CN115290010A - 一种混凝土结合面粗糙度检测方法和装备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混凝土结合面粗糙度检测方法和装备，方法包括：采用结构光深度相机在稳定的光照环境、垂直的拍摄角度以及适宜的拍摄距离采集结合面图像数据与三维点云数据；通过数据提取与格式变换得到指定范围的n×3格式的点云数据；对点云进行坐标变换与三角网格化处理，并通过模拟堆砂法计算出粗糙度。装备包括：结构光深度相机、内置光源、处理模块、电池组、刚性框架和遮光外壳，结构光深度相机和内置光源的输出端位于同一侧，通过遮光外壳与内置光源建立了稳定的拍摄环境、刚性框架确定了固定的拍摄角度与距离。与现有技术相比，本发明具有便携，高效以及准确的优点，能够在各种环境条件下，保证稳定的检测条件。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土结合面粗糙度检测技术领域，尤其是涉及一种混凝土结合面粗糙度检测方法和装备。
背景技术
混凝土结合面的粗糙度对新老混凝土的粘结性能有重要影响，是混凝土结构施工过程中的重要控制指标。当前，混凝土结合面多采用粗糙面的形式，但在结合面施工的过程中存在以下不足：
(1)结合面施工工艺有露骨料，拉毛，凿毛，印花以及PE膜等，采用不同施工工艺的结合面质量参差不齐，施工质量难以保证。
(2)当前主要采用凹凸深度对结合面进行评价，该指标不能全面反应结合面的粗糙质量。
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高效可靠、简便易行的混凝土结合面粗糙度检测方法和装备，具体应用于预制墙、柱、梁、板等构件结合面，以及后浇带、施工缝等现浇结合面的施工质量评价。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于结构光深度相机的混凝土结合面粗糙度检测方法，包括以下步骤：
数据采集步骤：采用结构光相机在稳定的光照环境、垂直的拍摄角度以及适宜的拍摄距离采集结合面图像数据以及三维点云数据，所述适宜的拍摄距离的选取范围由预先确定；
数据提取步骤：在结合面图像上选取结合面检测区域，并提取出指定结合面检测区域对应的点云数据；
格式变换步骤：将提取出的点云数据转换为n×3的点云矩阵格式，每行表示点云中一个点的三维坐标；
坐标变换步骤：采用PCA方法获取整体点云法向量，该整体点云法向量的方向为点云深度方向，从而旋转点云，使其z轴代表深度方向；
三角网格化步骤：将各点投影到xOy平面上，并采用二维Delaunay三角网剖分法建立点云相邻关系，将结合面表示为一系列三角面的组合；
粗糙度计算步骤：以经过最高点的水平面为投影面，计算每一块三角面的投影面积Si以及三角面与投影面包围的体积Vi，则粗糙度Rc＝∑Vi/∑Si。
进一步地，所述适宜的拍摄距离为：200mm与相机最小工作距离中的较大值。
进一步地，所述结构光深度相机封装在混凝土结合面粗糙度检测装备内，所述混凝土结合面粗糙度检测装备还包括内置光源、处理模块、为整个装备供电的电池组和支撑整个装备的刚性框架，所述结构光深度相机的输出端和所述内置光源的输出端位于同一侧。
进一步地，根据结构光深度相机适宜的拍摄距离与垂直的拍摄角度设置所述刚性框架，所述适宜的拍摄距离使得所述结构光深度相机获取单点误差小于0.5mm 且每平方毫米至少2个数据点的点云数据。
进一步地，所述内置光源的数量为多个，多个内置光源分别分布在所述结构光深度相机输出端的两侧。
进一步地，所述处理模块包括单片机和显示屏，所述单片机分别连接所述显示屏、内置光源以及结构光深度相机。
进一步地，所述混凝土结合面粗糙度检测装备还包括遮光外壳，该遮光外壳位于所述混凝土结合面粗糙度检测装备的外侧，并在所述内置光源的输出端形成环境光遮挡面，用于隔绝环境光。
进一步地，所述内置光源采用固定的输出配置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过本发明给出了一种基于结构光深度相机的混凝土结合面粗糙度检测方法，该方法具有简便高效的特点。在一定检测条件下，该方法能够得到精度高且密度高的高质量点云数据，从而可以计算出准确的粗糙度。其中，检测条件指的是，稳定的光照环境、垂直的拍摄角度以及适宜的拍摄距离。此外，该方法适用于各种混凝土结合面的粗糙度检测，适应性广。
(2)本发明给出的一种混凝土结合面粗糙度检测装置小巧轻便，操作灵活，能够在各种环境条件下，保证稳定的检测条件，实现各种粗糙面的检测，适用于与工程结合面粗糙度检测场景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种混凝土结合面粗糙度检测装备的内部结构的前右上方视角示意图；
图2为本发明实施例提供的一种混凝土结合面粗糙度检测装备的内部结构的前右下方视角示意图；
图3为本发明实施例提供的一种混凝土结合面粗糙度检测装备的内部结构剖视图；
图4为本发明实施例提供的一种结构光深度相机的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种内置光源的结构示意图；
图中，1、电池组；2、单片机；3、结构光深度相机；4、内置光源；5、刚性框架；6、显示屏；7、激光投影仪；8、彩色相机；9、红外相机；10、有效成像区域。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供了一种基于结构光深度相机的混凝土结合面粗糙度检测方法，包括以下步骤：
S1：数据采集，采用结构光深度相机在稳定的光照环境、垂直的拍摄角度以及适宜的拍摄距离采集结合面图像数据与三维信息数据；其中，拍摄距离与结合面遮挡情况、相机工作距离以及检测精度有关，拍摄距离太近会出现由于结合面遮挡导致或相机工作距离过小导致的数据缺失，太远会影响检测精度，考虑到结合面特征，但拍摄距离大于200mm时，结合面遮挡的影响可以忽略，故适宜的拍摄距离为200mm与相机最小工作距离中的较大值；
S2：数据提取，在结合面图像上选取结合面检测区域，并自动提取出指定结合面检测区域对应的点云数据；
S3：格式变换，将提取出的点云数据转换为n×3的点云矩阵格式，每行表示点云中一个点的三维坐标；
S4：坐标变换，采用PCA方法获取整体点云法向量(即点云深度方向)，从而旋转点云，使其z轴代表深度方向；
S5：三角网格化，将各点投影到xOy平面上，并采用二维Delaunay三角网剖分法建立点云相邻关系，则结合面被表示为一系列三角面的组合；
S6：粗糙度计算，以经过最高点的水平面为投影面，计算每一块三角面的投影面积Si以及三角面与投影面包围的体积Vi，则粗糙度Rc＝∑Vi/∑Si。
作为一种优选的实施方式，所述S1中，所述适宜的拍摄距离为200mm与相机最小工作距离中的较大值。
实施例2
如图1-5所示，本实施例提供了基于实施例1检测方法的一种混凝土结合面粗糙度检测装备，包括：结构光深度相机3、内置光源4、处理模块、为整个装备供电的电池组1和支撑整个装备的刚性框架5，结构光深度相机的采集端和内置光源的输出端位于同一侧；
结构光深度相机，用于采集结合面图像数据以及三维点云数据；
内置光源，用于提供稳定且高质量的光照条件；
刚性框架，用于固定相机的拍摄距离与拍摄角度；
电池组，用于提供电源。
可选的，结构光深度相机采用单目结构光深度相机，包括激光投影仪7、红外相机9和彩色相机8，激光投影仪用于投射结构光，形成有效成像区域10，红外相机用于采集编码光投影图，彩色相机用于采集彩色图；处理模块分别连接内置光源与结构光深度相机。
可选的，内置光源的数量为多个，多个内置光源分别分布在结构光深度相机输出端的两侧，本实施例中，内置光源的数量为两个，分别位于结构光深度相机采集端的两侧。
本实施例中，处理模块包括单片机2和显示屏6，单片机分别连接显示屏、内置光源和结构光深度相机。
单片机，用于数据处理，计算出结合面粗糙度；
显示屏，用于展示检测结果以及进行交互操作。
优选地，混凝土结合面粗糙度检测装备还包括遮光外壳，该遮光外壳位于混凝土结合面粗糙度检测装备的外侧，并在内置光源的输出端形成环境光遮挡面，用于隔绝环境光。
检测装备可以获取特定条件下的结合面图像数据，即检测装备以固定的距离与角度，在稳定的光照条件下，采用结构光深度相机以固定的拍摄参数(如焦距、曝光时间等)实施图像采集，获取质量稳定的结合面图像与三维点云数据，从中可以获取质量稳定且分布均匀的结合面点云数据。
本实施例提供了还提供了基于上述检测装备的操作流程，包括以下步骤：
S1：数据采集，将检测装备放置于待测混凝土结合面上，采用结构光深度相机采集结合面数据(红外图像、彩色图像以及三维点云数据)，将数据输入单片机并在显示屏上显示结合面彩色图像；
S2：数据提取，在彩色图像上选取有效数据的范围，特别地，有效数据的范围可代表边长50～200mm的结合面矩形区域或直径50～200mm的圆形区域。
S3：粗糙度计算，单片机根据S2中确定的数据范围提取有效数据，并变换三维点云数据格式，最终计算出粗糙度并显示于显示屏上。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于结构光深度相机的混凝土结合面粗糙度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
数据采集步骤：采用结构光相机在稳定的光照环境、垂直的拍摄角度以及适宜的拍摄距离采集结合面图像数据以及三维点云数据，所述适宜的拍摄距离的选取范围由预先确定；
数据提取步骤：在结合面图像上选取结合面检测区域，并提取出指定结合面检测区域对应的点云数据；
格式变换步骤：将提取出的点云数据转换为n×3的点云矩阵格式，每行表示点云中一个点的三维坐标；
坐标变换步骤：采用PCA方法获取整体点云法向量，该整体点云法向量的方向为点云深度方向，从而旋转点云，使其z轴代表深度方向；
三角网格化步骤：将各点投影到xOy平面上，并采用二维Delaunay三角网剖分法建立点云相邻关系，将结合面表示为一系列三角面的组合；
粗糙度计算步骤：以经过最高点的水平面为投影面，计算每一块三角面的投影面积Si以及三角面与投影面包围的体积Vi，则粗糙度Rc＝∑Vi/∑Si。
2.根据权利要求1所述的一种基于结构光深度相机的混凝土结合面粗糙度检测方法，其特征在于，所述适宜的拍摄距离为：200mm与相机最小工作距离中的较大值。
3.根据权利要求1所述的一种基于结构光深度相机的混凝土结合面粗糙度检测方法，其特征在于，所述结构光深度相机封装在混凝土结合面粗糙度检测装备内，所述混凝土结合面粗糙度检测装备还包括内置光源、处理模块、为整个装备供电的电池组和支撑整个装备的刚性框架，所述结构光深度相机的输出端和所述内置光源的输出端位于同一侧。
4.根据权利要求3所述的一种基于结构光深度相机的混凝土结合面粗糙度检测方法，其特征在于，根据结构光深度相机适宜的拍摄距离与垂直的拍摄角度设置所述刚性框架，所述适宜的拍摄距离使得所述结构光深度相机获取单点误差小于0.5mm且每平方毫米至少2个数据点的点云数据。
5.根据权利要求3所述的一种基于结构光深度相机的混凝土结合面粗糙度检测方法，其特征在于，所述内置光源的数量为多个，多个内置光源分别分布在所述结构光深度相机输出端的两侧。
6.根据权利要求3所述的一种基于结构光深度相机的混凝土结合面粗糙度检测方法，其特征在于，所述处理模块包括单片机和显示屏，所述单片机分别连接所述显示屏、内置光源以及结构光深度相机。
7.根据权利要求3所述的一种基于结构光深度相机的混凝土结合面粗糙度检测方法，其特征在于，所述混凝土结合面粗糙度检测装备还包括遮光外壳，该遮光外壳位于所述混凝土结合面粗糙度检测装备的外侧，并在所述内置光源的输出端形成环境光遮挡面，用于隔绝环境光。
8.根据权利要求3所述的基于结构光深度相机的混凝土结合面粗糙度检测方法，其特征在于，所述内置光源采用固定的输出配置。
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