一种多角点靶标的视觉位移测量中大气湍流误差削弱方法

1.本发明涉及视觉测量技术领域，特别是涉及一种多角点靶标的视觉位移测量中大气湍流误差削弱方法。


背景技术：

2.随着工程结构的老化、环境变化和意外事故的发生，工程结构会受到不同程度的损伤，这不仅会带来物质和财产受到损失，还会危及人的生命安全。为了及时发现工程结构的损伤及有害变形，保障其长期安全使用，按时对结构进行评估、维护十分重要。而在对结构进行评估的过程中，位移是结构状态评估和性能评价的重要指标。近年来，基于视觉的位移测量系统已经成功地应用于结构健康监测领域，该系统利用非接触式的传感器对目标进行测量，进而得到结构的位移信息，能够实现远距离、非接触、高精度、低成本、多点高频实时监测，较传统监测方法具有显著的优势。
3.然而，视觉传感器在测量结构位移时很容易受到大气湍流的影响。外界环境的变化使空气温度梯度不断改变，空气密度随之发生变化，大气折射率变得不均匀，从而形成了大气湍流。当光在大气中传播时，来自同一光源的光束受到大气湍流的影响，通过随机的路径到达相机成像设备焦平面，所成目标图像将出现几何畸变和模糊等现象。因此，结构视觉位移测量在大气湍流介质中采集的目标图像在时间和空间上会出现不同程度的失真；其中：在时间域上，采集的图像序列之间的灰度存在一定差异；在空间域上，采集的目标图像受大气湍流的影响出现模糊、抖动、偏移、随机噪声等退化现象。因此，难以从受大气湍流影响的图像中高精度地提取目标结构的位移，产生了位移测量误差；同时，大气湍流引起的随机变化的位移测量误差混合在结构目标的真实位移中，若不能削弱大气湍流引起的位移测量误差，则无法满足高精度结构位移测量工程项目的需求。
4.目前，针对大气湍流引起的视觉位移测量误差，已有学者开展了相关研究，主要方法分为三类：
5.第一类是基于自适应光学的方法，自适应光学系统最早源于地基天文学领域消除望远镜受到大气湍流影响的问题，它是利用波前探测器将波前的畸变量反馈至变形镜，从而校正波前畸变，得到消除或减弱大气湍流影响的目标图像，从而获取图像中的信息；
6.第二类是基于图像后处理的方法，此类方法针对受大气湍流影响的图像进行复原处理，从而消除大气湍流对视觉位移测量的影响，此类方法大致可分为两种：一种是选取并融合采集图像序列中畸变较小的图像实现图像复原；一种是通过图像配准等方法消除图像序列中随机的局部形变，并使用反卷积算法复原图像；
7.第三类是基于稳定背景的方法，利用视觉位移测量系统采集图像背景中的固定物体(如建筑物、山、桥墩等)作为参照物，从而消除视觉位移测量受到大气湍流影响产生的误差，操作方便简单。
8.然而，上述三类针对大气湍流引起的视觉位移测量误差的处理方法仍存在以下不足：
9.第一类基于自适应光学的方法要求光波在透过大气传播的过程中近似垂直地面，从而达到消除大气湍流的目的，但近地面大气湍流十分复杂，使用此类方法需要波前探测器、变形镜及一些精密光学仪器，成本相对较高；同时，此类方法对大气湍流的补偿是不完全的，目标的高频信息会受到抑制和衰减，需要使用图像后处理技术获取更清晰的目标图像；
10.第二类基于图像后处理的方法虽然能够有效去除图像几何畸变和降低图像模糊，也损失了图像大量的纹理细节信息，消除了目标结构真实的位移信息，降低了视觉位移测量的精度；
11.第三类基于稳定背景的方法在实际应用中实现难度大；已有研究表明大气湍流引起的视觉位移测量误差随着相机至目标的距离不断增大，在实际工程应用中难以确保在监测目标的同一平面内找到静止的建筑物作为固定的参考背景。


技术实现要素：

12.本发明提供了一种多角点靶标的视觉位移测量中大气湍流误差削弱方法，包括以下步骤：
13.步骤一、制作视觉位移测量中使用的多角点靶标，并将多角点靶标固定在监测目标上；所述多角点靶标设置为包含十五个以上角点且在工业相机成像平面上的成像面积大于50％的靶标，且靶标上的多个角点均设置为大小一致的、规则排列在同一平面上的、正方形的角点，以及相邻两个角点之间的距离相等且相邻两个角点之间的距离大于10个像素；
14.步骤二、安装视觉位移监测系统，采集多角点靶标图像；
15.步骤三、利用靶标检测与定位算法检测每一帧多角点靶标图像上各个角点的坐标，并以第一帧为参考帧，计算后续图像上各个角点相对于第一帧的位移
16.步骤四、对多角点靶标同一帧上所有角点的位移值进行平均处理，获得校正后每一帧图像的像素位移根据靶标在图像平面上的像素尺寸l
image
和真实物理尺寸l
physical
，计算尺度因子sf，将靶标的像素位移转换为物理位移
17.可选的，所述步骤一中，多角点靶标的设计尺寸采用以下公式计算得到：
[0018][0019]
其中：d为多角点靶标在图像平面的对应像素数，z为相机到多角点靶标的平面距离，f为相机镜头焦距，d
pixel
为相机像素尺寸。
[0020]
可选的，所述步骤三中，靶标图像上每个角点相对于参考帧上对应角点的位移的计算公式如下：
[0021][0022]
其中：k＝1
…
n，i＝1
…
n，为靶标上每个角点在后续帧上的坐标，为靶标上每个角点在参考帧上的坐标，k为当前帧数，n为图像总帧数，i为靶标角点数，n为靶标角点总数。
[0023]
可选的，所述步骤四中，对多角点靶标同一帧上所有角点的位移值进行平均处理，
获得校正后每一帧图像的像素位移的计算公式如下：
[0024][0025]
可选的，所述步骤四中，尺度因子sf的计算公式如下：
[0026][0027]
可选的，所述步骤四中，靶标的真实物理位移的计算公式如下：
[0028][0029]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0030]
(1)本发明基于大气湍流引起的视觉位移测量误差在空间分布上具有随机性的特点，通过在监测目标上安装多角点靶标，利用靶标检测和定位算法获得靶标空间上不同角点的坐标，并计算其位移，并通过平均空间上不同角点的位移值最终获得靶标的物理位移，达到削弱大气湍流引起的位移测量误差的效果。本发明方法测量装置简单，易于操作，成本较低，实施难度小，有效降低了大气湍流对视觉位移测量的影响，能够提高视觉位移测量的精度。同时，本发明方法不需要借助稳定的参考目标及额外的测量仪器，适用于多种工程应用场景，具有良好的工程实用性。
[0031]
(2)本发明提供的一种多角点靶标的视觉位移测量中大气湍流误差削弱方法，首先基于视觉位移测量中大气湍流误差的特性制作了多角点的测量靶标；然后连续采集视觉测量传感器路径上受大气湍流影响的靶标图像；进一步，利用靶标检测与定位算法获取多角点靶标角点的坐标，并以第一帧为参考帧得到各个角点相对于参考帧上对应点的位移；最后对靶标空间上角点的位移值进行平均处理，从而削弱大气湍流引起的视觉位移测量误差，精确提取目标结构短时高频的位移，得到精确的视觉位移测量结果。
[0032]
(3)采用本发明所提供的方法步骤削弱大气湍流引起的视觉位移测量误差，可应用于工程结构的短时高频视觉位移测量，满足高精度的视觉位移测量需求。
[0033]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0034]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0035]
图1是本发明实施例中一种多角点靶标的视觉位移测量中大气湍流误差削弱方法的流程示意图；
[0036]
图2是本发明实施例中多角点靶标的示意图；
[0037]
图3是本发明实施例中使用多角点靶标削弱大气湍流对视觉位移测量影响前后的结果示意图。
具体实施方式
[0038]
为使本发明的上述目的、特征和优点等能够更加明确易懂，下面结合附图对本发
明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精确比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施；本发明中所提及的若干，并非限于附图实例中具体数量；本发明中所提及的
‘
前
’‘
中
’‘
后
’‘
左
’‘
右
’‘
上
’‘
下
’‘
顶部
’‘
底部
’‘
中部’等指示的方位或位置关系，均基于本发明附图所示的方位或位置关系，而不指示或暗示所指的装置或零部件必须具有特定的方位，亦不能理解为对本发明的限制。
[0039]
参见图1所示，一种多角点靶标的视觉位移测量中大气湍流误差削弱方法，包括以下步骤：
[0040]
步骤一、由于大气湍流所引起的大气折射率随机起伏会导致光线到达相机时发生随机起伏，在同一时刻靶标不同位置受到大气湍流的影响不同，而目标结构在空间上的运动为朝同一方向的整体平移，因此本发明采用在监测目标处固定由大小一致的、正方形结构的且规则排列在同一平面上的包含多个角点的靶标，以降低大气湍流对视觉位移测量的影响，从而获得更精确的位移测量结果；此处优选：多角点靶标相邻两个角点间的距离均设置相等(具体的，为了保证角点在工业相机成像平面上清晰成像，相邻两个角点的间距应大于10个像素)，且在节省计算效率的前提下，角点数量尽可能的多，以保证靶标在相机成像平面上的面积尽可能的最大化(具体的，靶标在相机成像平面上的面积应不小于50％)。
[0041]
具体的，为能够使靶标在相机成像平面上的面积大于等于50％并对靶标的多个角点进行设置，根据多角点靶标设计思想、视觉位移测量系统到固定多角点靶标平面的距离与相机参数，对多角点靶标的设计尺寸d采用以下公式进行计算，以保证靶标在相机成像平面上的面积：
[0042][0043]
其中：d为多角点靶标在图像平面的对应像素数，z为相机到多角点靶标的平面距离，f为相机镜头焦距，d
pixel
为相机像素尺寸。
[0044]
步骤二、在距离监测目标合适的位置安装视觉位移测量系统(视觉位移测量系统由工业相机、三脚架、计算机、连接计算机和工业相机的数据线组成)，调节视觉位移测量系统中的相机镜头、光圈和焦距使多角点的靶标在相机视场范围内均匀成像，开启相机至稳定状态后短时高频地采集多角点靶标图像，保存至计算机。
[0045]
步骤三、计算靶标各角点的图像坐标：利用靶标检测与定位算法检测每一帧多角点靶标图像上角点的坐标，并以第一帧为参考帧，计算靶标图像上每个角点相对于参考帧上对应角
[0046][0047]
其中：k＝1
…
n，i＝1
…
n，为靶标上每个角点在后续帧上的坐标，为靶标上每个角点在参考帧上的坐标，k为当前帧数，n为图像总帧数，i为靶标角点数，n为靶标角点总数。
[0048]
步骤四、对多角点靶标同一帧上所有角点的位移值进行平均处理，获得校正后每一帧图像的像素位移以达到削弱大气湍流对视觉位移测量影响的效果；像素位移的计算公式如下：
[0049][0050]
根据靶标在图像平面上的像素尺寸l
image
(pixel)和真实物理尺寸l
physical
(mm)计算尺度因子sf，从而将靶标的像素位移转换为真实物理位移其中：所述像素尺寸l
image
具体根据靶标图像上相邻两个角点的像素坐标计算其在图像平面上的像素长度获得，单位为像素；真实物理尺寸l
physical
具体为制作多角点靶标时相邻两个角点真实的设计尺寸，单位为mm。
[0051]
具体的，尺度因子sf的计算公式如下：
[0052][0053]
具体的，真实物理位移的计算公式如下：
[0054][0055]
实施例1：
[0056]
应用上述所述的多角点靶标削弱视觉位移测量中大气湍流误差的方法在实验室内开展了验证视觉位移测量精度实验的具体过程如下：
[0057]
步骤一、制作多角点靶标，具体的，当视觉位移测量系统距离监测目标5m，镜头焦距为75mm，相机像素尺寸为3.45μm/pixel时，根据多角点靶标的设计思想及相机参数设计了一种多角点靶标，参见图2所示。靶标尺寸设计为12
×
27cm，靶标平面上共设为8
×
3个角点，相邻两个角点之间的间距为105像素，靶标在视觉位移测量系统上成像面积超过70％。采用上述方法制作多角点靶标并固定在距离视觉位移测量系统5m的静止墙面上。通过采集多角点靶标受到大气湍流影响的图像，驱证使用多角点的靶标削弱大气湍流引起的位移测量误差的有效性。
[0058]
步骤二、安装视觉位移测量系统并采集多角点靶标图像的过程具体如下：
[0059]
(1)在密闭的实验室内进行本发明的验证实验，由于将制作的多角点靶标固定在距离视觉位移测量系统5m的静止墙面上，因此监测得到包含多角点的靶标的位移量为0；
[0060]
(2)在稳定的地面安装视觉位移测量系统，调节视觉位移测量系统中的相机镜头、光圈和焦距使多角点靶标在相机视场范围内均匀成像，等待相机至稳定状态；
[0061]
(3)在固定靶标的墙面与相机之间放置一个模拟大气湍流发生的加热器，调节加热器至稳定温度，连续采集墙面靶标图像并保存至计算机；
[0062]
(4)以相机采样率为90帧/秒、采样时间为20秒的方式采集多角点靶标图像，尺度因子约为0.28mm/像素。
[0063]
步骤三、使用角点检测算法获取多角点靶标上24个角点的坐标，并以采集的第一帧图像为参考帧，计算靶标每一帧图像上所有角点相对于参考帧对应点的位移。
[0064]
步骤四、进一步对多角点靶标的同一帧上所有靶标角点的位移值进行平均处理，最后得到削弱大气湍流对视觉位移测量影响的位移结果。
[0065]
具体的，使用多角点靶标削弱大气湍流对视觉位移测量影响前后的结果分别如图3和表1所示。
[0066]
表1
[0067][0068]
步骤五、经过上述实验结果显示，使用多角点靶标削弱大气湍流对视觉位移测量影响前竖直方向的最大位移误差(y
max
)达到了-0.656mm、均方根误差(rmse)为0.126mm、方差σ2为0.016mm2；而使用多角点靶标削弱大气湍流对视觉位移测量影响后竖直方向的最大位移误差(y
max
)减少到0.299mm、均方根误差(rmse)为0.061mm、方差σ2为0.004mm2。可见，采用本技术中使用多角点靶标削弱视觉位移测量误差的方法后均方根误差(rmse)改正率达到51.6％且方差σ2降低75％，验证了本发明提出方法的有效性。
[0069]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。