[发明专利]一种优化双相扫描路面的三维裂缝曲面轮廓检测方法

权利要求书

1.一种优化双相扫描路面的三维裂缝曲面轮廓检测方法，其特征在于，该方法具体以下步骤：

第一部分：图像信息采集及处理

步骤1：使用激光三维成像设备采集路面三维图像数据，并对采集的路面三维图像数据矩阵进行滤波处理，得到去噪后的三维图像数据矩阵I；

步骤2：将滤波后的三维数据矩阵I按行排列，对数据矩阵I中每行数据批量进行水平处理，得到数据矩阵I₁；

步骤2.1：使用尺寸为3*3的滑动窗口对数据矩阵I的第i行数据R_i按照式(1)进行平滑操作，得到式(2)所述平滑的行数据矩阵R′_i；然后，对平滑的行数据矩阵R′_i进行曲线拟合操作，从而得到式(3)所述数据矩阵R″_i；之后，按照式(4)创建具有与原始数据矩阵R_i相同尺寸的阵列Pro_i，存储主表面轮廓数据值；

R_i＝(Z_i1，Z_i2，......，Z_in)，i＝1，2，......，m (1)

R′_i＝(Z′_i1，Z′_i2，......，Z′_in)，i＝1，2，......，m (2)

R″_i＝(Z″_i1，Z″_i2，......，Z″_in)，i＝1，2，......，m (3)

Pro_i＝(pro_i1，pro_i2，......，pro_in)，i＝1，2，......，m (4)

其中，m，n分别代表数据矩阵的行和列；

步骤2.2：使用下式(5)计算平滑值和拟合值之间的差值：

其中，Z′_ij和Z″_ij分别代表平滑数据矩阵和拟合数据矩阵，S_i表示第i行中平滑数据和拟合数据之间的差异；

步骤2.3：使用以下式(6)计算平滑值和拟合值的绝对差值，然后使用式(7)评估Δ的重要性，如果该值满足此原则，则标记第j列，并将其存储到新数组J中；

Δ＝|Z′_ij-Z″_ij| (6)

Δ＞5×S_i (7)

其中，Δ表示平滑数据矩阵和拟合数据矩阵之间的绝对差值；

步骤2.4：数组J中的列号，按照其值连续划分并扩展每个列区域，对列中的列号进行排序；左右两端延伸到曲线拟合结果和平滑结果的交点，扩展后的列区域将重新存储在数组J中；

列号的左端和右端应分别满足下式(8)和式(9)的条件：

(Z′_i(a-1)-Z″_i(a-1))×(Z′_ia-Z″_ia)≤0，a＝1，2，......，m (8)

(Z′_ia-Z″_ia)×(Z′_a(a+1)-Z″_i(a+1))≤0，a＝1，2，......，m (9)

其中，Z′_i(a-1)，Z′_ia，和Z′_i(a+1)和表示平滑数据矩阵中的三个邻域，Z″_i(a-1)，Z″_ia，和Z″_i(a+1)表示拟合数据矩阵中的三个邻域；

步骤2.5：使用式(10)将数据值指定为主要表面轮廓矩阵；如果特定列存储在数组J中，则J中的特定值应该用曲线拟合值替换，否则，使用平滑值作为主表面轮廓值；

其中，Z′_ij，Z″_ij分别表示平滑值和拟合值；

步骤2.6：使用式(11)计算原始数据矩阵R_i和主要表面轮廓值Pro_ij之间的标准方差，并将其表示为T_i：

其中，Z_ij表示原始数据值的位置，pro_ij表示PSP曲线中相应的位置值；

步骤2.7：使用下式(12)评估R_i中的数据，如果结果满足此条件，则将该点标记为裂缝并将数据值指定为1，否则将其视为背景并设置为0；

|Z_ij-pro_ij|≥k×T_i (12)

其中，K代表行识别的参数，并且根据本文中进行的实验，当K选择2到5的值时，可以获得最佳性能；

对数据矩阵I中的每个数据点进行相同的操作，得到矩阵I₁，表示水平处理结果；

步骤3：与步骤2类似，从垂直方向即列方向进行操作，可以获得另一个数据矩阵I₂，表示图像数据的垂直信息；

步骤4：将两个数据矩阵I₁和I₂，相加，得到矩阵I₃。

步骤4.1：计算数据矩阵I₁和数据矩阵I₂的交点，从而得到I_n代表的初始矩阵I₃；

步骤4.2：对于那些满足以下条件的点：存在于I₁或I₂中，但不存在于I_n中，计算I₁或I₂与I_n之间的最短距离，并将最短距离与指定阈值进行比较；如果最短距离未超过阈值，则将结果存储到矩阵I₃中；

步骤5：将步骤4获得的矩阵I₃进行过滤操作；

步骤5.1：使用8邻域原理标记I₃，对于矩阵I₃中的数据点，按照从上到下，从左到右的顺序扫描，查找未标记的数据点，并为这些数据点分配新标记。然后判断每个当前中心点的8个邻域是否是破裂点。如果区域内存在未标记的裂缝数据点，则该裂缝数据点将被分类到当前扫描中心点所在的区域，将当前中心点的标记分配给新找到的裂缝数据点；并将中心更新到新的裂缝点，再次扫描并判断新中心的8个邻域，直到矩阵I₃中的所有点都被标记；

步骤5.2：对于每个标记的区域，首先计算零级距离，得到该区域的面积。然后评估该区域的值，小于阈值的区域表示一个孤立区域，该孤立区域应视为噪声区域，在滤波矩阵中赋值为0；

步骤6：结束处理，获得仅包含裂缝信息I₄的二进制图像；

第二部分：裂缝检测结果的定性分析与裂缝检测结果的ROC曲线分析

(1)裂缝检测结果的定性分析

选择三种类型的路面裂缝样品：即横向裂缝，纵向裂缝和地图裂缝进行实验，分别采用单一的双相扫描路面裂缝检测方法和基于PSP的裂缝检测算法对所有三种裂缝进行对比试验；

所述基于PSP的裂缝检测算法描述为路面裂缝图像数据矩阵中含有两个主要成分的信息，即：背景信息和裂缝信息；通常，表示背景信息的值远高于某个数据矩阵中的破裂区域，根据该特征，可从路面裂缝图像获得路面曲线的水平方向或垂直方向，然后将这些主要表面轮廓用作检测图像中出现的裂缝严重程度的参考；在获得PSP曲线后，计算原始数据与相应PSP曲线的相对值之间的差异，可以提供实际的路面裂缝信息；

(2)裂缝检测结果的ROC曲线分析

另一个广泛使用的性能评估指标是接收器操作特性ROC曲线，以全面评估方法的性能；使用伪阳性率作为轴值绘制ROC曲线，并且将真阳性率作为轴值绘制；精确率通过式(13)计算，伪阳性率通过式(15)计算，并且真阳性率通过式(14)计算：

TP：预测为裂缝(P)，实际上预测正确(T)，即判断为裂缝的正确率；

TN：预测为背景(N)，实际上预测正确(T)，即判断为背景的正确率；

FP：预测为裂缝(P)，实际上预测错误(F)，误报率，即把背景判断成了裂缝；

FN：预测为背景(N)，实际上预测错误(F)，漏报率，即把裂缝判断称了背景。