智能化桥检车图像采集分析系统设计与研究

摘 要:介绍了智能化桥检车图像采集分析系统的软硬件设计方案,该系统基于高分辨率工业摄像机、机器视觉专用视频采集卡,实现高分辨率图像采集,对桥梁外观实施自动扫描,提高桥梁检测效率,还能够对桥梁病害自动识别报警,从而弥补了传统检测方式的不足。

关键词:桥梁检测车;图像采集;图像存储;图像检索

中图分类号:TP391 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)03-154-03

Design and Research of Intelligent Image Capturing System of Bridge Inspect Vehicle

LI Shuhui

(Xi′an Institute of Posts & Telecommunications,Xi′an,710121,China)

Abstract:The design of intelligent image capturing system of bridge inspect vehicle is introduced.The system is designed by high DPI industrial view camera and special video capture board.It implements the high DPI image capturing,auto scanning the bridge outside.The system improves the rate of inspecting bridge and automatically identifies and predicts problem of the bridge.The system has made up for the disadvantage of traditional bridge inspect method.

Keywords:bridge inspect vehicle;image capturing;image storage;image search

0 引 言

近年来我国公路和桥梁建设保持了持续发展的良好态势,公路和桥梁设施的检测与维护已成为当务之急。桥梁检测车(Bridge Inspect Vehicle)已经成为国家重要的基础建设之一,桥梁检测技术已成为重要的研究领域。为了快速、便捷地对桥梁外观实施检测,智能、精确地识别出桥梁病害的特征参数,提出了智能化桥检车图像采集分析系统。

智能化桥检车图像采集分析系统的设计目标是能够在工作人员的控制下对桥梁外观实施自动扫描,提高桥梁检测效率,并将扫描的高清晰图像实时传输到控制中心,供工作人员观察、分析、存储等操作,还能够对桥梁病害自动识别,并触发报警、记录、存储等联动事件[1,2]。

1 桥检车图像采集系统概述

智能化桥检车图像采集分析系统是基于研制的桁架式桥梁检测车而开发的,本系统采用1 628×1 236高分辨率工业摄像机、电动三可变专业镜头、机器视觉专用视频采集卡采集高分辨率图像,并采用多角度和多光谱照明的成像融合技术提高桥梁病害图像的对比度;采集到的视频图像能够实时动态显示(放大、缩小、多屏等方式)、存储,并采用先进的图像处理识别算法自动识别桥梁病害;在采集视频图像的同时,雷达测距仪和里程计分别采集检测点位置的x坐标和y坐标,并与其他相关信息同时写入数据库,在图像历史记录回放时利用这些数据能够快速检索并定位到要查找的图像帧[3-5]。

一般情况下大型桥梁的半幅宽度为13 m左右,桥检系统需要检测的桥梁细节为1 mm,因此在桥梁宽度方向采集的像素点应不少于13 000个。水平分辨率为13 000点的工业摄像机还不多见,如果要一次完成桥梁宽度方向的图像采集只能采用多摄像机拼接的方式。为了既降低成本,又不会对桥梁检测效率造成大的影响,本系统采用单摄像机以扫描的方式实现桥梁外观检查,桥检车自身移动实现X方向扫描(桥梁纵向),摄像机滑动实现Y方向扫描(垂直桥梁方向),示意图如图1所示。

图1 摄像机扫描示意图

2 桥检车图像采集系统硬件设计

采用单摄像机扫描的智能化桥检车图像采集分析系统硬件构成如图2所示[6,7]。

图2 智能化桥检车图像采集分析系统硬件构成框图

2.1 桥检车图像采集部分硬件设计

桥检车的图像采集部分由工业用面阵摄像机、电动三可变镜头、专用视频采集卡、云台及控制器等组成,实现高分辨率高清晰度图像的采集。其中工业用面阵摄像机、电动三可变镜头、云台及控制器位于远端(滑动部分),专用视频采集卡位于中心(工控机部分),图像采集部分结构示意图如图3所示。

图3 图像采集部分结构示意图

由于图像采集摄像机距离控制室工控机距离很远(大于20 m),而CamLink接口和1394接口的摄像机传输距离较近,因此都不能够直接使用,经综合比较本系统选用模拟接口摄像机CV-A2。CV-A2是一款1 628×1 236分辨率的逐行

扫描CCD黑白摄像机,最高分

辨率下的扫描速率为15帧/s,有内部和外部两种同步方式,并可通过RS 422串口由成像控制模块控制。

为了更方便地观察桥梁表面细节和更好的控制成像质量,需要选用电动三可变镜头,即镜头的焦距、光圈和聚焦都可以通过解码器由远端控制器控制。

2.2 桥检车工控机部分硬件设计

工控机部分采用研华公司的产品,研华公司是国际知名的工业控制及自动化设备提供商,其产品稳定、可靠性高。在本系统中,为了便于控制和监视桥检过程,采用两个液晶显示器,每个显示器的分辨率不小于1 280×1 024的21寸液晶显示器,这就要求工控机有双图形输出接口,因此需要工控板具有AGP或PCI-E图形卡扩展插槽。在本系统中采用Intel公司的双核CPU Pentium D 945,内存采用两条金士顿DDRⅡ667 1 GB内存;硬盘容量320 GB,选用AIMB-762型ATX工控主板。采用以上配置的工控机,能够实现图像采集、实时预览、采集控制、数据存储及检索回放等功能,并能够实现桥梁病害的自动识别、报警。

3 桥检车图像采集系统软件设计

智能化桥检车图像采集系统软件部分采用C语言编写,图像信息存储采用SQL数据库。该系统由两个独立的软件组成:检测数据采集软件和数据检索软件。检测数据采集部分完成系统的实时控制和数据的实时采集功能,实时控制包括所有前端硬件设备,数据采集功能完成图像数据采集、图像数据实时分析(桥梁表面病害分析等)、实时存储(桥面图像以及相关参数的数据库存储)以及采集配置(数据库名、采集参数等)等功能。数据检索软件可以使用户方便的对采集数据进行浏览、查询、输出等操作[3,4,8,9]。

3.1 检测数据采集软件

检测数据采集软件在用户需要对桥面进行实时检测时使用,是用户用于完成桥面检测和桥面数据采集的控制程序。此软件完成以下主要功能:检测数据采集,包括全景图像、检测图像以及各种相关采集参数;检测设备控制,包括前端摄像机、辅助照明等;检测数据存储,实时存储各种检测数据以及病害数据。

检测数据采集软件结构如图4所示。检测图像分析控制调用图像分析函数,获取各种分析数据并根据分析结果控制采集和分析数据的存储过程。

图4 检测数据采集软件结构图

图4 检测数据采集软件结构图

3.1.1 数据存储结构

图5为采集数据在硬盘中的存储目录结构。检测数据采集软件按照此目录结构进行数据存储。每一次新的检测称为一个项目,由用户指定一个项目名称,检测数据采集软件自动建立一个以项目名称为名字的项目根目录,所有检测数据均保存在项目根目录中。项目根目录中的文件和文件夹定义如下:pjt文件,此文件保存项目初始化数据和全局信息,包括:项目名称、项目建立时间、项目数据库名、检测桥路名称、检测人员(支持多个人员)、检测类别、图像存储相对路径;dbc文件,此文件为项目数据库文件,数据库中除了保存pjt文件中的全局信息外,还要保存如下信息:记录索引、图像索引、X方向位移、Y方向位移、坐标原点、检测图像比例尺、病害参数、病害等级。

图5 数据存储目录结构

3.1.2 图像存储目录

图像存储目录主要用来保存采集的图像信息,每个图像存储目录最多保存1 000幅检测图像数据和1 000幅全景图像数据。图像数据所占磁盘空间非常大,为了使用户可以在以后的任何时刻方便地检索DVD盘片中的图像数据,数据检索软件应该允许用户动态配置图像存储目录,检索软件自动根据图像存储目录中的图像数据调整数据库中记录的检索范围。图6为数据库中记录表之间的关系图。

图6 数据库记录表关系图

数据库由5个表组成,分别为:项目信息表、原点信息表、人员信息表、图像信息表和病害信息表。各个表之间通过索引字段建立一对多的关系。

3.2 数据检索软件

数据检索软件可以使用户方便地对采集数据进行浏览、查询、输出等操作。该软件的主要功能为:

全局浏览:依次浏览所有采集数据。浏览内容包括检测图像、全景图像、以及其他所有检测参数和图像分析结果。

按查询浏览:按照特定条件查询并浏览查询结果。用户可以按照病害等级、X方向位置、Y方向位置以及上面三个参数的组合进行查询,查询条件可以为大于、小于、等于(只限于病害等级)以及三个查询条件的组合。

查询输出。

图7为数据检索软件结构图。ODBC驱动程序模块由ACCESS驱动程序提供,实现ACCESS数据库的访问;存储管理实现ODBC驱动程序和GUI之间的接口以及图像数据的读取操作;数据检索GUI为用户操作界面,向用户提供所有软件功能接口,数据采集软件用户接口示意图如图8所示。

图7 数据检索软件结构图

图8 数据采集GUI界面示意图4 结 语

本文从智能化桥检车图像采集分析系统设计的实际需求入手,对系统进行了软硬件设计,实现了高分辨率图像采集,对桥梁外观实施自动扫描,实际应用表明该系统可以快速、便捷地对桥梁外观实施检测,并能智能、准确地识别出桥梁病害的特征,为桥梁检测车的发展和桥梁健康诊断技术的发展提供了很好的技术资料。

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