一种桥梁缆索外观检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种桥梁缆索外观检测方法。
【背景技术】
[0002] 悬索桥、斜拉桥和拱桥是大跨径桥梁的主要结构形式，其中缆索是非常重要的结 构受力构件，起传递荷载的重要作用，国内有宜宾小南门桥、綦江县彩虹桥等桥梁都是因为 缆索（吊杆）断裂引发的桥梁倒塌的重大事故。因此桥梁缆索对于桥梁结构安全至关重要 作用。
[0003] 缆索检测是非常重要的日常工作。目前日常检测主要通过望远镜；定期检测通过 卷扬机拉动钢丝绳提升吊篮，检测人员在吊篮中对缆索检测，这种检测效率低、成本高、安 全性低。
[0004] 针对人工吊篮检测存在的安全性差、效率低的缺点，国内外很多研究机构也开发 专用于缆索外观检测的设备，专利CN 101538830A公开了桥梁索缆健康监测机器人，CN 104074135A也公开了一种桥梁索缆检测装置。
[0005] 上述两个专利设备共同特点是：大量机械（车架组件和悬挂组件）和爬升组件部 件完成缆索的自动爬升，搭载的检测设备靠近缆索，代替人工完成自动检测工作。机械结构 复杂，设备成本高，不易操作，设备成本高，检测时间长，且不同类型桥梁缆索的角度、直径、 环境等差异很大，一套设备很难适应所有缆索的检测，因此缆索的自动检测设备并没有大 规模投入使用。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种桥梁缆索外观检测 方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种桥梁缆索外观检测方法， 采用外观检测装置，该外观检测装置包括三脚架和采集平台，所述采集平台包括第一框架 和第二框架，所述第一框架通过竖直设置的转轴与所述三脚架顶部连接，且所述第一框架 可绕所转轴轴向旋转，所述第二框架两侧各通过一根转动轴与所述第一框架两侧连接，且 所述第二框架能以两根转动轴的连线为中心轴旋转；所述第二框架上安装有相机和镜头， 且所述相机中心水平线与所述两根转动轴处于同一平面；包括以下步骤：
[0008] 1)将桥梁缆索分为两个视角，所述两个视角分别设置在桥梁缆索的两侧，然后对 桥梁缆索进行正面拍摄；
[0009] 2)根据相机传感器尺寸、镜头焦距参数、图像重叠率，计算出单幅图像拍摄范围； 然后自动将桥梁缆索进行矩阵对角线分区，并计算出每个分区的两个转动角度；通过第一 框架和第二框架实现竖向和水平轴转动，按从上至下的顺序拍摄，直至完成桥梁缆索的图 像采集，并确定位置矩阵Μ ;
[0010] 3)根据位置矩阵Μ确定待拼接的图像，对采集的图像进行拼接处理；
[0011] 4)对拼接后的图像进行配准处理；
[0012] 5)由矢量CAD文件确定图形文件像素大小，并根据像素尺寸和像素个数确定缺陷 的长度、宽度和面积，采用地图集的方式对结构物外观的缺陷进行标记和量测，并将缺陷数 据记录到数据库之中，形成缺陷信息数据库。
[0013] 所述步骤2)的具体实现过程包括以下步骤：
[0014] 1)确定相机单幅图像拍摄区域范围fov :fov = 360 + PIXarctan(36 + coef + (2 X f Xmx));其中，PI为圆周率；c为相机变焦系数；f为相机焦距；mx为焦距倍增数；
[0015] 2)确定fov后，根据下式确定拍摄区域的行row、列col值，对拍摄区域分区：
[0016] row = ((AE_y-AS_y+fov)-〇l X fov) / (fovX (l-〇l)+l ；
[0017] col = ((AE_x-AS_x+fov)-〇l X fov) / (fovX (l-〇l)+l ；
[0018] 其中，AE_x是转轴在水平方向的终点位置;AE_y是转动轴在竖直方向的终点位 置;AS_x是转轴在水平方向的初始位置;AS_y是转动轴在竖直方向的初始位置；〇1为图像 重叠率；〇1为图像重叠率；
[0019] 3)计算转轴和转动轴的单位转动角度x_angle, y_angle :
[0020] x_angle = (AE_x_AS_x) / (col-1);
[0021] y_angle = (AE_y-AS_y)/ (row-1)；
[0022] 其中，AE_x是转轴在水平方向的终点位置;AE_y是转动轴在竖直方向的终点位 置;AS_x是转轴在水平方向的初始位置；AS_y是转动轴在竖直方向的初始位置；
[0023] 4)确定位置矩阵M，M中对角线上任意位置（i，j)处的转轴转动位置由下式确定：
[0024] M[i，j] = {AS_y+i X y_angle，AS_x+j X x_angle};其中，i，j 多 2 ;
[0025] 其中，AS_y是转动轴在竖直方向的初始位置;AS_x是转轴在水平方向的初始位 置。
[0026] 对采集的图像进行拼接处理包括以下步骤：
[0027] 1)由位置矩阵Μ对角线上的元素M[i_l，j-Ι]和M[i，j]确定待拼接的相邻两张图 像文件PJP P 2;
[0028] 2)根据重叠率〇1分别在Pi的左侧选取长为Pi长度、宽为Wl的重叠区域I i，在P2的右侧选取长为P2的长度、宽为W2的重叠区域12，确定拼接对象，Wp w2均大于〇1 ;
[0029] 3)对IJP I 2进行高斯平滑处理以后，采用Surf算子进行特征点提取，I挪I 2对 应的特征点集为fdPf 2;
[0030] 4)对特征点集fJPf2采用RANSAC算法进行提纯，剔除无效特征点，利用k-d tree 和BBF算法对提纯后的匕和〖2进行特征点匹配，将I JP I 2中的特征点进行一一对应；
[0031] 5)利用下式对剂P 12:
[0033] 其中，["^是需要对齐的像素对齐后在图像中的位置；是需要对齐的像素在 原始图像中的位置；
是进行对齐的几何变换矩阵和平移矩阵；
[0034] 6)采用加权平均的方法对对齐后的IJP I 2进行融合，得到Γ (X，y):
[0036] 其中，Ii (X，y)是I# (X，y)处的像素值；12(x，y)是L中（X，y)处的像素值；W 1、 W2分别为I JP I 2的宽度；
[0037] 7)对融合后的区域进行直方图均衡处理，消除拼接缝。
[0038] 对拼接后的图像进行配准处理包括以下步骤：
[0039] 1)将拼接后的图像进行灰度化、均衡化和二值化处理，获取图像中结构物的边界 位置信息；
[0040] 2)将图像中的结构物边界坐标与CAD图中结构物边界坐标--对应，通过双线性 变化，确定图像中每个像素的正确坐标位置；
[0041] 3)将CAD图中结构物边界的下边两个顶点坐标、配准前图像结构物边界下边的两 个顶点坐标代入下式，求出系数a, b, c, d, e, f, g, h :
[0043] 其中，（x"，y"）是每个像素经过几何变换后在图像中的位置；
[0044] 4)通过上述变换，实现图像每个像素的坐标与实际CAD图坐标--对应，完成图 像与CAD图配准。
[0045] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明不仅可以得到桥梁缆索表 面的缺陷信息，还可保证检测的精度和客观性，可以观测到亚毫米级的缺陷，满足实际工程 的需求；可以对缺陷进行准确定位、拍照、分类（裂纹、侵蚀、泄漏、剥落等），精确测量它们 的几何参数，每根缆索通过从两个垂直缆索的方向分别设站采集图像数据，将缆索分为两 个视角（分别在缆索的两侧）进行正面拍摄，由此形成一个完备的缺陷数据库，并自动生成 缺陷分布图和各类缺陷统计数据。通过定期的检测结果的对比，可以获得桥梁缆索的表面 缺陷宏观和微观的演变趋势，并建立结构物健康电子档案系统。
【附图说明】
[0046] 图1是本发明提供的基于高清全景图像的高耸结构物外观检测系统的流程图；
[0047] 图2是本发明提供的采集平台的设备仪器图；
[0048] 图3是本发明拍摄区域矩阵对角线模式分区图（一个视角）；其中A和B为缆索 的两端，C为分区拍摄，D为分区图像重复区域
[0049] 图4(1)是CAD图；图4(2)是配准前图像。
【具体实施方式】
[0050] 下面结合附图对本发明进行详细的说明。
[0051] (1)高清图像采集平台
[0052] 图像采集平台包括三脚架4和采集平台，所述采集平台包括第一框架6和第二框 架1，所述第一框架6通过竖直设置的转轴8与所述三脚架4顶部连接，且所述第一框架6 可绕所转轴8轴向旋转，所述第二框架1两侧各通过一根转动轴7与所述第一框架6两侧 连接，且所述第二框架1能以两根转动轴7的连线为中心轴旋转；所述第二框架1上安装有 相机2和镜头3,且所述相机2中心水平线与所述两根转动轴7处于同一平面。
[0053] 高清图像采集平台主要作用是：首先根据相机传感器尺寸、镜头焦距参数、图像重 叠率，计算出单幅图像拍摄范围；然后自动将目标桥梁缆索进行矩阵对角线分区（如图3所 示），并计算出每个分区的两个转动角度（竖向和水平向）；最后通过空间转动框架系统实 现竖向和水平轴转动，按从上至下的顺序自动拍摄，并记录每张图像的2个转动角度，为后 一步骤的图像拼接提供矩阵式的位置数据。
[0054] 软件控制系统同时控制空间转动框架系统和相机拍摄系统；空间转动框架系统控 制的主要参数如下：
[0055] 拍摄起始/终点位置AS (X，y) /AE (X，y)，X是横向转轴转动的角度，y是竖向转轴 转动的角度；图像重叠率〇1 (多25% );镜头焦距f、相机变焦系数coef、焦距倍增器mx和 相机单幅图像拍摄区域范围f〇v。
[0056] 具体计算步骤如下：
[0057] a)确定相机单幅图像拍摄区域范围fov，fov由式⑴求得。
[0058] fov = 360 + PI X arctan (36 + coef+(2 X fXmx)) (1)
[0059] 确定fov后，根据式（2)、（3)确定拍摄区域的行（row)列（col)值对拍摄区域分 区；
[0060] row = ((AE_y-AS_y+fov)-〇l X fov) / (fovX (l-〇l)+l ； (2)
[0061] col = ((AE_x-AS_x+fov)-〇l X fov) / (fovX (l-〇l)+l ； (3)
[0062] b)根据式（4)、（5)计算横、竖转轴单位转动角度x_angle, y_angle。
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