一种基于图像识别的三维形变动态测量系统及测量方法与流程

本发明涉及图像识别、人工智能、工程检测等领域，特别是涉及一种基于图像识别的三维形变动态测量系统及测量方法。

背景技术：

随着社会经济和科学技术的快速发展，造桥技术不断进步，桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展。与此同时，桥梁的载重、跨径和桥面宽度不断增长，结构形式不断变化。传统的变形监测手段越来越不能满足变形监测要求，这就迫切需要性能更可靠的设备来监测桥梁的形变。

目前现有的桥梁变形监测技术，可分为接触式测量与非接触式测量两大类。接触式测量主要有大地测量方法、物理传感器方法等，非接触式测量主要有gps测量法、激光扫描法、摄像法等。

常规的大地测量方法是最主要的变形测量方法，是指利用空间几何原理，通过光学或电子仪器(经纬仪、全站仪、水准仪等)测量角度和距离等来获取三维坐标的方位。这种方法具有测量精度高、资料可靠等优点；但同时，使用大地测量方法也存在着一些缺点：首先，监测速度慢，无法在短时间完成多个变形点的观测；其次受现场条件的限制，在某些空间狭小，光线不足的情况下无法完成作业。物理传感器方法主要是指在监测过程中广泛应用测力计、应变计、加速度计、位移计、重量动态测量仪、锈蚀检测仪，以及震动、温度、风力、压力、湿度、雨量等传感器，这种方法的优点是能获得观测对象内部的一些信息及高精度局部的相对变形信息，并且能实现长期连续的自动化观测，但这种方法只能监测桥梁的局部形变状态和相对形变情况，对于桥梁的整体性形变监测则显得无能为力。

gps测量方法近十年来兴起的一种新方法，它的应用给测量技术带来了一场深刻的革命。gps变形监测有很多优点，诸如观测精度高，监测不受天气条件限制，可进行全天候监测，监测、记录、计算全自动完成，监测点之间不需通视，选点不受地形条件限制等。不足之处在于观测点数量有限，因每个观测点都需要布设接收机造成的测量成本较高，无法实现室内或地下作业等。光学测量方法都是主动测量方法，依赖于专门的设备，而这些设备比较昂贵。

摄像法普遍只能实现桥梁二维变形监测，如中国专利201510501305.5公开了一种基于ccd的多通道桥梁挠度监测系统及方法，其使用ccd相机采集桥梁测点处的靶标图像，利用数字图像相关方法(dic)计算桥梁测点处的挠度值，并通过标尺标定转换为实测挠度。该方案能够较高精度的测量测点处的水平位移和垂直位移，但无法实现三维形变的测量，且其使用单个的黑底白斑靶标，如果要计算三维形变的话，需要做三维拟合才能实现，实现难度大。又如中国专利200810069529.3公开了一种用于桥梁荷载实验的无线遥控式挠度测量系统及其测量方法，同样只能实现二维测量，且其使用激光标靶，存在一定的故障率，维护成本较高。中国专利201610629368.3公开的用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置及方法，采用两个靶标，且基准靶与测量靶都可能产生三维立体的变形，测量误差大。中国专利201410201870.5公开了一种基于数字图像处理技术的结构二维位移及应变监测方法，其仅为二维应用，同时需要进行圆心提取，工作量大。

中国专利201110038782.4公开了一种基于多目视觉的桥梁三维变形监测方法，可对桥梁变形进行非接触三维测量，具有可连续测量、测量时间瞬时、同时测量多点等优点，但是其采用基于bp神经网络的映射模型，系统复杂，实现难度大且可靠性差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可测量三维形变的、可实现动态测量的一种基于图像识别的三维形变动态测量系统及测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于图像识别的三维形变动态测量系统，包括图像采集设备、靶标和图像处理单元：

所述的靶标安装于测点处，所述的靶标上设有至少两个间距已知的靶点；

所述的图像采集设备安装于固定点，所述的图像采集设备用于采集所述靶标的图像；

所述的图像处理单元用于根据所述的图像采集设备所采集到的靶标图像动态计算所述测点的三维形变。

所述的图像采集设备包括ccd传感摄像头或cmos传感摄像头。

所述靶标上的靶点为至少两根直线构成的交叉点。

所述的靶标也可采用尺寸已知的标准黑白棋盘格靶标。

本申请中所述的靶标可采用无源靶标。

作为优选，所述的靶标也可采用夜视靶标，在光线不足的情况下，图像采集设备也能清楚地拍摄、识别靶标上的靶点，系统可实现24小时全天候测量。

基于图像识别的三维形变动态测量系统的测量方法，包括以下步骤：

s1：设备安装，将所述的靶标安装于测点处、将所述的图像采集设备安装于固定点，使得测点形变过程中各靶点均不脱离所述图像采集设备的采集范围；

s2：所述的图像采集设备采集第一时刻t1时所述靶点的第一位置图像p1，并存储于所述图像处理单元的存储器中；

s3：所述的图像采集设备采集第二时刻t2时所述靶点的第二位置图像p2，并存储于所述图像处理单元的存储器中；

s4：所述的图像处理单元从存储器中调用第一位置图像p1、第二位置图像p2，并分别识别出位置图像中的靶点位置数据，根据靶点位置数据计算该测点由第一时刻t1到第二时刻t2的三维形变量，具体包括以下步骤：

(1)x向位移量计算：

分别计算每个靶点的x向位移量，并求平均值获得该测点的x向位移量△sx，根据位置图像中靶点的x向变化方向确定该测点的x向位移方向；

(2)y向位移量计算：

分别计算每个靶点的y向位移量，并求平均值获得该测点的y向位移量△sy，根据位置图像中靶点的y向变化方向确定该测点的y向位移方向；

(3)z向位移量计算：

z向位移量△sz＝|h-h*l/l|，其中，h为第一时刻t1时所述图像采集设备到所述靶标的垂直距离，l为第一位置图像p1中所述靶标上两个靶点之间的距离，l为第二位置图像p2中所述靶标上两个靶点之间的距离；

根据位置图像中靶点之间的距离变化情况确定该测点的z向位移方向：若位置图像中所述靶标上两个靶点之间的距离变大，则所述测点在z向上朝所述图像采集设备方向形变；若位置图像中所述靶标上两个靶点之间的距离变小，则所述测点在z向上朝远离图像采集设备方向形变。

测量方法，还包括一个通过直线图像捕捉直线交叉点以补偿校正靶点的步骤。

测量方法，还包括一个根据不同时刻动态计算测点三维形变的步骤。

测量方法，还包括一个根据动态的三维形变数据进行可视化显示的步骤。

测量方法，还包括一个根据动态的三维形变数据计算测点的振动频率、幅度、加速度的步骤。

本发明的有益效果是：

(1)本发明适用于特定三维规则形变(平移变形)的动态监测，复杂的三维形变(扭曲变形)可用多点测量保证检测结果的准确性，适用于桥梁、大坝、隧道、铁路、危岩等诸多被监测体的三维形变测量，适用范围广，实现方式简单可靠，检测结果准确度高，可实现智能远程监测，具有良好的市场前景。

(2)本发明采用无源靶标，具有制作成本低、维护成本低、故障率低、安全可靠等优势。

(3)本发明靶标上的靶点为多根直线构成的交叉点，在靶点的清晰度降低时，可通过直线图像捕捉直线交叉点的方式补偿校正靶点的位置，进一步提高了系统检测结果的准确度和可靠性。

(4)本发明可以在多个测点布置靶标和对应的图像采集设备，可同时测量多个测点的动态三维形变信息，并可通过可视化图表等形式体现各测点动态形变状态，直观方便。此外，可基于三维形变数据进一步计算各测点的振动频率、幅度、加速度等参数，多方位展现测点形变状态。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明靠近状态下测量z向位移量的结构示意图；

图3为本发明远离状态下测量z向位移量的结构示意图；

图中，1-图像采集设备，2-靶标，3-靶点。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于图像识别的三维形变动态测量系统，包括图像采集设备1、靶标2和图像处理单元：所述的靶标2安装于测点处，所述的靶标2上设有两个间距已知的靶点3；所述的图像采集设备1安装于固定点，所述的图像采集设备1用于采集所述靶标2的图像；所述的图像处理单元用于根据所述的图像采集设备1所采集到的靶标图像动态计算所述测点的三维形变。

本实施例中，所述的图像采集设备1可采用ccd传感摄像头或cmos传感摄像头等。

作为优选实施例，所述靶标2上的靶点3采用至少两根直线构成的交叉点，在靶点3的清晰度降低时，可通过直线图像捕捉直线交叉点的方式补偿校正靶点的位置，进一步提高了系统检测结果的准确度和可靠性。

作为优选实施例，所述的靶标2也可采用尺寸已知的标准黑白棋盘格靶标，黑白相隔便于进行图像识别找出交界处的交点，采用多个均匀分布的靶点可以进行鲁棒统计，提高图像识别算法的鲁棒性。

本申请中所述的靶标可采用无源靶标，与有源靶相比，无源靶具有制作成本低、维护成本低、故障率低、安全可靠等优势。

作为优选，所述的靶标也可采用夜视靶标，在光线不足的情况下，图像采集设备也能清楚地拍摄、识别靶标上的靶点，系统可实现24小时全天候测量。

基于图像识别的三维形变动态测量系统的测量方法，包括以下步骤：

s1：设备安装，将所述的靶标安装于测点处、将所述的图像采集设备安装于固定点，使得测点形变过程中各靶点均不脱离所述图像采集设备的采集范围；

s2：所述的图像采集设备采集第一时刻t1时所述靶点的第一位置图像p1，并存储于所述图像处理单元的存储器中；

s3：所述的图像采集设备采集第二时刻t2时所述靶点的第二位置图像p2，并存储于所述图像处理单元的存储器中；

s4：所述的图像处理单元从存储器中调用第一位置图像p1、第二位置图像p2，并分别识别出位置图像中的靶点位置数据，根据靶点位置数据计算该测点由第一时刻t1到第二时刻t2的三维形变量。

在具体实施过程中，确定一个时刻的靶点位置图像作为基准图像，后续位置图像均与该基准图像进行比对后得到变形数据，避免变形后的位置图像相互比较出现累积误差，提高了变形测量的准确度。

具体包括以下步骤：

(1)x向位移量计算：

分别计算每个靶点的x向位移量，并求平均值获得该测点的x向位移量△sx，根据位置图像中靶点的x向变化方向确定该测点的x向位移方向；

(2)y向位移量计算：

分别计算每个靶点的y向位移量，并求平均值获得该测点的y向位移量△sy，根据位置图像中靶点的y向变化方向确定该测点的y向位移方向；

(3)z向位移量计算：

z向位移量△sz＝|h-h*l/l|，其中，h为第一时刻t1时所述图像采集设备到所述靶标的垂直距离，l为第一位置图像p1中所述靶标上两个靶点之间的距离，l为第二位置图像p2中所述靶标上两个靶点之间的距离；

具体推导过程如下：

(1)测点在z向上朝向所述图像采集设备方向形变，即靠近时：

设第一时刻t1两个靶点在如图2所示的右侧，在位置图像中的两靶点间距即为l，图像采集设备1到靶标3的垂直距离为h；

发生z向上朝向图像采集设备1的位移后，第二时刻t2，在位置图像中的两靶点间距即为l；

有，

推导则有，

(2)测点在z向上朝远离图像采集设备方向形变，即远离时：

设第一时刻t1两个靶点在如图3所示的左侧，在位置图像中的两靶点间距即为l，图像采集设备1到靶标3的垂直距离为h；

发生z向上远离图像采集设备1的位移后，第二时刻t2，在位置图像中的两靶点间距即为l；

有，

推导则有，

根据位置图像中靶点之间的距离变化情况确定该测点的z向位移方向：若位置图像中所述靶标上两个靶点之间的距离变大，则所述测点在z向上朝所述图像采集设备方向形变；若位置图像中所述靶标上两个靶点之间的距离变小，则所述测点在z向上朝远离图像采集设备方向形变。

本实施例中，本测量方法还可以通过直线图像捕捉直线交叉点以补偿校正靶点。靶标上的靶点为多根直线构成的交叉点，在靶点的清晰度降低时，可通过直线图像捕捉直线交叉点的方式补偿校正靶点的位置，进一步提高了系统检测结果的准确度和可靠性。

本实施例中，本测量方法还可根据不同时刻动态计算测点三维形变，并根据动态的三维形变数据进行可视化显示。也可根据动态的三维形变数据计算测点的振动频率、幅度、加速度。本发明可以在多个测点布置靶标和对应的图像采集设备，可同时测量多个测点的动态三维形变信息，并可通过可视化图表等形式体现各测点动态形变状态，直观方便。此外，可基于三维形变数据进一步计算各测点的振动频率、幅度、加速度等参数，多方位展现测点形变状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。