小管径黄土地质信息原位探测环境自适应视觉系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了小管径黄土地质信息原位探测环境自适应视觉系统及方法，包括图像采集模块、聚焦模块、图像处理模块和控制模块；图像采集模块包括光源、相机和光源控制器，光源的轴心与相机的成像光轴同轴心；聚焦模块包括直线移动机构和旋转机构；图像处理模块包括测光模块、调光模块、图像清晰度评价模块和聚焦搜索模块；控制模块用于接收上位机指令信息并向下位机发送反馈信息，根据指令信息控制聚焦模块调节所述相机物距或者调节所述光源控制器。本发明专利技术的自适应视觉系统采用基于图像处理的自动聚焦和自动调光方法，使视觉系统具有一定的稳定性和精度，可实现对黄土孔壁较高质量的图像采集，环境适应性更强。环境适应性更强。环境适应性更强。

【技术实现步骤摘要】
小管径黄土地质信息原位探测环境自适应视觉系统及方法


[0001]本专利技术属于地质信息探测
，具体涉及小管径黄土地质信息原位探测环境自适应视觉系统及方法。

技术介绍

[0002]黄土高原是我国乃至世界上黄土分布最为集中，面积最大的黄土分布区。黄土本身作为一种特殊的易灾土体，具有脆弱的结构性、极强的水敏性和独特的强度衰减性等特性，常常导致黄土地区地质灾害的发生。而众多黄土工程的开展，尤其是平山造城、治沟造地、固沟保塬等重大工程，严重扰动了黄土，激发了一批新的黄土工程灾变问题。为了揭示以上工程灾变问题的致灾机理，提出解决问题的方法，预防灾变的发生，需要掌握黄土地质信息与灾害发生发展演化过程的联系。这就需要探明黄土边坡关键部位地质结构及其空间分布，量化考虑水敏性、扰动易损性的黄土强度、变形等关键参数的变化规律及劣化过程。传统检测黄土地质信息的方法和原位探测仪器难以满足检测上述关键地质信息的需求。为解决这一问题，研究团队成员杨浩奕的论文“黄土地质信息原位探测轮式管道机器人”中提出了用于黄土孔洞(在黄土层由地上向下打探测孔洞)的原位探测设备，将管道机器人作为黄土孔内原位探测的自适应载体，协同探测系统获取黄土边坡的关键部位地质信息，其中于管道机器人上搭载机器视觉系统，通过机器视觉实现复杂黄土边坡内部部分关键信息的精细探测。
[0003]然而黄土孔内空间狭小，孔径一般在70
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180mm范围内，无法容下自动调焦相机。而且，受地应力和成孔施工过程影响，不可避免地存在局部掉块、缩径、塌陷等问题，如果采用定焦相机，在地下孔内探测作业时，无法保证壁面在相机景深范围之内，导致图像模糊失真。同时，孔内环境黑暗，湿度较大，而且孔壁还有不同光学属性的矿物质，如置入稳定光源，成像光学环境会随孔内环境的变化而产生严重差异，影响成像亮度。这都会严重影响成像质量，进而影响黄土地质信息探测质量。因此，为了深入揭示黄土工程地质灾变机理，解决黄土高原灾害频发问题，需要研发专用的黄土地质信息原位探测视觉系统。

技术实现思路

[0004]基于现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种小管径黄土地质信息原位探测环境自适应视觉系统及方法，使视觉系统在孔洞内探测的过程中实现自动聚焦和自动调光，解决现有视觉系统采集图像失真和光学成像环境不一致的问题，提升视觉系统的准确性与智能化。
[0005]视觉系统所采集到的图片主要用于对黄土的含水率和表面孔隙率进行分析，故对视觉系统的放大倍率和采集图片的图像质量提出一定的要求。
[0006]首先，对于视觉系统的工作姿态而言，视觉系统需在黑暗环境下完成对洞壁环绕一周的黄土图像采集的工作，若视觉系统拍摄角度与洞壁呈非垂直拍摄，则采集到的图像质量较差，影响后续对黄土图像的分析，故视觉系统需垂直洞壁进行图像采集，可获得中心
区域中孔壁较为平整的图像，有利于后续工作的展开。
[0007]其次，所需采集黄土孔洞的孔径大小分别为130mm、140mm和150mm，实际探测过程中黄土孔洞孔径不断发生变化，且孔内可能出现塌陷和湿陷等工况，视觉系统物距不断发生变化导致工业相机离焦，无法采集到清晰图像。故需要视觉系统具备一定的自适应调节功能，不但可以满足在孔径发生变化的情况下，调节视觉系统的成像参数实现聚焦，具备自动聚焦功能，而且可以自适应不同的孔径，保证探测过程中所采集到的图像均为正焦图像。这对视觉系统的整体尺寸和成像参数的可调节范围提出了一定的要求。另外当视觉系统位于正焦位置时，保证了成像系统的放大倍率是一致的，保证所采集到黄土颗粒大小均为同一比例，对自动聚焦功能提出了一定的设计要求。
[0008]另外黄土含水率不同和矿物质噪声干扰的情况下，相同成像参数和光照强度所产生的图像亮度不一致，其次，由于实际探测过程中孔径发生变化，导致聚焦过程中所采集图像的亮度不一致，进而导致图像质量不同，不但影响聚焦精度，而且无法保证数据集与样本集中的图像亮度一致。光学成像环境的不同降低聚焦精度和神经网络的信息识别精度，故需要视觉系统具备较好的自动调光性能，同时可以为最佳光学成像环境的选择提供一定的参考。
[0009]基于上述需求，本专利技术提出如下技术思路：
[0010]通过视觉系统采集黄土孔洞洞壁图像，需垂直洞壁拍摄，故对视觉系统的整体尺寸存在一定要求。首先满足黄土孔径尺寸要求，针对小孔径130mm孔径进行设计，若满足130mm孔径的作业要求，则一定满足其余两种大孔径的要求。考虑到后续的图像分析工作对图像质量要求较高，探测环境复杂和较长的持续工作时间，故选择成像质量高、环境适应性强和高性能的工业相机。从市面相机调研结果来看，工业相机的最小拍摄物距为70mm左右，并且考虑到130mm的作业孔径，对相机与镜头选型具有一定的尺寸限制。经过大量的市场调研，具备自动调焦功能的工业相机尺寸均不满足，满足尺寸要求的相机均为板级工业相机(选取合适的相机满足垂直拍照)，板级工业相机均为定焦相机。相比于通过控制相机胶圈转动，调节相机像距或焦距，直接控制相机采集图像的物距，对黄土孔洞探测环境的适应性更好，既减少黄土探测环境对聚焦结构精度的影响，又减小聚焦结构尺寸。另外采集图像质量方面，需尽量保证所采集到的不同孔径的正焦图像中，洞壁裂隙及黄土孔隙的大小尽量一致，若选择调节相机胶圈进而调节像距或焦距的聚焦方案，则无法实现。而且可供选择的板级工业相机为定焦相机，可调变量为物距。综合上述方案分析，采集基于图像处理的调节物距的自动聚焦方案。
[0011]由上述所选择的自动聚焦方法可知，采用调节物距的自动聚焦方案，聚焦过程中随着物距的变化出现两个关键变量，一个是图像中目标物体的大小出现细微变化，但由于本专利技术以微调物距为主，且相机景深范围较大，此变量对聚焦精度影响较小。另一个变量是采集图像亮度的变化，物距的变化导致光源与目标洞壁之间的距离发生变化，聚焦过程中光学成像环境不一致，导致采集到的图像亮度发生变化，带来一定程度上的误差，降低聚焦的精度。故需保证视觉系统在黄土孔洞采集过程中，光学成像环境尽量保持一致，保证所采集到的图片亮度值均为设定的范围内。另外工业相机进行图像采集的过程中，光源亮度过强或过弱，均会影响相机对图像细节信息的捕捉；只有在适当的亮度下，工业相机才能采集到边缘锐利、细节信息丰富的清晰图像。因此还需选择合适的光照强度，保证清晰图像质
量。
[0012]因为本专利技术中主要工作环境位于黑暗黄土孔洞中，图像亮度从相机内部进行调节较为繁琐，且效果不确定。黑暗环境中工业相机的光源是唯一光源，直接调节相机光源强度进行场景亮度调节效果更直观。综上，本文选择基于图像处理的调节场景亮度的自动调光方案，通过对所采集的图像进行亮度值计算，根据计算结果调节光源强度，保证每次自动聚焦过程中图像清晰度评价函数所评价的图片亮度值均在设定范围内。保证所采集到的正焦位置的图像亮度值与样本集中的亮度值范围一致。
[0013]基于上述思路，本专利技术首先提出了一种小管径黄土地质信息原位探测环境自适应视觉系统，包括图像采集模块、聚焦模块、图像处理模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.小管径黄土地质信息原位探测环境自适应视觉系统，其特征在于，包括图像采集模块(1)、聚焦模块(2)、图像处理模块和控制模块；所述图像采集模块(1)包括光源(11)、相机(12)和光源控制器，所述光源(11)的轴心与相机(12)的成像光轴同轴心；所述相机(12)为板级工业相机；所述聚焦模块(2)包括直线移动机构(21)和旋转机构(22)；所述图像采集模块(1)连接在所述直线移动机构(21)下方，所述直线移动机构(21)用于带动图像采集模块(1)整体沿光源(11)的光轴方向直线移动；所述直线移动机构(21)连接在旋转机构(22)下方，所述旋转机构(22)用于带动直线移动机构(21)及图像采集模块(1)整体绕垂直于光源(11)光轴的方向旋转；所述图像处理模块包括测光模块、调光模块、图像清晰度评价模块和聚焦搜索模块；所述测光模块用于计算采集图像的亮度；所述调光模块用于调整光源控制器挡位直至采集图像的亮度满足要求；所述图像清晰度评价模块用于计算采集图像的清晰度评价函数值；所述聚焦搜索模块用于对调节物距后的相机采集的图像进行搜索以获得清晰度评价函数值最佳的物距位置；所述图像采集模块(1)与图像处理模块之间能够进行图像数据的传输；所述控制模块用于接收上位机指令信息并向下位机发送反馈信息，根据指令信息控制聚焦模块(2)调节所述相机物距或者调节所述光源控制器。2.如权利要求1所述的小管径黄土地质信息原位探测环境自适应视觉系统，其特征在于，所述相机(12)与光源(11)之间设置有垫板(15)。3.如权利要求1所述的小管径黄土地质信息原位探测环境自适应视觉系统，其特征在于，所述直线移动机构(21)包括丝杠导轨滑台(211)、滑块(212)、第一电机(213)、丝杠导轨连接件(214)和滑块连接件(215)；所述第一电机(213)驱动丝杠导轨滑台(211)上的丝杠转动，所述滑块(212)连接在丝杠上，所述滑块(212)底部与图像采集模块(1)之间通过滑块连接件(215)进行连接；所述丝杠导轨连接件连接在丝杠导轨滑台上端面，用于连接旋转机构。4.如权利要求1所述的小管径黄土地质信息原位探测环境自适应视觉系统，其特征在于，所述旋转机构(22)包括第二电机(221)，所述第二电机(221)的输出轴通过联轴器(23)与直线移动机构(21)的上端面连接。5.如权利要求1所述的小管径黄土地质信息原位探测环境自适应视觉系统，其特征在于，所述控制模块包括主控芯片(31)、电路和串口，所述主控芯片(31)与光源控制器、图像处理模块之间通过串口通信。6.权利要求1至5任一项所述的小管径黄土地质信息原位探测环境自适应视觉系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，采用相机(12)采集黄土图像，计算当前采集的图像亮度，判断当前图...

【专利技术属性】
技术研发人员：董忠红，郑家伟，左嘉傲，兰恒星，晏长根，张宏兵，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：