CN107328502A - 一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，适用于井下锚杆受力的非接触式测量法，具体是采用CCD相机拍摄托盘变形前后的多幅图像，采用数字散斑相关技术对被测托盘表面变形前后的多幅图像进行空间识别，计算得到三维坐标，拟合建立托盘表面变形前后的三维模型，获得托盘表面变形前后数据；通过对托盘变形前后三维空间数据的快速三维变形分析对比得到应变场，结合托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分即可得到锚杆的实时载荷；本发明较传统的应变片和位移传感器、锚杆拉拔器和液压枕，托盘载荷可视化数字成像技术使用简单方便，快速实现三维变形和应变测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，适用于井下及隧道锚杆受力的非接触式测量法。
背景技术
锚杆是采矿工程中应用最广泛的支护加固方式，锚杆载荷观测的目的是分析巷道在服务期间锚杆的载荷变化情况，监测锚杆工作状态，可为调整和修改支护参数提供实测依据。而锚杆安装于钻孔中，处于密闭状态，无法直接观察其进行应力应变，传统的接触式测量方法，如应变片、光纤传感器、位移传感器等，存在功能单一、测量点少、数据有限，且理论计算误差较大的缺点；而非接触式视觉测量方法，以其快捷和方便性而发展迅速，正从传统的标志点坐标视觉测量逐步发展到三维全场视觉测量。
只有测量锚杆三维全场的动态变形和应变数据才能准确揭示其动态性能，因此迫切需要在复杂工况下对其变形进行三维全场准确测量，为锚杆的相关研究提供科学数据，而现有的基于接触式的传统的检测方法因其自身存在的问题，不能很好的解决这一问题。
发明内容
本发明提供一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，不仅能快速实现三维变形和应变测量，可得到全场位移、适用测试的对象范围广、对测量环境无特别要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，包括以下步骤：
第一步：在巷道墙面上安装托盘，再将锚杆固定在托盘中心位置处，未施加预紧力时定义为变形前的托盘，施加预紧力后定义为变形后的托盘；
第二步：在锚杆托盘的中心轴上两侧分别布设第一摄像机和第二摄像机，在托盘和第一摄像机之间布设第一光源，托盘和第二摄像机之间布设第二光源；
第三步：采用双目立体视觉原理和张正友平面标定法进行***坐标标定；
第四步：第一光源、第二光源射向变形前的托盘，在托盘表面形成散斑图像，使用第一摄像机、第二摄像机对形成散斑图像的托盘进行观测，将散斑图像中某一光点的像的平面坐标进行计算，得到变形前光点的三维坐标；
第五步：对托盘施加预紧力，使得托盘发生变形，第一光源、第二光源射向变形后的锚杆托盘，在托盘表面形成散斑图像，将变形前的散斑图像与变形后的散斑图像进行匹配，根据最大相关系数确定两幅散斑图像的点对关系，从而找到第四步中托盘变形后光点的位置；
第六步：匹配完毕后，将变形后散斑图像中光点的像的平面坐标进行计算，得出变形后光点的三维坐标；
第七步：变形前的三维坐标与变形后的三维坐标之间的差值，即为托盘的全场三维位移；
第八步：在托盘变形后得出的参考图像上，以待测点为中心设置参考子区，通过子区匹配的方式，寻找到其在参考图像上相应的目标子区，目标子区的中心位置即为待测点在该目标图像中的对应位置；对于目标子区内各点的位移利用最小二乘拟合得到位移函数，将此函数作为目标子区域中心点处的函数值，对该函数求导得到应变值；
第九步：选择另一目标子区，重新按上述过程计算得到托盘变形后的应变值，如此重复从而得到托盘全场应变值；
第十步：通过对托盘变形前后三维空间数据的快速三维变形分析对比得到应变场，结合托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分即可得到锚杆的实时载荷；具体计算方法如下：
ω—挠度；
k—地基系数；
D—锚杆托盘弯曲刚度；
E—弹性模量；
μ—泊松比；
h—锚杆托盘厚度；
r—托板中心至所求点的距离；
Q—集中载荷；
a—锚杆托盘半径
作为本发明的进一步优选，在托盘的中心轴上两侧分别布设第一摄像机和第二摄像机，其中，第一摄像机、第二摄像机分别与中心轴呈45度角设置；
作为本发明的进一步优选，在托盘和第一摄像机之间布设第一光源，托盘和第二摄像机之间布设第二光源，其中，第一光源、第二光源分别与中心轴呈60度角设置，第一光源约在托盘与第一摄像机中间位置偏外15cm处，第二光源约在托盘与第二摄像机中间位置偏外15cm处；
作为本发明的进一步优选，所述的第一摄像机和第二摄像机均采用CCD相机；
作为本发明的进一步优选，参考图片通过亚像素处理，其去噪采用小波变换方法进行处理。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明较传统的应变片和位移传感器、锚杆拉拔器和液压枕，托盘载荷可视化数字成像技术使用简单方便，首次应用该技术在锚杆和托盘上，能快速实现三维变形和应变测量；同时本发明不需要光学干涉条纹处理，具有光路相对简单、非接触、高精度、可得到全场位移、适用测试的对象范围广、对测量环境无特别要求等优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的整体结构示意图；
图中：1为第一摄像机，2为第二摄像机，3为第一光源，4为第二光源，5为锚杆，6为托盘，7为控制计算机。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明包括以下技术特征：第一摄像机1，第二摄像机2，第一光源3，第二光源4，锚杆5，托盘6，控制计算机7。
本发明的一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，包括以下步骤：
第一步：在巷道墙面上安装托盘，再将锚杆固定在托盘中心位置处，未施加预紧力时定义为变形前的托盘，施加预紧力后定义为变形后的托盘；
第二步：在锚杆托盘的中心轴上两侧分别布设第一摄像机和第二摄像机，在托盘和第一摄像机之间布设第一光源，托盘和第二摄像机之间布设第二光源；
第三步：采用双目立体视觉原理和张正友平面标定法进行***坐标标定；
第四步：第一光源、第二光源射向变形前的托盘，在托盘表面形成散斑图像，使用第一摄像机、第二摄像机对形成散斑图像的托盘进行观测，将散斑图像中某一光点的像的平面坐标进行计算，得到变形前光点的三维坐标；
第五步：对托盘施加预紧力，使得托盘发生变形，第一光源、第二光源射向变形后的锚杆托盘，在托盘表面形成散斑图像，将变形前的散斑图像与变形后的散斑图像进行匹配，根据最大相关系数确定两幅散斑图像的点对关系，从而找到第四步中托盘变形后光点的位置；其中，用第一摄像机、第二摄像机***记录物体变形前的图像I1和变形后的图像I2，通过数字图像相关算法，衡量I1与I2的匹配程度，确定物体变形前和变形后对应的几何点，进行对比、匹配和计算。常用的相关系数公式为：
式中：I1(xi,yj)表示变形前子区A中某点(xi,yj)处的灰度值；I2(xi *,yj *)表示变形后子区B中某点(xi *,yj *)的灰度值；和分别是子区A和子区B的平均灰度值；xi *＝xi+xdef，yj*＝yj+ydef，其中(xdef,+ydef)为P点沿x和y方向的位移量；当相关系数为1的时候，表示两个子区完全相关；当相关系数为0的时候，表示两个子区完全不相关。改变xdef和+ydef的值，即在变形后的图像上移动子区域，可以得到不同的C值，使得C取最大值的xdef和+ydef即是子区域中心的位移分量；
第六步：匹配完毕后，将变形后散斑图像中光点的像的平面坐标进行计算，得出变形后光点的三维坐标；
第七步：变形前的三维坐标与变形后的三维坐标之间的差值，即为托盘的全场三维位移；
第八步：在托盘变形后得出的参考图像上，以待测点为中心设置参考子区，通过子区匹配的方式，寻找到其在参考图像上相应的目标子区，目标子区的中心位置即为待测点在该目标图像中的对应位置；对于目标子区内各点的位移利用最小二乘拟合得到位移函数，将此函数作为目标子区域中心点处的函数值，对该函数求导得到应变值；采用子区匹配和相关系数公式的方法，提高了匹配的速度和精度；
第九步：选择另一目标子区，重新按上述过程计算得到托盘变形后的应变值，如此重复从而得到托盘全场应变值；
第十步：通过对托盘变形前后三维空间数据的快速三维变形分析对比得到应变场，结合托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分即可得到锚杆的实时载荷；
作为本发明的进一步优选，在托盘的中心轴上两侧分别布设第一摄像机和第二摄像机，其中，第一摄像机、第二摄像机分别与中心轴呈45度角设置；
作为本发明的进一步优选，在托盘和第一摄像机之间布设第一光源，托盘和第二摄像机之间布设第二光源，其中，第一光源、第二光源分别与中心轴呈60度角设置，第一光源约在托盘与第一摄像机中间位置偏外15cm处，第二光源约在托盘与第二摄像机中间位置偏外15cm处；
作为本发明的进一步优选，所述的第一摄像机和第二摄像机均采用CCD相机；
作为本发明的进一步优选，参考图片通过亚像素处理，其去噪采用小波变换方法进行处理，提高了精度；
作为本发明的进一步优选，步骤三中采用双目立体视觉原理和张正友平面标定法进行***坐标标定，具体标定包括如下步骤：
第一步：建立平面网格状的标定模板，采用平面圆心标定板或者平面黑白棋盘标定板，标定模板上的圆心位置或者黑白棋盘网格交义点就是标定控制点，并将已知的标定控制点的坐标值定义为世界坐标系的坐标值；
第二步：标定模板建立后，从不同角度拍摄标定模板，得到多幅不同角度的标定模板图像；
第三步：对标定模板进行图像处理，得到各幅标定图像上标定控制点的坐标；
第四步：把标定模板上标定控制点的坐标和图像坐标代入第一摄像机、第二摄像机模型中，获取第一摄像机、第二摄像机参数的解析解；
第五步：通过最小方差求出偏转系数；
第六步：根据非线性规划求出最终迭代结果，包括第一摄像机、第二摄像机的内、外参数。
数字散斑相关方法测量***由硬件和软件两部分组成，硬件部分由第一摄像机、第二摄像机、控制计算机组成，负责试件变形图像的采集、保存等工作；软件部分则是对采集到的散图像进行处理、获得所需的变形信息。
图像采集过程中，需要注意的是，
关于相机的架设：三维数字图像相关法的图像采集***使用两个CCD相机即第一摄像机、第二摄像机从不同角度对被测物聚焦成像，获取变形前后被测物表面的数字图像；在实际操作中，必须保证被测区域在变形运动过程中始终处于两个相机的视场及景深范围之内。
关于相机的标定：三维数字图像相关法的标定过程如下:首先使用两个CCD相机同时拍摄标定模板，对不同姿态的标定模板成像，然后第一摄像机、第二摄像机各自进行单相机标定，最后进行双相机标定。
图像处理过程中，需要注意的是，
首先要对图片进行亚像素处理，第一摄像机、第二摄像机采集的数字图像是像素点离散的，每个像素点在图像坐标系下，有着多达±1/2个像素的量化误差，这种误差是由CCD相机的硬件配置所决定的；此外CCD所采集图像的像素尺寸及像素数量是有限的，因为像素对应尺度的确定，所以极大限制了测量获得的灰度信息的精度，本申请采用基于空域迭代的亚像素匹配算法提高测量精度，然后进行图像去噪，图像去噪采用小波变换，主要过程是第一，通过检测图像小波模极大值点的奇异性来重建图像；第二，通过对用小波变换系数的处理，在使用被处理后的系数重新构建图像；第三，使用多尺度小波系数之间的相关性对小波系数进行处理后在进行重建滤波。
基于小波变换去噪的主要思想是利用小波分析多尺度的特性，先对被噪声污染的图像进行小波变换，再用阀值化对得到的小波系数进行统一处理，得到一个新的小波系数；然后其进行反变换，最后得到去除噪声后的图像；最后是图像匹配，图像匹配的任务是寻找两幅数字图像中的对应点，其精度直接关系到被测物形貌和变形测量的精度；匹配的基本过程如下：首先，在参考图像上，通过人工指定的方式确定待测区域；然后，在待测区域内，均匀划分网格，网格点即为待测点；最后，使用相关系数图像匹配方法，计算得到所有待测点的在目标中的对应位置，完成图像匹配任务。
数据处理过程中，需要注意的是，
采用数字散斑相关技术对被测托盘表面的变形前后的多幅图像进行空间识别，计算得到三维坐标，拟合建立托盘表面变形前后的三维模型，获得托盘表面变形前后数据；通过对托盘变形前后三维空间数据的快速三维变形分析对比得到应变场，结合托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分即可得到锚杆的实时载荷。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (4)
1.一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：在巷道墙面上安装托盘，再将锚杆固定在托盘中心位置处，未施加预紧力时定义为变形前的托盘，施加预紧力后定义为变形后的托盘；
第二步：在锚杆托盘的中心轴上两侧分别布设第一摄像机和第二摄像机，在托盘和第一摄像机之间布设第一光源，托盘和第二摄像机之间布设第二光源；
第三步：采用双目立体视觉原理和张正友平面标定法进行***坐标标定；
第四步：第一光源、第二光源射向变形前的托盘，在托盘表面形成散斑图像，使用第一摄像机、第二摄像机对形成散斑图像的托盘进行观测，将散斑图像中某一光点的像的平面坐标进行计算，得到变形前光点的三维坐标；
第五步：对托盘施加预紧力，使得托盘发生变形，第一光源、第二光源射向变形后的锚杆托盘，在托盘表面形成散斑图像，将变形前的散斑图像与变形后的散斑图像进行匹配，根据最大相关系数确定两幅散斑图像的点对关系，从而找到第四步中托盘变形后光点的位置；
第六步：匹配完毕后，将变形后散斑图像中光点的像的平面坐标进行计算，得出变形后光点的三维坐标；
第七步：变形前的三维坐标与变形后的三维坐标之间的差值，即为托盘的全场三维位移；
第八步：在托盘变形后得出的参考图像上，以待测点为中心设置参考子区，通过子区匹配的方式，寻找到其在参考图像上相应的目标子区，目标子区的中心位置即为待测点在该目标图像中的对应位置；对于目标子区内各点的位移利用最小二乘拟合得到位移函数，将此函数作为目标子区域中心点处的函数值，对该函数求导得到应变值；
第九步：选择另一目标子区，重新按上述过程计算得到托盘变形后的应变值，如此重复从而得到托盘全场应变值；
第十步：通过对托盘变形前后三维空间数据的快速三维变形分析对比得到应变场，结合托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分即可得到锚杆的实时载荷。
2.根据权利要求1所述的锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，其特征在于：在托盘的中心轴上两侧分别布设第一摄像机和第二摄像机，其中，第一摄像机、第二摄像机分别与中心轴呈45度角设置
根据权利要求1所述的锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，其特征在于：在托盘和第一摄像机之间布设第一光源，托盘和第二摄像机之间布设第二光源，其中，第一光源、第二光源分别与中心轴呈60度角设置，第一光源约在托盘与第一摄像机中间位置偏外15cm处，第二光源约在托盘与第二摄像机中间位置偏外15cm处。
3.根据权利要求1所述的锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，其特征在于：所述的第一摄像机和第二摄像机均采用CCD相机。
4.根据权利要求1所述的锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，其特征在于：参考图片通过亚像素处理，其去噪采用小波变换方法进行处理。
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