TOF技术在路面裂缝自动检测中的应用

段荣鑫

(内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

随着我国经济近三十年来的高速发展，高等级公路的建设里程已经位于世界前列，与此同时，早期建设的公路因为使用年限和所处周围环境，路面破损问题越来越突出。路面结构层的变形加大、承受荷载的能力、耐久性、平整度与抗滑性能降低，致使车辆的安全速度降低、能量消耗增加、零部件磨损增大、碳排放增加，从而直接影响了公路的服务水平。以上这些问题的解决必须依赖公路养护，而准确的路面检测就成为公路养护的前提条件,其中路面裂缝是衡量公路质量最重要的一个指标。路面裂缝是路面常见的破损状态，包括纵向、横向和网状裂缝。现阶段，我国的高等级公路路面裂缝检测还是以人工为主，这就导致了效率低、检测人员不安全、检测误差大等情况。随着计算机性能的提高和数字摄像技术的发展，公路路面裂缝检测技术也得到了发展。数字化的影像技术会使路面病害检测和评估更加全面、准确、实时。

1 国内外数字化检测的发展现状

目前，各国技术人员对路面裂缝数字化自动检测技术进行了很多相关的工作，这方面主要是利用前期摄像技术和后期的处理、识别技术，并以此开发了基于计算机程序算法的路面裂缝检测识别系统。数字化检测识别系统包括路面信息收集系统和路面图像信息分类识别系统。通过以上系统的协同工作，可以完成对路面已有裂缝的记录、筛查、识别，保存具体位置，并可实时上传存储。现在比较成熟的有日本的Komatsu系统、加拿大路德威(Roadware)公司生产的ARAN系统、澳大利亚的Hawkeye2000系统、美国的PCES 系统、瑞典的PAVUE系统等。

国内对于公路路面病害尤其是裂缝数字自动化检测技术的工作研究发展较晚，大约开始于20世纪90年代。随着近年来公路总里程的不断增加，国内对于公路路面的养护和管理工作开始得到重视，目前我国已经开发出具有相似功能的检测系统，现在比较先进的是南京理工大学开发的JG-1型激光三维路面状况智能检测系统以及CiCS路况快速检测系统，其中CiCS是我国完全知识产权，由交通部公路科学研究院牵头研究开发的路面检测系统，它已经通过国家各项检测，并应用到了许多省份的高等级公路路面病害检测的工作中。

通过对比国内外对于路面病害检测技术发展研究，可以预见，基于数字影像技术和AI图像自动处理、识别的先进科技将成为路面病害自动检测技术未来的发展趋势。但是，目前国内外还没有开发出一套适应性强、全面可靠的综合检测系统，因此，虽然产品较多，然而由于各种原因的限制，已有的系统还不是很成熟，未能得以全面应用。

2 TOF技术的特点

虽然目前基于影像视觉技术和数字图像处理技术已经比较成熟，但在路面检测这种特殊的应用场景下，尤其是在环境不断发生变化或检测时行驶速度不在规定的区间内，现有的识别效果会急剧下降。由于目前大多采用的是CDD高分辨率成像，在采集时并没有深度这个信息，这就导致必须依赖后期的图像处理，不仅后期工作量大而且效率不高，准确性也受到影响。近年来，随着对于AI人工智能和深度信息测量技术的开发，很多光学测量技术被开发出来，他们都基于各种不同的技术实现了非接触式三维深度的测量，这其中应用比较成熟和广泛的有TOF(Time of Flight)、结构光和双目立体成像。

表1 3种深度测量技术对比

这3种光学非接触式的三维深度测量技术，它们各自采用的技术不同，技术规格也不尽相同。其中结构光和双目成像出现得比较早，而TOF即飞行时间法是近几年出现的新技术，但它相对于前两种深度测量技术有着不小的技术优势。由于TOF技术独有的技术特征，可以预见它在路面病害检测，尤其是路面裂缝测量上将有着很好地应用。

3 TOF技术在路面裂缝检测中应用的可行性

TOF是Time of Flight的简称，也叫飞行时间测距法，它由发光元件、光学部件、传感接收器、控制电路以及处理电路等几部单元组成。TOF发光元件向被测物体连续发射光脉冲，光被被测物体反射后由光学部件收到，这样就有了光从发射到返回的时间差，依据这个时间差就可以知道被测物体表面的具体情况，在收到足够多的光信息后，就可以对被测物体的表面进行绘制。由于有了TOF摄像头的作用，接收元件能够比之前更快地获取精度更高的景深信息和更大范围的3D建模。相较于结构光和双目成像，被测物体的表面情况的细节和范围都可以得到更好的反映。

图1 TOF工作原理

通过光反射探测的TOF相机可以认为是一种接收光脉冲的雷达系统，它通过光脉冲不停地照射和返回接收，像雷达一样对空间中的物体进行感知并绘制。TOF系统可以测量所有发出的光线从空间中的物体返回的时间，并将它与已有的影像照片相融合，借此创建包含影像信息和深度信息的空间被测物体的模型。

TOF技术采用主动光探测方式，利用照射光信号与反射光信号的时间差来进行距离的计算，所以，TOF的相机照到路面等被测物体后，得到不间断的高频图像，可以建立整个路面的三维信息，从而不需要图像后期处理即可绘制整个路面实际现状，配合先进的算法，可以快速检测路面病害情况。

4 TOF路面裂缝检测设备的集成

TOF检测系统与双目立体视觉或三角测量等系统相比，整个系统非常紧凑，与激光扫描系统相比，不需要机械运动部件，与传统的激光测距相比能够以一张镜头合成有深度信息的图像。从TOF系统中的输出信号中已经有了空间的信息，仅需要很小的处理器单元即可完成提取，而其他光学非接触式三维深度测量，需要非常繁复的算法，还需要更强大的处理器单元。另一方面，TOF相机可以不断测量场景中的距离，可达到每秒160帧以上。

正是由于TOF的特点，使它能够与道路裂缝检测载体集成，虽然硬件成本较高，但是其算法开发难度低、系统体积小，而且在集成多个摄像头后，TOF裂缝检测设备有更宽的扫描范围和更高的精度。由于TOF检测设备的体积小巧、扫描距离远，它不仅可以集成在汽车等地面行动的载体上，还可以集成在无人机等飞行器上。

当TOF系统使用无人机作为载体时，无人机上只需集成TOF相机、传感器以及存储设备，而复杂的计算与处理部分可以放到地面处理系统，使无人机部分不仅减少重量和体积，还只消耗很小的能量。由于无人机飞行高度的可调，使该系统能够很好地适应不同等级、不同宽度的公路，也能很好地适应公路的平纵面线形。由于所生成的结构是整个公路路面的裂缝分布情况，可以很好地依据我国沥青路面裂缝评价标准，结合我国路面管理系统，建立完善的路面裂缝评价系统，使此项技术能在我国得到更好的推广应用。

5 结束语

通过了解国内外各种路面裂缝检测技术可以知道，现阶段国内外还主要采用数字图像处理技术识别路面裂缝，由于路面图像特性，使它的准确度有限。而TOF相机技术的使用，在路面检测过程中可以建立整个路面的三维立体图像。而且TOF的各项优点使它可以很好地和各种载体集成，适应各种不同的路况和环境要求。TOF集成系统可以符合我国各种高等级路面裂缝评价标准，最大程度地促进我国高等级公路的养护和管理。