CN111882488B - 一种室内管线位置记录及投影方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室内管线位置记录及投影方法，包括：(1)用手机摄多张墙面的管线图片，并进行畸变校正；(2)对校正后的管线图片进行拼接融合，得到记录完整管线位置的墙面图片；(3)将投影设备放置在管线对应墙壁前的区域；(4)将手机和投影设备连接，测量投影设备与对应墙面的空间坐标系；(5)开启投影，墙面出现投影框A，测出投影框A的坐标点，并在手机端的墙面图片中识别出对应的投影区域A’，实现焦距调整，完成真实尺寸投影；(6)根据需要在手机端调整到目标投影区域B’，然后定位到投影区域B’的坐标；投影镜头调整位置，对应到墙面的位置进行投影。本发明操作简单、学习成本低，可以在墙上直观的显示出内部的管线位置。
Description
技术领域
本发明涉及建筑装修技术领域，尤其是涉及一种室内管线位置记录及投影方法。
背景技术
家庭装修或者旧房改造时，不可避免要对墙体进行改造和施工，若是错误定位墙内水管、电线等管线的位置，会对施工造成影响，甚至引发意外事故和损失。因此，在安装完管线之后对管线的位置的记录，有助于后期的施工对墙内管线布局准确定位，对施工质量和效率会有很大帮助，也能有效地防止意外发生。
目前在建筑行业，对墙面拆改前获取房屋管线位置布局时，一般是依据施工图纸或者施工期间拍摄记录的管线照片进行测算，但是很多施工图纸都已经丢失或者并不会准确记录管线的位置，而手机拍摄记录的话无法获得墙面完整且较为标准的管线图纸。若没有图纸或者照片，只能采取现场探测的方式，采用施工放样的方法利用专门针对电线、水管等管线的检测传感器，并结合使用水平仪、测距仪、笔等辅助工具在墙上标注记录。
如公开号为CN210427836U的中国专利文献公开了一种便携管线探测仪，公开号为CN210038200U的中国专利文献公开了一种地下管线探测仪，均可以用于探测地下自来水管道、金属管道、电缆等的位置、走向。然而采用管线探测仪进行现场探测，需要有经验的专业人员，使用专业工具，花费较长时间进行判断和定位。
因此，迫切地需要一种易于操作、标准精确、显示直观的墙内管线记录与定位方法，不仅让土木和建筑行业人士工作时提搞精准度、提升效率，也可以让家庭装修的普通民众也可方便操作使用。
同时，为了顺应大数据时代潮流，助力智慧城市、智慧管线建设，需要创新提出一种对家庭管线空间数据的记录与调用的创新方式，有利于构建信息化城市，不断提升民众生活体验。
发明内容
本发明提供了一种室内管线位置记录及投影方法，操作简单、学习成本低，可以在墙上直观的显示出内部的管线位置，便于墙内管线定位。
一种室内管线位置记录及投影方法，包括以下步骤：
(1)在家庭室内管线铺设结束，外墙铺设之前，根据墙面尺寸用手机的相机拍摄多张墙面的管线图片，并对拍摄的多张管线图片进行畸变校正；
(2)对畸变校正后的管线图片进行拼接融合，并进行适当裁剪，得到记录了完整管线位置的墙面图片；
(3)在管线投影阶段，将投影设备放置在管线对应墙壁前的区域，开启水平仪校正；
(4)将手机和投影设备通过蓝牙连接，启动投影设备的红外测距模块，测量投影设备与对应墙面的空间坐标系，完成定位；
(5)投影设备开启投影，墙面出现投影框A，红外测距模块测出投影框A的坐标点，并在手机端的墙面图片中识别出对应的投影区域A’，将对应的这一块区域投影到墙面，启动手机端的调整功能使得投影区域A’正好吻合投影区域A的四边，实现焦距调整，完成真实尺寸投影；
(6)在完成真实尺寸投影后，根据需要继续在手机端将投影区域A’调整到自己需求的目标投影区域B’，然后定位到投影区域B’的坐标；投影镜头上下左右适度旋转后，对应到墙面的位置进行投影，并开启画面梯形校正功能。
步骤(1)中，进行畸变校正的过程为：
(1-1)使用Opencvsharp软件中WarpPerspective透视矫正对墙面进行校正，识别到墙面四边形的顶点坐标进行投射变换；
(1-2)完成初步透视矫正后，使用相机标定算法对图片的桶型畸变和枕型畸变进行校正。
所述的相机标定算法可采用张氏标定法，建立相机成像的几何模型，求出相机的内、外参数，以及畸变参数。具体步骤为：
(1-2-1)准备标定图片；
(1-2-2)对每一张标定图片，使用findChessboardCorners函数提取角点信息，再进一步使用cornerSubPix函数提取亚像素角点信息；
(1-2-3)在棋盘标定图上绘制找到的内角点；
(1-2-4)使用calibrateCamera函数进行标定，计算相机内参和外参系数；
(1-2-5)对标定结果进行评价；
(1-2-6)利用标定结果对棋盘图进行畸变矫正。
步骤(2)中，进行拼接融合的具体过程如下：
(2-1)对每张管线图片进行特征点提取；
(2-2)对特征点进行匹配，使用RANSAC进行的旋转估计进行图像配准；
(2-3)匹配关键点，对多张管线图片依次进行图像拼接；
(2-4)对重叠边界进行处理，加权融合，使重叠部分过渡自然。
步骤(2-1)中，采用ORB特征检测算法进行特征点提取，所述ORB特征检测算法采用FAST算法来检测特征点，采用BRIEF算法来计算一个特征点的描述子。
步骤(2-3)的具体步骤为：将其中一个图像应用透视变换，使用OpenCVSharp中的warpPerspective函数将两个图像合并成一个。
步骤(4)中，测量投影设备与对应墙面的空间坐标系的具体过程为：
(4-1)投影设备的位置点为P1，测出投影设备与墙面的垂直距离L1，得到P1坐标(L1，0，0)；
(4-2)测出墙面左上角的坐标P2，测距头自动水平向左移动直到识别到墙面交界线测出距离L2，然后控制测距头垂直移动到上方墙角测出距离L3，得到P2的坐标
(4-3)同理，测出墙面右下角的坐标P3，测距头自动水平向右移动直到识别到墙面交界线测出距离L4，然后控制测距头垂直移动到下方墙角测出距离L5，得到P3的坐标
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的方法通过将手机与投影设备的结合，在手机软件中辅助用户进行家装管线铺设位置的记录，使用图像透视矫正与畸变矫正技术，几何图像拼贴融合技术，高效、方便地帮助用户记录下精确的管线尺寸图，并通过投影设备在墙壁上真实尺寸投影，获得需要区域的内部管线位置，显示直观准确，操作使用简单，学习成本低，适用场景广。
2、本发明在使用投影设备进行投影时，使用红外测距技术定点获取墙面几个点的位置来构建墙面空间坐标系，简便快捷；红外测距技术精度高，较之超声波测距技术有更高的精度，更适合建筑施工、房屋布线投影等要求高精度的作业活动。同时，红外激光束的光束较小，几乎不会受到所经空间内物体的干扰，测距更稳定，报错少。
附图说明
图1为本发明实施例中家庭管线位置记录的流程图；
图2为本发明实施例中真实尺寸投影的流程图；
图3本发明真实尺寸投影时的空间坐标系示意图；
图4为投影设备和手机的连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
一种室内管线位置记录及投影方法，主要分为家庭管线位置智能手机端记录以及墙面某个区域真实尺寸投影两个部分。
如图1所示，家庭管线位置智能手机端记录的步骤如下：
在家庭管线铺设结束之后，外墙铺设之前，用智能手机软件拍摄管线图片，并对拍摄的管线图像采用透视畸变校正处理后，进行拼贴融合，确保图纸照片尺寸比例正确。
S101，打开本发明包含的手机软件，软件提示用户首先输入墙面的尺寸或者使用软件自带的距离测量工具测算墙面尺寸。
S102，拍摄墙面管线的照片，由于房间大小的限制用户可能无法一次拍摄到整面墙的管线位置图，软件根据墙面尺寸，提醒用户需要拍摄的图像数量。软件提供智能拍摄框，确保用户拍摄的照片有足够重叠部分便于之后图像拼接匹配。
S103，每张照片拍摄时，软件提醒用户尽量使手机平面与墙面平行，拍摄后，软件对照片进行优化与畸变校正，对于特别不符合要求的照片(模糊或者不完整)提醒用户重拍。
手机自带摄像头会因为镜片的光学特性而发生有规律的变形或者畸变。普通相机的这些畸变十分轻微，人的肉眼几乎分辨不出，但若应用在图纸记录与测量领域，需要对每张图片进行畸变校正。
图像畸变的技术实现方法：
a)使用Opencvsharp中WarpPerspective透视矫正对墙面进行校正，识别到墙面四边形的顶点坐标进行投射变换；
b)完成初步透视矫正后，还需要对图片的桶型畸变和枕型畸变进行校正，使用相机标定算法(Camera calibration)，优选可以使用张正友的张氏标定法，建立相机成像的几何模型，求出相机的内、外参数，以及畸变参数。具体为:1.准备标定图片；2.对每一张标定图片，提取角点信息(使用findChessboardCorners函数提取角点)，再进一步提取亚像素角点信息(常用的方法是cornerSubPix)；3.在棋盘标定图上绘制找到的内角点；4.相机标定(使用calibrateCamera函数进行标定，计算相机内参和外参系数)；5.对标定结果进行评价；6利用标定结果对棋盘图进行畸变矫正，(理论上镜头的畸变包括径向畸变和切向畸变，切向畸变影响较小，通常只考虑径向畸变)，在径向畸变的求解中，仅考虑了起主导的二元泰勒级数展开的前两个系数进行描述。
S104，照片拍摄完成后，软件基于图片重叠部分进行图像拼接，技术实现方法：
a)对每幅图进行特征点提取(这里优选使用ORB(Oriented FAST and RotatedBRIEF)特征检测算法，ORB采用FAST(features from accelerated segment test)算法来检测特征点，采用BRIEF算法来计算一个特征点的描述子。具有角度不变性，尺度不变性，计算速度快，是目前最快速稳定的特征点检测和提取算法)。
b)特征点进行匹配，使用RANSAC进行的旋转估计进行图像配准(由于墙面管线的几何特征较为明显，使用RANSAC来估计Homography矩阵，可以较快测算出对应特征点的转移向量)。
c)匹配关键点进行图像拼接(将对其中一个图像应用透视变换，使用OpenCVwarpPerspective函数将两个图像合并成一个)
d)对重叠边界进行处理，加权融合，使重叠部分过渡自然(例如可以使用像素RGB值插值)。
S105，墙面拼接完成后，进行适当裁切，完成某墙面的管线位置记录。根据之前输入的墙面尺寸，可以在软件端自动识别出图纸上任意一段距离的位置(例如某电线到地面距离)。
S106，在软件端还可以匹配到装修完状态(原本墙面周围叠加上地板高度、天花板高度以及左右墙面厚度)，保证在装修完成后也可以测算出准确的管线相对位置尺寸。
如图2所示，墙面某个区域真实尺寸投影的步骤如下：
S201，将投影设备放置在需要投影区域的对应位置，开启水平仪校正。
S202，启动投影设备，蓝牙设备将投影设备与手机连接，在手机端选择对应墙面的管线图纸(装修完成状态)。
S203，连接成功后，启动投影设备的红外测距模块，开始测量出投影设备与对应墙面的空间坐标系。
如图3所示，投影设备的位置点为P1。
测出墙面左上角的坐标P2:首先测出投影设备与墙面的垂直距离L1，然后测距头自动水平向左移动直到识别到墙面交界线测出距离L2(自动+手动矫正)，然后在手机端控制测距头垂直移动到上方墙角测出距离L3。
同理测出墙面右下角的坐标P3，获得在立体坐标系中P1坐标(L1，0，0)，P2坐标
P3坐标
点击定位功能。
S204，定位完成后，开启投影，墙面会出现一个合适大小投影区域A，红外测距模块测出投影框的坐标点，并在手机端墙面中识别对应的投影区域A’，直接按下确定投影，那么投影仪将对应的这一块区域投影到墙面，启动手机端的调整功能(放大缩小/上下左右)使得投影区域A’正好吻合投影区域A的四边，实现焦距调整，完成真实尺寸投影。
S205，在机器完成焦距调整后，用户可以继续在手机端调整投影区域A’,调整到一个自己需求的目标投影区域B’，然后定位到投影区域B’的坐标，投影镜头可以上下左右适度旋转，对应到墙面的位置进行投影，并开启画面梯形校正功能。
如图4所示，为投影设备和手机的连接结构示意图，手机和投影设备通过蓝牙连接，投影设备内设有电源模块、控制模块、数据处理与储存模块、数据传输模块、红外测距模块、水平仪、投影模块以及机械转动结构。
电源模块为投影设备供电；控制模块与所有模块相连。数据处理与储存模块、数据传输模块主要用于将投影设备投影模块获取的数据建立的空间坐标与手机中图纸数据进行信息传输。红外测距模块用于向墙体目标点发射红外激光并接收经过目标点反射的红外线，根据红外传播耗时计算得出墙体目标点据投影设备的真实距离。水平仪用于校正投影设备水平，保证数据测量以及坐标建立的准确性。投影模块是与带有梯形校正功能的投影模块，与机械转动结构相连保证投影镜头能做适度方向调整。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种室内管线位置记录及投影方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在家庭室内管线铺设结束，外墙铺设之前，根据墙面尺寸用手机的相机拍摄多张墙面的管线图片，并对拍摄的多张管线图片进行畸变校正；
(2)对畸变校正后的管线图片进行图片拼接融合处理，并进行适当裁剪，得到记录了完整管线位置的墙面图片；(3)在管线投影阶段，将投影设备放置在管线对应墙壁前的区域，开启水平仪校正；
(4)将手机和投影设备通过蓝牙连接，启动投影设备的红外测距模块，测量投影设备与对应墙面的空间坐标系，完成定位；
(5)投影设备开启投影，墙面出现投影框A，红外测距模块测出投影框A的坐标点，并在手机端的墙面图片中识别出对应的投影区域A’，将对应的这一块区域投影到墙面，启动手机端的调整功能使得投影区域A’正好吻合投影区域A的四边，实现焦距调整，完成真实尺寸投影；
(6)在完成真实尺寸投影后，根据需要继续在手机端将投影区域A’调整到自己需求的目标投影区域B’，然后定位到投影区域B’的坐标；投影镜头上下左右适度旋转后，对应到墙面的位置进行投影，并开启画面梯形校正功能。
2.根据权利要求1所述的室内管线位置记录及投影方法，其特征在于，步骤(1)中，进行畸变校正的过程为：
(1-1)使用OpenCVsharp软件中WarpPerspective透视矫正对墙面进行校正，识别到墙面四边形的顶点坐标进行投射变换；
(1-2)完成初步透视矫正后，使用相机标定算法对图片的桶型畸变和枕型畸变进行校正。
3.根据权利要求2所述的室内管线位置记录及投影方法，其特征在于，步骤(1-2)中，所述的相机标定算法采用张氏标定法。
4.根据权利要求3所述的室内管线位置记录及投影方法，其特征在于，步骤(1-2)的具体步骤为：
(1-2-1)准备标定图片；
(1-2-2)对每一张标定图片，使用findChessboardCorners函数提取角点信息，再进一步使用cornerSubPix函数提取亚像素角点信息；
(1-2-3)在棋盘标定图上绘制找到的内角点；
(1-2-4)使用calibrateCamera函数进行标定，计算相机内参和外参系数；
(1-2-5)对标定结果进行评价；
(1-2-6)利用标定结果对棋盘图进行畸变矫正。
5.根据权利要求1所述的室内管线位置记录及投影方法，其特征在于，步骤(2)中，进行拼接融合的具体过程如下：
(2-1)对每张管线图片进行特征点提取；
(2-2)对特征点进行匹配，使用RANSAC进行的旋转估计进行图像配准；
(2-3)匹配关键点，对多张管线图片依次进行图像拼接；
(2-4)对重叠边界进行处理，加权融合，使重叠部分过渡自然。
6.根据权利要求5所述的室内管线位置记录及投影方法，其特征在于，步骤(2-1)中，采用ORB特征检测算法进行特征点提取，所述ORB特征检测算法采用FAST算法来检测特征点，采用BRIEF算法来计算一个特征点的描述子。
7.根据权利要求5所述的室内管线位置记录及投影方法，其特征在于，步骤(2-3)的具体步骤为：将其中一个图像应用透视变换，使用OpenCVSharp软件中WarpPerspective函数将两个图像合并成一个。
8.根据权利要求1所述的室内管线位置记录及投影方法，其特征在于，步骤(4)中，测量投影设备与对应墙面的空间坐标系的具体过程为：
(4-1)投影设备的位置点为P1，测出投影设备与墙面的垂直距离L1，得到P1坐标(L1，0，0)；
(4-2)测出墙面左上角的坐标P2，测距头自动水平向左移动直到识别到墙面交界线测出距离L2，然后控制测距头垂直移动到上方墙角测出距离L3，得到P2的坐标
(4-3)同理，测出墙面右下角的坐标P3，测距头自动水平向右移动直到识别到墙面交界线测出距离L4，然后控制测距头垂直移动到下方墙角测出距离L5，得到P3的坐标
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