CN112325788B - 基于数字照相的隧道内壁变形特征原位量测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字照相的隧道内壁变形特征原位量测装置。该装置包括图像采集设备、导杆、传动机构以及固定支座。所述图像采集设备置于导杆前端并与导杆刚接，导杆下部有齿轮轨道槽，导杆从传动机构内部穿过，传动机构固定于支座上；图像采集设备的中轴线与所述导杆的中轴线平行，传动机构内侧的齿轮置于导杆的齿轮轨道槽内，传动机构带动导杆以及图像采集设备前后移动。本发明可以利用数字照相精准高效地进行隧道内壁变形特征的原位量测，得到隧道开挖过程中围岩变形的模拟试验的结果。
Description
技术领域
本专利涉及一种隧道内壁变形特征原位量测装置，具体说是一种基于数字照相的隧道内壁变形特征原位量测装置及测量方法，用于对隧道内壁变形机器视觉检测***的开发、改进与检验。
背景技术
近些年以来，随着我国基础设施建设的不断发展和深入，隧道施工的工程量快速加大，所面临的地质条件愈加丰富与复杂，其施工难度也在逐渐增高，我国在隧道工程的建设和研究中取得了快速发展，多种解决各式各样工程难题的新技术和新方法也喷薄而出。隧道模型实验在一定情况下可以模拟隧道修建过程中围岩的变化情况，这种方法的经济性和仿真性非常显著，其试验结果对于隧道建设有着很高的参考价值。对于模型实验中隧道内壁的位移和变形的量测是至关重要的，其对精度的要求极高，对于实际工程的影响极大，因此普遍采用高精度的量测方法与技术。
现有比较常见的隧道内壁位移与变形的量测方法主要有以下几种：
最为传统的变形量测方式为尺规方法。根据隧道原始尺寸，在需要量测部位使用尺规丈量出内壁包括鼓包、凹陷等在内的变形。这种方法操作简单，量测工具容易获取，但最主要的缺陷在于量测精度低，且结果容易受到人员以及环境因素在内的干扰因素影响。
一种常用的是基于激光扫描测量的方法。这种方法是一种先进的变形测量方法，这种方法有较高的精确度，可以从很大程度上避免测量者个人的感官鉴别能力对其测量造成的误差。但是，这种方法也存在一些不足，首先，其对于遮挡较多的事物测量较为困难，其次，这种方法无法识别并对部分区域或某些点进行追踪，并不能因此获取其位移。另外，由于使用激光方法，设备的复杂性、稳定性以及使用安全性因素需要受到特别关注，这直接导致使用成本的增加。
另一种是基于数字照相的量测方法，这种方法是一种新型且先进的量测手段，这种方法使用数字照相机以及相配套的软件***，可以对围岩变化情况做到实时的记录，其时效性很好，同时也降低了偶然误差发生的概率。根据已有文献，这种方法也存在着一些不足之处，首先，这种方法的相机拍摄方向与隧道方向相同，这就导致相机拍摄的数字照片会产生一定变形，从而对精度造成影响，同时，这种方法对于测量和分析人员的要求更高。
综上所述，以上的两种方法各有其优缺点，但是在时效性和测量精度这些方面，基于数字照相的量测方法是更有优势的。基于数字照相的量测方法可分为“变形量测”和“特征识别”两大类。其中，数字照相“变形量测”主要以位移观测为目标，根据目标图像测点的坐标变化来计算位移，然后再进行应变计算，在此基础上来分析目标的变形特点；“数字照相特征识别”主要以分离特征物为目标，是将研究或技术人员感兴趣的特征从图像上分离出来，如电路板的裂隙图像检测、道路交通***中的车牌号自动识别、岩土材料结构组成以及混凝土材料裂缝的识别等（《岩土变形数字照相量测方法与应用》，李元海著）。隧道检测的项目一般包括隧道收敛值、拱顶下沉值、地表沉降值，以及其他病害。其中变形检测（收敛值及沉降值）和病害检测是检测的重中之重，前者属于“变形量测”范畴，后者属于“特征识别”范畴。本发明所涉及的数字照相量测方法覆盖了“特征识别”和“变形量测”。
现有的基于数字照相模型实验围岩变形的量测装置，存在以下缺点：
1、传统尺规量测方式较为简陋，且精度较差，测量结果受到人为因素以及现场环境影响较严重。
2、现有基于拍照的量测方式，其摄像头垂直于隧道壁面，导致所得图像不可避免地存在畸变，影响测量的精度与识别的效果。
3、现有的测量装置的摄像头位于隧道外侧，且为单目摄像头，这样其对于模型实验围岩变形的三维状态无法进行识别和观测。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于数字照相的隧道内壁变形特征原位量测装置以及测量方法，利用数字照相机精确高效的进行围岩变形的探测和识别，得到对隧道开挖过程中围岩变形的模拟试验的高精度结果。
本发明人发现，更为先进的基于两个摄像头的双目立体视觉技术可以进行立体匹配与三维重建，这项技术非常有助于解决非平面测量这个难题。双目立体视觉，就是运用两个摄像机对同一景物从不同的位置成像，获得景物的立体图像对，通过立体匹配算法匹配出相应像点，从而计算出视差，然后采用基于三角测量的方法恢复深度信息，再利用几何关系计算出各点的坐标。
双目立体视觉具体的原理如下：
图11是双目立体视觉示意图，图12为平行双目视觉***原理图。该双目视觉***的特点是左右相机规格一致，具有重合的成像平面，两相机光轴平行且与基线垂直。Z轴与光轴方向平行且与X-Y平面垂直，Z轴与X轴的方向如图所示，Y轴的方向与纸面垂直。OL与OR分别为左右两个相机的光心，VL和VR分别为左右两个相机的像平面，三维空间中以OL为原点，P为三维世界中一点，其空间坐标为（X，Y，Z），经过左右相机投影成像，并分别在左右图像平面上成像，成像点分别为p点和p´点，xl和xr分别是p点和p´点到各自对应相机光轴的位移，f为相机的焦距，T为摄像机基线距离。
由相似三角形原理可知：
求解以上公式即可得：
公式中的Z为深度信息（物体上点和相机基线之间的距离），D为视差，D=x l -x r 。
此公式将深度信息Z与通过图像像素计算出的视差D联系起来，得到了双目视差与目标点深度信息Z之间的关系，根据这种关系可以进一步计算出目标点的三维坐标：
通过以上公式可以看出，在平行双目视觉***中，只要能够获取到双目视觉的内外参数，并将左右图上的点p和p’匹配起来，就可以通过以上公式计算得到三维空间点P的三维坐标。
由上可知，基于双目视觉的数字照相技术可以通过匹配计算实现对于三维空间点的定位和量测，进而将数字照相技术应用到非平面领域。
为实现发明目的，本发明提出如下技术方案：
一种基于数字照相的隧道内壁变形特征原位量测装置，包括图像采集设备、导杆、传动机构以及支座。其特征是：
所述图像采集设备设置于所述导杆前端；所述图像采集由双目数字相机和信号传输装置构成，所述双目数字相机平行于导杆轴线且双目数字相机镜头方向垂直于导杆轴线，双目数字相机镜头方向竖直向上。所述双目数字相机周围分布有LED光源。
所述双目数字相机采用双目高清微型近景广角摄像机。
所述导杆下侧设有贯穿导杆的齿板。
所述传动机构由壳体、电机、传动齿轮和限位齿轮构成，所述壳体设有贯通的腔室，所述电机、传动齿轮和限位齿轮均置于腔室内，限位齿轮置于腔室前部，传动齿轮置于腔室后部，传动齿轮安装在所述电机的传动轴上。所述导杆穿入壳体腔室，传动齿轮和限位齿轮均与导杆的齿板啮合。电机带动传动齿轮杆正向或逆向旋转，从而带动导杆前后移动。
所述传动机构的壳体安装在支座的中心位置。
所述导杆的齿板两端均设置限位块。限位块可以限制导杆的移动极限位置。
所述支座由四根伸缩支杆构成，四根伸缩支杆构成十字支架，所述导杆垂直于十字支架面。调节伸缩支杆，可以调节导杆的位置。
所述信号传输装置通过数据传输线连接计算机。
此装置的工作方法，包括以下步骤：
（1）在隧道模型前放置测量装置并固定支座（固定十字支架的的支腿），参照水准仪将导杆调整至水平，调节伸缩支杆将导杆前端粗略对准隧道模型掌子面中心。
（2）打开图像采集设备，利用棋盘格扳对双目数字相机进行标定。以双目相机光心所构成线段的中点为坐标原点。
（3）将限位块移动至相应位置，确保图像采集装置最远可以到达掌子面附近。
（4）开启电机，电机通过传动齿轮带动导杆向前伸出，可通过传动机构的数控装置控制电机转速和旋转角度进而控制导杆的伸出长度和图像采集装置的位置。
（5）图像采集装置与计算机连接，当图像采集设备到达既定位置之后，通过计算机控制图像采集装置进行图像采集，所获取的图像信息以及深度的位置信息通过信号传输装置实时传输到计算机进行存储
（6）在导杆前端到达隧道掌子面时关闭电机，做好标记，再使电机逆向转动，直至导杆离开隧道模型并回到初始位置。
（7）通过本装置所采集到的图像存储于计算机，再由计算机软件PhotoInfor进行后期的分析与处理，即可得到隧道内壁的变形特征与变形数据。
本发明相比现有技术及装置，具有以下有益效果：
（1）本装置将包括微型广角超清摄像头、可控速的导杆、限位块以及固定支座在内的装置组合，完成针对实验室内模型实验的小尺寸孔洞内壁变形图像的智能、定量、定频采集。
（2）本装置应用在隧道模型试验的内壁变形特征量测中，利用数字照相的方式得到图像方式，比传统的尺规测量方法更加准确高效。
（3）区别于现有装置，本装置的摄像头是正对隧道内壁的，通过装置所得的图像对围岩的观测更加直观，有利于进行处理和分析。
（4）图像采集装置创新性采用双目摄像头，利用所获取的图像行三维重建，一步进行立体分析。
（5）该装置的图像获取方式是首款可便利的配合数字照相量测技术，并且得益于数字照相技术的优势，此装置可以对部分对象进行识别和跟踪，获得其更详尽的变形信息。
（6）区别于传统图像采集装置以手工控制的方式，本装置采用数控设备与传动机构可以更精确地控制图像采集设备的移动，获得更准确的信息。
（7）相比于传统的量测装置，本装置所述控制装置，能够实现计算机远程操作，避免人为操作带来的较大误差；能够实现定时自动测量，大大节省了劳动强度。
（8）本装置所述传动杆能够通过狭长隧道模型，克服了在狭长隧道模型下传统测量装置无法使用的情况。
附图说明
图1是本发明基于数字照相的隧道内壁变形特征原位量测装置结构示意图。
图2是图1反向示意图。
图3是图像采集设备与导杆俯视示意图。
图4是图像采集设备与导杆仰视示意图。
图5是传动机构示意图。
图6是传动机构剖面示意图。
图7是传动机构立体示意图。
图8是本装置工作时示意图。
图9是本装置工作完成时示意图。
图10是本装置工作完成时图像采集设备与模型位置示意图。
图11是双目立体视觉示意图。
图12是平行双目视觉***原理图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实例，给出本发明的详细说明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定范围内。
实施例：如图1所示，本发明提出的基于数字照相的隧道内壁变形特征原位量测装置，包括图像采集设备1、导杆2、传动机构3以及支座4。
如图所示，所述图像采集设备1设置于所述导杆2前端；所述图像采集由双目数字相机7和信号传输装置（图中未画出）构成，所述双目数字相机7平行于导杆2轴线且双目数字相机7镜头方向垂直于导杆2轴线，双目数字相机镜头方向竖直向上。所述双目数字相机周围分布有LED光源8。
所述导杆下侧设有贯穿导杆的齿板9。
所述传动机构3由壳体、电机10、传动齿轮6和限位齿轮16构成，所述壳体设有贯通的腔室，所述电机10、传动齿轮6和限位齿轮16均置于腔室内，限位齿轮16置于腔室前部，传动齿轮6置于腔室后部，传动齿轮6安装在所述电机10的传动轴11上。所述导杆2穿入壳体腔室，传动齿轮6和限位齿轮16均与导杆2的齿板9啮合。电机带动传动齿轮杆正向或逆向旋转，从而带动导杆前后移动。所述导杆2的齿板9两端均设置限位块15。限位块可以限制导杆的移动极限位置。
所述传动机构的壳体安装在支座4的中心位置。所述支座4由四根伸缩支杆构成，四根伸缩支杆构成十字支架，所述导杆2垂直于十字支架面。伸缩支杆均带有支腿5，支腿5固定在墙体上，调节伸缩支杆可以调节导杆的位置。
所述信号传输装置通过数据传输线连接计算机。数据传输线从导杆的内腔穿过。数据传输装置，用来将图像采集设备拍摄的图片传输至计算机，与计算机相兼容。
传动机构内的电机选用可精确控制转速、振动幅度较小的精密电机。
本发明装置的工作方法，包括以下步骤：
（1）首先预制所需待测模型14，本例中以由相似模型材料石蜡-砂制作而成，两面均为正方形的长方体试样为例。首先制作长×宽×高分别为400mm×120mm×400mm的模型试样，在试样正方形面中央开挖一直径为75mm的深100mm孔作为待观测的隧道模型13。
（2）使用可伸缩的传动机构将导杆传送至固定支座外侧，依照图8将隧道模型13前放置测量装置并固定支座4（将伸缩支架的支腿5固定在模型岩体14上），参照水准仪将导杆2调整至水平，调节伸缩支杆将导杆前端粗略对准隧道模型掌子面中心。
（3）打开图像采集设备，连通外部计算机或存储设备，调试好各部件的连通状态，打印标准相机标定黑白棋盘格，手持置于双目摄像机上方4cm处，利用棋盘格板对双目数字相机（双目数字相机）进行标定。以双目数字相机光心所构成线段的中点为坐标原点。
（4）预先进行推拉测试保证图像采集设备的运动范围可完整处于隧道模型内部，将限位块移动至合适位置，保证图像采集装置最远可以到达掌子面附近的同时满足限位的需要。
（5）将导杆端头置于隧道模型外部端口，开启电机，电机通过传动齿轮带动导杆向前伸出，可通过传动机构的数控装置控制电机转速和旋转角度进而控制导杆的伸出长度和图像采集装置的位置本例中将导杆推进速度设置为1cm/min，总用时10min完成导杆的全部推进，完成图像采集。
（5）控制计算机的操作软件，持续进行图像的采集，图像采集的间隔设置为10s/张，总共拍摄100张照片，同时记录每张照片拍摄时的导杆深入深度位置信息，通过信号传输装置实时传输到计算机进行存储。
（6）在导杆前端到达隧道掌子面时关闭电机，做好标记，再使电机逆向转动，直至导杆离开隧道模型并回到初始位置。
（7）通过本装置所采集到的图像存储于计算机，再由计算机软件PhotoInfor进行后期的分析与处理，即可得到隧道内壁的变形特征与变形数据。
Claims (5)
1.一种基于数字照相的隧道内壁变形特征原位量测装置，包括图像采集设备（1）、导杆（2）、传动机构（3）以及支座（4）；其特征是：
所述支座为伸缩支座，其与隧道模型通过支腿进行连接；
所述图像采集设备（1）设置于所述导杆（2）前端；所述图像采集设备（1）由双目数字相机（7）和信号传输装置构成，所述双目数字相机（7）平行于导杆（2）轴线且双目数字相机（7）镜头方向垂直于导杆（2）轴线，双目数字相机（7）镜头方向竖直向上；所述双目数字相机（7）周围分布有LED光源（8）；
所述双目数字相机为双目高清微型近景广角摄像机；
所述导杆（2）下侧设有贯穿导杆的齿板（9）；
所述传动机构（3）由壳体、电机（10）、传动齿轮（6）和限位齿轮（16）构成，所述壳体设有贯通的腔室，所述电机（10）、传动齿轮（6）和限位齿轮（16）均置于腔室内，限位齿轮（16）置于腔室前部，传动齿轮（6）置于腔室后部，传动齿轮（6）安装在所述电机（10）的传动轴（11）上；所述导杆（2）穿入壳体腔室，传动齿轮（6）和限位齿轮（16）均与导杆（2）的齿板（9）啮合；
所述传动机构（3）的壳体安装在支座（4）的中心位置。
2.根据权利要求1所述的基于数字照相的隧道内壁变形特征原位量测装置，其特征是：所述导杆（2）的齿板（9）两端均设置限位块（15）。
3.根据权利要求1所述的基于数字照相的隧道内壁变形特征原位量测装置，其特征是：所述支座（4）由四根伸缩支杆构成，四根伸缩支杆构成十字支架，所述导杆垂直于十字支架面。
4.根据权利要求1所述的基于数字照相的隧道内壁变形特征原位量测装置，其特征是：所述信号传输装置通过数据传输线连接计算机。
5.一种使用权利要求1-4之一所述的基于数字照相的隧道内壁变形特征原位量测装置进行隧道内壁变形特征原位量测的方法，其步骤如下：
步骤1.在隧道模型前放置测量装置并固定支座，参照水准仪将导杆调整至水平，调节伸缩杆将导杆前端粗略对准隧道模型掌子面中心；
步骤2.打开图像采集设备，利用棋盘格板对双目相机进行标定；
以双目相机光心所构成线段的中点为坐标原点；
步骤3.将限位块移动至相应位置，确保图像采集装置最远可以到达掌子面附近；
步骤4.开启电机，电机通过传动机构带动导杆向前伸出，可通过传动机构的数控装置控制电机转速和旋转角度进而控制导杆的伸出长度和图像采集装置的位置；
步骤5.图像采集装置与计算机连接，当图像采集设备到达既定位置之后，通过计算机控制图像采集装置进行图像采集，所获取的图像信息以及深度的位置信息通过信号传输装置实时传输到计算机进行存储；
步骤6.在导杆前端到达隧道掌子面时关闭电机，做好标记，再使电机逆向转动，直至导杆离开隧道模型并回到初始位置；
步骤7.通过本装置所采集到的图像存储于计算机，再由计算机软件PhotoInfor进行后期的分析与处理，即可得到隧道内壁的变形特征与变形数据。
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