【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于盾構(gòu)隧道施工及運(yùn)維領(lǐng)域，特別涉及一種基于雙目相機(jī)姿態(tài)修正的盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)精準(zhǔn)測(cè)量方法。
技術(shù)介紹
1、管片錯(cuò)臺(tái)是盾構(gòu)隧道施工期及運(yùn)營(yíng)期普遍存在的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可引發(fā)襯砌開裂、滲漏水等病害，進(jìn)而影響隧道結(jié)構(gòu)安全與服役性能。因此，精確且高效的管片錯(cuò)臺(tái)檢測(cè)，是保障隧道結(jié)構(gòu)安全的重要前提。目前管片錯(cuò)臺(tái)檢測(cè)方法，根據(jù)工作方式可分為：人工檢測(cè)與自動(dòng)化檢測(cè)。
2、人工檢測(cè)通常將機(jī)械測(cè)量裝置放置于管片錯(cuò)臺(tái)處，通過操作機(jī)械裝置來測(cè)量相鄰管片間的高度差(即錯(cuò)臺(tái)量)。如專利202011623502.1和專利202311672566.4，將測(cè)量裝置固定在錯(cuò)臺(tái)處，通過推動(dòng)裝置內(nèi)部測(cè)量尺，讀取測(cè)量尺的伸出長(zhǎng)度作為錯(cuò)臺(tái)量。
3、自動(dòng)化檢測(cè)大多采用激光掃描技術(shù)或者其他傳感技術(shù)。前者通過激光設(shè)備獲取襯砌管片表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算各管片間的錯(cuò)臺(tái)量：如專利201611085345.7和專利202311676701.2對(duì)隧道輪廓點(diǎn)云進(jìn)行圓弧擬合并計(jì)算圓弧半徑，則不同圓弧半徑之間的差值即為錯(cuò)臺(tái)量。后者通過傳感設(shè)備將檢測(cè)量轉(zhuǎn)換為錯(cuò)臺(tái)量：如專利202010099364.5通過分析毫米波雷達(dá)測(cè)距傳感器測(cè)量的距離測(cè)量曲線，確定管片錯(cuò)臺(tái)量；專利202110164406.3對(duì)flex彎曲傳感器的電阻變化數(shù)據(jù)進(jìn)行換算得到管片錯(cuò)臺(tái)的變化量。
4、隨著相機(jī)設(shè)備和深度學(xué)習(xí)算法的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在土木工程監(jiān)測(cè)與檢測(cè)領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。其中，雙目視覺測(cè)量技術(shù)能夠準(zhǔn)確計(jì)算目標(biāo)物在空間中的位置信息，已在土木工程領(lǐng)域的鋼筋檢測(cè)、工程質(zhì)量評(píng)估
5、對(duì)于管片錯(cuò)臺(tái)測(cè)量而言，機(jī)械測(cè)量原理簡(jiǎn)單明確，但檢測(cè)質(zhì)量依賴于工程人員的技能和經(jīng)驗(yàn)，且采樣點(diǎn)數(shù)量有限難以精確量化；自動(dòng)化檢測(cè)要求設(shè)備測(cè)量精度高，技術(shù)門檻與造價(jià)較為高昂。雙目相機(jī)相比傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備，其成本效益高且操作簡(jiǎn)便，只需要使用兩個(gè)攝像頭即可實(shí)現(xiàn)近距離毫米級(jí)測(cè)量精度。如專利202310880158.1通過計(jì)算襯砌環(huán)切平面與雙目相機(jī)xy平面間的夾角θ，實(shí)現(xiàn)管片錯(cuò)臺(tái)精確測(cè)量。但該方法未能考慮三軸方向同時(shí)存在偏轉(zhuǎn)時(shí)，如何精確計(jì)算管片錯(cuò)臺(tái)。因此，有必要同時(shí)考慮三軸方向的偏轉(zhuǎn)，對(duì)雙目相機(jī)進(jìn)行姿態(tài)修正，以實(shí)現(xiàn)管片錯(cuò)臺(tái)的精確測(cè)量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于上述問題和不足，提供一種基于雙目相機(jī)姿態(tài)修正的盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)精準(zhǔn)測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)管片錯(cuò)臺(tái)的精確測(cè)量。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)的技術(shù)方案是：一種基于雙目相機(jī)姿態(tài)修正的盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)精準(zhǔn)測(cè)量方法，包括：
3、進(jìn)行雙目相機(jī)標(biāo)定并采集管片錯(cuò)臺(tái)的雙目圖像；
4、利用深度學(xué)習(xí)立體匹配算法獲取管片錯(cuò)臺(tái)的雙目圖像的視差信息；
5、對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)的左圖像進(jìn)行灰度化、形態(tài)學(xué)處理、區(qū)域定位、骨架提取以及直線擬合處理，選取關(guān)鍵點(diǎn)并計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)；
6、根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)建立管片坐標(biāo)系；
7、求解管片坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置關(guān)系即旋轉(zhuǎn)矩陣，完成相機(jī)姿態(tài)修正，以精確計(jì)算管片錯(cuò)臺(tái)量。
8、在本專利技術(shù)一實(shí)施例中，所述雙目相機(jī)標(biāo)定的方式為：雙目相機(jī)標(biāo)定過程中，使用已知尺寸的黑白棋盤格標(biāo)定板作為標(biāo)定工具，通過改變標(biāo)定板的位置與角度，拍攝標(biāo)定板圖像，然后采用張正友標(biāo)定算法求解雙目相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，計(jì)算重投影誤差，完成雙目相機(jī)標(biāo)定。
9、在本專利技術(shù)一實(shí)施例中，所述利用深度學(xué)習(xí)立體匹配算法獲取管片錯(cuò)臺(tái)的雙目圖像的視差信息，即采用深度學(xué)習(xí)立體匹配算法對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)的雙目圖像進(jìn)行立體匹配，并以管片錯(cuò)臺(tái)的左圖像為參考，計(jì)算管片錯(cuò)臺(tái)的雙目圖像之間的視差。
10、在本專利技術(shù)一實(shí)施例中，所述選取關(guān)鍵點(diǎn)并計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)的具體實(shí)現(xiàn)方式為：
11、圖像灰度化：對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)的左圖像進(jìn)行灰度化處理，去除顏色信息后轉(zhuǎn)換為只保留亮度信息的單通道灰度圖像；
12、形態(tài)學(xué)處理：對(duì)單通道灰度圖像進(jìn)行二值化處理，利用形態(tài)學(xué)膨脹操作填充白色區(qū)域內(nèi)的黑色孔洞，形態(tài)學(xué)腐蝕操作消除較小的白色區(qū)域；如此進(jìn)行多輪迭代后，消除二值化圖像中小型噪聲干擾，保留較大白色區(qū)域的連通性；
13、接縫區(qū)域定位：對(duì)形態(tài)學(xué)處理后的剩余白色區(qū)域面積即區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)尋找白色區(qū)域最外層輪廓像素坐標(biāo)，以繪制白色區(qū)域外接矩形，并記錄外接矩形頂點(diǎn)坐標(biāo)；管片接縫呈狹長(zhǎng)凹槽形狀，因此對(duì)白色區(qū)域面積以及外接矩形的長(zhǎng)寬比設(shè)定閾值，進(jìn)行區(qū)域篩選，實(shí)現(xiàn)接縫區(qū)域定位；
14、接縫骨架提取：將白色區(qū)域外接矩形外的非目標(biāo)區(qū)域填充為黑色，隨后采用并行細(xì)化算法進(jìn)行骨架提取，該過程是通過白色區(qū)域的外層輪廓，以迭代腐蝕的方式逐步去除接縫區(qū)域邊緣像素，直至縮減為單像素寬度，即為接縫骨架；
15、接縫直線擬合：輸出接縫骨架上所有像素坐標(biāo)，采用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，以獲取接縫直線方程并繪制接縫直線；
16、關(guān)鍵點(diǎn)選取及其相機(jī)坐標(biāo)計(jì)算：將接縫直線進(jìn)行水平平移或垂直翻轉(zhuǎn)變換，得到一系列經(jīng)線和緯線的直線方程，利用這些方程，計(jì)算經(jīng)線和緯線相交的像素坐標(biāo)，并選取其中若干相交點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn)，并根據(jù)雙目視覺三角測(cè)量原理，精確計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)。
17、在本專利技術(shù)一實(shí)施例中，所述關(guān)鍵點(diǎn)選取及其相機(jī)坐標(biāo)計(jì)算具體實(shí)現(xiàn)如下：
18、像素坐標(biāo)系定義：以圖像左上角為原點(diǎn)op，水平向右為up軸，豎直向下為vp軸；
19、相機(jī)坐標(biāo)系定義：以雙目相機(jī)左攝像頭鏡頭光心為原點(diǎn)oc，雙目相機(jī)左攝像頭指向雙目相機(jī)右攝像頭方向?yàn)閤c軸，雙目相機(jī)光學(xué)軸方向?yàn)閦c軸，yc軸與xc軸和zc軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系；
20、將接縫直線：vp＝k(up-up1)+vp1沿up軸負(fù)方向水平平移u'p1，u'p1+u'p3像素距離，沿up軸正方向水平平移u'p2像素距離，共得到三條經(jīng)線，方程如式(1)所示，接縫直線在圖像上下邊緣處的像素坐標(biāo)分別(up1，vp1)和(up2，vp2)，k為斜率，k＝(vp2-vp1)/(up2-up1)；此外，將垂直翻轉(zhuǎn)變換后的接縫直線沿vp軸正方向豎向移動(dòng)v'p1，v'p2像素距離得到兩條緯線，方程如式(2)所示：
21、
22、聯(lián)立式(1)和式(2)，計(jì)算經(jīng)線與緯線相交的像素坐標(biāo)，并加以標(biāo)識(shí)；選取圖像中的經(jīng)線與緯線相交的點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn)；
23、根據(jù)雙目視覺三角測(cè)量原理，即式(3)雙目視覺三維坐標(biāo)計(jì)算方法，精確計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)：
24、
25、式中：(upl，vpl)為關(guān)鍵點(diǎn)的像素坐標(biāo)；b為雙目相機(jī)左攝像機(jī)與雙目相機(jī)右攝像機(jī)光心之間的基線距離，即雙目相機(jī)左攝像機(jī)與雙目相機(jī)右攝像機(jī)之間的平移矩陣t3×1的模；(xc，yc，zc)為本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于雙目相機(jī)姿態(tài)修正的盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)精準(zhǔn)測(cè)量方法，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙目相機(jī)姿態(tài)修正的盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)精準(zhǔn)測(cè)量方法，其特征在于，所述雙目相機(jī)標(biāo)定的方式為：雙目相機(jī)標(biāo)定過程中，使用已知尺寸的黑白棋盤格標(biāo)定板作為標(biāo)定工具，通過改變標(biāo)定板的位置與角度，拍攝標(biāo)定板圖像，然后采用張正友標(biāo)定算法求解雙目相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，計(jì)算重投影誤差，完成雙目相機(jī)標(biāo)定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙目相機(jī)姿態(tài)修正的盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)精準(zhǔn)測(cè)量方法，其特征在于，所述利用深度學(xué)習(xí)立體匹配算法獲取管片錯(cuò)臺(tái)的雙目圖像的視差信息，即采用深度學(xué)習(xí)立體匹配算法對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)的雙目圖像進(jìn)行立體匹配，并以管片錯(cuò)臺(tái)的左圖像為參考，計(jì)算管片錯(cuò)臺(tái)的雙目圖像之間的視差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙目相機(jī)姿態(tài)修正的盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)精準(zhǔn)測(cè)量方法，其特征在于，所述選取關(guān)鍵點(diǎn)并計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)的具體實(shí)現(xiàn)方式為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙目相機(jī)姿態(tài)修正的盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)精準(zhǔn)測(cè)量方法，其特征在于，所述關(guān)鍵點(diǎn)選取及其相機(jī)坐標(biāo)計(jì)算具體實(shí)現(xiàn)如下：
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