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鋪面缺陷影像辨識系統應用於路網檢測之研究

鋪面缺陷影像辨識系統應用於路網檢測之研究. 簡報者：楊政錤 指導 教授：林志棟 日期： 2010/07/31. 5. 6. 1. 2. 3. 4. 鋪面影像檢測系統. 檢測數據分析. 文獻回顧. 路面狀況調查程序. 緒論. 結論與建議. 大綱. 緒論. 研究緣起及目的

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鋪面缺陷影像辨識系統應用於路網檢測之研究

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  1. 鋪面缺陷影像辨識系統應用於路網檢測之研究 簡報者：楊政錤 指導教授：林志棟 日期：2010/07/31

  2. 5 6 1 2 3 4 鋪面影像檢測系統 檢測數據分析 文獻回顧 路面狀況調查程序 緒論 結論與建議 大綱

  3. 緒論 • 研究緣起及目的 • 現今電子科技進步快速，若能將道路狀況之視覺影像配合基本資料整合儲存於電腦中，將有利於各項資料之查詢及修改作業，提昇對路面狀況的了解，清楚轄區內道路的路面狀況，且由於在電腦中可看到道路現況影像，將可實際應用於發包養護及路面狀況的了解，減少實地踏勘之次數及時間；因此，如何整合現有科技，組裝構建路面檢測設備，用以作為建立一包含文字、圖檔及連續影像等之路面狀況調查系統，期以有效減少人力、時間，並提供正確的路面狀況，提高使用管理效率實為一大課題

  4. 研究方法 • 文獻收集 • 收集國內外鋪面檢測車相關文獻，並做相關比較，了解國內外規範以及實地操作上之差異性。 • 鋪面狀況指標 • 比較國內外對於鋪面狀況使用之相關評級指標，並了解各指標間技術上困難，以及指標間轉換之可行性評估。 • 實地驗證 • 利用影像辨識系統落實於桃園縣境內道路上，以量化之PCI值以及局部破壞種類，並依照規範進行。

  5. 研究流程

  6. 文獻回顧

  7. 鋪面狀況指標(Pavement Condition Index, PCI) PCI評級 19項破壞 PCI 為依據鋪面現況量測及觀察鋪面破壞之結果評估鋪面整體狀況的數值指標，主要調查路段的鋪面結構完整性及面層行車狀況。PCI 不能量測結構能力(Structural Capacity)，亦不能直接提供鋪面抗滑或平坦度資料，僅提供客觀及合理的基礎，用以作為鋪面養護需求及優先順序之決策依據。

  8. 鋪面狀況指標(Pavement Condition Index, PCI) 1 計算鋪面損壞型式扣減值 計算鋪面折減值 計算最大容許損壞扣減值數量m值 計算PCI值 嚴重程度 輕 重 Deduct Value, DV 中

  9. 鋪面狀況指標(Pavement Condition Index, PCI) 計算鋪面損壞型式扣減值 計算鋪面折減值 計算最大容許損壞扣減值數量m值 計算PCI值 2 95%信賴區間下 m = 1+ (9 / 98)(100 − HDV ) ≤ 10 m = allowable number of deducts including fractions (must be less than or equal to ten) HDV = highest individual deduct value.

  10. 鋪面狀況指標(Pavement Condition Index, PCI) 計算鋪面損壞型式扣減值 3 計算鋪面折減值 計算最大容許損壞扣減值數量m值 計算PCI值 由於鋪面破損有可能因破損項目的交互作用重複計算而扣減超過100，因此要對總扣減值進行折減。 將取樣單位>2.0扣減值之項目排列。 計算其破損項目值(q value)及總扣減值(TDV) 。 依據右圖得到修正折減值(Corrected Deduct Value, CDV) 。 將最末(最小)之扣減值以2.0 取代，並將q 值遞減至1，。 計算修正折減值序列，求得最大值，定義為HCDV (HighestCDV) 。

  11. 鋪面狀況指標(Pavement Condition Index, PCI) 計算鋪面損壞型式扣減值 計算鋪面折減值 計算最大容許損壞扣減值數量m值 計算PCI值 4 代表樣本單元之PCI 值 PCI=100-HCDV 若檢測路段數目為n。

  12. 統一裂縫指標(Unified CreckIndex,UCI) • 源自Pavement Management Implementation(ASTM STP 1121) • 為裂縫及補錠外無損壞區域占路段總面積百分比 • 範圍0~100，UCI值愈高代表鋪面狀況愈好 • 將鋪面影像切割為網格（其網格大小可根據使用者需求進行調整），將具有裂縫及補綻之網格扣除後，其餘之網格數除以鋪面所有網格數，所得之百分比即為該張影像之UCI 值，將路段所有影像之UCI 值加總後平均即可得路段之UCI 值。

  13. 統一裂縫指標(Unified CreckIndex,UCI) 取得二值化影像 計算影像網格數量

  14. 統一裂縫指標(Unified CreckIndex,UCI) 計算水平向與縱向灰階值為1 網格數量 計算水平向與縱向灰階值變化比率 計算水平向與縱向灰階值變化量

  15. 通用裂縫指標(Universal Crack Index,CI) 可計算之鋪面破壞類型 縱向裂縫計算 裂縫CI計算 鱷魚狀裂縫計算 橫向裂縫計算 • 世界銀行所發展 • CI為裂縫寬度(以總鋪面面積中，裂縫所占之面積百分比表示,m2/m2)、裂縫密度(以裂縫長度除以裂縫所占之面積表示,m/m2)與裂縫寬度(mm)之乘積 CI = extent × intensity × crack width

  16. 路面狀況品質指標(Pavement Condition Quality Index,PCQI) • 民國89年張其教博士研究提出 • 採用一區工程處中壢工務段3390個測試路段，每路段以100公尺為單位。 • 利用模糊回歸方法導出公式 [PCQI]=(97.030,5.281) – 6.906 x1– 6.600 x2– 7.394 x3– 25.775 x4– 30.336 x5– 7.907 x6–7.290 x7– 7.630 x8– 6.746 x9– 67.852 x10– 92.306 x11– 77.648 x12– 11.391 x13– 182.133 x14– 15.280 x15–7.488 x16–209.455 x17–17.735 x18 X1=鱷魚裂縫模糊破損率 X2=挖掘道路修補面破損模糊破損率 X3=修補路面惡化模糊破損率 X4=人孔高差模糊破損率 X5=縱向裂縫模糊破損率 X6=路面凹陷模糊破損率 X7=車轍模糊破損率 X8=坑洞模糊破損率 X9=波浪型路面模糊破損率 X10=邊緣裂縫模糊破損率 X11=車道與路肩高差模糊破損率 X12=構造物附近高差模糊破損率 X13=塊狀裂縫模糊破損率 X14=接縫處反射裂縫模糊破損率 X15=冒油模糊破損率 X16=推擠模糊破損率 X17=橫向裂縫模糊破損率 X18=鬆散剝脫模糊破損

  17. 國外鋪面檢測技術 • 第一台使用Linescan攝影機蒐集鋪面資訊之鋪面檢測車。 • PCES系統在訊號處理中加入了硬體濾波電路。 • 每個相機拍攝4英尺寬度鋪面進行連續取樣，總共檢測寬度可涵蓋8英尺的截取寬度。 • 每個相機拍攝4英尺寬度鋪面進行連續取樣，總共檢測寬度可涵蓋8英尺的截取寬度。 • 兩台15千瓦的柴油發電機、人工照明及其他設備。

  18. 國外鋪面檢測技術 • Swedish PAVUE System • 後處理方式進行鋪面診斷，該系統包括四台Video Camera、客製化照明輔助系統、四台S-VHS(影帶錄像機)，速度補償模組，至RST（雷射測距儀）並且同時蒐集其餘鋪面資訊

  19. 國外鋪面檢測技術 日間關閉燈源(K1) 日間使用燈源(K2) 夜間使用燈源(K3) • VCrack • LED光源補強技術 • 以40個LED一組用柱狀聚光鏡， 使在離地距離45.72cm形成一條光柱 • 每一單元能形成之工作寬度為 40.64cm，將各單元組合為一體後 能達成3m之工作寬度(拍攝鋪面寬度) • 低能量 • 不須指定額外電源 • 符合小型、適合長期使用等要求

  20. 國外鋪面檢測技術

  21. 國內鋪面檢測技術 • 蔣子平（1999） • 類神經網路 • 模糊理論 • 宋宗勳（2004） • 結合GPS • 外業PCI評級和內業PCI評級 • 李長青（2005） • 線掃描照相機並結合DMI • 使用半自動辨識

  22. 國內鋪面檢測技術 • 吳健碩(2005) • 使用熵（Entropy）辨識鋪面破壞 • 影像處理過程分為五個部份

  23. 國內鋪面檢測技術 自動破壞分類 系統主畫面 選取破壞影像 • 李長青(2005)

  24. 國內鋪面檢測技術

  25. 鋪面影像檢測

  26. 鋪面影像檢測 使用線掃瞄方式 成像照片，可清 楚描繪裂縫特質。 線掃瞄照相機 訊 號 擷 取 卡 工 業 電 腦 和輪軸同步轉圈 換算里程數，以 辨別相片位置。 Encoder 里程

  27. 鋪面影像檢測 基本參數說明1.視野範圍 : FOV (Field of View)2.解析度    : Res. (Resolution)3.工作距離 : WD (Working Distance)4.景深        : DOF (Depth of Field

  28. 35mm類比 • 連續影片 • 類比訊號會因傳輸過程累積雜訊 • 數位化訊號還可以「壓縮」，使傳送資訊量加大 • Area scan • camera • 拍攝非垂直產生影像扭曲 • 影像重疊問題 • 三維雷射成像 • 價格昂貴 • 技術問題 • 成像解析度不高 線掃瞄照相機 採用線掃描式照相機

  29. 線掃瞄照相機 相對高解析度的影像處理應用，線掃瞄照相機成本效益好。 比較其它取像方法，線掃瞄所擷取之影像，具備高動態範圍(higher dynamic range) 100%填充係數(fill-factor)，感光度高。 當擷取高速移動中之待測物件時，不需要額外裝置，例如其它機械式快門或瞬間照明，亦可得到高畫質影像，不會造成模糊不清現象(smear-free)，本研究所使用的線掃瞄照相機之取像速度為18000 條/每秒。 對於拍攝狀態可以由程式控制。

  30. 鏡頭 廣角 變焦 標準 望遠 R3 R2 R1 本研究使用廣角鏡頭 焦距=14mm 光圈值=F2.8

  31. 測距儀 讀取的pulse數 每pulse所代表之距離 輪胎半徑 • 測距儀 原理 • 同心圓的方式架設於車輪，配合車輪之轉動換算出車體行駛之距離。 • 計算每pulse所代表之距離運算公式： D=2πr/NP 選購要點 • 車軸同步旋轉 • 觸發訊號之脈衝數須符合ASTM-E950之規範 • 檢測操作速度上也不可超出Encoder最大轉速 • 誤差範圍在±1％以內

  32. 影像處理技術 前處理 ＳＶＭ 特徵篩選 人工比對

  33. 影像處理技術 • 影像前處理 • 影像裁切 • 尺寸標準化 • 光源校正 • 使用三階多項式 • 二值化門檻值決定 • 內差逼近法 • 去除雜訊 • 利用MovingBlock 除雜訊 • 儲存影像

  34. 影像處理技術 模擬光源 光源校正結果 原始圖像 • 影像裁切 • 進入影像辨識過程，考慮影像處理速度，將影像才切為4m*4m之影像 • 有效範圍截取依據ＡＡＳＨＴＯ規定可選擇輪軸間裂縫進行量測 • 光源校正 • 利用最小二平方法進行光源校正

  35. 影像處理技術 Training Data Positive : 141 Negative : 249 Fuzzy C-Means Clustering Light Bias Correction Optimal Edge Detection: Canny Anisotropic Diffusion Filter Support vector machine Feature Calculation : 群組一資料 : 群組二資料 Training Two important arguments: Gamma and cost Margin Model Predicted Results 超平面(hyperplane) • 利用SVM進行鋪面影像分類（有無破壞） • 利用高斯濾波將影像雜訊去除 • 尋找合適二值化門檻直 • 尋找邊緣特徵 • 利用ＳＶＭ分類器尋找最佳超平面

  36. 影像處理技術 • 使用ＤataMinning技術配合影像特徵進行裂縫辨識 • 分群技術，將影像中破壞與分破壞部份分類出來，本研究以K-means方式進行影像缺陷值萃取 • 分類技術，將以分群之影像進行物件類別關係，本研究以探勘分類演算法進行研究

  37. 試驗道路規劃

  38. 驗證道路選擇 鋪面影像試驗區 驗證區間 使用中大路做為試驗道路 交通量少。 破壞種類繁多。 兩對向車道洽為一有人手孔、另一則沒。 距離近，可視天氣狀況試驗。

  39. 破壞成因

  40. 破壞成因 • 危害民眾之國賠案件損壞類型-坑洞 • 水侵蝕 • 溫度 • 混合料(應力應變) • 車重 • 基底層 • 施工不當 • 材料問題 • 事故

  41. 誤差來源 誤差來源

  42. 誤差來源 儀器操作 儀器線路配置 儀器裝設 電源配置 光源位置 儀器不當使用 拆卸不當 儀器未依期校正 軟體操作 參數設定錯誤 操作不當 操作前未做檢核 程式使用熟練度 人員差異 駕駛訓練不足 路線差異 主 要 誤 差 來 源

  43. 鋪面檢測車檢測程序 • 分為兩大項 • 硬體操作 • 軟體操作

  44. 人工檢測程序

  45. 數據分析

  46. 自動化鋪面檢測規範 樣本大小應於0.03～1.0公里之間 • AASHTO PP44 • 取樣方式 • 100% 自動化量測 • 利用統計進行取樣半自動量測 • 信賴區間需大於85% • 量測方式 • 全車道 3.6公尺 • 車軸間距 2.5公尺 • 未用標線區隔之道路可量測單一方向 • 建議每次量測方向與車道都應相同 • 裂縫定義 • 定義裂縫為至少寬1mm、長25mm的面積 • 定義輪跡處與非輪跡處之裂縫 • 裂縫等級1 小於3mm之裂縫 • 裂縫等級2 3mm<裂縫寬度<6mm • 裂縫等級3 6mm<裂縫寬度

  47. 路網破壞項目 合併 • 鄉道及市區PCI檢測項目 • 鱷魚狀裂縫 • 補錠 • 塊狀 • 坑洞 • 凹陷 • 縱、橫向裂縫 • 人手孔

  48. 3D坑洞破壞 重 中 輕 • 坑洞 • 嘗試藉由面積判斷嚴重程度。 • 隨機調查100個坑洞。 • R=0.7349>0.7

  49. 數據比對 • 實際PCI與自動辨識PCI比對 • 以100公尺為區間，共計2030個路段 • 桃園縣政府養護門檻值66.84分 • 兩者之間僅有11個路段有差異

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