技术特征：
1.基于多线激光的隧道衬砌三维结构的建模方法，其特征在于；包括：接收采集到的图像，并对图像上的隧道衬砌表面激光条上的点进行提取，获取隧道衬砌表面激光条上的点像素坐标；对ccd相机进行标定，获取相机的投影矩阵，实现对像素坐标和世界坐标的转换；基于最小二乘法的三维坐标转换，获取每个激光条的点像素坐标对应的世界坐标系内的点像素坐标，将不同坐标系下的点变换到同一坐标系下；基于catmull_rom方法将世界坐标系下每个点的像素坐标数据进行插值，并将插值后的坐标数据导入三维重构软件中，获得隧道衬砌的三维轮廓模型。2.根据权利要求1所述的基于多线激光的隧道衬砌三维结构扫描方法，其特征在于；所述获取光条上的点像素坐标包括对光条中心的进行提取和定位光条区域；所述定位光条区域，具体为：基于图像上最大灰度值点，确定区域灰度的范围，并基于区域灰度斜率对区域灰度范围中的灰度值进行筛选，对筛选后的区域灰度进行去噪处理，同时通过光条点两边灰度斜率的变化进行光条区域定位；所述区域灰度范围由人为设定；所述区域灰度范围中的灰度值大于区域灰度斜率，则为光条区域点；区域灰度范围中的灰度值小于区域灰度斜率，则不属于光条区域点；所述区域灰度斜率如公式(1)所示：其中，像素(i，j)对应的像素灰度值为g
i，j
。3.根据权利要求2所述的基于多线激光的隧道衬砌三维结构扫描方法，其特征在于；所述对光条中心的进行提取，具体为：基于灰度中心加权法，对光条中心亚像素精度进行计算，如公式(2)所示：其中，光条区域为s，g(x，j)为像素点的坐标。4.根据权利要求1所述的基于多线激光的隧道衬砌三维结构扫描方法，其特征在于；所示对ccd相机进行标定，具体为：世界坐标系中的点a1(x
w
，y
w
，z
w
)经刚体变换转换到ccd相机坐标系a2(x
c
，y
c
，z
c
)中；相机坐标系a2(x
c
，y
c
，z
c
)经透视投影转换到ccd像平面坐标系中，理想坐标点为a3(x
d
，y
d
)；基于径向畸变和切向畸变，将a3(x
d
，y
d
)转换为实际坐标点a4(x，y)；将在ccd像平面坐标系中的实际坐标点a4(x，y)转换为像素坐标系中，用a5(u，v)表示；假设(x，y)位于像平面坐标系，(u0，v0)位于像素坐标系中，则两坐标系之间的矩阵转换关系为：
(u，v)为(x，y)在像素坐标系中的坐标，(u0，v0)为像平面几何中心，像平面坐标系的原点，d
x
，d
y
为ccd相机的感光元件像素的实际宽和高；假设(x，y)在世界坐标系中坐标为a1(x
w
，y
w
，z
w
)，在ccd相机坐标系中为a2(x
c
，y
c
，z
c
)，则两者转换矩阵关系如公式(4)所示：其中，r为外参标定的旋转矩阵；而相机坐标系a2(x
c
，y
c
，z
c
)经透视投影转换到ccd像平面坐标系中，理想坐标点为a3(x
d
，y
d
)，其转换关系如公式(5)所示：径向畸变如公式(6)所示：其中，r表示畸变点到图像坐标系原点的距离；切向畸变如公式(7)所示：其中，k1、k2为径向畸变系数，p1、p2为切向畸变系数；将像素坐标转换到世界坐标系中的三维坐标，转换关系如公式(8)所示：其中，z
c
为比例因子；f为相机焦距；称为相机的投影矩阵。5.基于多线激光的隧道衬砌三维结构的建模系统，其特征在于；包括：提取模块，所述提取模块用于接收采集到的图像，并对图像上的隧道衬砌表面激光条
上的点进行提取，获取隧道衬砌表面激光条上的点像素坐标；标定模块，所述标定模块用于对ccd相机进行标定，获取相机的投影矩阵，实现对像素坐标和世界坐标的转换；转换模块，所述转换模块基于最小二乘法的三维坐标转换，获取每个激光条的点像素坐标对应的世界坐标系内的点像素坐标，将不同坐标系下的点变换到同一坐标系下；插值模块，所述插值模块基于catmull_rom方法将世界坐标系下每个点的像素坐标数据进行插值，并将插值后的坐标数据导入三维重构软件中，获得隧道衬砌的三维轮廓模型。6.基于多线激光的隧道衬砌三维结构扫描装置，其特征在于，包括：编码器、分频板、led频闪灯、驱动板、采集系统、开关电源、电源、汽车；所述采集系统包括若干个采集单元，所述采集单元包括ccd相机和线激光器，所述编码器设置于汽车的车轮上，编码器连接分频板，所述分频板连接ccd相机，所述分频板连接驱动板，驱动板连接led频闪灯；所述led频闪灯由开关电源进行供电；所述线激光器由电源进行供电。7.根据权利要求6所述的基于多线激光的隧道衬砌三维结构扫描装置，其特征在于，还包括：汽车路线修正装置；所述汽车路线修正装置包括姿态检测系统、连接横梁、纵梁和激光器；纵梁与汽车之间通过连接横梁连接，横梁起支撑作用，激光器位于纵梁上，纵梁与隧道墙面平行；所述姿态检测系统为imu传感器；还包括计算机和采集卡，所述计算机接收ccd相机通过采集卡传递的图像。8.基于权利要求7所述装置的多线激光的隧道衬砌三维结构扫描装置，其特征在于；所述相机采集到的图像信息，具体为：编码器连接分频板触发相机进行同步拍摄，分频板连接驱动板，控制led频闪灯的通断，由开关电源供电，实现相机和led的同步；汽车处于隧道的一端，位于车轮上的编码器记录汽车位置；打开线激光器，激光照射到隧道衬砌表面；打开相机，调整相机的角度，设置相机的参数，使相机能够拍摄到清晰的图像；当采集到的图像清晰时，启动汽车尽可能沿一方车道中心前进，线激光扫过整个隧道衬砌的一半，调整曝光，使相机以一定频率采集图像；当汽车出隧道时，此过程结束；调转汽车方向，重复上述过程，完成整个隧道衬砌图像的采集；采集到的图像通过采集卡，最后传输到计算机中进行基于多线激光的隧道衬砌三维结构的建模。9.根据权利要求8所述的基于多线激光的隧道衬砌三维结构扫描装置，其特征在于；在相机采集到图像之前，还包括对汽车路线修正进行修正，具体为：通过获取各激光器与隧道墙面的距离，配合imu传感器获取汽车的横摆角度，通过计算位于隧道墙面的激光点与基准的距离差来判断汽车是否符合规定精度要求，从而修正汽车偏离角度。
技术总结
本发明公开了一种基于多线激光的隧道衬砌三维结构的建模方法、系统及装置，包括：接收采集到的图像，并对图像上的隧道衬砌表面激光条上的点进行提取，获取隧道衬砌表面激光条上的点像素坐标；对CCD相机进行标定，获取相机的投影矩阵，实现对像素坐标和世界坐标的转换；基于最小二乘法的三维坐标转换，获取每个激光条的点像素坐标对应的世界坐标系内的点像素坐标，将不同坐标系下的点变换到同一坐标系下；基于catmull_rom方法将世界坐标系下每个点的像素坐标数据进行插值，并将插值后的坐标数据导入三维重构软件中，获得隧道衬砌的三维轮廓模型。本发明能够提高隧道衬砌病害定位的准确性和速度，同时节省人力成本。同时节省人力成本。同时节省人力成本。
技术研发人员：王建锋 马建 宋宏勋 吴学勤 杨庆功 尹义壮 刘文豪 邱雨
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2022.06.27
技术公布日：2022/10/3