一种基于视觉测量的隧道断面轮廊测量方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于视觉测量的隧道断面轮廊测量方法及装置，该测量方法包括：将结构光源安装在测量车上，使结构光源发出的平面结构光与受测隧道的内壁相交，在内壁上形成指示受测隧道内壁的断面轮廓的标识光条；将若干个图形传感器安装在测量车上，使该若干个图形传感器的取景范围共同组成一个类环带状取景范围，并且标识光条完全纳入类环带状取景范围中；对若干个图形传感器统一进行共面标定，获取平面上二维坐标和像素坐标的映射关系；驱动测量车沿受测隧道轴向行进，并沿途进行图像采集，通过映射关系换算出标识光条二维世界坐标，与各个采集点的位置信息组合成受测隧道的全断面轮廓数据。本发明实现了移动式测量，并且测量速度快、精度高。
【专利说明】一种基于视觉测量的隧道断面轮廊测量方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种隧道断面轮廊测量方法及装置，具体地说是一种基于视觉测量的隧道断面轮廊测量方法及装置。
【背景技术】
[0002]轨道交通已经成为解决城市交通拥挤问题最有效的措施，大量的隧道工程正在或将要投入建设，修建好的隧道轮廊变形与安全检测，已成为保障轨道交通运营安全的重大举措。
[0003]现有技术中，主要采用螺旋扫描法对隧道断面轮廓进行测量，该方法将发射点激光的激光器安装在测量车上，在测量车在沿隧道行进的过程中，使激光器绕隧道轴向旋转，以在隧道内壁形成螺旋激光轨迹，通过配套的仪器获取过程中激光器到隧道的距离，即可获得受测隧道内壁的全断面轮廓。
[0004]上述螺旋扫描法存在以下不足:由于受测隧道内壁的全断面轮廓往往形状不规贝U，存在因施工误差而造成的各种变形缺陷，上述螺旋扫描法以离散取点、旋转扫描方法对隧道全断面进行测量，对隧道断面的测量密度低，断面轮廓信息不全面，容易造成变形缺陷区域的漏测，测量出的隧道全断面轮廓精度低。
[0005]现有技术中，也有采用单个图像传感器对隧道断面轮廓进行测量的方法，但首先受限于单个图像传感器的分辨率限制，难以对大尺寸的隧道轮廊进行一次成型测量，其次，需要采用柔性坐标尺对隧道断面轮廓进行标识，测量速度慢。
【发明内容】
.[0006]本发明的第一个目的是提供一种基于视觉测量的隧道断面轮廊测量方法，实现了对隧道全断面轮廓的移动式测量，具有测量速度快、测量精度高的特点。
[0007]本发明的第二个目的是提供实现上述方法的基于视觉测量的隧道断面轮廊测量
>J-U ρ?α装直。
[0008]本发明的第一个目的是通过以下的技术措施来实现的:
[0009]一种基于视觉测量的隧道断面轮廓测量方法，其特征在于:所述的测量方法包括以下步骤:
[0010](SI)将结构光源安装在停放于受测隧道中的测量车上，使结构光源发出的平面结构光与受测隧道的内壁相交，用以在内壁上形成指示受测隧道内壁的断面轮廓的标识光条，其中，所述受测隧道中铺设有沿隧道轴向延伸的轨道，所述测量车设置在该轨道上；
[0011](S2)将若干个图形传感器安装在所述测量车上，使该若干个图形传感器的取景范围共同组成一个类环带状取景范围，并且所述标识光条完全纳入该类环带状取景范围中；
[0012](S3)在测量车静态状况下，对所述若干个图形传感器统一进行坐标映射标定，用以获取平面结构光中任意一点的二维世界坐标与该点在所述图形传感器采集的图像中的像平面坐标之间的映射关系；[0013](S4)保持所述各个图形传感器的取景范围与平面结构光之间的相对位置关系不变，驱动所述测量车在轨道上沿受测隧道轴向行驶，并沿途用所述各个图形传感器对标识光条进行图像采集，通过所述映射关系换算出沿途各个采集点的标识光条二维世界坐标，与所述各个采集点的位置信息组合成受测隧道的全断面轮廓数据。
[0014]为了提高断面轮廓数据的精度，作为本发明的一种改进，所述平面结构光与受测隧道的内壁正交或者接近于正交，使所述标识光条指示受测隧道内壁的横断面轮廓。
[0015]作为本发明的一种实施方式，所述结构光源包括三支或以上传播方向发散设置的一字线激光器，并且所述各支一字线激光器的激光平面共面组合成所述平面结构光。
[0016]为了确保标识光条能完全纳入类环带状取景范围中，同时保证本发明测量装置的结构自检及分精度提高，作为本发明的一种改进，相邻两个所述图形传感器的取景范围部分重叠。
[0017]作为本发明的一种实施方式，步骤(S3)中，对所述若干个图形传感器的坐标映射标定包括以下步骤:
[0018]先将标定板悬挂在测量车前方，使标定板上的棋盘格平面与所述平面结构光重合，并且所述若干个图形传感器的类环带状取景范围完全落在棋盘格范围之内；然后暂时关闭所述平面结构光，用各个图形传感器对棋盘格进行图像采集；再以采集到的图像中的棋盘格作为所述平面结构光的像平面坐标，计算出所述映射关系。
[0019]为了使测量车在隧道中能平稳行进，避免测量车姿态变化对测量结果造成影响，作为本发明的一种改进，利用所述受测隧道中铺设的沿隧道轴向延伸的轨道，所述检测车设置在该轨道上并沿轨道行驶。
[0020]为了克服测量车姿态变化对测量结果造成影响，提高测量结果的精度，作为本发明的一种改进，所述的测量方法还包括以下步骤:
[0021](S5)用姿态校正单元对沿受测隧道轴向行进过程中的所述测量车进行姿态监测，通过监测到的姿态数据校正所述受测隧道的全断面轮廓数据。
[0022]本发明的第二个目的是通过以下的技术措施来实现的:
[0023]一种基于视觉测量的隧道断面轮廓测量装置，其特征在于:所述的测量装置包括处理器、工作于受测隧道中的测量车、发出平面结构光的结构光源和若干个对于所述平面结构光所在平面统一进行坐标映射标定过的图形传感器，其中，所述受测隧道中铺设有沿隧道轴向延伸的轨道，所述测量车设置在该轨道上；所述结构光源和若干个图形传感器分别安装在测量车上并且相对位置关系稳固不变，所述若干个图形传感器的取景范围共同组成一个类环带状取景范围，所述平面结构光与受测隧道的内壁相交并在内壁上形成指示受测隧道内壁的断面轮廓相标识光条，该标识光条完全纳入所述类环带状取景范围中，所述测量车在轨道上沿受测隧道轴向行驶，各个图形传感器沿途对所述标识光条进行图像采集，所述处理器依据所述若干个图形传感器坐标映射标定获得的平面结构光中任意一点的二维世界坐标与该点在所述图形传感器采集的图像中的像平面坐标之间的映射关系，换算出沿途各个采集点的标识光条二维世界坐标，并与所述各个采集点的位置信息组合成受测隧道的全断面轮廓数据。
[0024]为了提高断面轮廓数据的精度，作为本发明的一种改进，所述平面结构光与受测隧道的内壁正交或者接近于正交，所述标识光条指示受测隧道内壁的横断面轮廓。[0025]作为本发明的一种实施方式，所述结构光源包括三支或以上传播方向发散设置的一字线激光器，并且所述各支一字线激光器的激光平面共面并环状发散组合成所述平面结构光。
[0026]为了确保标识光条能完全纳入类环带状取景范围中，同时保证本发明测量装置的结构自检及分精度提高，作为本发明的一种改进，相邻两个所述图形传感器的取景范围部
分重叠。
[0027]为了使测量车在隧道中能平稳行进，避免测量车姿态变化对测量结果造成影响，作为本发明的一种改进，利用所述隧道中铺设的沿隧道轴向延伸的轨道，所述测量车设置在该轨道上并沿轨道行驶。
[0028]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0029]第一，本发明基于视觉测量的方式，利用平面结构光在受测隧道内壁上形成指示受测隧道内壁的断面轮廓的标识光条，能够实现在本发明的测量装置移动的情况下，连续快速对隧道断面轮廓几何特征进行标识，而图像传感器也能在测量全过程中进行高密度，因此，本发明对大尺寸隧道断面轮廓的采样密度高，可实现对断面轮廓的连续采样，对隧道全断面的轮廓一次成型，得出的全断面轮廓平滑度高；
[0030]第二，本发明采用多个图像传感器对表征隧道断面轮廓的标识光条进行图像采集，每个图像传感器获取标识光条的其中一段，根据隧道内壁的实际情况，选择设置图像传感器的数量和各个图像传感器的分辨率，实现对大尺寸隧道断面的一次全面覆盖，并对其凹凸部位进行高清采集，因此，本发明能够以最低的成本测量出精度最高的隧道全断面轮廓；
[0031]第三，本发明利用平面结构光与标定板对所有图像传感器统一进行坐标映射标定，获取平面结构光中任意一点的二维世界坐标与该点在所述图形传感器采集的图像中的像平面坐标之间的映射关系，并且由于结构光本身在遮挡物表面漫反射形成光条的特性，能够准确的判断出标定板上的棋盘格平面与平面结构光是否重合，因此，本发明能够精确的标定所有图像传感器和平面结构光的空间几何关系，使得测量出的隧道全断面轮廓更为精确；
[0032]第四，本发明的图像传感器和结构光源设置在测量车上，协同工作下即能在行进中对隧道断面轮廓进行测量，因此，本发明实现了对隧道断面轮廓的移动式测量，具有测量速度快、测量精度高的特点；
[0033]第五，本发明适用范围广，可以广泛使用在直径I米到20米，测量分辨率、精度在0.05?50mm的各种空心内腔，如隧道的测量中；并且本发明适用于各种截面形状的隧道中，如圆形截面、方形截面的隧道。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明:
[0035]图1为本发明的测量装置对隧道断面轮廓进行测量的示意图；
[0036]图2为本发明的结构光源在隧道内壁形成标识光条的示意图；
[0037]图3为本发明的各个图像传感器取景范围与标识光条的位置关系示意图；
[0038]图4为本发明进行标定时，各个图像传感器取景范围与标定板棋盘格的位置关系示意图。
【具体实施方式】
[0039]如图1至3所示，本发明的基于视觉测量的隧道断面轮廓测量装置包括处理器(图中未示出)、光电编码器(图中未示出)、测量车1、结构光源和若干个图形传感器3 ;其中，结构光源和该若干个图形传感器3分别安装在测量车I上，若干个图形传感器3的取景范围共同组成一个类环带状取景范围，并且相邻两个图形传感器3的取景范围部分重叠，如图3中，取景范围3a?3i组成的区域，结构光源和该若干个图形传感器3在安装时需要满足以下位置关系，即:将测量车I停放于受测隧道内时，结构光源发出的平面结构光与受测隧道的内壁4正交或者接近于正交,在内壁4上形成指示受测隧道内壁4的横断面轮廓的标识光条5，该标识光条5与受测隧道内壁4的横断面轮廓的形状、位置相吻合，并且该标识光条5完全纳入上述类环带状取景范围中；光电编码器安装在测量车I的车轮或传动轴上，用于定位测量车I的位置；处理器采用现有技术中常用的具有数据、图像处理能力的控制设备，如微型计算机加载相应的同步控制与信号处理系统，用于对测量车1、光电编码器和图形传感器3进行控制和它们采集到的数据进行处理。
[0040]参见图2，本发明的结构光源包括三支或以上传播方向发散设置的一字线激光器2，它们安装在测量车I的安装支架Ia上，并且各支一字线激光器的激光平面共面组合成上述平面结构光，图中示出了由5支一字线激光器2构成结构光源的实例，各个一字线激光器2对应的两条虚线表示该一字线激光器2发射出的一字线激光平面的边界边，相邻的两个一字线激光器2的一字线激光平面可以部分交叠，其中，一字线激光器应选用波长大于400nm的激光光源，以使得上述标识光条5具有足够的亮度，满足上述图像传感器的灵敏度要求；并且，选用一字线激光器时，应使得上述标识光条5的宽度尽可能窄，限定在2mm以内；如此，各支一字线激光器的激光平面共面组成的平面结构光在20米内的平面度能小于Imm0
[0041]参见图3，本发明的图形传感器3的数量应根据受测隧道的径向宽度和各个图形传感器3的分辨率确定，只需满足上述图形传感器3安装时的要求即可。其中，各个图形传感器3的分辨率根据受测隧道断面中不同区域对分辨率的不同要求而选择，例如对于隧道中铺设有各种设施的底部，为能更细致的获得断面轮廓，采集该区域图像的图像传感器可选用较高分辨率，而对于隧道中较为平滑的顶部，则对应的图像传感器可选用较低分辨率，以降低本发明的实施成本。
[0042]如图4所示，在对受测隧道进行断面轮廓测量前，首先要对本发明测量装置的若干个图形传感器3统一进行坐标映射标定:测量车I静态停放在户外或隧道内，先将标定板悬挂在测量车I前方，使标定板上的棋盘格6平面与平面结构光重合，并且上述若干个图形传感器3的类环带状取景范围完全落在棋盘格6范围之内，其中，标定板选用现有技术中常用的标定板，并根据上述类环带状取景范围的大小定制棋盘格6的幅面大小，而借助结构光在遮挡物表面漫反射形成光条的特性，当棋盘格6全面形成反光时，即可判断棋盘格6平面与平面结构光重合；然后在平面结构光关闭的情况下，用各个图形传感器3对棋盘格6进行图像采集；再以采集到的图像中的棋盘格6作为平面结构光的像平面坐标原点，获取上述平面结构光中任意一点的二维世界坐标与该点在图形传感器3采集的图像中的像平面坐标之间的映射关系。另外，需要注意的是，本发明测量装置更换图形传感器3或者使用一定期限过后，为保证该映射关系正确，应该对装置的图形传感器3补充标定。
[0043]参见图1，在本装置完成标定后，维持平面结构光和图形传感器之间的相对位置关系不变，即可开始对受测隧道进行断面轮廓测量。本发明的受测隧道中铺设有沿隧道轴向延伸的轨道7，上述测量车I设置在该轨道7上并沿轨道7行驶，保持各个图形传感器3和各支一字线激光器固定在测量车I上，使各个图形传感器3的取景范围与平面结构光之间的相对位置关系不变，驱动测量车I沿受测隧道轴向行进，并沿途用各个图形传感器3对标识光条5进行图像采集，以处理器利用上述标定获取到的映射关系，通过三维插值法和查表方法，换算出沿途各个采集点位置对应的标识光条5的二维世界坐标，与上述光电编码器定位到的测量车11在各个采集点的位置信息组合成受测隧道的全断面轮廓数据，其中，采集点的密度依据对全断面轮廊采样的平滑性要求而定，当平滑度要求越高，则通过亚像素计算法来提取更密的光条像素点，再通过查表法和三维插值法去计算获得标识光条5的二维世界坐标。在测量车I行进的过程中，某采集点所在位置的隧道内壁4横断面存在如图1所示的凸起4a，借助结构光在遮挡物表面漫射形成光条的特性，此时在隧道内壁4上形成的标识光条5指示该位置的隧道内壁4横断面，能够反映出隧道内壁4横断面存在凸起4a的情况，上述得到的受测隧道的全断面轮廓数据得以全面反映出隧道全断面轮廓的实际情况。
[0044]对于测量车在受测隧道中行进的过程中容易颠婆的情况，本发明可以通过增设现有技术中常用的姿态校正单元，如姿态检测用陀螺仪，对沿受测隧道轴向行进过程中的测量车进行姿态监测，并使处理器依据该姿态校正单元监测到的姿态数据校正上述受测隧道的全断面轮廓数据，以克服测量车姿态变化对测量结果造成影响，提高测量结果的精度。
[0045]本发明不局限与上述【具体实施方式】，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，例如，对于隧道断面无需全面测量的情况，上述具体实施例中由一字线激光器的激光平面组成的平面结构光，其发散角可以是0-360° ;均落在本发明的保护范围之中。
【权利要求】
1.一种基于视觉测量的隧道断面轮廓测量方法，其特征在于:所述的测量方法包括以下步骤: (51)将结构光源安装在停放于受测隧道中的测量车上，使结构光源发出的平面结构光与受测隧道的内壁相交，用以在内壁上形成指示受测隧道内壁的断面轮廓的标识光条，其中，所述受测隧道中铺设有沿隧道轴向延伸的轨道，所述测量车设置在该轨道上； (52)将若干个图形传感器安装在所述测量车上，使该若干个图形传感器的取景范围共同组成一个类环带状取景范围，并且所述标识光条完全纳入该类环带状取景范围中； (53)在测量车静态状况下，对所述若干个图形传感器统一进行坐标映射标定，用以获取平面结构光中任意一点的二维世界坐标与该点在所述图形传感器采集的图像中的像平面坐标之间的映射关系； (54)保持所述各个图形传感器的取景范围与平面结构光之间的相对位置关系不变，驱动所述测量车在轨道上沿受测隧道轴向行驶，并沿途用所述各个图形传感器对标识光条进行图像采集，通过所述映射关系换算出沿途各个采集点的标识光条二维世界坐标，与所述各个采集点的位置信息组合成受测隧道的全断面轮廓数据。
2.根据权利要求1所述的基于视觉测量的隧道断面轮廓测量方法，其特征在于:所述平面结构光与受测隧道的内壁正交或者接近于正交，使所述标识光条指示受测隧道内壁的横断面轮廓。
3.根据权利要求2所述的基于视觉测量的隧道断面轮廓测量方法，其特征在于:所述结构光源包括三支或以上传 播方向发散设置的一字线激光器，并且所述各支一字线激光器的激光平面共面组合成所述平面结构光。
4.根据权利要求3所述的基于视觉测量的隧道断面轮廓测量方法，其特征在于:相邻两个所述图形传感器的取景范围部分重叠。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于视觉测量的隧道断面轮廓测量方法，其特征在于:步骤(S3)中，对所述若干个图形传感器的坐标映射标定包括以下步骤: 先将标定板悬挂在测量车前方，使标定板上的棋盘格平面与所述平面结构光重合，并且所述若干个图形传感器的类环带状取景范围完全落在棋盘格范围之内；然后暂时关闭所述平面结构光，用各个图形传感器对棋盘格进行图像采集；再以采集到的图像中的棋盘格作为所述平面结构光的像平面坐标，计算出所述映射关系。
6.一种基于视觉测量的隧道断面轮廓测量装置，其特征在于:所述的测量装置包括处理器、工作于受测隧道中的测量车、发出平面结构光的结构光源和若干个对于所述平面结构光所在平面统一进行坐标映射标定过的图形传感器，其中，所述受测隧道中铺设有沿隧道轴向延伸的轨道，所述测量车设置在该轨道上；所述结构光源和若干个图形传感器分别安装在测量车上并且相对位置关系稳固不变，所述若干个图形传感器的取景范围共同组成一个类环带状取景范围，所述平面结构光与受测隧道的内壁相交并在内壁上形成指示受测隧道内壁的断面轮廓相标识光条，该标识光条完全纳入所述类环带状取景范围中，所述测量车在轨道上沿受测隧道轴向行驶，各个图形传感器沿途对所述标识光条进行图像采集，所述处理器依据所述若干个图形传感器坐标映射标定获得的平面结构光中任意一点的二维世界坐标与该点在所述图形传感器采集的图像中的像平面坐标之间的映射关系，换算出沿途各个采集点的标识光条二维世界坐标，并与所述各个采集点的位置信息组合成受测隧道的全断面轮廓数据。
7.根据权利要求6所述的基于视觉测量的隧道断面轮廓测量装置，其特征在于:所述平面结构光与受测隧道的内壁正交或者接近于正交，所述标识光条指示受测隧道内壁的横断面轮廓。
8.根据权利要求7所述的基于视觉测量的隧道断面轮廓测量装置，其特征在于:所述结构光源包括三支或以上传播方向发散设置的一字线激光器，并且所述各支一字线激光器的激光平面共面并且环形向外发散组合成所述平面结构光。
9.根据权利要求8所述的基于视觉测量的隧道断面轮廓测量装置，其特征在于:相邻两个所述图形传感器的取景范围部分重叠。
10.根据权利要求6至9任意一项所述的基于视觉测量的隧道断面轮廓测量装置，其特征在于:所述隧道中铺设有沿隧道轴向延伸的轨道，所述测量车设置在该轨道上并沿轨道行驶。.
【文档编号】G01B11/24GK103438823SQ201310123756
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年4月10日 优先权日:2012年12月27日
【发明者】刘光武, 朱茂芝, 郭玲 申请人:广州市地下铁道总公司, 广州复旦奥特科技股份有限公司