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硕士学位论文开题报告审批表
（学术学位）
论文题目：
基于车载视觉的路面坑槽检测方法研究
学院
电子与信息工程学院
学生姓名
张丰梁
学号
1211041003
导师姓名
王军副教授
学科门类
工学
专业
光学工程
研究方向
光电信息与处理
入学时间
2014年9月10日
开题报告时间
2014年4月8日
研究生部制
填表说明
1、开题报告用A4纸张打印，于左侧装订成册；
2、开题报告一式两份，研究生部和所在学院各存档一份；
3、选题一经批准，未经同意不得改动；
4、论文类型、项目来源、是否有合同和是否涉密栏内，请在合适的选项“□”内“√”。
论文题目
基于车载视觉的路面坑槽检测方法研究
论文类型
□基础研究；■应用研究；□开发研究；
□工程技术；□跨学科研究；□其它。
项目来源
□国家级；□省（部）级；□市（厅）级；
□学校；■企事业单位；□自选。
是否涉密
■否
□是
密级
□内部□秘密□机密
一、选题依据（包括课题所属研究领域和选题背景，课题研究的理论意义和应用价值）（字数500字左右）
1.课题研究背景
作为经济高速发展的重要标志，我国高速公路发展迅速，截至目前，我国公路的总里程已达到370万公里，其中高速公路总里程6.5万公里，居世界第二位，仅次于美国。
如何对路面质量进行快速检测评定，是当前一个十分重要的课题。
为保证运行安全与质量，急需大量先进的路面检测仪器与设备。
在路面诸多检查项目评定指标中，平整度占评定总分的15％～20％，其中路面坑槽的危害最为严重，足见其重要性。
已有数十年高速公路建设与管理经验的发达国家过去已开发了多种路面平整度检测仪器，并正开发以激光与现代光电技术为特征的高速智能检测设备。
为满足我国如此迅速发展的高速公路的建设与管理的需要，国内已有的低速人工检测已不能满足需求。
国外先进技术和设备纷纷涌进中国，提升了我国道路检测水平，同时使用中也发现了国外先进检测产品尚存在许多不足和问题，如国外产品价格昂贵，设备在维修、保养、后期服务方面收费昂贵，国内大多数使用单位难以承担，采用的技术标准国内外不一致，操作及维修困难，缺少计量检定规程，检测仪器的周期检定和校准工作较难展开，诸多原因决定了从国外引进的路面检测设备在国内难以普及和推广，因此研究具有自主知识产权并能够满足我国道路路面检测需求的高性能路面平整度检测仪器设备显得尤为重要。
2．课题研究的理论意义和应用价值
近年来，我国高等级公路建设得到了突飞猛进发展，而随着高等级公路里程数的不断增加，其养护管理日渐重要。
路面平整度信息是评价路面质量好坏的关键指标之一，不良的路面平整度不仅影响道路行车安全，降低行车舒适度，增大行车噪声污染，而且还降低行车速度，增加油耗，增加车辆机件磨损，延长出行时间，同时加速路面结构破坏，影响路面使用年限，缩短养护周期，因此定期或不定期对路面进行平整度检测是非常有意义的。
路面坑槽（potholes）指的是在行车作用下，路面的骨料局部脱落而产生的坑。
一旦路面出现坑槽，在水和交通荷载的综合作用下，其损坏程度会加快发展，这样会造成养护费用的增加并且严重危及驾乘人员的安全，所以对路面坑槽的定位及检测就具有了重要性和必要性。
二、国内外的研究动态及发展趋势（字数800字左右）
关于路面坑槽的检测可以归结到路面平整度的检测范畴，而对于路面平整的测量国内外常用的检测仪器主要包括断面类和响应类两大类检测仪器。
断面类路面平整度仪目前国内外的测量设备有水准仪，三米直尺，连续式路面平整度仪，基于惯性基准测量的车载式平整度仪等。
其中水准仪是常用的测量工具，水准仪提供水平基准，标尺上的读数提供了相对于基准的高度，因此水准仪可以直接获得路面断面各点的高程值。
因为测量过程中不可以移动，水准仪是一种静态测量仪器。
水准仪是检测出路面的绝对高程变化，检测精度高，是最精准的平整度测量仪器，但是手工操作，检测效率低，常用于标定实验的参考仪器。
三米直尺这种测试方法由于全部由人工操作，因此人为影响因素大、精度低、测试效率低，只适用于在建道路施工过程中进行质量控制，不适于高等级公路竣工验收。
传统的路面平整度检测与评价仪器设备实际使用中都存在着各自的缺点，如水准仪是手工操作，检测效率低，三米直尺检测精度低，费时费工，连续式平整度仪只能检测出短波长的路面纵断面剖面，车载式颠簸累积仪时间稳定性差，不能给出路面的真实断面，都不能适应高等级公路快速发展带来的高速率、长距离、精度高的路面检测要求。
而快速、高精度的车载式平整度仪已经成为路面平整度检测技术的发展方向。
纵观国内高等级路面检测现状及国内外研究发展趋势，必须研究开发出具有自主知识产权的路面平整度检测设备，使我国高等级路面检测技术和装备达到国际先进水平。
显然基于车载视觉的路面坑槽检测系统的研究与实现具有其重要性和必要性，此系统可以准确的定位并测量路面不平整出坑槽的面积及深度信息，并且适合长距离的路面检测。
三、研究内容和方法（包括：
1.研究的基本内容；2.拟采取的技术路线、研究手段、研究方法；3.研究过程中可能遇到的困难和问题，解决问题的初步设想；4.预期达到的目标）（字数1500字左右）
1.研究的基本内容
研究的内容从车载式路面坑槽检测系统的硬件系统框架出发，描述了系统的基本构成，详细阐述了如何对路面坑槽图像运用数字图像处理技术得出更精确的面积，深度信息。
（1）车载测量系统结构
基于车载视觉的路面坑槽系统的设计主要包括CCD相机，各类传感器包括振动传感器，GPS，便携式PC机，测试车等，通过振动传感器采集到的数据进行AD采样，经过系统处理器结合GPS位置信息以及CCD相机采集到的图像信息，就能完整的呈现路面坑槽的位置，面积及深度信息。
（2）多传感器数据融合与处理
在车载移动测量系统中有2个基准:
空间基准和时间基准。
对于空间基准,首先建立一系统坐标系,其起点为惯性导航系统的零点,尽可能地通过陀螺轴,将每种传感器的零点如GPS接收机的相位中心、激光测距仪的零标志点均归算到该系统坐标系中。
为了实现多源数据的融合集成处理,整个系统的传感器采集的数据必须建立在同一时间坐标轴上,以实现任意数据的集成处理。
（3）图像坑槽分析处理算法
当采集到路面中坑槽的图像之后，需要运用数字图像处理的方法对坑槽图像进行分析，最后结果显示在PC机上。
对于面积的测量可以用基于区域生长规则的快速边缘跟踪算法来获得坑槽图像的闭合曲面，而针对深度信息的测量则可以基于双目识别技术将CCD获得的图像进行影响匹配恢复三位模型从而达到测量深度的目的。
2.研究路线及方法
本系统设计主要硬件包括CCD相机两台、图像采集卡、GPS、振动传感器、便携式电脑等。
主体思想是通过振动传感器记录车辆在行驶过程中的振动情况，当车经过路面坑槽时的振动幅度将比平坦道路上行驶的振动幅度剧烈的多，这样就可以对振动幅度取阈值，结合GPS信息和CCD相机记录的图像，就能准确的定位路面坑槽的位置并找出坑槽原图。
结合数字图像处理的方法就能精确的测量出路面坑槽的面积及深度信息，最后在PC机上输出检测结果。
系统的硬件的基本框架如图1。
图1系统的基本框架图
3.拟要解决的问题
（1）路面坑槽的面积测量
运用数字图像处理对目标的面积进行测量，即是通过光学系统对被测物体的表面以已知的倍率成像于CCD光敏面上，通过图像采集卡进行A/D转换之后转交至计算机进行处理。
在进行测量前必须对测量系统进行标定，通常采用的标定方法是将一已知面积的物体放于被测物体附近，通过对拍摄图像中已知面积物体的像素数与实际面积的比例关系就可推算出待测图像中路面坑槽的实际面积。
标定完成之后即可利用已下公式进行计算：
（当k=n时，k+1=1）
数字图像处理中对于图像面积的测量通常可以用边缘检测来获得待测区域的边缘，而基于一阶导数的边缘检测算子包括Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子等，在算法实现过程中，通过22（Roberts算子）或者33模板作为核与图像中的每个像素点做卷积和运算，然后选取合适的阈值以提取边缘。
但是这样的边缘检测很难获得封闭区域的闭合边缘，从而难以统计出待测图像闭合边缘内的像素数。
于是就提出采用基于区域生长规则快速边缘跟踪算法来获得闭合曲面的边缘，从而达到测量该区域面积的目的。
（2）路面坑槽的深度信息测量
针对路面不平整的坑槽深度的测量，选择了基于双目识别技术的路面坑槽检测，系统的硬件部分主要包括两个CCD摄像机，PC机和图像采集卡，其组成的框图如图2所示。
图2基于双目识别技术的深度检测系统框图
基于双目识别技术的坑槽深度检测系统中需要对两个CCD的相机获得的图像进行影像匹配，影像匹配的一般性方法主要包括：
基于影像特征的影像匹配算法、最小二乘影像匹配、一维影响相关与核线相关影星匹配、同名核线匹配算法、还有基于影像灰度的影像匹配算法。
经试验最小二乘法影响匹配在初始值不精确的时候很难收敛，影响了算法的有效性。
基于影像特征的影像匹配算法需要配准点、线、面，而针对路面坑槽的图像中没有特征点、线、面的存在，故也有其不适用性。
本文采取的是基于影像灰度的影像匹配算法中对图像进行同名像点的匹配，并且采用相关函数最大性测度对同名像点进行匹配可以获得较好的效果。
4.预期达到的目标
本系统的研究与设计预期能达到以下目的：
当测试车行驶过公路路面后，系统能够测试出路面坑槽的具体位置，即GPS位置信息，能够准确的测量出路面的坑槽的面积大小，已经深度信息，最后通过matlab来恢复坑槽的三维图，最终结果显示在PC机上。
其中对面积的测量误差要控制在1mm以下，对深度的测量要能准确的还原实际坑槽的原貌。
四、开题条件（包括：
1.学术条件；2.设施条件；3.经费的概算和落实情况）（字数500字左右）
1．学术条件
阅读大量的文献资料，对路面检测系统的整体框架，国内外的研究现状以及具体路面坑槽的面积，深度，位置信息的获取与测量进行了充分的了解，已具备一定的学术基础。
同时在校期间积极跟导师做各种项目来拓展自己的实际动手与学习能力，能够独立的思考完成导师安排的任务，具备了一定的工作基础。
2.设施条件
基于车载视觉的路面坑槽检测系统的研究分为前期、中期、后期三个阶段。
前期主要是查阅相关资料进行学习，并制定研究方案；中期则是根据前期的研究结果进行相关方面的实际设计，包括振动传感器选择，CCD相机的选取，如何将设备安装并固定于测试车上等。
而后期主要是进行系统的搭建、实验并进行结果分析。
在前期阶段，学校图书馆有相当多的资料、书籍供参阅。
中期则要在实验室进行，实验室提供了示波器、函数信号发生器、电烙铁等硬件电路设计的条件。
后期主要是在公路上测试，采集数据，并且录入测试系统的性能。
3.经费的概算与落实情况
路面坑槽检测系统是一个比较复杂的系统项目，包含了系统硬件的搭建，数字图像处理中软件处理的调试，需要多次的实验，根据实验分析结果再进行测试。
经预算，经费为30000元，具体情况如下：
（1）震动传感器，CCD相机，以及GPS模块以及各种连接线等的购买费用20000元；
（2）设备安装费用1000元；
（3）关键器件焊接材料费4000元；
（4）技术交流研讨费1000元；
（5）发表论文版面费2000元；
（6）软件著作权申请费用1000元；
（7）交通调研费1000元。
五、文献阅读目录
序号
作者
题目（书目）
期刊名称（出版单位）、时间
1
王超，王荣本，初秀民，施树明
路面破损检测自动定位技术
吉林大学学报2003,33（3）:
19-23
2
檀柏红，王娟，林挺
一种基于区域生长进行边缘跟踪测量路面损坏面积的方法
天津科技大学学报2008，23
（1）:
63-67
3
屈彬，王景熙，郑昌琼，罗渝兰，何艳阳
一种基于区域生长规则的快速边缘跟踪算法
四川大学学报2012，34
（2）:
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4
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22
23
24
25
26
27
28
29
30
注：
可另加附页
七、论文工作进度安排
起止时间
自2013年9月至2015年5月
序号
论文阶段及工作内容
时间安排
阶段性成果
1
查阅相关资料、了解国内外研究状况，
2014年4月~5月
确立设计方案
2
根据方案对车载式路面坑槽检测系统进行设计
2014年5月~7月
确立路面坑槽检测系统的基本硬件框架
3
路面坑槽面积的测量模块的设计
2014年7月~9月
设计出合理的系统来得到坑槽的面积
4
路面坑槽深度信息的模块的设计
2014年9月~11月
对坑槽深度的检测控制在一定的误差范围之内
5
运用MAT软件模拟还原出路面坑槽的三维模型
2014年11月~2015年1月
还原模型，并进一步缩小测试系统的误差
6
元器件购买，对整个系统构建硬件设备
2015年1月~3月
完成整个系统的设计与试验，并记录试验结果
7
进行论文的撰写
2015年4月
完成论文设计
八、审核意见
（一）导师意见（就研究生对国内外研究现状的了解情况、论文的技术路线、预期目标、文献综述及论文工作进度安排等方面进行审议）：
该生对于所开课题进行了较为详尽的市场调研，参考了许多文献，最后确定的课题具有一定的实际应用价值。
本课题是学生所学专业知识的延续，符合学生专业发展方向。
本课题初步确定的技术路线和设计思路基本明确，通过对本课题的设计和研究可以提高学生的专业技能和研究能力。
本课题的研究方法和研究步骤基本合理，难度合适，学生能够在预定时间内完成该课题的设计。
同意开题。
导师签名：
年月日
（二）审定小组意见
审定小组成员名单
成员
姓名
职称
工作单位
签名
组长
组员
审定小组意见
（对论文选题的理论意义、应用价值和研究的内容、技术路线、创新性等方面进行审议）
考核结果
与会审定小组成员总人数：
人
同意：
人
不同意：
人
考核结果：
（请在“□”内打“√”）
□通过
□未通过
审定小组组长签名：
年月日
（三）学院审查意见：
分管领导签名：
公章
年月日
升级会员 