CN112880572A - 多点表面位移测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多点表面位移测量方法及装置。该方法为：在待测物表面确定多个待测点位，并额外确定至少一个位置固定的参考点位；根据所有点位的位置确定摄像单元的固定位置，并为每个点位设置摄像单元拍摄预置点，采集每个点位的基准图；控制摄像单元在每个点位对应的预置点逐点位巡航拍摄，采集每个点位的测量图；将每个点位的基准图和测量图进行比较，计算得到各点位的测量位移量；根据参考点位的位移量对待测点位的位移量进行位移补偿，得到各待测点位的实际位移量。该方法通过一个摄像单元完成待测物表面的多点位位移测量，效率高，成本低，引入参考点位对待测点位的位移量进行位移补偿，提高了位移测量的精度和稳定性。

Description

多点表面位移测量方法及装置

技术领域

本发明涉及交通基础设施的稳固性检测领域，具体涉及一种多点表面位移测量方法及装置。

背景技术

目前，对于轨道、桥梁等交通基础设施的稳固性评估非常普遍，尤其是设施周边正在进行其它施工时，对其进行相关的质量监控更是必不可少。

位移量作为需要监控的一个重要指标，很好的反映了监控目标的质量状况。但是，对于轨道、桥梁等监控目标，位移量通常很小，最大位移量也只有几个毫米，所以要求位移测量装置至少有毫米级的测量精度。

以轨道位移测量为例，允许的最大位移量通常在5mm以内。目前该领域的位移测量主要是通过全站仪，也有少数是基于视觉图像的测量方法，而在基于视觉图像测量中，目前还没有一种能在较长距离下测量目标点的多个位移方向，并同时达到高精度的视觉测量方法。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种多点表面位移测量方法及装置。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种多点表面位移测量方法，包括以下步骤：

在待测物表面确定多个待测点位，并额外确定至少一个位置固定的参考点位；

根据所有点位的位置确定摄像单元的固定位置，并为每个点位设置摄像单元拍摄预置点，采集每个点位的基准图；控制摄像单元在每个点位对应的预置点逐点位巡航拍摄，采集每个点位的测量图；

将每个点位的基准图和测量图进行比较，计算得到各点位的测量位移量；

根据参考点位的位移量对待测点位的位移量进行位移补偿，得到各待测点位的实际位移量。

该方法通过一个摄像单元完成待测物表面的多点位位移测量，效率高，成本低，引入参考点位对待测点位的位移量进行位移补偿，提高了位移测量的精度和稳定性。

该方法的优选方案：在每个点位处设置标记板，所述标记板上面贴有四张相同大小的小矩形反光条，四个小矩形反光条的中心点构成一个大矩形，且小矩形反光条的长宽与大矩形的长宽平行，使所述反光条在摄像单元的图像上呈现为矩形亮斑。在点位处设标记板，并将标记板上的标记采用反光材料，在图像中便于对目标点位进行定位。

该方法的优选方案：计算测量位移量时需确定基准图上的4个小矩形的位置，以对矩形亮斑的定位，具体为：

首先将基准图像二值化；

再对二值化后的图像求取连通域；

然后对每个连通域求取凸包，通过枚举凸包的任两条边确定一个平行四边形，将面积最小的平行四边形作为连通域的最小外接平行四边形；

最后根据每个平行四边形区域的大小、形状和亮度，根据预先设置的大小、形状和亮度参数进行评分，判断检测出的平行四边形区域是否是矩形亮斑，如果判定为矩形亮斑的区域大于等于4个，则选择评分最高的四个平行四边形作为矩形亮斑的定位结果。

这能快速实现对矩形亮斑的定位，也得到了大矩形角点的像素坐标。

该方法的优选方案：所述测量位移量计算方法为：

令大矩形的长宽分别为a,b，以大矩形的一个角为原点，长为x轴，宽为y轴建立坐标系，则大矩形四个角点的几何坐标表示为(0,0)，(a,0)，(a,b)，(0,b)；建立大矩形角点的几何坐标与像素坐标的对应关系：

其中(w_r,h_r)为大矩形角点的像素坐标，(w′_r,h′_r)为大矩形角点的几何坐标，得到单应性矩阵

将标记板在基准图上的区域作为模板，在测量图上进行搜索得到大矩形中心点在测量图上的像素坐标为(w_s,h_s)，则对应的几何坐标(w′_s,h′_s)计算公式为：

测得的测量位移量

为：

为大矩形中心点的初始几何坐标。

该步骤通过单应性变换实现测量位移量的计算，计算速度快，准确性高。

该方法的优选方案：根据参考点位的位移量对待测点位的位移量进行位移补偿的方法为：

首先，计算位移补偿系数：在所有点位稳定的情况下，启动相机巡航，运行n个周期，对每个点位一共采集n组位移数据；

待测点位的位移数据矩阵记为

其中，

表示第j组数据中第i个待测点位沿大矩形标记宽度方向的位移；

表示第j组数据中第i个待测点位沿大矩形标记高度方向的位移；p为待测点位个数；

参考点位的位移数据矩阵记为

其中

表示第j组数据中第i个参考点位沿大矩形标记宽度方向的位移；

表示第j组数据中第i个参考点位沿大矩形标记高度方向的位移，q为参考点位个数；

实际位移用矩阵T表示，为零矩阵，位移补偿系数用矩阵K表示，如下：

求解

得到位移补偿系数矩阵K＝-(R^TR)^{- 1}R^TM；

然后计算待测点位的实际位移量：

在测量的一个周期内，假设待测点位的测量位移量为

参考点位的测量位移量为

其中

表示第i个待测点位沿大矩形标记宽度方向的位移；

表示第i个待测点位沿大矩形标记高度方向的位移；

表示第i个参考点位沿大矩形标记宽度方向的位移；

表示第i个参考点位沿大矩形标记高度方向的位移。

则实际位移量

该步骤通过对位移补偿系数的计算，并用位移补偿系数对测量位移量进行补偿校正，得到实际位移量，克服了因光线、温度等环境因素造成的测量误差，提高了准确性。

本发明还提出了一种多点表面位移测量装置，其包括摄像单元、控制模块、多个标记板；

每个标记板对应一个点位，所述点位包括多个待测点位和至少一个参考点位，所述待测点位位于待测物表面，所述摄像单元与控制模块连接，所述控制模块根据上述的多点表面位移测量方法控制摄像单元并计算待测物的位移偏移量。

该方法的优选方案：所述摄像单元包括PTZ相机和补光光源，所述补光光源为不可见光光源。采用PTZ相机，便于预置点的设置，同时更方便实施逐点位巡航拍摄，补光光源采用不可见光光源，实现全天候位移测量。

本发明的有益效果是：本发明检测精度高，特别是在较恶劣的环境下，如温差大，明暗变化大的情况下，依然有着较高的测量精度；且本发明成本低、施工难度低，通过一台相机即可完成多个点位、多个方向维度的位移测量。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是多点表面位移测量方法的流程示意图；

图2是多点表面位移测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提出了一种多点表面位移测量方法的实施例，其包括以下步骤：

在待测物表面确定多个待测点位，并额外确定至少一个位置固定的参考点位。这里的位置固定即为不会发生位移,参考点位优选但不限于设置于待测物以外。

根据所有点位的位置确定摄像单元的固定位置，并为每个点位设置摄像单元预置点。这里的固定位置至少满足摄像单元能对所有的点位进行拍摄，当调取预置点时，摄像单元能在预置点对该预置点对应的点位进行拍摄，这里可通过上位机调取预置点，控制摄像单元在预置点拍摄，预置点包括拍摄角度、曝光度、焦距等。初始时，在待测点位稳定的情况下，摄像单元依次在各个点位的预置点采集对应点位的基准图，然后采集n个周期的图像用于求取补偿系数；接着，测量时，控制摄像单元在每个点位对应的预置点逐点位巡航拍摄，采集每个点位的测量图。这里所有点位稳定指所有点位的位移不会发生变化，即实际位移为0。

该实施例中，在每个点位处设置标记板，标记板上面贴有四张相同大小的小矩形反光条，四个小矩形的中心点构成一个大矩形，且小矩形的长宽与大矩形的长宽平行，使所述反光条在摄像单元的图像上呈现为矩形亮斑。

将每个点位的基准图和测量图进行比较，计算得到各点位的测量位移量。

在计算测量位移量时，需确定待测点位在图像上的位置，即需对矩形亮斑进行定位。矩形亮斑的定位，由于不知道亮斑的具体大小、形状和位置，本实施例中通过确定基准图上的4个小矩形的位置，以实现对矩形亮斑的定位，具体为：

首先将基准图像二值化：可根据图像上的亮暗分布情况，采用整体阈值二值化，如Otsu二值化，或者采用局部阈值二值化，如Niblack算法，目标是使小矩形亮斑尽可能与背景区分开。

再对二值化后的图像求取连通域，即获取每个不相连的亮斑区域里的所有像素点。

然后对每个连通域求取凸包，可使用Graham扫描法或者调用opencv的convexHull方法完成凸包计算，由于矩形亮斑在图像上可呈现为平行四边形，所以通过枚举凸包的任两条边可确定一个平行四边形，将面积最小的平行四边形作为连通域的最小外接平行四边形。

最后根据每个平行四边形区域的大小(即像素总数)、形状(即长宽比)和亮度(即平行四边形内所有像素亮度的平局值)，根据事先设置的大小、形状和亮度参数进行评分，判断检测出的平行四边形区域是否是矩形亮斑，如果判定为矩形亮斑的区域大于等于4个，则选择评分最高的四个平行四边形作为矩形亮斑的定位结果。这里定位得到的是4个矩形亮斑的中心点。

测量位移量计算方法为：

在基准图上，假设大矩形四个角点在基准图上的像素坐标分别为(w_r1,h_r1)，(w_r2,h_r2)，(w_r3,h_r3)和(w_r4,h_r4)，通过矩形光斑定位可输出得到大矩形四个角点在基准图上的像素坐标，即找到的四个平行四边形的中心点的像素坐标，令大矩形的长宽分别为a,b，具体数值可直接测量大矩形的实际尺寸得到，以大矩形的一个角点为原点，长为x轴，宽为y轴建立坐标系，则大矩形四个角点的几何坐标表示为(0,0)，(a,0)，(a,b)，(0,b)；建立大矩形角点的几何坐标与像素坐标的对应关系：

其中(w_r,h_r)为大矩形角点的像素坐标,即矩形亮斑定位时得到的4个矩形亮斑的中心点坐标，(w_r',h_r')为大矩形角点的几何坐标，得到单应性矩阵

将标记板在基准图上区域作为模板，在测量图上进行模板匹配,如halcon算法,搜索得到大矩形中心点在测量图上的像素坐标为(w_s,h_s)，其对应的几何坐标(w′_s,h′_s)计算公式为：

测得的测量位移量

为：

为大矩形中心点的初始几何坐标。如此，计算出每个点位对应的大矩形中心点的初始几何坐标。

根据参考点位的位移量对待测点位的位移量进行位移补偿，得到各待测点位的实际位移量。

本实施例中，采用如下位移补偿的方法：

首先，计算位移补偿系数：根据在所有点位稳定的情况下，启动相机巡航，运行n个周期，采集的各点位的n个图像，将待测点位的位移数据矩阵记为

其中，

表示第j组数据中第i个待测点位沿大矩形标记宽度方向的位移；

表示第j组数据中第i个待测点位沿大矩形标记高度方向的位移；p为待测点位个数。

将参考点位的位移数据矩阵记为

其中,

表示第j组数据中第i个参考点位沿大矩形标记宽度方向的位移；

表示第j组数据中第i个参考点位沿大矩形标记高度方向的位移，q为参考点位个数。

实际位移用矩阵T表示，因为是在外界环境稳定的情况下采集的图像，因此T为零矩阵，位移补偿系数用矩阵K表示，如下：

求解

得到位移补偿系数矩阵K＝-(R^TR)^{- 1}R^TM。

然后计算所有待测点位的实际位移量：

在测量的一个周期内，假设待测点位的测量位移量为

参考点位的测量位移量为

其中

表示第i个待测点位沿大矩形标记宽度方向的位移；

表示第i个待测点位沿大矩形标记高度方向的位移；

表示第i个参考点位沿大矩形标记宽度方向的位移；

表示第i个参考点位沿大矩形标记高度方向的位移。

则实际位移量

到此便完成了所有待测点位的位移测量。

本实施例位移测量精度高，测量效率好，测量成本低，通过一台PTZ相机完成多点表面位移的测量，可完成距离相机30m内的待测点位，位移变化量在300mm以内的位移测量,达到毫米级精度。

本发明还提供了一种多点表面位移测量装置，如图2所示，包括摄像单元2、控制模块3、多个标记板1。每个标记板1对应一个点位，点位包括多个待测点位和至少一个参考点位，待测点位位于待测物表面，摄像单元2与控制模块3连接，控制模块3控制摄像单元2对点位逐点位巡航拍摄，摄像单元2将拍摄得到的图像发送至控制模块3，控制模块3根据所述图像分析得到位移偏移量。本实施例中，控制模块3根据上述多点表面位移测量方法控制摄像单元拍摄各点位图像、计算待测物的位移偏移量。

为了实现多点测量和夜间测量，摄像单元2包括PTZ相机和补光光源，补光光源为不可见光光源，实现全天候位移测量。也可直接使用带有补光光源的PTZ相机；控制模块3包括工控机和上位机，工控机与上位机连接，用于执行上位机程序，实现PTZ相机的控制，图像采集分析以及位移计算；标记板1上面贴有四张相同大小的小矩形反光条，四个小矩形的中心点构成一个大矩形，且小矩形的长宽与大矩形的长宽平行，使所述反光条在摄像单元的图像上呈现为矩形亮斑，即在相机成像上，反光条在图像上呈现为矩形亮斑，其他区域则较暗。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种多点表面位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在待测物表面确定多个待测点位，并额外确定至少一个位置固定的参考点位；

根据所有点位的位置确定摄像单元的固定位置，并为每个点位设置摄像单元拍摄预置点，采集每个点位的基准图；控制摄像单元在每个点位对应的预置点逐点位巡航拍摄，采集每个点位的测量图；

将每个点位的基准图和测量图进行比较，计算得到各点位的测量位移量；

根据参考点位的位移量对待测点位的位移量进行位移补偿，得到各待测点位的实际位移量。

2.根据权利要求1所述的多点表面位移测量方法，其特征在于，在每个点位处设置标记板，所述标记板上面贴有四张相同大小的小矩形反光条，四个小矩形反光条的中心点构成一个大矩形，且小矩形反光条的长宽与大矩形的长宽平行，使所述反光条在摄像单元的图像上呈现为矩形亮斑。

3.根据权利要求2所述的多点表面位移测量方法，其特征在于，计算测量位移量时需确定基准图上的4个小矩形的位置，以对矩形亮斑的定位，具体为：

首先将基准图像二值化；

再对二值化后的图像求取连通域；

然后对每个连通域求取凸包，通过枚举凸包的任两条边确定一个平行四边形，将面积最小的平行四边形作为连通域的最小外接平行四边形；

最后根据每个平行四边形区域的大小、形状和亮度，根据预先设置的大小、形状和亮度参数进行评分，判断检测出的平行四边形区域是否是矩形亮斑，如果判定为矩形亮斑的区域大于等于4个，则选择评分最高的四个平行四边形作为矩形亮斑的定位结果。

4.根据权利要求2所述的多点表面位移测量方法，其特征在于，所述测量位移量计算方法为：

令大矩形的长宽分别为a,b，以大矩形的一个角为原点，长为x轴，宽为y轴建立坐标系，则大矩形四个角点的几何坐标表示为(0,0)，(a,0)，(a,b)，(0,b)；建立大矩形角点的几何坐标与像素坐标的对应关系：

其中(w_r,h_r)为大矩形角点的像素坐标，(w′_r,h′_r)为大矩形角点的几何坐标，得到单应性矩阵

将标记板在基准图上的区域作为模板，在测量图上进行搜索得到大矩形中心点在测量图上的像素坐标为(w_s,h_s)，则对应的几何坐标(w′_s,h′_s)计算公式为：

测得的测量位移量

为：

为大矩形中心点的初始几何坐标。

5.根据权利要求2所述的多点表面位移测量方法，其特征在于，根据参考点位的位移量对待测点位的位移量进行位移补偿的方法为：

首先，计算位移补偿系数：在所有点位稳定的情况下，启动相机巡航，运行n个周期，对每个点位一共采集n组位移数据；

待测点位的位移数据矩阵记为

其中，

表示第j组数据中第i个待测点位沿大矩形标记宽度方向的位移；

表示第j组数据中第i个待测点位沿大矩形标记高度方向的位移；p为待测点位个数；

参考点位的位移数据矩阵记为

其中

表示第j组数据中第i个参考点位沿大矩形标记宽度方向的位移；

表示第j组数据中第i个参考点位沿大矩形标记高度方向的位移，q为参考点位个数；

实际位移用矩阵T表示，为零矩阵，位移补偿系数用矩阵K表示，如下：

求解

得到位移补偿系数矩阵K＝-(R^TR)^-1R^TM；

然后计算待测点位的实际位移量：

在测量的一个周期内，假设待测点位的测量位移量为

参考点位的测量位移量为

其中

表示第i个待测点位沿大矩形标记宽度方向的位移；

表示第i个待测点位沿大矩形标记高度方向的位移；

表示第i个参考点位沿大矩形标记宽度方向的位移；

表示第i个参考点位沿大矩形标记高度方向的位移。

则实际位移量

6.一种多点表面位移测量装置，其特征在于，包括摄像单元、控制模块、多个标记板；

每个标记板对应一个点位，所述点位包括多个待测点位和至少一个参考点位，所述待测点位位于待测物表面，所述摄像单元与控制模块连接，所述控制模块根据权利要求1-5任一项所述的多点表面位移测量方法控制摄像单元并计算待测物的位移偏移量。

7.根据权利要求6所述的多点表面位移测量装置，其特征在于，所述摄像单元包括PTZ相机和补光光源，所述补光光源为不可见光光源。

8.根据权利要求6所述的多点表面位移测量装置，其特征在于，所述标记板上面贴有四张相同大小的小矩形反光条，四个小矩形的中心点构成一个大矩形，且小矩形的长宽与大矩形的长宽平行，使所述反光条在摄像单元的图像上呈现为矩形亮斑。

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