基于光栅投影双目成像技术的盾构渣土体积实时测量方法与流程

本发明涉及一种基于光栅投影双目成像技术的盾构渣土体积实时测量方法，属于机器视觉和工程机械领域。

背景技术：

地铁日趋成为人们出行必不可少的交通工具，应用区域越来越广，伴随地铁建造的同时，盾构过程中渣土的测量也显得日趋重要，在正常盾构条件下渣土的理论出土量如果与实际出土量有差，则可以猜测盾构遇到不良的土层状态，这对施工安全具有重要意义。盾构过程中的渣土量记录的传统方法主要采用的是人工计量，该方法工作量大且无法实时动态计量。光栅投影是通过将光栅条纹投影到被测物体表面，利用两个摄像机采集带有光栅条纹的被测物体，变形条纹反映了被测物体的三维信息，通过分析光栅条纹的变化，重建被测物体的三维模型，进行三维信息测量。基于以上渣土测量实际问题和光栅投影特点，本发明提出一种基于光栅投影双目成像技术的盾构渣土体积测量方法，利用光栅投影双目成像技术对盾构渣土体积进行测量，该方法测量方便速度快，能够实现实时测量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于光栅投影双目成像技术的盾构渣土体积实时测量方法，可以测量盾构机盾构过程中产生渣土量体积的方法和装置。

本发明的具体技术方案如下：一种基于光栅投影双目成像技术的盾构渣土体积实时测量方法，其特征在于包含以下步骤

(1)利用激光投影仪投射具有一定编码的结构光全面覆盖渣土车土斗车厢；

(2)通过平面标定和立体标定法对两台摄像机进行标定；

(3)标定完成以后，采用双目摄像机对光栅图像进行采集，得到光栅图片；

(4)利用四步相移法进行光栅图片相位展开，获取绝对相位；

(5)利用基于算法组合的改进算法SUORB进行特征点匹配；

(6)对点云数据进行预处理，完成三维重建，模拟出渣土车土斗车厢三维形貌；

(7)采用快速体积计算法计算出渣土车土斗车厢装载前的体积；

(8)依次重复上述1-7步骤计算渣土车土斗车厢装载后的体积，减去装载前的体积即为要测量的盾构渣土体积。

本发明优点：本发明采用一种基于光栅投影双目成像技术的盾构渣土体积实时测量方法，采用投射具有一定编码方案的结构光，提高了测量效率，减少了检测时间。釆用高分辨率的光栅条纹解出的横竖绝对相位值差作为相似度度量，而不是灰度值度量，从而降低了匹配模糊性，提高了系统分辨率。双目结构光系统三维重建是基于左右摄像机的相位匹配，与投影仪的位置无关，因此而无需进行投影仪摄像机标定，只需要常规的双目相机标定，从而使得测量系统具有更大的灵活性和可操作性。能够有效克服现有技术中人工计算渣土体积费时费力、实时性差、测量结果不精确等问题，提高了测量效率，减少了检测时间，省时省力，最重要一点具有实时性。而且本发明全程自动化，机器设备运行工作，使得工人们不用在恶劣环境下进行工作。

附图说明

图1是本发明方法装置图。

图中：1-参考平面、2-渣土车、3-摄像机A、4-投影仪、5-摄像机B、6-计算机。

图2是根据现场工况条件确定的光栅投影形状，光栅投影全面覆盖渣土车土斗车厢。

图3是本发明方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明内容进行详细的说明，但本发明的实际方法并不仅限于下述的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

盾构机不断向前掘进，开挖的渣土进入土压仓，土压仓后侧通过一个螺旋排土器装置以同样的速率把土压仓内的土排除，然后通过传送皮带装入渣土车，渣土车装上渣土后的体积与渣土车装载之前的体积差即为要测量的渣土体积。

本发明装置如图1所示，由一台计算机6，一个激光投影仪4，双目摄像机3和5组成，参考平面1(渣土车土斗车厢内底面)安装位置如图1所示，激光投影仪4和双目摄像机3和5均位于渣土车2土斗车厢正上方，激光投影仪4投射具有一定编码的结构光全面覆盖渣土车土斗车厢，结构光形状如图2所示，双目摄像机3和5互成角度，能更好地采集渣土车土斗车厢光栅投影信息，然后将采集到的光栅图像投射到渣土车的土斗车厢内，得到的光栅图像通过计算机6进行特征点匹配，点云预处理和三维重建模拟出渣土车土斗车厢三维形貌，通过快速体积计算法计算出渣土车土斗车厢装载前的体积，重复上面过程计算出渣土车土斗车厢装载后的体积，后者与前者之差即为要测的盾构渣土量。

本发明具体工作流程图如图3所示：

1、结构光投影。本发明采取投影具有一定编码的结构光，利用结构光进行三维体积测量具有非接触性、高精度、高可靠性。本发明采取基于彩色编码的直接编码方式对结构光进行编码，这种编码方法具有很高的分辨率，因其通常使用彩色图案，引入各种色彩或者使彩色值周期性出现。直接编码方法适用于静态场景的测量，并且在颜色单一的物体测量中表现良好，本发明工况下渣土体积的测量即为静止状态下的测量，而且渣土颜色种类比较少。直接编码方法不需要按顺序投射多幅编码图案，提高了测量效率，减少了检测时间，其他编码方法对待测物体的轮廓表面的梯度变化十分敏感，直接编码方法则无此限制。此外，直接编码方法对待测物体表面色彩有所要求，即表面颜色是中性或者灰色的，渣土颜色符合色彩要求，所以采取基于彩色编码的直接编码方式对结构光进行编码。由激光投影仪将经过编码的多条结构光投射到渣土车土斗车厢上，这些光条组成面投到渣土车土斗车厢表面。投射模式为竖直条纹，渣土车土斗车厢内表面因为有渣土会出现凹凸变化，原本等间距的竖直条纹，经过渣土调制，变成扭曲条纹，扭曲的条纹包含着渣土车土斗车厢内渣土的高度信息。

2、双目摄像机标定及光栅图像采集。三维物体的还原的关键步骤就是摄像机内外参数的标定。很大程度上，摄像机内外参数的准确程度直接决定着三维重建效果的好坏。单摄像机标定是为了得到相机的焦距、中记、偏移和畸变参数，对单个摄像机进行标定是立体标定的前提。本发明中首先利用平面标定法对单个摄像机进行内外参数标定，然后利用立体标定法对两台摄像机之间的立体关系进行标定。

在计算机视觉中，平面的单应性是指从一个平面到另一个平面的投影映射。一个二维平面上的点到摄像机上的映射就是平面单应性的一个示例。单个摄像机标定具体方法如下：采用齐次坐标，描述点P和成像设备上的点p，有点点则用单应性表示为：

其中,s是一个常量，表示缩放尺度比例。单应性矩阵H包括两部分:用于定位观察的物体平面的物理变换和使用摄像机内参数矩阵的投影。由以上公式完成一个二维平面上的点到摄像机上的映射，完成单个摄像机标定。

双目摄像机立体标定过程采用如下公式：

P_l＝R^T(P_r-T) (2)

其中，世界坐标系下物点在右摄像机坐标系下的观测坐标为P_r，世界坐标系下物点在左摄像机坐标系下的观测坐标为P_l，T为从左摄像机坐标系到右摄像机坐标系的平移向量，R为旋转矩阵。

3、标定完成以后，采用双目摄像机对光栅图像进行采集，得到光栅图片。

4、获取绝对相位。本发明采用四步相移法对光栅图片进行相位展开，由以下公式计算出绝对相位：

φ_a(x,y)＝φ(x,y)-φ₀ (3)

其中，为由四幅光栅图像计算出光栅图像的相位主值，φ₀是假设计算机生成的条纹图案的初始相位为0，而由摄像机捕获的图片计算得到的相对相位。

绝对相位标识特征明显，对比度较强，便于提取，而且其形式不受限制，满足不同的应用需求，

5、在获取绝对相位之后，利用基于算法组合的改进算法SUORB进行特征点匹配。ORB算法在特征点匹配基本没有尺度不变性，与SURF理论算法相结合，提出基于算法组合的改进算法SUORB。

首先生成多尺度空间，并在多尺度空间里检测稳定的极值点，以便提取出的特征点具有尺度不变信息；然后使用ORB描述符来描述特征点，生成旋转不变性的二进制描述符，最后实现特征点匹配，得到点云数据。具体过程方法如下所示：

由SURF算法检测极值点公式：

det(H_approx)＝D_xxD_yy-(wD_xy)² (4)

其中D_xx、D_yy、D_xy分别代表高斯函数在(x,y)处的二阶偏导数；w为权重系数。

利用非极大值抑制的方法，确定出特征点。再由ORB算法利用BRIEF二进制码串的形式描述特征点。τ准则公式如下：

p点在x方向上的像素灰度值，记为p(x)。p点在y方向上的像素灰度值，记为p(y)。

6、对点云数据进行处理，完成三维重建。本发明采用标准高斯滤波对散乱点云去噪，采用直接简化方法对点云数据进行简化，借助某些邻域结构获取点云数据的邻域信息，在邻域范围内进行局部简化，该方法思路简单，计算运行速度快。采用基于Delaunay三角剖分的四面体剖分法对对散乱点云的凸包进行四面体剖分，然后基于最小二乘平面计算得到各散乱点的法向量，利用四面体顶点的法向量是否和四面体外接球相交来剔除体外四面体，处理后得到精确四面体结构。由以下公式求得法向量：

其中V_x,V_y,V_z,分别为测点V在x,y,z方向上值，测点V的k近邻S＝{p_i|i＝1,2,...k}，p_ix,p_iy,p_iz分别为k邻近点p_i在x,y,z方向上值，协方差矩阵CVM的最小特征值即为测点处的法向量。

7、基于点云的快速体积计算。由上述步骤可知计算各四面体的体积之和就可以计算出渣土车装载之前的体积。本发明采用行列式法计算，对于四面体顶点A(x₀,y₀,z₀)，B(x₁,y₁,z₁)，C(x₂,y₂,z₂)，D(x₃,y₃,z₃)可得四面体体积V：

8、依次重复以上(1-7)步骤计算出渣土车装载之后的体积，减去装载前渣土车体积即为要测的盾构渣土体积。

上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。