一种双视角视觉位移测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种双视角视觉位移测量系统，包括底座、滑动轨道、夹具、相机、分光棱镜、凸透镜、光掩膜、90

【技术实现步骤摘要】
一种双视角视觉位移测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及视觉位移测量
，具体涉及一种双视角视觉位移测量系统及方法。

技术介绍

[0002]工程结构的健康监测是预防设施老化和结构灾难性故障的必要手段，其中，长期位移形变测量能够有效反映工程结构的健康状况随时间的变化，因此是工程结构日常维护和故障评估的主要内容之一。目前在长期位移测量中广泛使用的传感器主要有线性可变差动变压器(LVDT)、全球导航卫星系统(GNSS)等接触式传感器，以及基于激光技术和计算机视觉技术的非接触式位移传感器等。接触式的测量方式和繁琐的安装过程限制了LVDT 和GNSS在结构位移监测中的应用。LVDT需要被安装在稳固不动的平台上，但大部分情况下很难在高速铁路或公路桥梁等大型结构上找到稳固的安装平台；对GNSS来说，最大的挑战是其难以有效获取结构的高动态响应，以高速铁路桥梁的振动监测为例，GNSS很难在采样率高达200Hz时仍然保证毫米级的位移测量精度。激光位移传感器[6]是一种高精度的非接触式传感器，与LVDT一样，激光位移传感器也需要被安装在稳固的平台上，此外激光位移传感器在长期位移测量时的移动和激光束漂移也会对其精度造成较大影响。基于计算机视觉技术的位移测量具有数据采集速度快、灵敏度高、使用简单等优势，近年来在工程结构的位移测量应用中表现出了巨大的潜力，为高精度、非接触式的结构位移监测提供了一种经济、高效的替代方案。
[0003]视觉位移测量方法假设相机稳定不变、图像传感器不受温度影响，进而以图像序列的第一帧为参考，在后续帧上计算工程结构相对第一帧的位移(变形)。然而在工程结构的长期位移监测应用中，始终保持相机稳固(不存在相机运动)、以及避免传感器不受温度变化的影响都是不切实际的，例如，相机自重、风力作用、系统结构的热膨胀均会导致相机发生不必要的移动，相机的图像传感器受温度影响也会导致图像变形，而视觉测量系统的这些不稳定性会导致不可容忍的位移测量误差。
[0004]针对上述问题，目前已有大量学者开展了相关研究。针对相机自重、风力作用和结构热膨胀导致的相机运动问题，目前主要有两类方法：
[0005]①
借助图像背景补偿相机运动。在图像的背景中寻找稳固不动的特征物体作为相机运动校正的参照物，一般为图像背景中的建筑物、山体、或桥梁的桥墩，该方法具有简单易用的优势；但是该方法不能确保图像背景中的参照物稳固不变，其次由于参照物和监测靶标与相机之间的距离不一致，导致了该方法无法补偿相机的旋转运动；
[0006]②
使用辅助传感器补偿相机运动。利用辅助传感器单独测量相机的运动，例如使用一台与主相机固连在一起副相机，拍摄一块稳定的区域或参照物，当检测到副相机拍摄的图像上的参照物发生变化时，认为该变化是由相机的运动导致的，进而实现对主相机运动的校正；又例如使用全站仪测量相机的视线方向，进而对相机运动进行改正。该类方法能够同时补偿相机的平移运动和旋转运动。但是传感器之间相对位姿的计算精度、以及数据
的同步采集等问题仍然会制约视觉系统的有效性。
[0007]针对图像传感器受温度变化导致图像变形的问题，目前主要由两类方法：
[0008]③
构建系统温度与位移测量误差之间的函数关系。在系统测量过程中，实时测量系统中图像传感器、支撑结构的温度，从而构建系统温度与位移测量误差之间的函数关系模型，并利用该模型改正位移测量误差；但是该类型的研究目前还不能得到令人信服的结论，相机运动、不同的传感器型号、不同的镜头型号、以及位移计算误差均会导致实验结果与预期出现较大偏差；
[0009]④
构建温度补偿模型。分析系统温度变化引起的图像变形的变化趋势与变化量，并尝试构建补偿模型。但是到目前为止，针对该类型方法的研究进展缓慢，现有的文献还远远不足以全面了解温度对视觉测量的影响。
[0010]综上所述，急需一种双视角视觉位移测量系统及方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

[0011]本专利技术目的在于提供一种双视角视觉位移测量系统及方法，以快速、精确和全面地校正视觉位移测量系统的不稳定性误差。
[0012]为实现上述目的，本专利技术提供了一种双视角视觉位移测量系统，包括底座、滑动轨道、夹具、相机、分光棱镜、凸透镜、光掩膜、90
°
折光棱镜、光源和靶标；滑动轨道竖直安装在底座上，夹具能在滑动轨道上滑动；夹具设有三个，从上往下三个夹具分别用于夹持相机、分光棱镜和凸透镜；90
°
折光棱镜放置于底座上，光掩膜放置于90
°
折光棱镜的上表面；光源设置在底座上，光源发出的水平光线经90
°
折光棱镜的反射后，投射至光掩膜上；靶标粘贴在待测目标的表面，用于辅助系统估计待测目标的位移；相机、分光棱镜、凸透镜和光掩膜设置在一条竖直轴线上。
[0013]进一步地，所述夹具包括夹头和夹持座；夹头和夹持座滑动连接；夹头分别用于夹持相机、分光棱镜或凸透镜；夹头上设有第一调节旋钮，用于调节夹头在夹持座上的位置；夹持座与滑动轨道可滑动连接，夹持座上设有第二调节旋钮，用于调节夹持座在滑动轨道上的位置。
[0014]进一步地，所述光掩膜上规则排列有多个针孔，光线透过针孔之后将在图像传感器上形成光斑，光斑位于图像的边缘。
[0015]进一步地，光掩膜到凸透镜的距离等于凸透镜的焦距。
[0016]进一步地，光掩膜、相机和凸透镜之间的位置关系以及尺寸参数，根据凸透镜的平行光路视觉成像公式确定，平行光路视觉成像公式为：
[0017]M
L
＝b
′
/b＝f
C
/f
L
[0018]其中，M
L
为光掩膜成像在图像传感器上时的放大倍率，b
′
为光掩膜成像在图像传感器上的图像尺寸，b为光掩膜的实际尺寸，f
C
为相机镜头的焦距，f
L
为凸透镜的焦距。
[0019]本专利技术还提供了一种双视角视觉位移测量方法，采用上述一种双视角视觉位移测量系统，测量方法包括以下步骤：
[0020]步骤一：使用图像阈值分割和光斑质心对图像上的光斑进行定位，并借助光斑坐标计算从后续帧到参考帧的单应矩阵；
[0021]步骤二：在参考帧和后续帧图像上对靶标的图像坐标进行定位；
[0022]步骤三：将靶标在后续帧上的图像坐标进行单应变换，得到系统不稳定性误差校正之后的靶标图像坐标；
[0023]步骤四：借助尺度因子将得到的靶标像素位移转换为物理位移，得到位移结果。
[0024]进一步地，所述尺度因子通过比较被测靶标的物理尺寸和图像平面上的像素尺寸来计算。
[0025]应用本专利技术的技术方案，具有以下有益效果：
[0026](1)本专利技术提出的视觉测量系统可同时校正相机运动(包括相机旋转和平移)和图像传感器受温度变化引起的位移测量误差，从而大幅提高了测量精度，使本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双视角视觉位移测量系统，其特征在于，包括底座、滑动轨道、夹具、相机、分光棱镜、凸透镜、光掩膜、90
°
折光棱镜、光源和靶标；滑动轨道竖直安装在底座上，夹具能在滑动轨道上滑动；夹具设有三个，从上往下三个夹具分别用于夹持相机、分光棱镜和凸透镜；90
°
折光棱镜放置于底座上，光掩膜放置于90
°
折光棱镜的上表面；光源设置在底座上，光源发出的水平光线经90
°
折光棱镜的反射后，投射至光掩膜上；靶标粘贴在待测目标的表面，用于辅助系统估计待测目标的位移；相机、分光棱镜、凸透镜和光掩膜设置在一条竖直轴线上。2.根据权利要求1所述的一种双视角视觉位移测量系统，其特征在于，所述夹具包括夹头和夹持座；夹头和夹持座滑动连接；夹头分别用于夹持相机、分光棱镜或凸透镜；夹头上设有第一调节旋钮，用于调节夹头在夹持座上的位置；夹持座与滑动轨道可滑动连接，夹持座上设有第二调节旋钮，用于调节夹持座在滑动轨道上的位置。3.根据权利要求2所述的一种双视角视觉位移测量系统，其特征在于，所述光掩膜上规则排列有多个针孔，光线透过针孔之后将在图像传感器上形成光斑，光斑位于图像的边缘。4.根据权利要求3所述的一种双视角视觉位移测量系统，其特征在于，光掩膜到凸透镜的距离等于凸透镜的焦距。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：余志武，戴吾蛟，邢磊，张云生，
申请(专利权)人：高速铁路建造技术国家工程实验室，
类型：发明
国别省市：