行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
整合影像處理與線型雷射掃瞄技術之鋪面三維輪廓檢測系
統開發
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2622-E-002-041-CC3 執行期間： 92 年 12 月 01 日至 93 年 11 月 30 日 執行單位： 國立臺灣大學土木工程學系暨研究所 計畫主持人： 周家蓓 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢中 華 民 國 94 年 4 月 7 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
整合影像處理與線型雷射掃瞄技術之鋪面三維輪廓檢測系統開發
計畫編號：NSC92-2622-E002-041-CC3
執行期限：92.12∼93.11
主持人：周家蓓 國立台灣大學土木工程學研究所
一、中文摘要 目前國內量測鋪面的技術多半仍停留於 直規量測階段，除精確度不佳外，量測時往 往耗時費力。 本研究利用最新的車轍量測方式概念， 將雷射與數位影像技術結合以量測鋪面橫剖 面，並嘗試製作原型機以試驗量測系統正確 性，以期增進鋪面檢測進行之速率與準確 性，提升路網層級之服務水準。 本系統經實際量測後，平均解析度可達 0.85 公釐，且僅有 0.06 之誤差率，相當準確， 唯因環境因素不佳而雜訊過多時，可能產生 量測失敗之結果。因此，若可增強雷射功率 並提高攝影機的性能，將可成功增加車轍量 測的準確率。 關鍵詞：鋪面檢測、車轍、雷射掃瞄、數位 影像處理 AbstractIn Taiwan, the most common method of measuring pavement is by straightedge. The method is of low accuracy and often takes too much time in measuring. The main objective of this study aims to integrate the technologies of laser and digital imagine process to measure rutting on pavement. And trying to make a machine integrating technologies above to verify the accuracy of the new
measuring technology. If the technology passes the verification, we could improve the speed and accuracy in measuring rutting.
After the verification, the technology could measure rutting with very high accuracy. However, the technology is strongly affected by the environments. Sometimes the measuring technology may fail under bad environments. It is suggested that improve the power of laser and the functions of the camera to ensure more accuracy of measuring rutting.
Keywords：pavement measuring, rutting, laser scanning, digital imagine processing
二、緣由與目的 由 於 近 年 來 鋪 面 鋪 築 技 術 已 臻 成 熟 階 段，國際間對於鋪面功能的需求除要求鋪面的 基本承載能力外，也開始將提升與維持鋪面之 服務品質及車輛行駛之安全性當成鋪面鋪築 的重要目標；因此鋪面管理者對於鋪面服務績 效之定期勘查與評估越顯重要。 鋪面服務績效評估包括表面狀況、平坦 度、鋪面結構及行車安全等四項，其中表面狀 況及平坦度對於用路者與駕駛運具之舒適感 具有相當程度之影響。路面如產生縱橫向的表 面變形，將造成駕駛者與乘客的不舒適，故行 車品質與舒適度皆與鋪面平坦度有關。除此之 外，平坦度高低對於鋪面的壽齡有明顯的影 響。依研究文獻顯示，若能降低平坦度值 10 ％，即可增加鋪面使用年限約 5%；若平坦
度值降低 25%，則鋪面壽齡將可提昇 10％ ~20％[1]。 國內橫剖面檢測仍停留於直規量測階 段，或少數利用自動檢測儀器上以多組測距 儀 架 設 於 前 保 險 桿 同 時 測 距 方 式 構 建 剖 面，而這些測量方式皆不若利用雷射掃描器 配合影像處理技術量測之方式準確、省力。 因此，本研究欲藉台灣大學成功發展縱向平 坦儀檢測儀器成功之經驗，配合最新車轍量 測方式概念，研究如何將雷射與數位影像技 術結合以量測鋪面橫剖面，並嘗試製作原型 機以試驗量測系統正確性，以期增進鋪面檢 測進行之速率與準確性，提升路網層級之服 務水準。 三、結果與討論 雷射與數位影像技術結合之原型機構造 圖如圖一所示，本研究中的雷射利用波長為 650nm(註)之紅光雷射模組作為雷射光產生 源，並配與三顆電池串連盒，共 4.5 福特提 供雷射模組電源，前端配合雷射線產生器， 將雷射模組發出之點雷射折射成為線雷射而 投射於地面，形成鋪面表面橫剖面曲線；攝 影機藉 IEEE 1394 介面與筆記型電腦相接供 給電源並傳輸畫面，不需經影像擷取卡即可 及時顯示影像並拍攝；攝影機之鏡頭前可裝 設濾光鏡片，此濾光鏡片允許通過之波長為 660±40nm，亦即 620∼700nm 之各種光波（通 常為紅色光）將可通過濾光鏡片進入攝影機 感光於 CMOS 晶片影像上。 本系統架構為靜態車轍量測系統，將雷 射與攝影機架設於於訂作之鐵製儀器上，底 下以推車乘載以具移動能力。本儀器操作流 程如圖二所示。 推車 基座 量測臂 水準氣泡 攝影機 雷射& 線發射器 Y X Z 圖一 原型機構造圖 設備組裝 調整攝影機視角 軟體處理計算 調整雷射面垂直 率定 連接電腦 取樣拍攝 圖二 儀器操作流程圖 在每次進行鋪面量測前必須要先進行系 統校正，本研究所採用的校正方法是利用尺 規作圖，以「×」作為定位點繪製於全開壁報 紙面上，每個「×」中心相距 5 公分，長邊為
20 個點，短邊為 10 點共 200 點組合而成。 率定時將壁報紙貼於平整垂直於地面之 桌面，並確定最低之 20 個定位點距離地 面皆為 10 公分，以固定定位點位之實際 物空間座標，如此即可假設最左下角點空 間座標為(0,10)，依序往上為（0,15）、 （0,20）、(0,25)…等，如圖三所示。其後 將桌面 200 個定位點接近雷射面，由於此時 已將雷射面調整至垂直地面狀態，因此可輕 易使整張圖紙落於雷射面中，待一切動作靜 止後即利用攝影機拍攝單張影像，並依據 Buiten、Frederic 及 Huang [2]、[3]的研究建 議，利用衛星照片及航空拍攝率定的方法， 轉換拍攝之二維平面至實際空間中的二維平 面，並進行參數率定與驗證（validation）之 工作。帶參數率定完後，即可開始進行鋪面 量測。 圖三 攝影機所拍攝定位點影像 量測時移動推車於路面欲量測處，待靜 止後調整承軸重新維持水平並拍攝影像，再 利用程式進行車轍計算之工作。本研究用以 計算車轍凹陷量之軟體為 MATLAB，此乃因 MATLAB 具有強大處理矩陣之能力，而數位 影像即是利用矩陣進行運算與操作，且 MATLAB 本身亦具備相當完整之影像處 理工具，較適合本研究之研究方法。 雷射影像軟體處理之步驟依序為： 1.求取雷射線區域：框訂雷射區域位置， 將其餘非雷射區域之影像皆予消除，減 少雜訊影響雷射線位置之判讀。 2.強化影像對比：藉由加強影像對比，以 區隔影像中不同亮度待測物之工作。 3.二值化：利用二值化的方式將雷射光以 白色光點，其餘背景為黑色點方式呈現。 4.濾波：一般影像的濾波之方式，常採取 遮照法（Mask）來進行濾波。遮照法之 使用可依照不同權重進行影像處理，如 可利用平滑化濾波（smoothing spatial filter，或稱低通濾波 law-pass filter）以 去除影像內不需要之雜訊，亦或是使用 銳化濾波（sharpening spatial filter）突顯 影像中物體之邊界以及亮度變化急遽之 部分。 5.求取雷射中心線位置：由於雷射線寬度 並非只佔有一個 pixel，大部分雷射線寬 度約為 4 或 5 個 pixels，因此必須求取雷 射光確切中心位置。可利用 ZC Method 假設雷射光源為理想的高斯分佈，以求 取雷射中心線位置。 6.利用率定公式座標互換：獲得雷射曲線 之影像座標後，即可利用前述影像座標 與空間座標轉換公式進行座標轉換。圖 四為以一班浪板進行影像處理後的結 果，可見其圖形與一般所見浪板相似， 呈波浪連續起伏分佈。 7.計算最大凹陷車轍深度：利用 ASTM E1703 之車轍計算方式，以直線取代直規 連接兩波峰上合適之點，再利用點與線 距離公式，求取波谷中離此線最遠點之 距離，此距離即為所定義之車轍深度。 車轍計算示意如圖五所示。
圖四 空間座標雷射線圖 圖五 車轍深度計算示意圖 進行同一地點之人工量測與儀器量測之結果 比較(單位為公分)，誤差率為儀器量測值減去 人工量測值之差值並除以人工量測值之結 果，以百分比表示；圖六及圖七分別為在實 驗室量測及在室外鋪面量測之誤差百分比 圖。由圖六中可發現，誤差率低於百分之十 的機率為 92％，平均誤差率為百分之六。一 般車轍量通常為 0 至 5 公分範圍內變動，以 誤差率為百分之六計算則誤差量最大為 0.3 公 分，就目前破壞調查之分級規定來看（輕級為 1.25 公分以下、中級為 1.25 公分至 2 公分， 重級為 2 公分以上），本儀器之精度在分析車 轍不同等級之功能上符合取代人工調查之構 想。 由圖七可觀之，誤差率低於百分之十 的 部分，約佔全部 47％，所有量測結果之平均 為 9.7％，結果皆較實驗室不理想，而誤差率 大於 12.5％之部分所佔比率為 40％，其中有 高達 39.6 與 28.7 之誤差量，加上另外 5 個無 法判讀之個案，可見非實驗室所能控制之環境 因素對於雷射光判斷之影響相當巨大。 誤差率分佈百分比 小於5 42% 5 7.5 35% 7.5 10 15% 10 12.5 5% 12.5以上 3% 圖六 實驗室量測誤差率百分比圖 誤差率百分比 小於5 27% 5 7.5 13% 7.5 10 7% 10 12.5 13% 12.5以上 40% 圖七 鋪面量測誤差率百分比圖
室外的環境因素對於本研究所研發之儀 器產生影響的可能原因如下： 1.當拍攝位置處於路燈下時，路燈光波中的 部分紅色波長之光線可能進入影像中形成 雜訊，而雷射線邊緣部分因光強度較弱而 與雜訊灰度相若，因此在影像處理時將無 法輕易利用閥值進行分離，經常因為消除 雜訊而失去雷射光影像，或為保留雷射影 像而留下雜訊，因而影響判讀結果。 2.在量測點附近的部份物體，如人手孔與電 信箱蓋等，可能將街燈光線反射進入影像 中，使得軟體判讀時誤將反光之金屬認為 雷射而斷定位置，而捨去雷射光的部分， 導致判讀失敗之情形產生。 本研究經架構儀器與實際量測後，可了 解雷射與影像處理技術之結合，確可獲得實 際鋪面之橫剖面量，但精確與否則必須取決 於雷射亮度、波長、攝影機性能以及率定之 方式，因此本研究之建議如下。 1. 本 研 究 利 用 目 前 市 售 功 率 最 強 的 雷 射 （9mW）進行實驗，仍受環境因素影響而 導致攝影機取樣時影像雜訊無法消除之結 果，影響了量測之準確性與真實性。建議 未來可採用其它特製較強功率的雷射來進 行測量，或利用不可見光之雷射，配合感 光方式不同之攝影機並加裝該波長之濾光 鏡片如此應可大幅降低其它可見光源產生 之雜訊，甚而可能可於陽光中進行檢測。 2.攝影機之性能與率定之方式亦為本量測方 式準確度之關鍵，攝影機必須選取內方位 參數穩定、 且具有 大 數量總像素 之攝影 機，配合鏡頭與固定焦距之量測方式，以 獲得最佳之準確度，本研究所使用之總像 素為 1280×960pixels，配合二維平面對二維 平面率定之轉換公式，可獲得 0.68 公釐之 誤差量，以及 0.85 公釐之單位誤差量，對於 車轍嚴重等級區分標準（以 1.25 公分與 2 公 分區隔為三類級），已可輕易的鑑別，若欲求 取更佳之精度，則可選擇使用攝影機之總像素 更多之機種，或縮短攝影機與雷射之距離，如 此雖減少可量測之寬度，但卻可增加準確度之 表現。 3.攝 影 機 與 雷 射 架 設 位 置 並 非 具 有 固 定 模 式，可選擇如本儀器般垂直投射雷射線而使 攝影機具有角度拍攝，或擺置攝影機於固定 高度垂直向下拍攝，配合具有角度之雷射投 射亦可，然第二類之選擇必須預先測得雷射 平面與垂直方向夾角，藉以將放大之車轍量 補償還原為實際大小。而攝影機與雷射兩者 相關位置必須具固定裝置，進行率定後將不 可任意改變此二者間角度與位置，以確保影 像座標轉換實際座標之準確性。 註：雷射光之頻率須大於攝影機拍攝時所使用 之頻率，以減少攝影機漏拍之情形。 四、參考文獻
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