；使用偽陽性率作為軸值繪制ROC曲線，并且將真陽性率作為軸值繪制；精確率通過式(13)計(jì)算，偽陽性率通過式(15)計(jì)算，并且真陽性率通過式(14)計(jì)算：

TP：預(yù)測為裂縫(P)，實(shí)際上預(yù)測正確(T)，即判斷為裂縫的正確率；

TN：預(yù)測為背景(N)，實(shí)際上預(yù)測正確(T)，即判斷為背景的正確率；

FP：預(yù)測為裂縫(P)，實(shí)際上預(yù)測錯誤(F)，誤報率，即把背景判斷成了裂縫；

FN：預(yù)測為背景(N)，實(shí)際上預(yù)測錯誤(F)，漏報率，即把裂縫判斷稱了背景。