一种水下振动台防水膜高速视频测量动态监测方法技术

本发明专利技术涉及一种水下振动台防水膜高速视频测量动态监测方法，该方法包括以下步骤：步骤1，建立水下高速成像系统，获取水下防水膜的三维形态变化；步骤2，采用基于标准参数补偿的水下相机标定方法，获取水下的相机内方位参数和镜头畸变参数；步骤3，水下目标识别与跟踪，采用椭圆特征识别算法和椭圆拟合算法，提取出人工目标点的序列影像坐标；步骤4，水下目标三维重建，通过光束平差法或相对绝对定向法计算目标点的三维序列坐标，并通过时序分析计算位移参数。与现有技术相比，本发明专利技术具有精度高、实时性强、可靠性高等优点。可靠性高等优点。可靠性高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种水下振动台防水膜高速视频测量动态监测方法


[0001]本专利技术涉及水下振动台防水膜动态监测领域，尤其是涉及一种水下振动台防水膜高速视频测量动态监测方法。

技术介绍

[0002]伴随着大规模的海洋开发利用工程活动，水下目标结构精密三维测量是当前视频摄影测量的前沿研究问题。以水下结构健康监测实验为例，在水下振动台上模拟地震情景，通过遭遇不同水准的地震作用来量测结构物在水环境中的形变过程，进而验证结构物的设计是否合理。在模拟的测试实验中，为了探究结构物的极限承载力和结构
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水耦合作用产生的形变，需要时刻了解结构物的损伤破坏程度及其变形情况。为此需要在复杂水环境下采用特殊的光学测量仪器和相应的分析计算方法来获取其瞬态形变等力学参数。
[0003]传统工程解决方案以接触式测量手段为主，将位移计、加速度计、应变片等接触式传感器固定在测量目标对象表面以获取位移、加速度、应变等信息，这类方法存在量程有限、测量区域小、安装费时费力、增加模型质量、单一维度监测、需稳定的安装平台等缺陷。随着科学技术的发展，工程上开始采用以高速相机和激光传感器为代表的非接触式传感器，对目标对象进行快速乃至实时的密集测量。相对而言，激光技术存在测点单一、价格昂贵、采集频率低等缺陷。高速相机能够详细记录高速运动物体的变化状态，然后通过摄影测量解析方法精确地测量目标特征点的三维空间坐标变化及其三维形变，为后续的变形分析、振动分析、运动分析等研究提供基础。
[0004]在水环境中，针对振动台上处于高速运动状态的工程试验对象，精确测量其状态及关键参数是振动台工程实验获取实验数据的关键环节，但针对于水下结构形变监测的高精度光学测量理论方法并不完善，实际应用中仍然存在若干尚未解决的难题。
[0005]对于水下相机的标定是一个很重要的环节。水下相机标定是为了获取水中状态下的相机内方位元素和镜头畸变参数。基于折射几何改正的水下相机标定方法是一种比较复杂的算法，该方法需严格地解析光路的传播路径，因而它需要较为精准和严苛的光学参数，包括各介质折射率、介质面位置、透视中心与介质面距离等参数；基于透视中心漂移的标定方法同样是探究光学传播路径的一种解析算法，该方法通过透视中心的移动来消除多介质成像中的几何误差，该解析方法同样需要求解标准相机标定参数、介质折射率、透视中心与介质面距离、光轴倾斜率等参数。在非线性最优化解析计算中，这两种标定方法皆需要各参数的初始值，且计算流程复杂低效。在实际的水下结构精密测量中，基于折射几何改正的相机标定方法和基于透视中心漂移的相机标定方法都不适用于试验现场的实时计算。
[0006]在水下目标识别定位中，椭圆质心化方法常使用灰度值作为坐标的权值，但是该方法无法避免不均匀光照造成的误识别问题。
[0007]对于相机的外方位估计和未知点位的序列三维重建可采用基于序列影像的光束法平差算法，但是该方法仅限于当相机公共视野范围内控制点数目较多且分布均匀时。对于水下相机公共视野范围内的控制点有限的情况，光束法并不适用。

技术实现思路

[0008]本专利技术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水下振动台防水膜高速视频测量动态监测方法。
[0009]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0010]一种水下振动台防水膜高速视频测量动态监测方法，该方法包括以下步骤：
[0011]步骤1，建立水下高速成像系统，获取水下防水膜的三维形态变化；
[0012]步骤2，采用基于标准参数补偿的水下相机标定方法，获取水下的相机内方位参数和镜头畸变参数；
[0013]步骤3，水下目标识别与跟踪，采用椭圆特征识别算法和椭圆拟合算法，提取出人工目标点的序列影像坐标；
[0014]步骤4，水下目标三维重建，通过光束平差法或相对绝对定向法计算目标点的三维序列坐标，并通过时序分析计算位移参数。
[0015]优选地，所述步骤1中水下高速成像系统包括水下高速相机、人工照明系统、影像采集与存储系统。
[0016]优选地，所述基于标准参数补偿的水下相机标定方法，在预设的视场景深范围内探究点位的三维定位精度，通过对相机内方位元素的改正使多介质成像几何转换至单介质成像几何。
[0017]优选地，所述基于标准参数补偿的水下相机标定方法产生的误差均匀分摊至相机的内方位参数和镜头畸变参数中。
[0018]优选地，所述人工目标点为圆形人工目标点。
[0019]优选地，所述水下目标识别与跟踪所采用的方法包括：基于椭圆特征的自动化目标识别方法、基于椭圆边缘拟合算法的目标定位方法、基于点集配准的立体匹配策略以及序列影像中的目标跟踪。
[0020]优选地，所述椭圆边缘拟合算法用于获取椭圆圆心，具体包括以下步骤：
[0021]步骤3.1：对目标影像进行影像增强；
[0022]步骤3.2：二值化目标影像；
[0023]步骤3.3：提取白色圆圈的亚像素轮廓；
[0024]步骤3.4：通过最小二乘椭圆拟合计算亚像素级椭圆中心位置。
[0025]优选地，在目标识别之后，通过点集配准算法完成立体匹配任务。
[0026]优选地，所述椭圆边缘拟合算法能够在每一帧影像中提取出所有的圆形目标点位以达到目标跟踪匹配的目的。
[0027]优选地，所述水下目标三维重建，将相对定向
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绝对定向算法重建出水下目标点位的三维坐标；最后，通过后续时刻与初始时刻的坐标差进一步地解算出目标点位的三维位移时程曲线。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0029]1)在双子振动台实验中，由于无稳定架设平台、弹性(非刚体)目标对象监测、多点动态观测等实验条件限制，接触式传感器根本无法被用来测量防水膜的三维形态变化，本专利技术提出了一种水下振动台防水膜高速视频测量动态监测方法；与高精度全站仪相比，本专利技术可以达到亚毫米级点位测量精度；且接触式传感器测量只能测量单个或少量目标点位
上的观测值，而水下高速视频测量能够在同一测量基准下同时获取结构物的全场形变变化，本测量方案能够获取整个测量区域所有关键点位的三维形变。
[0030]2)本专利技术所采用的基于标准参数集的水下相机标定方法灵活方便，该方法将传统的相机标定算法直接应用于水下相机标定，而折射几何被强制地视为光学直线几何，其中所产生的误差将被均匀分摊到相机的内方位元素和镜头畸变参数当中，当相机的主光轴垂直于介质面时，光折射所引起的折射畸变误差可被镜头径向畸变参数和切向畸变参数所吸收，使测量方案仅需少量控制点便可建立相机像方与物方的透视几何关系，该方法在有限的视场范围中能够获得较高的标定精度，同时该方法无需理会严格的介质参数，满足试验现场的实时计算要求；
[0031]3)光在水中的散射效果使光照不均匀地分布在物体表面，这对目标识别和跟踪产生了严重的影响，相较于椭圆质心化算法使用灰度值作为坐标的权值，无法避免不均匀光照造成的误识别问题，本专利技术所采用的椭圆边本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下振动台防水膜高速视频测量动态监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1，建立水下高速成像系统，获取水下防水膜的三维形态变化；步骤2，采用基于标准参数补偿的水下相机标定方法，获取水下的相机内方位参数和镜头畸变参数；步骤3，水下目标识别与跟踪，采用椭圆特征识别算法和椭圆拟合算法，提取出人工目标点的序列影像坐标；步骤4，水下目标三维重建，通过光束平差法或相对绝对定向法计算目标点的三维序列坐标，并通过时序分析计算位移参数。2.根据权利要求1所述的一种水下振动台防水膜高速视频测量动态监测方法，其特征在于，所述步骤1中水下高速成像系统包括水下高速相机、人工照明系统、影像采集与存储系统。3.根据权利要求1所述的一种水下振动台防水膜高速视频测量动态监测方法，其特征在于，所述基于标准参数补偿的水下相机标定方法，在预设的视场景深范围内探究点位的三维定位精度，通过对相机内方位元素的改正使多介质成像几何转换至单介质成像几何。4.根据权利要求1所述的一种水下振动台防水膜高速视频测量动态监测方法，其特征在于，所述基于标准参数补偿的水下相机标定方法产生的误差均匀分摊至相机的内方位参数和镜头畸变参数中。5.根据权利要求1所述的一种水下振动台防水膜高速视频测量动态监测方法，其特征在于，所述人工目标点为圆形人工目标点。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：童小华，陈鹏，汪本康，赵佳俊，马皝平，谢欢，冯永玖，刘世杰，叶真，金雁敏，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：