智能化橋檢車圖像采集分析系統設計與研究

摘 要:介紹了智能化橋檢車圖像采集分析系統的軟硬件設計方案，該系統基于高分辨率工業攝像機、機器視覺專用視頻采集卡，實現高分辨率圖像采集，對橋梁外觀實施自動掃描，提高橋梁檢測效率，還能夠對橋梁病害自動識別報警，從而彌補了傳統檢測方式的不足。

關鍵詞:橋梁檢測車;圖像采集;圖像存儲;圖像檢索

中圖分類號:TP391 文獻標識碼:A

文章編號: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

近年來我國公路和橋梁建設保持了持續發展的良好態勢，公路和橋梁設施的檢測與維護已成為當務之急。橋梁檢測車(Bridge Inspect Vehicle)已經成為國家重要的基礎建設之一，橋梁檢測技術已成為重要的研究領域。為了快速、便捷地對橋梁外觀實施檢測，智能、精確地識別出橋梁病害的特征參數，提出了智能化橋檢車圖像采集分析系統。

智能化橋檢車圖像采集分析系統的設計目標是能夠在工作人員的控制下對橋梁外觀實施自動掃描，提高橋梁檢測效率，并將掃描的高清晰圖像實時傳輸到控制中心，供工作人員觀察、分析、存儲等操作，還能夠對橋梁病害自動識別，并觸發報警、記錄、存儲等聯動事件[1，2]。

1 橋檢車圖像采集系統概述

智能化橋檢車圖像采集分析系統是基于研制的桁架式橋梁檢測車而開發的，本系統采用1 628×1 236高分辨率工業攝像機、電動三可變專業鏡頭、機器視覺專用視頻采集卡采集高分辨率圖像，并采用多角度和多光譜照明的成像融合技術提高橋梁病害圖像的對比度;采集到的視頻圖像能夠實時動態顯示(放大、縮小、多屏等方式)、存儲，并采用先進的圖像處理識別算法自動識別橋梁病害;在采集視頻圖像的同時，雷達測距儀和里程計分別采集檢測點位置的x坐標和y坐標，并與其他相關信息同時寫入數據庫，在圖像歷史記錄回放時利用這些數據能夠快速檢索并定位到要查找的圖像幀[3-5]。

一般情況下大型橋梁的半幅寬度為13 m左右，橋檢系統需要檢測的橋梁細節為1 mm，因此在橋梁寬度方向采集的像素點應不少于13 000個。水平分辨率為13 000點的工業攝像機還不多見，如果要一次完成橋梁寬度方向的圖像采集只能采用多攝像機拼接的方式。為了既降低成本，又不會對橋梁檢測效率造成大的影響，本系統采用單攝像機以掃描的方式實現橋梁外觀檢查，橋檢車自身移動實現X方向掃描(橋梁縱向)，攝像機滑動實現Y方向掃描(垂直橋梁方向)，示意圖如圖1所示。

圖1 攝像機掃描示意圖

2 橋檢車圖像采集系統硬件設計

采用單攝像機掃描的智能化橋檢車圖像采集分析系統硬件構成如圖2所示[6，7]。

圖2 智能化橋檢車圖像采集分析系統硬件構成框圖

2.1 橋檢車圖像采集部分硬件設計

橋檢車的圖像采集部分由工業用面陣攝像機、電動三可變鏡頭、專用視頻采集卡、云臺及控制器等組成，實現高分辨率高清晰度圖像的采集。其中工業用面陣攝像機、電動三可變鏡頭、云臺及控制器位于遠端(滑動部分)，專用視頻采集卡位于中心(工控機部分)，圖像采集部分結構示意圖如圖3所示。

圖3 圖像采集部分結構示意圖

由于圖像采集攝像機距離控制室工控機距離很遠(大于20 m)，而CamLink接口和1394接口的攝像機傳輸距離較近，因此都不能夠直接使用，經綜合比較本系統選用模擬接口攝像機CV-A2。CV-A2是一款1 628×1 236分辨率的逐行

掃描CCD黑白攝像機，最高分

辨率下的掃描速率為15幀/s，有內部和外部兩種同步方式，并可通過RS 422串口由成像控制模塊控制。

為了更方便地觀察橋梁表面細節和更好的控制成像質量，需要選用電動三可變鏡頭，即鏡頭的焦距、光圈和聚焦都可以通過解碼器由遠端控制器控制。

2.2 橋檢車工控機部分硬件設計

工控機部分采用研華公司的產品，研華公司是國際知名的工業控制及自動化設備提供商，其產品穩定、可靠性高。在本系統中，為了便于控制和監視橋檢過程，采用兩個液晶顯示器，每個顯示器的分辨率不小于1 280×1 024的21寸液晶顯示器，這就要求工控機有雙圖形輸出接口，因此需要工控板具有AGP或PCI-E圖形卡擴展插槽。在本系統中采用Intel公司的雙核CPU Pentium D 945，內存采用兩條金士頓DDRⅡ667 1 GB內存;硬盤容量320 GB，選用AIMB-762型ATX工控主板。采用以上配置的工控機，能夠實現圖像采集、實時預覽、采集控制、數據存儲及檢索回放等功能，并能夠實現橋梁病害的自動識別、報警。

3 橋檢車圖像采集系統軟件設計

智能化橋檢車圖像采集系統軟件部分采用C語言編寫，圖像信息存儲采用SQL數據庫。該系統由兩個獨立的軟件組成:檢測數據采集軟件和數據檢索軟件。檢測數據采集部分完成系統的實時控制和數據的實時采集功能，實時控制包括所有前端硬件設備，數據采集功能完成圖像數據采集、圖像數據實時分析(橋梁表面病害分析等)、實時存儲(橋面圖像以及相關參數的數據庫存儲)以及采集配置(數據庫名、采集參數等)等功能。數據檢索軟件可以使用戶方便的對采集數據進行瀏覽、查詢、輸出等操作[3，4，8，9]。

3.1 檢測數據采集軟件

檢測數據采集軟件在用戶需要對橋面進行實時檢測時使用，是用戶用于完成橋面檢測和橋面數據采集的控制程序。此軟件完成以下主要功能:檢測數據采集，包括全景圖像、檢測圖像以及各種相關采集參數;檢測設備控制，包括前端攝像機、輔助照明等;檢測數據存儲，實時存儲各種檢測數據以及病害數據。

檢測數據采集軟件結構如圖4所示。檢測圖像分析控制調用圖像分析函數，獲取各種分析數據并根據分析結果控制采集和分析數據的存儲過程。

圖4 檢測數據采集軟件結構圖

圖4 檢測數據采集軟件結構圖

3.1.1 數據存儲結構

圖5為采集數據在硬盤中的存儲目錄結構。檢測數據采集軟件按照此目錄結構進行數據存儲。每一次新的檢測稱為一個項目，由用戶指定一個項目名稱，檢測數據采集軟件自動建立一個以項目名稱為名字的項目根目錄，所有檢測數據均保存在項目根目錄中。項目根目錄中的文件和文件夾定義如下:pjt文件，此文件保存項目初始化數據和全局信息，包括:項目名稱、項目建立時間、項目數據庫名、檢測橋路名稱、檢測人員(支持多個人員)、檢測類別、圖像存儲相對路徑;dbc文件，此文件為項目數據庫文件，數據庫中除了保存pjt文件中的全局信息外，還要保存如下信息:記錄索引、圖像索引、X方向位移、Y方向位移、坐標原點、檢測圖像比例尺、病害參數、病害等級。

圖5 數據存儲目錄結構

3.1.2 圖像存儲目錄

圖像存儲目錄主要用來保存采集的圖像信息，每個圖像存儲目錄最多保存1 000幅檢測圖像數據和1 000幅全景圖像數據。圖像數據所占磁盤空間非常大，為了使用戶可以在以后的任何時刻方便地檢索DVD盤片中的圖像數據，數據檢索軟件應該允許用戶動態配置圖像存儲目錄，檢索軟件自動根據圖像存儲目錄中的圖像數據調整數據庫中記錄的檢索范圍。圖6為數據庫中記錄表之間的關系圖。

圖6 數據庫記錄表關系圖

數據庫由5個表組成，分別為:項目信息表、原點信息表、人員信息表、圖像信息表和病害信息表。各個表之間通過索引字段建立一對多的關系。

3.2 數據檢索軟件

數據檢索軟件可以使用戶方便地對采集數據進行瀏覽、查詢、輸出等操作。該軟件的主要功能為:

全局瀏覽:依次瀏覽所有采集數據。瀏覽內容包括檢測圖像、全景圖像、以及其他所有檢測參數和圖像分析結果。

按查詢瀏覽:按照特定條件查詢并瀏覽查詢結果。用戶可以按照病害等級、X方向位置、Y方向位置以及上面三個參數的組合進行查詢，查詢條件可以為大于、小于、等于(只限于病害等級)以及三個查詢條件的組合。

查詢輸出。

圖7為數據檢索軟件結構圖。ODBC驅動程序模塊由ACCESS驅動程序提供，實現ACCESS數據庫的訪問;存儲管理實現ODBC驅動程序和GUI之間的接口以及圖像數據的讀取操作;數據檢索GUI為用戶操作界面，向用戶提供所有軟件功能接口，數據采集軟件用戶接口示意圖如圖8所示。

圖7 數據檢索軟件結構圖

圖8 數據采集GUI界面示意圖4 結 語

本文從智能化橋檢車圖像采集分析系統設計的實際需求入手，對系統進行了軟硬件設計，實現了高分辨率圖像采集，對橋梁外觀實施自動掃描，實際應用表明該系統可以快速、便捷地對橋梁外觀實施檢測，并能智能、準確地識別出橋梁病害的特征，為橋梁檢測車的發展和橋梁健康診斷技術的發展提供了很好的技術資料。

參考文獻

[1]楊侃.QJ20型橋梁檢測車[J].筑路機械與施工自動化，1996(6):18-19.

[2]厲軍.QJ10型自行式橋梁檢測作業車液壓傳動系統[J].液壓與氣動，1999(1):8-9.

[3]王萍，趙剛.基于USB 2.0的圖像采集系統設計[J].國外電子測量技術，2005(12):27-29.

[4]蘇建坡，馬海濤，唐玉國.基于USB 2.0及GPIF的CMOS圖像傳感器視頻實時采集系統[J].儀表技術與傳感器，2006(9):35-37.

[5]陸洲，王寶光.基于FPGA的嵌入式彩色圖像檢測系統[J].傳感技術學報，2007，22(3):618-622.

[6]蕭世文，宋延清.USB 2.0硬件設計[M].北京:清華大學出版社，2006.

[7]徐灝，蔡春源，嚴雋琪，等.機械設計手冊[M].2版.北京:機械工業出版社，2002.

[8]Xie Xiang.A New Approach for Near-lossless and Lossless Image Compression with Bayer Color Filter Arrays[A].Third International Conference on Image and Graphics[C].2004:357-360.

[9]鄧魯華，宗光華，王巍.遠程多路視頻信號無線傳輸采集系統設計[J].沈陽航空工業學院學報，2007(24):57-59.