基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正方法、系统及装置

1.本发明属于盾构施工技术领域，涉及到盾构施工监测仪器仪表，特别涉及到一种基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正方法、系统及装置。


背景技术：

2.随着城市地铁隧道和其他地下工程大规模建设的需要，盾构施工技术和装备在世界范围内得到了快速的发展和应用。盾尾间隙是盾构掘进施工过程中需要精确测量和实时监控的一类关键技术参数，对于控制盾构机姿态及保证盾构施工的高效和安全等方面起着至关重要的作用。具体地，盾尾间隙是指管片外径和盾构壳体内径之间的间隙距离。当盾尾间隙变化量超出设定的范围时，将会使盾尾和管片之间发生过度挤压，加速盾尾密封刷的磨损，减缓掘进速度，甚至造成管片错台或损坏，导致隧道渗漏和地表沉降等严重后果。因此，有必要对盾尾间隙进行实时、连续和周期性测量来保证盾构施工的效率和安全。
3.人工测量盾尾间隙不仅耗费人力而且精度较差。有学者提出了一些基于机器视觉的盾尾间隙测量方法，这些方法通过将像素距离转换为物理距离监测盾尾间隙值，因此都存在一个重要前提：相机成像平面与管片侧端面时刻保持平行，参见图1。
4.在盾构机对隧道进行挖掘的行进过程中，选用特定的钢筋混凝土管片作为衬砌。在此过程中，因有曲线段施工和蛇形修正的需要，所以需要有楔形量的转弯环进行隧道的转向。由于楔形量的存在，转弯环各处长度不一致，必定导致相机成像平面与管片侧端面存在夹角，使监测设备采集图片存在畸变。现阶段基于机器视觉的盾尾间隙监测方法忽视了此图像畸变，因此在转弯环的盾尾间隙监测过程中存在系统误差。


技术实现要素：

5.针对现有基于机器视觉的盾尾间隙测量方法中未考虑管片楔形量对监测图像的影响这一问题，本发明提出一种基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正方法、系统及装置。通过对转弯环监测时的畸变图像进行还原，实现基于机器视觉的盾尾间隙监测结果的精度提升，消除了现有方法存在的系统误差。
6.第一方面，提供一种基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正方法，盾尾间隙通过盾尾间隙监测装置测量，盾尾间隙监测装置包括为盾尾间隙测量提供距离标定的两激光器，以及拍摄两激光器标定下的盾尾间隙图像的相机，所述方法包括：获取两激光器的物理间距；获取原始盾尾间隙图像；从原始盾尾间隙图像中提取两激光器激光中心坐标与管片侧端面下边缘直线方程；计算盾构机管片楔形量；通过楔形量计算相机平面与拍摄平面夹角以及实际拍摄的两激光器间距；根据相机平面与拍摄平面夹角、两激光器物理间距、原始的盾尾间隙图像中提取的两激光器激光中心坐标和管片侧端面下边缘直线方程，对两激光器激光中心坐标和管片侧端面下边缘两端共四点进行坐标矫正；将矫正前后四点坐标代入图像变换矩阵计算求出矫正参数；利用解出矫正参数的图像变换矩阵对所述原始盾尾间隙图像进行还原。
7.第二方面，提供.一种基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正系统，盾尾间隙通过盾尾间隙监测装置测量，盾尾间隙监测装置包括为盾尾间隙测量提供距离标定的双激光器，以及拍摄双激光标定下的盾尾间隙图像的相机，所述系统包括：第一获取模块，其被配置为获取两激光器的物理间距；第二获取模块，其被配置为获取原始盾尾间隙图像；特征提取模块，其被配置为从原始盾尾间隙图像中提取两激光器激光中心坐标与管片侧端面下边缘直线方程；第一计算模块，其被配置为计算盾构机管片楔形量；第二计算模块，其被配置为通过楔形量计算相机平面与拍摄平面夹角；透视变换模块，其被配置为根据相机平面与拍摄平面夹角、两激光器物理间距、原始的盾尾间隙图像中得到两激光器激光中心坐标和管片侧端面下边缘直线方程，对两激光器激光中心坐标和管片侧端面下边缘两端共四点进行坐标矫正；矫正参数计算模块，其被配置为将矫正前后四点坐标代入图像变换矩阵计算求出矫正参数；以及图像还原模块，其被配置为利用解出矫正参数的图像变换矩阵对原始盾尾间隙图像进行还原。
8.第三方面，提供一种基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正装置，包括：处理器；存储器，包括一个或多个程序模块；其中，所述一个或多个程序模块被存储在所述存储器中并被配置为由所述处理器执行，所述一个或多个程序模块包括用于实现所述的基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正方法的指令。
9.第四方面，提供一种存储介质，用于存储非暂时性指令，当所述非暂时性指令由处理器执行时能够实现所述的基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正方法。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
11.图1为本发明一实施例提供的基于机器视觉的盾尾间隙测量示意图。
12.图2为本发明一实施例提供的两十字激光器的激光照射在管片侧端面示意图。
13.图3为本发明一实施例提供的基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正方法流程图。
14.图4为本发明一实施例提供的盾构机管片楔形量计算示意图。
具体实施方式
15.如图1，本发明的基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正依托盾尾间隙监测装置实现，该装置包含两只十字标定激光器(以下也称为“两激光器”)、变焦工业相机。两激光器为盾尾间隙提供距离标定，同时两激光器的激光十字中心也作为盾尾间隙图像矫正点。激光器水平激光线始终与管片下边缘平行，激光器竖直激光线始终与管片下边缘垂直。图2为两十字激光器的激光照射在管片侧端面示意图。两激光器固定，即物理间离保持不变。变焦工业相机用于拍摄两十字激光标定下的盾尾间隙图像。变焦工业相机保证在不同拍摄距离下，感兴趣区域图像占比保持不变。
16.在得到原始的盾尾间隙图像后，本发明通过图像处理从原始的盾尾间隙图像中得到两激光器激光中心坐标与管片侧端面下边缘直线方程，并根据拍摄点位的盾尾间隙值计算相机平面与拍摄平面夹角。以管片侧端面下边缘左端点作为参考点保持位置不变，根据相机平面与拍摄平面夹角、两激光器物理间距以及从原始的盾尾间隙图像中得到两激光器
激光中心坐标和管片侧端面下边缘直线方程，对两激光器激光中心坐标、管片下边缘两端点共四点进行坐标矫正(透视变换)。比较矫正前后两激光器激光中心坐标、管片下边缘两端点，以得到图像变换矩阵。利用图像变换矩阵校正原始的盾尾间隙图像。
17.图3示出了一种基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正方法。下面对图3所示的方法进行详细说明。
18.步骤1，初始化激光器、变焦工业相机，获取两激光器的物理间距。
19.步骤2，获取原始的盾尾间隙图像。
20.步骤3，从原始的盾尾间隙图像中提取两激光器激光中心坐标和管片侧端面下边缘直线方程。
21.步骤4，根据隧道转弯半径和其他已知条件计算盾构机管片楔形量。
22.参考图4，选取某一段曲线隧道abfe，隧道管片长度为l，楔形量为2s，转弯半径长度为r，曲线隧道转过的角度为x，管环半径为r。
23.则根据楔形量的定义与弧长公式可以得到：
[0024][0025]
其中为曲线隧道中轴线弧长，为曲线隧道内测弧长，为曲线隧道外测弧长。
[0026]
隧道转弯半径与楔形量的关系式为：
[0027][0028]
步骤5，通过楔形量计算相机平面与拍摄平面夹角、实际拍摄的两激光器间距。
[0029]
步骤5.1，根据相机与管片侧端面的相对平面位置计算相机平面与拍摄平面夹角，公式如下所示：
[0030][0031]
其中β为相机平面与拍摄平面夹角；s为楔形量的一半；r为管环半径；r为隧道转弯半径，l为管片长度。
[0032]
步骤5.2，由于相机平面与拍摄平面存在夹角，图像中的标定信息无法反映真实的标定情况，本发明通过楔形量计算实际拍摄的两激光器间距公式如下所示：
[0033][0034]
其中q为实际拍摄的两激光器间距；w为盾尾间隙监测装置端两激光器物理间距；s为楔形量的一半；r为管环半径；r为隧道转弯半径，l为管片长度。
[0035]
实际拍摄的两激光器间距是在后续计算盾尾间隙时才需要用到的，本发明不涉及盾尾间隙计算的内容。
[0036]
步骤6，根据相机平面与拍摄平面夹角、两激光器物理间距以及从原始的盾尾间隙
图像中提取的两激光器激光中心坐标和管片侧端面下边缘直线方程，对两激光器激光中心坐标、管片下边缘两端点共四点进行坐标矫正(透视变换)，透视变换矩阵如下式所示：
[0037][0038]
其中，(u,v)为相机拍摄的透视图像中的像素坐标；(x,y)为矫正后得到图像的像素坐标，且x＝x'/w，y＝y'/w'；t为变换矩阵，a
11
、a
12
、
…
、a
33
为变换矩阵中各元素。
[0039]
步骤7，比较矫正前后四点坐标，计算图像变换矩阵。图像变换矩阵计算如下所示：
[0040][0041]
其中，(u,v)为相机拍摄的透视图像中的像素坐标；(x,y)为矫正后得到图像的像素坐标；a、b、
…
、m、l为透视变换矩阵参数。将矫正前后的四组对应坐标点带入上式中求出矫正参数，接着利用解出的矫正参数对获取的原始盾尾间隙图像进行还原，在矫正过程中，由于透视图像通过矫正得到的还原图像素点并非连续，使用双线性内插值的方法对空缺像素点进行插值。
[0042]
步骤8，输出矫正后盾尾间隙图像。本发明输出的矫正图像也是用于精确计算盾尾间隙的，或者说，本发明是为精确计算盾尾间隙提供前提条件的。
[0043]
保存盾尾间隙图像，进行数字图像处理，计算盾尾间隙值并输出，盾尾间隙监测结束。
[0044]
在一些实施例中，还提供一种基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正系统，包括：第一获取模块、第二获取模块、特征提取模块、第一计算模块、第二计算模块、透视变换模块、矫正参数计算模块和图像还原模块。
[0045]
第一获取模块被配置为获取两激光器的物理间距。
[0046]
第二获取模块被配置为获取原始盾尾间隙图像。
[0047]
特征提取模块被配置为从原始盾尾间隙图像中提取两激光器激光中心坐标与管片侧端面下边缘直线方程。
[0048]
第一计算模块被配置为计算盾构机管片楔形量。
[0049]
第二计算模块被配置为通过楔形量计算相机平面与拍摄平面夹角以及实际拍摄的两激光器间距。
[0050]
透视变换模块被配置为根据相机平面与拍摄平面夹角、两激光器物理间距、原始的盾尾间隙图像中得到两激光器激光中心坐标和管片侧端面下边缘直线方程，对两激光器激光中心坐标和管片侧端面下边缘两端共四点进行坐标矫正。
[0051]
矫正参数计算模块被配置为将矫正前后四点坐标代入图像变换矩阵计算求出矫正参数；
[0052]
图像还原模块被配置为利用解出所述矫正参数的所述图像变换矩阵对所述盾尾间隙图像进行还原。
[0053]
基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正系统各个模块更加详细的实现方法参考上文的基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正方法。
[0054]
在一些实施例中，还提供一种基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正装置。装置包括处理器和存储器。存储器用于存储非暂时性指令(例如一个或多个程序模块)。处理器用于运行非暂时性指令，非暂时性指令被处理器运行时可以执行上文所述的基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正方法中的一个或多个步骤。存储器和处理器可以通过总线系统和/或其它形式的连接机构互连。
[0055]
例如，处理器可以是中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)或者具有数据处理能力和/或程序执行能力的其它形式的处理单元。例如，中央处理单元(cpu)可以为x86或arm架构等。处理器可以为通用处理器或专用处理器，可以控制电子设备中的其它组件以执行期望的功能。
[0056]
例如，存储器可以是易失性存储器和/或非易失性存储器。易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(ram)和/或高速缓冲存储器(cache)等。非易失性存储器例如可以包括只读存储器(rom)、硬盘、可擦除可编程只读存储器(eprom)、紧凑型光盘只读储存器(cd-rom)、usb存储器、闪存等。在存存储器上可以存储一个或多个程序模块，处理器可以运行一个或多个程序模块，以实现电子设备的各种功能。
[0057]
在一些实施例中，还提供一种存储介质，该存储介质用于存储非暂时性指令，当非暂时性指令由计算机执行时可以实现上述的基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正方法中的一个或多个步骤。也就是本技术实施例提供的基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正方法以软件的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个存储介质中。关于存储介质的相关说明可以参考上文电子设备的存储器的相应描述，此处不再赘述。
[0058]
以某常规盾构现场信息为基础：盾构管环半径3.2m，管片长度1.5m，图像采集设备内两激光器间距120mm。以某基于机器视觉与双激光器标定的盾尾间隙监测系统为例，系统使用变焦工业相机对管片侧壁图像进行采集，通过激光器标定盾尾间隙。在转弯环盾尾间隙的监测工程中，存在的拍摄角度导致获取的图像畸变，致使标定信息发生改变。针对基于机器视觉的盾尾间隙监测系统在转弯环盾尾监测过程中的畸变图像，利用管片楔形量信息对盾尾间隙图像进行矫正。
[0059]
不同转弯半径下的预设标记间距、实际拍摄间距、拍摄平面夹角结果信息如下表1所示。
[0060]
表1楔形量与拍摄夹角关系
[0061][0062]
从表中数据可以看出，以某常规盾构现场数据为例进行计算，由于有楔形量的存在，相机拍摄平面与相机成像单元平面间存在一定夹角，而并非系统理想状态下双十字激
光器标定激光垂直于管片，虽然夹角较小，但在连续转弯过程中会对盾尾间隙监测结果产生误差。
[0063]
与原有监测方式不同，加入基于管片楔形量的盾尾间隙图像矫正后，图像处理的原始图片从畸变图片转变为了正常图片，避免了畸变图像对标定信息与标定坐标位置的影响，为提升盾尾间隙图像质量和精度提供了重要的保障。