CN110823116A - 一种基于图像的建筑构件变形测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于图像的建筑构件变形测量方法,包括:步骤S1:安装CCD相机;步骤S2:生成散斑,打印散斑贴纸,并贴于待测件表面后使用CCD相机采集初始散斑图;步骤S3:CCD相机采集待测时刻的待测散斑图,并基于初始散斑图和待测散斑图使用数字图像相关法处理获取构件表面面内位移场。与现有技术相比,本发明利用散斑图,通过图像处理的方式进行测量,可以实现无接触、大面积测量建筑构件的变形场。
Description
技术领域
本发明涉及建筑监测领域,尤其是涉及一种基于图像的建筑构件变形测量方法。
背景技术
传统土木领域内变形测量方法有位移传感器与电阻应变计。位移传感器安装工作量大,可操作性差,电阻应变计贴片过程复杂且易受环境影响。数字图像相关法是一种现代化非接触式的全场光学测量技术,具有精度高、非接触、全场测量、环境适用性好、操作简便的优势,已广泛的应用于航空航天、土木工程测量以及物体形变监测等领域。将其应用于建筑构件变形测量,可以实现无接触、大面积测量建筑构件的变形场。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于图像的建筑构件变形测量方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种基于图像的建筑构件变形测量方法,包括:
步骤S1:安装CCD相机;
步骤S2:生成散斑,打印散斑贴纸,并贴于待测件表面后使用CCD相机采集初始散斑图;
步骤S3:CCD相机采集待测时刻的待测散斑图,并基于初始散斑图和待测散斑图使用数字图像相关法处理获取构件表面面内位移场。
所述步骤S1中CCD相机的安装原则为:待测表面全部位于相机视场中,并最大化占据相机视场。
所述散斑的生成函数为:
其中:I(x,y)为像素点灰度值,I0为光强分布大小,k为散斑序号,s为散斑个数,(xk,yk)为第k个散斑的中心坐标,r为散斑颗粒大小。
散斑的中心坐标具体为:
其中:rand(min,max,num)为(min,max)取值范围内随机取num个整数。
所述散斑个数为:
s=int(W*H*ρ/r)
其中:int(*)为取整函数,W为待测表面宽度在相机采集图像中所占像素数,H为待测表面高度在相机采集图像中所占像素数,ρ为散斑密度。
所述散斑颗粒大小为3~6个像素。
所述步骤S3具体包括:
步骤S31:在初始散斑图选择待测点为中心点,指定尺寸大小的参考子区,在待测散斑图选择对应的目标子区,其中,所述目标子区的大小与参考子区一致,且目标子区的中心点与待测点对应;
步骤S32:利用零均值归一化互相关函数求的参考子区和目标子区的相关系数;
步骤S33:取目标子区四周的四个子区,分别计算各自与参考子区的相关系数,并取目标子区和四个相邻子区中,相关系数最大的子区作为新的目标子区;
步骤S34:判断目标子区的相关系数是否大于设定阈值,若为是,则将当前目标子区的中心点作为整像素配准点,反之则执行步骤S33;
步骤S35:取整像素配准点与其周围8个像素点,求其与参考图像上待测点及周围8点的相关系数,进行曲面拟合,并取曲面极值点为亚像素配准点;
步骤S36:重复步骤S31~S35,得到所有配准点,并基于得到的配准点坐标计算位移:
其中:u为水平像素位移,v为垂直像素位移,(xp,yp)为待测点在参考图上像素坐标值;
步骤S37:像素与现实尺寸换算比例,求得所测曲面位移。
所述零均值归一化互相关函数为:
其中:C为相关系数,M,N为参考子区横、纵向像素点数量,f(x,y)为待测点灰度值,g(x′,y′)为待测散斑图中子区中心点的灰度值,为参考子区灰度平均值,为目标子区灰度平均值。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1)利用散斑图,通过图像处理的方式进行测量,可以实现无接触、大面积测量建筑构件的变形场。
2)待测表面全部位于相机视场中,并最大化占据相机视场,可以提高图像的清晰度。
3)散斑颗粒大小为3~6个像素,防止散斑过大或过小影响像素匹配精度或散斑。
4)数字图像相关法中使用相关函数为零均值归一化互相关函数,从而使得相关匹配过程精度高,鲁棒性高。
附图说明
图1为本发明方法的主要步骤流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于图像的建筑构件变形测量方法,如图1所示,包括:
步骤S1:安装CCD相机,CCD相机的安装原则为:待测表面全部位于相机视场中,并最大化占据相机视场。
步骤S2:生成散斑,打印散斑贴纸,并贴于待测件表面后使用CCD相机采集初始散斑图,此外,拍摄时CCD相机应用三脚架固定,并使相机拍摄散斑区域水平轴线尽量与图像上下边沿保持平行,构件表面粗糙度较大时,需人工按压贴纸,使散斑场贴纸充分贴合到构件表面。
具体的,按待测件表面尺寸打印水转印贴纸,散斑尺寸设计时,可按单个散斑占据3-6个像素点标准。通过程序生成散斑图,利用水转印制造散斑贴纸,将贴纸上散斑场贴在待测件表面后使用CCD相机采集散斑图。
散斑的生成函数为:
其中:I(x,y)为像素点灰度值,I0为光强分布大小,可设为1,k为散斑序号,s为散斑个数,(xk,yk)为第k个散斑的中心坐标,r为散斑颗粒大小。
散斑的中心坐标具体为:
其中:rand(min,max,num)为(min,max)取值范围内随机取num个整数。
散斑个数为:
s=int(W*H*ρ/r)
其中:int(*)为取整函数,W为待测表面宽度在相机采集图像中所占像素数,H为待测表面高度在相机采集图像中所占像素数,ρ为散斑密度,取值范围为(0,1),一般取0.5即可。
步骤S3:CCD相机采集待测时刻的待测散斑图,并基于初始散斑图和待测散斑图使用数字图像相关法处理获取构件表面面内位移场,具体包括:
步骤S31:在初始散斑图选择待测点P(x,y)为中心点,指定尺寸大小的参考子区,在待测散斑图选择对应的目标子区,其中,目标子区的大小与参考子区一致,且目标子区的中心点与待测点对应,指定尺寸可以是(2M+1*2M+1),子区范围参数设置过大,像素匹配速度变快,精度变低;
步骤S32:利用零均值归一化互相关函数求的参考子区和目标子区的相关系数,其中,零均值归一化互相关函数为:
步骤S33:取目标子区四周的四个子区,分别计算各自与参考子区的相关系数,并取目标子区和四个相邻子区中,相关系数最大的子区作为新的目标子区;
步骤S34:判断目标子区的相关系数是否大于设定阈值,该阈值可以为0.75-0.8,若为是,则将当前目标子区的中心点作为整像素配准点,反之则执行步骤S33;
步骤S35:取整像素配准点与其周围8个像素点,求其与参考图像上待测点及周围8点的相关系数,进行曲面拟合,并取曲面极值点为亚像素配准点;
步骤S36:重复步骤S31~S35,得到所有配准点,并基于得到的配准点坐标计算位移:
其中:u为水平像素位移,v为垂直像素位移,(xp,yp)为待测点在参考图上像素坐标值;
曲面拟合可采用二项式拟合方法,曲面表达式:
Z(x,y)=a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2
由极值点特性,
可解得:
Q′(xp,yp)=Q(x+Δx,y+Δy)
式中,a0,a1,a2,a3,a4,a5在MATLAB中最小二乘拟合得到。
步骤S37:像素与现实尺寸换算比例,求得所测曲面位移。
Claims (8)
1.一种基于图像的建筑构件变形测量方法,其特征在于,包括:
步骤S1:安装CCD相机;
步骤S2:生成散斑,打印散斑贴纸,并贴于待测件表面后使用CCD相机采集初始散斑图;
步骤S3:CCD相机采集待测时刻的待测散斑图,并基于初始散斑图和待测散斑图使用数字图像相关法处理获取构件表面面内位移场。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像的建筑构件变形测量方法,其特征在于,所述步骤S1中CCD相机的安装原则为:待测表面全部位于相机视场中,并最大化占据相机视场。
3.根据权利要求1所述的一种基于图像的建筑构件变形测量方法,其特征在于,所述散斑的生成函数为:
其中:I(x,y)为像素点灰度值,I0为光强分布大小,k为散斑序号,s为散斑个数,(xk,yk)为第k个散斑的中心坐标,r为散斑颗粒大小。
5.根据权利要求3所述的一种基于图像的建筑构件变形测量方法,其特征在于,所述散斑个数为:
s=int(W*H*ρ/r)
其中:int(*)为取整函数,W为待测表面宽度在相机采集图像中所占像素数,H为待测表面高度在相机采集图像中所占像素数,ρ为散斑密度。
6.根据权利要求3所述的一种基于图像的建筑构件变形测量方法,其特征在于,所述散斑颗粒大小为3~6个像素。
7.根据权利要求1所述的一种基于图像的建筑构件变形测量方法,其特征在于,所述步骤S3具体包括:
步骤S31:在初始散斑图选择待测点为中心点,指定尺寸大小的参考子区,在待测散斑图选择对应的目标子区,其中,所述目标子区的大小与参考子区一致,且目标子区的中心点与待测点对应;
步骤S32:利用零均值归一化互相关函数求的参考子区和目标子区的相关系数;
步骤S33:取目标子区四周的四个子区,分别计算各自与参考子区的相关系数,并取目标子区和四个相邻子区中,相关系数最大的子区作为新的目标子区;
步骤S34:判断目标子区的相关系数是否大于设定阈值,若为是,则将当前目标子区的中心点作为整像素配准点,反之则执行步骤S33;
步骤S35:取整像素配准点与其周围8个像素点,求其与参考图像上待测点及周围8点的相关系数,进行曲面拟合,并取曲面极值点为亚像素配准点;
步骤S36:重复步骤S31~S35,得到所有配准点,并基于得到的配准点坐标计算位移:
其中:u为水平像素位移,v为垂直像素位移,(xp,yp)为待测点在参考图上像素坐标值;
步骤S37:像素与现实尺寸换算比例,求得所测曲面位移。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200221 |
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