一种地铁隧道外观检测方法技术

本发明专利技术公开了一种地铁隧道外观检测方法，使用地铁轨道图像数据采集平台按一定速度沿着地铁的行进路径对地铁结构全断面表面进行高清图像采集；对每个断面采集的高清图像横向放置，按一定速度行走、一定数量站点采集的图像纵向放置，由此形成了图像矩阵，将图像矩阵进行纵、横向拼接，形成一张完整的、全断面的地铁高清图；接着将地铁管片CAD矢量图对拼接后图像进行矫正，得到带有位置坐标的漫游图；然后在漫游图上标记裂缝和渗透等缺陷，最后自动计算缺陷大小和位置，自动分类和统计。本发明专利技术可以得到地铁隧道表面的所有表观缺陷信息，观测到表面上亚毫米级的渗水、裂纹、侵蚀、泄漏、剥落、错台等缺陷信息，为地铁隧道的电子化管养和维护提供科学、全面的数据。

【技术实现步骤摘要】
一种地铁隧道外观检测方法
本专利技术涉及地铁隧道外观检测方法。
技术介绍
城市地铁隧道结构所处环境敏感、复杂，易受地铁列车运行振动影响，以及衬砌结构的连接处及其自身的施工缺陷，地铁隧道结构不可避免出现渗漏水、裂缝、错台、破损、大变形等各种病害，从而影响结构的性能与安全状态。为了全面和及时掌握隧道结构的安全状态，就需要对其进行观测、检测和监测。目前地铁隧道结构病害的检测基本都采用人工巡检方法，存在检测劳动量大，主观性较大等问题，检测效率低，精度差，难以保证检测结果的完整性和准确性，更不能记录和分析病害的时间演化规律，无法适应逐渐扩大的地铁隧道结构安全检测的需求。因此亟需一种自动化、扫描式、数据化、图像化的自动检测设备来综合完成地铁隧道的全断面的外观检测设备和方法，高效、全面得解决隧道安全检测难题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种地铁隧道外观检测方法，通过图像处理技术得到地铁隧道全景高清图和图像几何信息，得到地铁隧道表面的所有表观缺陷信息。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种地铁隧道外观检测方法，包括以下步骤：1)根据地铁隧道检测精度要求γ、相机宽度方向分辨率dpi，相机镜头中心线到达隧道圆弧面的距离d，相机传感器感光片的长度SSL，计算出相机最小焦距f；2)由镜头焦距f、相机传感器长度和宽度分别为SSL和SSH、隧道半径r，相机到隧道面的垂直距离d，计算出每台相机覆盖的隧道圆弧面的角度β和行走方向宽度S；3)根据图像重叠率ol、单个相机覆盖的角度β和行走方向宽度S，需要检测的范围θ，快门间隔时间t，确定相机数量n2和图像采集平台的行驶速度v；4)将n2个相机一次同时拍摄的图像作为一行图像，单个相机按照不同时间间隔拍摄形成一列图像，形成矩阵图像，即M(n1,n2)；5)对矩阵图像的n1×n2张图像进行拼接处理；6)通过坐标变换将拼接处理后的图像中的每个像素变换到CAD坐标系中对应的坐标位置，使得拼接处理后的图像变成具备几何坐标和尺寸信息的图像文件，完成图像配准；7)利用配准后的图像标记和量测地铁隧道外观的缺陷。相机数量图像采集平台的行驶速度步骤5)的具体实现过程包括：1)根据采集平台路径点顺序，对待拼接图像Ic之间的拼接顺序进行预排序，其中c表示待拼接图像的数量；2)采用SURF特点检测算法，查找待拼接图像特征点；3)选取待拼接的相邻图像Ii，Ij，采用RANSAC算法结合待拼接图像之间的几何信息进行特征点提纯，得到初始匹配对；4)从初始匹配对中通过多次迭代随机选取k个特征点匹配对，k≥4；对待拼接图像进行粗配准，并利用公式v2＝Hv1估算投影变换矩阵H，其中v1＝(x1,y1,z1)，v2＝(x2,y2,z2)为对应的特征点，令z＝1，通过v1，v2之间的齐次线性变换关系，求得H中元素Hi,j的值，H是一个3×3的齐次矩阵；5)采用结构保持变形算法，对粗配准后的图像进行变形，得到Ii'，Ij'；6)采用Graphcut算法，查找Ii'，Ij'重叠区域的最佳缝合缝；7)利用公式计算重叠区域中的特征点到缝合缝上像素点的距离，作为配准误差，其中vf表示随机选取的特征点，m表示vf的数量，vs表示缝合缝上像素点，n表示vs的数量；8)重复步骤3)～步骤7)，计算所有可能的图像配准关系，将配准误差E(v)＜δ的特征点对保留下来，对所有保留下来的特征点对合并，以此计算最终的图像配准关系，作为图像对Ii，Ij的最佳配准关系；9)重复步骤8)，计算所有相邻图像对之间的最佳配准关系；10)采用光速法平差算法，对所有的图像配准关系进行优化；11)采用Graphcut算法，查找步骤10)中最终配准后图像Ic之间重叠区域的最佳缝合缝；12)采用多波段融合技术实现图像Ic的无缝融合拼接。步骤6)的实现过程包括：1)对拼接后的图像进行灰度化、均衡化和二值化处理，获取图像中结构物的边界位置信息；2)将图像中结构物边界坐标与CAD图中结构物边界坐标一一对应，通过双线性变化，为图像中每个像素确定正确的坐标位置(x,y)，双线映射关系如下：3)求出上述双线映射关系式中的系数，实现每个像素的坐标与实际CAD图纸坐标一一对应，完成图像与CAD图纸配准。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术不仅可以得到地铁隧道表面的所有表观缺陷信息，观测到表面上亚毫米级的渗水、裂纹、侵蚀、泄漏、剥落、错台等缺陷信息，满足实际工程的需求；还可以获得地铁隧道的表面缺陷宏观和微观的演变趋势，并建立地铁隧道健康电子档案系统。附图说明图1是本专利技术提供的地铁隧道外观检测系统的流程图；图2和图3是本专利技术提供的地铁隧道图像采集平台；图4是相机摆放和LED灯光；101为采集平台，102单次图像采集范围，103地铁轨道；201是高清相机，202的相机托盘，203是可升降杆，204是拥有计步功能的滑轮，206是LED环形照明灯图5为相机布置和拍摄区域图；207为单个相机拍摄区域，208是横向重叠区域，209为纵向重叠区域；图6为地铁隧道图像拼接展开图即图像分块矩阵。图7为拼接算法过程图；图8为配准过程图。具体实施方式本专利技术包括地铁轨道数据采集平台、图像拼接处理、图像配准处理和缺陷数据库。具体是指使用地铁轨道图像数据采集平台按一定速度沿着地铁的行进路径对地铁结构全断面表面进行高清图像采集；对每个断面采集的高清图像横向放置，按一定速度行走、一定数量站点采集的图像纵向放置，由此形成了图像矩阵，将图像矩阵进行纵、横向拼接，形成一张完整的、全断面的地铁高清图；接着将地铁管片CAD矢量图对拼接后图像进行矫正，得到带有位置坐标的漫游图；然后在漫游图上标记裂缝和渗透等缺陷，最后自动计算缺陷大小和位置，自动分类和统计。(1)地铁隧道图像采集平台101，地铁隧道采集平台包括了图像采集平台101，多台高清相机201，相机托盘202，可升降杆203，计步功能的滑轮204，电池托架205，LED环形照明灯206。实施过程如下：为满足检测精度要求，检测精度要求γ(0.1mm＜γ＜0.2mm)，相机宽度方向分辨率dpi，相机焦距f，必须满足：首先根据地铁隧道检测精度要求γ、相机宽度方向分辨率dpi，相机镜头中心线到达隧道圆弧面的距离d，相机传感器感光片的长度SSL，计算出相机最小焦距f。再由镜头焦距f、传感器尺寸SSL和SSH、隧道半径r，相机到隧道面的垂直距离d，计算出每台相机覆盖的隧道圆弧面的角度β和行走方向宽度S再根据图像重叠率ol(≥20％,≤30％)、单个相机覆盖的角度β和行走方向宽度S，需要检测范围θ，快门间隔时间t，确定相机数量n2和图像采集平台的行驶速度v。以上步骤确定了平台参数及运行速度。平台采集时，首先按照图3和图4安放好n2台相机201、LED照明灯206、计步轮204，在电池平台205上放置电池并给圆盘202上所有相机201、LED照明灯，记步轮204等供电；调节升降杆203使得圆盘中心与地铁隧道中心相同，相差小于100mm以内；可电动也可以手推方式，按照行驶速度v，推动图像采集平台运行，每个站点单个相机的拍摄区域为图5的206所示，其中207为横向重叠区域，多台相机将要检测断面覆盖。环形LED照明灯206打开，推动图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地铁隧道外观检测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据地铁隧道检测精度要求γ、相机宽度方向分辨率dpi，相机镜头中心线到达隧道圆弧面的距离d，相机传感器感光片的长度SSL，计算出相机最小焦距f；2)由镜头焦距f、相机传感器长度和宽度分别为SSL和SSH、隧道半径r，相机到隧道面的垂直距离d，计算出每台相机覆盖的隧道圆弧面的角度β和行走方向宽度S；3)根据图像重叠率ol、单个相机覆盖的角度β和行走方向宽度S，需要检测的范围θ，快门间隔时间t，确定相机数量n2和图像采集平台的行驶速度v；4)将n2个相机一次同时拍摄的图像作为一行图像，单个相机按照不同时间间隔拍摄形成一列图像，形成矩阵图像，即M(n1,n2)；5)对矩阵图像的n1×n2张图像进行拼接处理；6)通过坐标变换将拼接处理后的图像中的每个像素变换到CAD坐标系中对应的坐标位置，使得拼接处理后的图像变成具备几何坐标和尺寸信息的图像文件，完成图像配准；7)利用配准后的图像标记和量测地铁隧道外观的缺陷。

【技术特征摘要】
1.一种地铁隧道外观检测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据地铁隧道检测精度要求γ、相机宽度方向分辨率dpi，相机镜头中心线到达隧道圆弧面的距离d，相机传感器感光片的长度SSL，计算出相机最小焦距f；2)由镜头焦距f、相机传感器长度和宽度分别为SSL和SSH、隧道半径r，相机到隧道面的垂直距离d，计算出每台相机覆盖的隧道圆弧面的角度β和行走方向宽度S；3)根据图像重叠率ol、单个相机覆盖的角度β和行走方向宽度S，需要检测的范围θ，快门间隔时间t，确定相机数量n2和图像采集平台的行驶速度v；4)将n2个相机一次同时拍摄的图像作为一行图像，单个相机按照不同时间间隔拍摄形成一列图像，形成矩阵图像，即M(n1,n2)；5)对矩阵图像的n1×n2张图像进行拼接处理；6)通过坐标变换将拼接处理后的图像中的每个像素变换到CAD坐标系中对应的坐标位置，使得拼接处理后的图像变成具备几何坐标和尺寸信息的图像文件，完成图像配准；7)利用配准后的图像标记和量测地铁隧道外观的缺陷。2.根据权利要求1所述的地铁隧道外观检测方法，其特征在于，相机数量3.根据权利要求1所述的地铁隧道外观检测方法，其特征在于，图像采集平台的行驶速度4.根据权利要求1所述的地铁隧道外观检测方法，其特征在于，步骤5)的具体实现过程包括：1)根据采集平台行走方向以及相机排列顺序，对待拼接图像Ic之间的拼接顺序进行预排序，其中c表示待拼接图像的数量；2)采用SURF特征点检测算法，查找图像特征点；3)选取待配准的相邻图像Ii，Ij，采用RANSAC算法结合图像之间的几何信息进行特征点提纯，得到初始匹配对；4)从初始匹配对中通过多次迭代随机选取k个特征点匹配对，...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢海波，王培玉，刘晏玲，
申请(专利权)人：湖南拓达结构监测技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43