肖和華，金鼎沸

(1.長(zhǎng)沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007；

2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

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基于機(jī)器視覺的路基沉降監(jiān)測(cè)方法研究

肖和華1，金鼎沸2

(1.長(zhǎng)沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007；

2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

摘要:對(duì)路基沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)且有效的監(jiān)測(cè)，對(duì)于維護(hù)工程質(zhì)量，保障通車安全具有重要意義。為提高監(jiān)測(cè)效率，降低監(jiān)測(cè)成本，提出一種基于光筆式機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)的非接觸式沉降監(jiān)測(cè)方法，將光筆置于監(jiān)測(cè)靶面之上，通過一個(gè)CCD單相機(jī)對(duì)光筆進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過圖像處理的方法，計(jì)算出光筆垂直向下方向的位移，從而達(dá)到沉降監(jiān)測(cè)的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明：監(jiān)測(cè)斷面處的計(jì)算沉降值與實(shí)際沉降值基本吻合，相對(duì)誤差達(dá)到了1.75%和1.62%。

關(guān)鍵詞：沉降監(jiān)測(cè)；機(jī)器視覺；光筆；圖像處理

路基沉降監(jiān)測(cè)是道路施工以及工后運(yùn)營(yíng)維護(hù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。但是，當(dāng)前的沉降監(jiān)測(cè)方法大多通過地下埋設(shè)沉降管，并通過硅微壓傳感或陶瓷微壓傳感來監(jiān)測(cè)沉降管中壓力差的辦法實(shí)現(xiàn)沉降測(cè)量[1]，此方法雖然精度高，但是由于是將沉降管與傳感器埋設(shè)于路基斷面，導(dǎo)致其更換困難，若傳感器失效，則會(huì)影響監(jiān)測(cè)效率，增大監(jiān)測(cè)成本。針對(duì)這種缺陷，有學(xué)者考慮使用機(jī)器視覺的方法，對(duì)路基沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即通過工業(yè)相機(jī)對(duì)沉降點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)拍攝，計(jì)算出沉降點(diǎn)的垂直向下位移，從而得出沉降值。這種方法避免了頻繁更換傳感器，提高了監(jiān)測(cè)效率；也避免了更換沉降管時(shí)對(duì)路基路面的開挖，從而節(jié)約了監(jiān)測(cè)成本。刑敬宏等[2]以激光光源代替沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過光斑位移來計(jì)算出路基沉降量，但是由于激光投影會(huì)造成光斑擴(kuò)大，從而難以確定光學(xué)中心，造成較大的測(cè)量誤差。宋小齊[3]將激光技術(shù)與電子控制技術(shù)結(jié)合，開發(fā)了一套沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，雖然預(yù)測(cè)精度得以提高，但仍無法適用于大范圍監(jiān)測(cè)的情況。史磊[4]采用光學(xué)傳感器捕捉沉降監(jiān)測(cè)特征點(diǎn)位移，但難以解決圖像處理中的噪聲問題，有時(shí)會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。對(duì)此，本文以光筆代替沉降監(jiān)測(cè)識(shí)別點(diǎn)，通過對(duì)光筆的垂直向下位移計(jì)算來實(shí)現(xiàn)路基沉降的監(jiān)測(cè)，既能避免光斑擴(kuò)散的情況，又能有效規(guī)避光學(xué)噪點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)較大范圍的沉降監(jiān)測(cè)。

1基本理論分析

1.1　視覺測(cè)量基本原理

圖1　機(jī)器視覺模型Fig.1 Model of machine vision

如圖1所示，A為一被測(cè)點(diǎn)，O為相機(jī)坐標(biāo)系，a為點(diǎn)A在相機(jī)成像平面上坐標(biāo)系上的坐標(biāo)點(diǎn)。視覺測(cè)量的基本模型是通過小孔成像原理得出的。小孔成像原理主要研究空間絕對(duì)坐標(biāo)系中一點(diǎn)A(X,Y,Z)反映到圖像坐標(biāo)系中的過程，而視覺測(cè)量是指由圖像坐標(biāo)系中已知坐標(biāo)的點(diǎn)來反推空間A點(diǎn)的某一坐標(biāo)，具體過程如下：

設(shè)空間一點(diǎn)A的坐標(biāo)為(X,Y,Z)，其在相機(jī)坐標(biāo)系中的像點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y,z)。那么從空間坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系有：

(1)

這其中R是3×3三階旋轉(zhuǎn)矩陣，T是三階的平移向量(R和T為相機(jī)參數(shù)，下文求解)，這兩個(gè)矩陣也就決定了由空間絕對(duì)坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換關(guān)系，并且具有唯一性。

通過小孔成像模型易知，若不計(jì)誤差，則有：

(2)

(3)

f為相機(jī)焦距。

而成像平面坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系具有如下關(guān)系：

u=XNx+u0

(4)

v=YNy+v0

(5)

其中，u0和v0代表像點(diǎn)(點(diǎn)a)中心坐標(biāo)；Nx與Ny代表單位距離內(nèi)像素點(diǎn)的數(shù)量。那么，圖像坐標(biāo)與空間絕對(duì)坐標(biāo)的關(guān)系式可以總結(jié)如下：

(6)

其中，Z為物象距離，在本文測(cè)量系中是已知的，故以通過以上方程求解X與Y即可得到測(cè)量計(jì)算目的。

1.2　光筆輔助測(cè)量原理

1.1節(jié)闡述了機(jī)器視覺的基本理論，可以使視覺測(cè)量理論上變得可行，但是要實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)點(diǎn)的識(shí)別，還需要一個(gè)光筆(鑲嵌高亮度LED燈的光學(xué)測(cè)棒)作為輔助工具，這個(gè)光筆使得相機(jī)能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)背景區(qū)別開來。本測(cè)量系統(tǒng)采用中南大學(xué)CAD/CAM研究所自主研發(fā)制造的7點(diǎn)式光筆(如圖2所示)。

(a)7點(diǎn)式光筆；(b)光筆尺寸結(jié)構(gòu)圖2　7點(diǎn)式光筆實(shí)物及尺寸Fig.2 Seven point light-pen and its size

如圖2(b)所示，A為沉降監(jiān)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)，其余7點(diǎn)為相機(jī)識(shí)別控制點(diǎn)，根據(jù)前人理論，僅當(dāng)控制點(diǎn)的數(shù)目大于等于3個(gè)時(shí)，A點(diǎn)坐標(biāo)才是唯一的(三點(diǎn)透視原理參見文獻(xiàn)[5])。本文采用7點(diǎn)式對(duì)稱冗余結(jié)構(gòu)，目的是通過直線BCD、直線ECH、直線FCG分別計(jì)算出A點(diǎn)的坐標(biāo)，繼而求其平均，可以減小計(jì)算誤差。

1.3　相機(jī)標(biāo)定

在機(jī)器視覺的模型中存在很多參數(shù)，有些參數(shù)為相機(jī)固有屬性，可通過說明書查閱，而對(duì)于相機(jī)平移和旋轉(zhuǎn)矩陣這些參數(shù)，只有通過標(biāo)定來獲得。本文采用正方形黑白棋盤格標(biāo)定板，通過Zhang標(biāo)定算法[6]對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，每小格尺寸為30 mm×30 mm，如圖3所示。

圖3　黑白棋盤格標(biāo)定板Fig.3 Reversing checkerboard calibration board

2路基沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

本文組建的路基沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)模塊如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與流程Fig.4 Structure and process of the system

2.1　圖像采集模塊

本文采用DALSA Spyder Color CL彩色線陣CCD工業(yè)攝像機(jī)，攝像機(jī)提供了多種顏色輸出格式來滿足不同的顏色要求，包括RGB，RG/BG或者G。該款攝像機(jī)也集成了一些高級(jí)特性，比如平場(chǎng)校正、自動(dòng)平衡，并且可對(duì)光源進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)，具有2048*4096的高分辨率，能通過無線實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，可滿足施工現(xiàn)場(chǎng)的沉降測(cè)量要求。

2.2　圖像處理模塊

由于采用光筆作為識(shí)別點(diǎn)，則無需采用復(fù)雜的圖像處理技術(shù)，僅需對(duì)采集到的圖像進(jìn)行二值化處理[7-8](將全彩圖轉(zhuǎn)化為黑白圖)并提取光源中心點(diǎn)(計(jì)算出亮斑中心坐標(biāo))即可，大大簡(jiǎn)化了圖像處理過程。本文采用OpenCV6.0進(jìn)行圖像處理[9-10]，其中一幅光源點(diǎn)二值化之后效果如圖5所示。

2.3　坐標(biāo)計(jì)算模塊

經(jīng)過標(biāo)定之后，得出測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)，則根據(jù)1.1和1.2中的理論則可計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)。

圖5　二值化效果圖Fig.5 Binarization renderings

2.4　沉降計(jì)算模塊

通過連續(xù)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)監(jiān)測(cè)，得出其縱坐標(biāo)隨時(shí)間變化的曲線，則可測(cè)出該點(diǎn)沉降。

3路基沉降監(jiān)測(cè)實(shí)例

3.1　工程實(shí)現(xiàn)

湘北某高速公路在施工期間由于處于汛期，地基基礎(chǔ)易發(fā)生變化，故需要對(duì)路基進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來反映路基沉降狀況，以便實(shí)時(shí)維修管理。

在K280+10~K280+90這80 m范圍內(nèi)均勻設(shè)置多個(gè)光筆靶點(diǎn)(跨度為6 m以內(nèi))，在距施工距離15 m以上地區(qū)(路基以外區(qū)域)設(shè)置相機(jī)，對(duì)距離相機(jī)左右各40 m以內(nèi)(太遠(yuǎn)則相機(jī)無法采集圖像)的靶點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)90 d的監(jiān)測(cè)(每天對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行分析)，通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直向下位移計(jì)算路基沉降。該系統(tǒng)布局如圖6所示。

圖6　測(cè)量系統(tǒng)布局Fig.6 Measurement system layout

3.2　測(cè)量結(jié)果與分析

以K280+30和K280+70兩處監(jiān)測(cè)斷面為例，將本系統(tǒng)部分沉降點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)值與實(shí)際沉降值(沉降管法所得沉降值)對(duì)比，計(jì)算相對(duì)誤差(式7)，如表1所示。

表1　監(jiān)測(cè)效果對(duì)比

(7)

式中：δ為相對(duì)誤差；L為實(shí)際路基沉降值；L′為視覺的量系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)值。

由表1可見對(duì)于兩處監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，本文光筆式機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度與實(shí)際沉降較為吻合，相對(duì)誤差分別為1.75%和1.62%。表明本文方法具有良好的監(jiān)測(cè)精度。

4結(jié)論

1)分析了機(jī)器視覺的基本理論，建立了完整的路基沉降監(jiān)測(cè)模型。

2)將七點(diǎn)式光筆引入路基沉降測(cè)量系統(tǒng)，解決了特征點(diǎn)識(shí)別問題，極大方便了圖像處理的過程，提高了監(jiān)測(cè)精度。

3)設(shè)計(jì)了一套光筆式機(jī)器視覺非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了較大范圍的路基沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可推廣應(yīng)用于其他工程領(lǐng)域。

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(編輯蔣學(xué)東)

A subgrade settlement monitoring method based on machine vision

XIAO Hehua1, JIN Dingfei2

(1.Changsha Planning & Design Institute Co., Ltd.Changsha 410007, China;

2.School of Traffic & Transportation, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract：The real-time and effectively monitor of subgrade settlement is of great significance to the quality of maintenance engineering and the ensurance of traffic safety.In order to improve the monitoring efficiency and reduce the cost of the monitoring, this paper presents a non-contact measurement system，waich is based on a light-pen machine vision measuring system.By putting the light-pen to the top of the monitoring target and using a CCD camera to monitor the light-pen, the vertical displacement of the light-pen, is then calculated，which achieves the purpose of settlement monitoring.The engineering practice shows that the calculated settlement value at monitoring sections are consistent with the actual settlement value，the relative error is 1.75% and 1.62%.

Key words：settlement monitoring; machine vision; light-pen; image processing

通訊作者：肖和華(1971-)，男，湖南衡陽人，高級(jí)工程師，從事路橋設(shè)計(jì)研究；E-mail:xhhua1971@163.com

收稿日期：2015-05-03

中圖分類號(hào)：U416

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2015)06-1365-04