CN113686313A - 煤岩地质影像实时量测方法及*** - Google Patents

煤岩地质影像实时量测方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明属于地质编录技术领域，尤其涉及一种煤岩地质影像实时量测方法及***，包括前端采集设备和影像编录平台，影像编录平台包括图像提取模块、参数设置模块、相对定向模块、绝对定向模块、核线影像生成模块、影像密集匹配模块以及立体影像编录模块，利用前端采集设备完成对煤矿井下图像的获取，再利用影像编录平台中各个模块之间的配合实现对图像的自动化处理，自动得到对应的三维立体图，减去了人为的操作，解决了煤岩地质影像量测实时性差的问题。

Description

煤岩地质影像实时量测方法及***
技术领域
本发明属于地质编录技术领域，尤其涉及一种煤岩地质影像实时量测方法及***。
背景技术
地质编录工作是支持煤矿安全高效生产的一项重要的基础技术工作，及时、准确、客观的记录采掘工程中不断揭露的地质现象，筛选和处理有用的地质信息，研究地质条件及其变化规律，为矿井安全生产提供科学可靠的地质情报，是现代化矿井对地质工作的根本要求。
在进行地质编录的过程中利用地质编录数字化来代替传统的手工作业模块，通过地质编录数字化使得整个地质编录处理的煤矿井下信息更加的准确和直观，同时对其得到的比例更加的准确。
但是现有的地质编录***在进行煤矿井下的地质编录时，在前端完成对煤矿井下的拍摄之后的数据处理过程的时间很长，好几个步骤都需要手动的进行数据的录入同时还需要手动的进行各个步骤的启动，这就造成整个处理过程时间长，就不能在第一时间对煤矿井下的真实情况进行反应。
基于此，需要一种煤岩地质影像实时量测方法及***，来解决煤岩地质影像量测时实时性差的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供种煤岩地质影像实时量测方法及***，来解决煤岩地质影像量测时实时性差的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种煤岩地质影像实时量测***，包括：
前端采集设备和影像编录平台；
前端采集设备包括微控制器、两个平行设置的摄像头、设置在两个摄像头中间位置处的激光发射器以及在激光发射器与煤壁之间设置的垂直半透明板；所述微控制器用于控制两个所述摄像头对煤壁的拍摄角度和拍摄距离的调节，并生成对应的煤壁参数，所述煤壁参数包括左右移动位移、前后移动位移、上下转动角度、激光方位角度和铅垂线长度；
其中激光发射器的激光起始点A点分别照射到垂直半透明板和煤壁上，照射点分别为B点和C点；所述激光发射器的照射角度与摄像机的拍摄角度一致；
所述微控制器还用于在确定好煤壁参数后，对B点坐标进行计算；
影像编录平台包括图像提取模块、参数设置模块、相对定向模块、绝对定向模块、核线影像生成模块、影像密集匹配模块以及立体影像编录模块；
图像提取模块，用于提取两个摄像头各自的当前原始图像；
参数设置模块，用于根据两个摄像头的型号，自动生成对应的摄像头参数，并对两个摄像头各自得到的当前原始图像进行畸变校正，得到校正图像；
还用于自动将对应的激光方位角度和铅垂线长度进行录入；
相对定向模块，用于根据摄像头参数设置步骤中得到的校正图像，利用算法自动提取出两张照片中的同名点B和C，得到各个像点的相对坐标；
绝对定向模块，用于通过图像识别算法自动找对图像中的B、C两点以及铅垂线的上下端点，同时输入计算出的B点坐标，之后调用参数设置模块中的录入的激光方位角度和铅垂线长度，得到各个像点的绝对坐标；
核线影像生成模块：根据摄像绝对定向步骤中得到的各个像点的绝对坐标，利用核线理论将同名点的匹配从二维搜索转化为一维搜索，并形成核线影像；
影像密度匹配模块，用于根据得到的核线影像进行影像密集匹配，并得到对应的视差图；
立体影像编录模块，用于根据得到的视差图，计算出对应的深度值并进行三维坐标的计算，从而形成三维立体图。
本方案的原理和效果是：通过前端的两个摄像头对煤壁进行图像的获取，在确定好拍摄位置之后就利用影像编录平台提取对应的当前图像信息，只需要填写对应的摄像机型号皆可以自动的通过对当前图像信息的畸变校正、找到各个像点的相对坐标和绝对坐标，并根据这些信息对图像进行立体的矫正，之后自动的生成对应的三维立体图。本申请文件通过影像编录平台的各个模块实现了对煤岩地质立体影像编录的自动化，而不用进行人工手动的进行数值的输入和流程的启动，使得整个立体影像编录所使用的时间更短，得到三维立体图的时间更快，这样就可以在第一时间知晓煤矿井下的真实情况，从而解决煤岩地质影像量测时实时性差的问题。
进一步的，还包括剖面图生成模块，用于根据三维立体图，自动生成对应的二维剖面图。通过二维剖面图的生成可以使得工作人员更加直观的对整个煤矿有一个很好的了解，同时也便于工作人员进行观察。
进一步的，所述摄像头参数包括畸变校正参数、内方位元素和像素。
畸变校正参数的设置完成对像对的畸变校正。
进一步的，所述A点和B点的之间的距离与垂直半透明板的长度均为恒定值。
通过这些值的恒定设置使得整个计算更加的便捷。
本发明还提供一种煤岩地质影像实时量测方法，包括以下步骤：
前端采集步骤：通过微控制器控制前端采集设备的两个摄像头进行拍摄角度和拍摄距离的调节，完成对测量位置的确认，即确认测量当前位置角度的煤壁参数；同时在确定测量位置之后进行实时的视频监测，所述煤壁参数包括左右移动位移、前后移动位移、上下转动角度、激光方位角度和铅垂线长度；与此同时，微控制器还用于在确定好煤壁参数之后，微控制器会对激光发射器照射到垂直透明板上的B点的坐标进行计算；
图像提取步骤：提取两个摄像头的当前原始图像；
摄像头参数设置步骤：根据两个摄像头的型号，自动生成对应的摄像头参数，并对像对进行畸变校正，得到校正图像；
摄站参数录入步骤：自动将对应的激光方位角度和铅垂线长度进行录入；
摄像相对定向步骤：根据摄像头参数设置步骤中得到的校正图像，利用算法自动提取出两张照片中的同名点B和C，得到各个像点的相对坐标；
摄像绝对定向步骤：通过图像识别算法自动找对图像中的B、C两点以及铅垂线的上下端点，同时输入计算出的B点坐标，之后调用摄站参数录入步骤中的录入的激光方位角度和铅垂线长度，得到各个像点的绝对坐标；
核线影像生成步骤：根据摄像绝对定向步骤中得到的各个像点的绝对坐标，利用核线理论将同名点的匹配从二维搜索转化为一维搜索，并形成核线影像；
影像密集匹配步骤：根据得到的核线影像进行影像密集匹配，并得到对应的视差图；
立体影像编录步骤：根据得到的视差图，计算出对应的深度值并进行三维坐标的计算，从而形成三维立体图。
本方案的原理和效果是：利用前端采集设备的两个摄像机拍摄煤壁来对煤壁的图像进行获取，之后根据不同的摄像机的型号自动对当前的图像进行畸变校正，校正完成之后先后自动进行各个像点的相对定向和绝对定向，为了使得这些定向更为的准确，利用核线影像生成和密度匹配完成对图像的立体矫正，之后自动生成三维立体图。本申请在对煤壁的图像采集之后就自动对图像进行各种处理以得到对应的三维立体图，各个步骤之间都是自动进行，减少了人为的操作，同时也加快了煤岩地质影像的生成速度，从而解决煤岩地质影像量测时实时性差的问题。
进一步的，还包括剖面图生成步骤：根据三维立体图进行计算，得到对应的二维剖面图。
通过对三维立体图的二维化，使得工作人员能够第一时间对煤岩地质有一个总体的了解。
进一步的，所述摄像头参数包括畸变校正参数、内方位元素和像素，每一个摄像机型号都有对应的摄像头参数。
通过畸变校正参数的设置实现对像对的畸变校正。
附图说明
图1为本发明实施例一中煤岩地质影像实时量测***的逻辑框图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例一
实施例一基本如图1所示，本实施例提供一种煤岩地质影像实时量测***，包括前端采集设备和影像编录平台。
其中前端采集设备包括微控制器、两个平行设置的摄像头、设置在两个摄像头中间位置的激光发射器以及在激光发射器正前方设置的垂直半透明板。微控制器用于控制两个摄像头的拍摄角度和拍摄距离进行调节，同时生成对应的煤壁参数。煤壁参数包括左右移动位移、前后移动位移、上下转动角度、激光方位角度和铅垂线长度。激光发射器的照射角度与摄像机的拍摄角度保持一致，激光发射器的激光起始点A点分别照射到对应的垂直半透明板和煤壁上，照射点分别为B点和C点，A点和B点之间的距离时恒定的，垂直透明板的长度也是恒定值，在本实施例中，根据实际情况对A点和B点之间的距离和垂直透明板的长度进行设置。
在确定好两个摄像机的拍摄位置和角度之后，即完成了对煤壁参数的确定，之后微控制器会对激光发射器照射到垂直透明板上的B点的坐标进行计算。
在本实施例中两个摄像头平时显示的是两个视角的监控视频，其中左右移动位移为△x，前后移动位移为△y，上下转动角度为α，激光方位角度为β，铅垂线长度为垂直半透明板的长度，为n；A和B之间的距离为m。
影像编录平台包括图像提取模块、参数设置模块、相对定向模块、绝对定向模块、核线影像生成模块、影像密集匹配模块以及立体影像编录模块。
图像提取模块，用于对两个摄像头各自的当前原始图像进行提取。在本实施例中，图像提取模块会在接收到微控制器的调节完成的信号后，根据微控制器生成的煤壁参数自动建立工作区，之后再提取两个摄像头各自的当前原始图像。在本实施例中，工作区包括当时的△x、△y、α、β。在本实施例中，对于提取到的当前原始图像会根据巷道的名称、位置、日期进行自动编号。
参数设置模块，用于根据两个摄像头的型号，自动生成对应的摄像头参数，并对两个摄像头各自得到的当前原始图像进行畸变校正，得到校正图像。通过两个摄像机的型号的选择，自动匹配出对应的摄像头参数，其中摄像头参数就包括畸变校正参数、内方位元素和像素。畸变校正参数的设置会对当前原始图像进行畸变校正，以得到校正之后的图像。
同时还用于自动将对应的激光方位角度和铅垂线长度进行录入。
相对定向模块，用于根据摄像头参数设置步骤中得到的校正图像，利用算法自动提取出两张照片中的同名点B和C，得到各个像点的相对坐标。本实施例所用的算法为SIFT。在本实施例中相对定向即为解算像对的相对方位元素；提取同名点，即两张照片上的相同物体的点，点构成线，得到同名投影光线，同名投影光线在各自的核面，内对对相交，即同名投影光线与基线应该共面，这个条件得到共面条件方程；解方程可以得到两张照片的相对位置变化参数，即外方位元素；然后可以利用两张相片的内方位元素、外方位元素和同名像点的像坐标(利用SIFT算法自动提取的同名点)来解算相应模型点坐标，也就得到了各个像点的相对坐标。
绝对定向模块，用于通过图像识别算法自动找对图像中的B、C两点以及铅垂线的上下端点，同时输入计算出的B点坐标，之后调用参数设置模块中的录入的激光方位角度和铅垂线长度，得到各个像点的绝对坐标。在本实施例中，绝对定向即可得到各个像点的绝对坐标，找到图像中的B、C点和铅垂线的上下端点、并输入计算出的B点坐标，调用激光方位角度β得到BC的方位角度，可以确定x、y轴方向，即大地坐标系里的东、北方向，铅垂线方向确定z轴即上方，铅垂线长度n可以确定比例尺度，比如原来的相对定向得到铅垂线＝2米，参数设置模块中输入n＝1米，整个模型的距离都等比例缩小到原来的1/2。有了坐标系、各像点之间真实距离，再输入一个真实的绝对坐标点，即可得到所有像点对应物体的三维坐标点。
核线影像生成模块：根据摄像绝对定向步骤中得到的各个像点的绝对坐标，利用核线理论将同名点的匹配从二维搜索转化为一维搜索，并形成核线影像。通过核线影像的生成使得其影像的中的同名点横向对齐。
影像密度匹配模块，用于根据得到的核线影像进行影像密集匹配，并得到对应的视差图。在本实施例中利用BM立体匹配算法进行视差图的计算。
立体影像编录模块，用于根据得到的视差图，计算出对应的深度值并进行三维坐标的计算，从而形成三维立体图。
剖面图生成模块，用于根据三维立体图，自动生成对应的二维剖面图。
通过微控制器对两个摄像头的拍摄角度和拍摄距离进行调节，此时激光发射器上的激光照射到垂直透明板和煤壁上的激光点分别为B点和C点；由于B点到激光发射器的发射点的距离是恒定值，同时根据微控制器的调节我们也知道其对应的左右移动位移、前后移动位移、上下转动角度和激光方位角度，假设其一一对应为△x、△y、α、β，通过这些微控制器就会对B点的坐标进行计算。
在确定要进行影像量测时，通过微控制器生成的煤壁参数自动建立工作区(△x、△y、α、β)，并提取出两个摄像头各自的当前原始图像，在提取出来之后，对摄像机的型号进行选择，以匹配对应的摄像头参数来完成对当前原始图像的畸变校正，得到校正图像。之后就会将煤壁参数中的激光方位角度和铅垂线长度录入到***中。
完成了上述之后就会先后进行影像的相对定向和绝对定向，以此来对影像中各个像点的坐标进行确定。同时通过核线影像和影像密度匹配来完成对整个图像的立体校正，同时得到对应的视差图，为之后的三维坐标的计算提供依据，最终形成三维立体图，之后根据三维立体图得到对应的二维剖面图。
本实施例还提供一种煤岩地质影像实时量测方法，包括以下步骤：
前端采集步骤：通过微控制器控制前端采集设备的两个摄像头进行拍摄角度和拍摄距离的调节，完成对测量位置的确认，即确认测量当前位置角度的煤壁参数；同时在确定测量位置之后进行实时的视频监测，所述煤壁参数包括左右移动位移、前后移动位移、上下转动角度、激光方位角度和铅垂线长度。与此同时，微控制器还用于在确定好煤壁参数之后，微控制器会对激光发射器照射到垂直透明板上的B点的坐标进行计算。
图像提取步骤：根据测量位置得到的煤壁参数自动建立工作区，之后提取两个摄像头的当前原始图像。
摄像头参数设置步骤：根据两个摄像头的型号，自动生成对应的摄像头参数，并对像对进行畸变校正，得到校正图像。在对摄像头的型号进行选择之后，会自动生成与该摄像头型号匹配的摄像头参数，包括畸变校正参数、内方位元素以及像素。其中畸变校正参数用来完成对当前原始图像进行畸变校正。
摄站参数录入步骤：自动将对应的激光方位角度和铅垂线长度进行录入。
摄像相对定向步骤：根据摄像头参数设置步骤中得到的校正图像，利用SIFT算法自动提取出两张照片中的同名点B和C，得到各个像点的相对坐标。在本步骤中提取同名点，即两张照片上的相同物体的点，点构成线，得到同名投影光线，同名投影光线在各自的核面，内对对相交，即同名投影光线与基线应该共面，这个条件得到共面条件方程；解方程可以得到两张照片的相对位置变化参数，即外方位元素；然后可以利用两张相片的内方位元素、外方位元素和同名像点的像坐标(利用SIFT算法自动提取的同名点)来解算相应模型点坐标，也就得到了各个像点的相对坐标。其中内方位元素是从摄像头参数设置步骤中的摄像头参数调用过来的。
摄像绝对定向步骤：通过图像识别算法自动找对图像中的B、C两点以及铅垂线的上下端点，同时输入计算出的B点坐标，之后调用摄站参数录入步骤中的录入的激光方位角度和铅垂线长度，得到各个像点的绝对坐标。
核线影像生成步骤：根据摄像绝对定向步骤中得到的各个像点的绝对坐标，利用核线理论将同名点的匹配从二维搜索转化为一维搜索，并形成核线影像。
影像密集匹配步骤：根据得到的核线影像进行影像密集匹配，并得到对应的视差图。
立体影像编录步骤：根据得到的视差图，计算出对应的深度值并进行三维坐标的计算，从而形成三维立体图。
剖面图生成步骤：根据三维立体图进行计算，得到对应的二维剖面图。
以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.煤岩地质影像实时量测***，其特征在于，包括：
前端采集设备和影像编录平台；
前端采集设备包括微控制器、两个平行设置的摄像头、设置在两个摄像头中间位置处的激光发射器以及在激光发射器与煤壁之间设置的垂直半透明板；所述微控制器用于控制两个所述摄像头的拍摄角度和拍摄距离的调节，并生成对应的煤壁参数，所述煤壁参数包括左右移动位移、前后移动位移、上下转动角度、激光方位角度和铅垂线长度；
其中激光发射器的激光起始点A点分别照射到垂直半透明板和煤壁上，照射点分别为B点和C点；所述激光发射器的照射角度与摄像机的拍摄角度一致；
所述微控制器还用于在确定好煤壁参数后，对B点坐标进行计算；
影像编录平台包括图像提取模块、参数设置模块、相对定向模块、绝对定向模块、核线影像生成模块、影像密集匹配模块以及立体影像编录模块；
图像提取模块，用于提取两个摄像头各自的当前原始图像；
参数设置模块，用于根据两个摄像头的型号，自动生成对应的摄像头参数，并对两个摄像头各自得到的当前原始图像进行畸变校正，得到校正图像；
还用于自动将对应的激光方位角度和铅垂线长度进行录入；
相对定向模块，用于根据摄像头参数设置步骤中得到的校正图像，利用算法自动提取出两张照片中的同名点B和C，得到各个像点的相对坐标；
绝对定向模块，用于通过图像识别算法自动找对图像中的B、C两点以及铅垂线的上下端点，同时输入计算出的B点坐标，之后调用参数设置模块中的录入的激光方位角度和铅垂线长度，得到各个像点的绝对坐标；
核线影像生成模块：根据摄像绝对定向步骤中得到的各个像点的绝对坐标，利用核线理论将同名点的匹配从二维搜索转化为一维搜索，并形成核线影像；
影像密度匹配模块，用于根据得到的核线影像进行影像密集匹配，并得到对应的视差图；
立体影像编录模块，用于根据得到的视差图，计算出对应的深度值并进行三维坐标的计算，从而形成三维立体图。
2.根据权利要求1所述的煤岩地质影像实时量测***，其特征在于：还包括剖面图生成模块，用于根据三维立体图，自动生成对应的二维剖面图。
3.根据权利要求2所述的煤岩地质影像实时量测***，其特征在于：所述摄像头参数包括畸变校正参数、内方位元素和像素。
4.根据权利要求3所述的煤岩地质影像实时量测***，其特征在于：所述A点和B点的之间的距离与垂直半透明板的长度均为恒定值。
5.煤岩地质影像实时量测方法，其特征在于，包括以下步骤：
前端采集步骤：通过微控制器控制前端采集设备的两个摄像头进行拍摄角度和拍摄距离的调节，完成对测量位置的确认，即确认测量当前位置角度的煤壁参数；同时在确定测量位置之后进行实时的视频监测，所述煤壁参数包括左右移动位移、前后移动位移、上下转动角度、激光方位角度和铅垂线长度；与此同时，微控制器在确定好煤壁参数之后，微控制器会对激光发射器照射到垂直透明板上的B点的坐标进行计算；
图像提取步骤：提取两个摄像头的当前原始图像；
摄像头参数设置步骤：根据两个摄像头的型号，自动生成对应的摄像头参数，并对像对进行畸变校正，得到校正图像；
摄站参数录入步骤：自动将对应的激光方位角度和铅垂线长度进行录入；
摄像相对定向步骤：根据摄像头参数设置步骤中得到的校正图像，利用算法自动提取出两张照片中的同名点B和C，得到各个像点的相对坐标；
摄像绝对定向步骤：通过图像识别算法自动找对图像中的B、C两点以及铅垂线的上下端点，同时输入计算出的B点坐标，之后调用摄站参数录入步骤中的录入的激光方位角度和铅垂线长度，得到各个像点的绝对坐标；
核线影像生成步骤：根据摄像绝对定向步骤中得到的各个像点的绝对坐标，利用核线理论将同名点的匹配从二维搜索转化为一维搜索，并形成核线影像；
影像密集匹配步骤：根据得到的核线影像进行影像密集匹配，并得到对应的视差图；
立体影像编录步骤：根据得到的视差图，计算出对应的深度值并进行三维坐标的计算，从而形成三维立体图。
6.根据权利要求5所述的煤岩地质影像实时量测方法，其特征在于：
还包括剖面图生成步骤：根据三维立体图进行计算，得到对应的二维剖面图。
7.根据权利要求6所述的煤岩地质影像实时量测方法，其特征在于：所述摄像头参数包括畸变校正参数、内方位元素和像素，每一个摄像机型号都有对应的摄像头参数。
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