基于视觉测量的变形监测方法技术

本发明专利技术提供了一种基于视觉测量的变形监测方法，属于变形监测技术领域，包括以下步骤：设计变形监测的标志板，标志板为白色的底板和设置在底板上的四个黑色的圆片，圆片的边界不能相切或相交或重合，两个圆片的圆心连线为第一连线，剩余两个圆片的圆心连线为第二连线，第一连线和第二连线垂直相交；建立不同分辨率的特征轮廓模型；采集不同时间点的后续图像，精确提取后续图像上椭圆的中心坐标，即为标志点的坐标；计算标志点在后续图像中的位移，并对计算得到的位移进行校正处理，得到标志点的实际位移。该基于视觉测量的变形监测方法，操作简单、自动化程度高、成本低、精度高、数据处理简单、效率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及变形监测
，特别地，涉及一种基于视觉测量的变形监测方法。
技术介绍
变形监测是使用专业的测量仪器与配套仪器对变形体的形状、大小及位置变化进行持续地观测，其对测量精度和可靠性要求非常高。目前常用的大地测量变形监测技术主要有全站仪、GNSS、水准测量等，这些技术具有精度高的优点，但成本较高；位移传感器等变形监测仪器需要在监测结构体上进行安装，施工难度较大。视觉测量是一种非接触式测量方法，具有简便低廉的优点。随着数码相机技术的发展，普通数码相机的成像质量越来越好，为利用视觉测量技术进行精密测量提供了基础。目前，利用视觉测量进行变形监测主要有两种方式：一种是针对变形体的三维重建技术，该方式具有简便灵活、可以反映目标的整体形态及三维变形趋势等优点，是目前视觉变形监测的主要方式之一，但是当变形目标表面纹理简单、拍摄距离较远、拍摄角度过小时，三维重建精度会受到特征点数量不足、光线交会误差过大等因素影响；当变形目标范围较大或无稳定参考点时，三维重建也难以提供合理、可靠的变形监测成果。另一种是针对监测目标的视觉跟踪技术，常用于二维位移监测，根据观测条件及数据处理技术的不同，又可分为室内与室外测量两类；其中室内测量由于受光照、空气湿度等的影响，如隧道、矿井等环境，因此更加注重对图像的精细化处理，但是监测距离普遍较短，无法应用在大范围、远距离的变形监测中，因此常用于工业测量；室外测量主要针对大坝、桥梁和建筑物等变形体，需采用长焦镜头等设备，目前室外测量研究主要集中在高动态测量，例如利用笔记本电脑、摄像机、长焦镜头等设备，对大桥进行实时二维位移变形监测；利用摄像机对高层建筑的倾斜度进行实时监测等，都取得了较好的实验结果，但是这些应用的监测距离都没有超过20m，而且监测时间较短，忽视了长时间监测时环境以及相机等设备对测量精度的影响；同时监测点的识别完全基于标志点灰度与几何信息，而标志点成像范围太小会增加识别错误率，这也间接地限制了监测距离和监测范围。随着近年来图像追踪技术的发展，目标追踪与识别的可靠性和精度得到很大改善，这有望改变现有追踪法测量技术的缺陷。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种操作简单、自动化程度高、成本低、精度高、数据处理简单、效率高的基于视觉测量的变形检测方法。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于视觉测量的变形监测方法，包括以下步骤：(1)设计变形监测的标志板，所述标志板包括底板和设置在所述底板上的圆片，所述底板的颜色与圆片的颜色互为反差色，所述圆片的数量为4个，所述圆片的边界不能相切或相交或重合，其中，两个所述圆片的圆心连线为第一连线，剩余两个所述圆片的圆心连线为第二连线，所述第一连线和第二连线垂直相交；(2)将步骤(1)中所述标志板固定在变形监测的待测物上，使所述第一连线处于水平方向，用相机采集所述标志板的初始图像，将所述初始图像定义为参考模板，用计算机从所述参考模板中提取标志板的特征轮廓，所述标志板上圆片的特征轮廓为椭圆形，并建立不同分辨率的特征轮廓模型；(3)采集不同时间点的后续图像，精确提取所述后续图像上椭圆的中心坐标，即为标志点的坐标；精确提取标志点坐标的具体步骤为：S1.将所述后续图像与所述步骤(2)中建立的特征轮廓模型相匹配，得到所述标志板的ROI并提取出来；S2.利用各向异性扩散对ROI进行滤波；S3.利用Canny边缘检测算子检测ROI的边缘；S4.排除干扰，提取ROI的边缘坐标；S5.将所述ROI边缘坐标代入椭圆的曲线拟合公式，计算得到椭圆的中心坐标。(4)根据步骤(3)中所述标志点的坐标在后续图像中的变化，计算标志点在后续图像中的位移，并对计算得到的位移进行校正处理，得到标志点的实际位移。优选地，所述步骤(1)中第一连线与第二连线的长度相等。优选地，所述底板的颜色为白色，所述圆片的颜色为黑色。优选地，所述步骤S4中排除干扰具体为：A1.剔除非闭合环，所述非闭合环为边缘点集合的首尾像素点的距离超过1.5个像素的环；A2.剔除非椭圆形的闭合环，所述非椭圆形的闭合环是指闭合区域的形状因子大于椭圆的形状因子的闭合环。优选地，所述步骤(4)中，分别以所述初始图像和后续图像的左上角为坐标原点绘制坐标系，将所述后续图像的标志点的坐标与初始图像的标志点坐标求差，分别得到标志点在竖直方向和在水平方向的向量；分别计算所述第一连线和第二连线在标志板上的长度与在后续图像上的长度的比值，计算标志点变换矩阵，最后计算校正后的标志点位移，即可得到标志点的实际位移。优选地，所述标志点的实际位移计算公式为：其中，SFX＝LX/Sx，SFY＝LY/Sy，LX和LY分别表示所述第一连线和第二连线在标志板上的长度，Sx和Sy分别表示第一连线、第二连线在后续图像上的长度；所述标志点在竖直方向的向量为y＝[x2y2]T，水平方向的向量为x＝[x1y1]T；标志点的变换矩阵为其中，优选地，所述后续图像的采集方式为：用照相机在1s～2s内连续采集3张～8张标志板的图像，分别精确提取每张图像中标志点的坐标，通过求平均值的方式获取此时间点的最终标志点坐标。优选地，当照相机的视场范围内有静止不动的区域时，利用图像对齐技术对照相机的位姿偏移进行校正。优选地，当照相机的视场范围内缺乏静止不动的区域时，采用建造观测墩、加固相机机身与镜头、使用电子快门线、定焦镜头、拍照时使用反光板预升模式的方法，减少照相机的位姿偏移。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的基于视觉测量的变形检测方法，以大范围、远距离的监测环境应用为目标，利用图像获取设备获取标志板的图像数据，以计算机视觉理论为基础，设计监测标志点，对图像数据进行处理，最终提取标志点的高精度坐标，对所监测标志点的位移进行实时探测与计算，同时针对视觉测量中的一些主要误差进行了有效地校正，该基于视觉测量的变形监测方法具有如下优点：(1)本专利技术的基于视觉测量的变形检测方法，操作简单、自动化程度高，标志板设计合理，将标志板和图像获取设备分别固定在相应的位置，之后不再需要人为干预，自动识别标志点并计算位移；(2)本专利技术的基于视觉测量的变形检测方法，成本低，当监测距离在200m以内时，相比其它监测仪器成本降低；(3)本专利技术的基于视觉测量的变形检测方法，测量精度高，能够精确地提取标志点的坐标，进而计算标志点的位移，监测精度能够达到毫米级别；(4)本专利技术的基于视觉测量的变形检测方法，数据均通过计算机进行处理，处理简单、效率高，数据获取与处理同步，具有实时性。进一步地，步骤(1)中第一连线与第二连线的长度相等，使标志点的位移计算精度更高。进一步地，分别得到标志点在竖直方向和在水平方向的向量；分别计算所述第一连线和第二连线在标志板上的长度与在后续图像上的长度的比值，计算标志点变换矩阵，最后计算校正后的标志点位移，即可得到标志点的实际位移，解决了空间目标到像平面的投影将不可避免地发生畸变，使图像上标志点的位移与实际位移产生偏差的问题，从而反映真实的位移数据。进一步地，在同一时间点，用照相机在1s～2s内连续采集3张～8张标志板的图像，分别精确提取每张图像中标志点的坐标，通过求平均值的方式获取此时间点的最终标志点坐标，有效地削弱了气象条件改变引起的误差，提高了位移的探测精度。进一步地本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于视觉测量的变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设计变形监测的标志板，所述标志板包括底板和设置在所述底板上的圆片，所述底板的颜色与圆片的颜色互为反差色，所述圆片的数量为4个，所述圆片的边界不能相切或相交或重合，其中，两个所述圆片的圆心连线为第一连线，剩余两个所述圆片的圆心连线为第二连线，所述第一连线和第二连线垂直相交；(2)将步骤(1)中所述标志板固定在变形监测的待测物上，使所述第一连线处于水平方向，用相机采集所述标志板的初始图像，将所述初始图像定义为参考模板，用计算机从所述参考模板中提取标志板的特征轮廓，所述标志板上圆片的特征轮廓为椭圆形，并建立不同分辨率的特征轮廓模型；(3)采集不同时间点的后续图像，精确提取所述后续图像上椭圆的中心坐标，即为标志点的坐标；精确提取标志点坐标的具体步骤为：S1.将所述后续图像与所述步骤(2)中建立的特征轮廓模型相匹配，得到所述标志板的ROI并提取出来；S2.利用各向异性扩散对ROI进行滤波；S3.利用Canny边缘检测算子检测ROI的边缘；S4.排除干扰，提取ROI的边缘坐标；S5.将所述ROI边缘坐标代入椭圆的曲线拟合公式，计算得到椭圆的中心坐标；(4)根据步骤(3)中所述标志点的坐标在后续图像中的变化，计算标志点在后续图像中的位移，并对计算得到的位移进行校正处理，得到标志点的实际位移。...

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉测量的变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设计变形监测的标志板，所述标志板包括底板和设置在所述底板上的圆片，所述底板的颜色与圆片的颜色互为反差色，所述圆片的数量为4个，所述圆片的边界不能相切或相交或重合，其中，两个所述圆片的圆心连线为第一连线，剩余两个所述圆片的圆心连线为第二连线，所述第一连线和第二连线垂直相交；(2)将步骤(1)中所述标志板固定在变形监测的待测物上，使所述第一连线处于水平方向，用相机采集所述标志板的初始图像，将所述初始图像定义为参考模板，用计算机从所述参考模板中提取标志板的特征轮廓，所述标志板上圆片的特征轮廓为椭圆形，并建立不同分辨率的特征轮廓模型；(3)采集不同时间点的后续图像，精确提取所述后续图像上椭圆的中心坐标，即为标志点的坐标；精确提取标志点坐标的具体步骤为：S1.将所述后续图像与所述步骤(2)中建立的特征轮廓模型相匹配，得到所述标志板的ROI并提取出来；S2.利用各向异性扩散对ROI进行滤波；S3.利用Canny边缘检测算子检测ROI的边缘；S4.排除干扰，提取ROI的边缘坐标；S5.将所述ROI边缘坐标代入椭圆的曲线拟合公式，计算得到椭圆的中心坐标；(4)根据步骤(3)中所述标志点的坐标在后续图像中的变化，计算标志点在后续图像中的位移，并对计算得到的位移进行校正处理，得到标志点的实际位移。2.根据权利要求1所述的基于视觉测量的变形监测方法，其特征在于，所述步骤(1)中第一连线与第二连线的长度相等。3.根据权利要求1所述的基于视觉测量的变形监测方法，其特征在于，所述底板的颜色为白色，所述圆片的颜色为黑色。4.根据权利要求1～3中任一项所述的基于视觉测量的变形监测方法，其特征在于，所述步骤S4中排除干扰具体为：A1.剔除非闭合环，所述非闭合环为边缘点集合的首尾像素点的距离超过1....

【专利技术属性】
技术研发人员：邢磊，戴吾蛟，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43