CN102032897B - 一种基于双目测距原理的强夯工程自动监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双目测距原理的强夯工程自动监测方法，属于工业自动化测量技术领域。在强夯过程中，同时采用两台摄像仪采集夯锤行程图像，由数据处理计算机对两个图像序列进行灰度转换、中值滤波和差分处理得到运动目标图像，再对运动目标图像进行二值化处理并提取相关图像尺寸，由提取的图像相关尺寸结合双目测距原理计算夯锤行程过程的相关距离，最后计算包括夯锤起落过程中的最高牵引高度H_max和夯锤有效强夯次数C的强夯工程监测结果。本发明基于双目测距原理，采用图像处理技术，实现强夯工程中包括夯锤外形识别、夯锤牵引高度和有效强夯次数统计的自动监测。有效降低了强夯工程监理人员的劳动强度和出错概率，对于确保强夯工程质量和施工进度具有很强的实用性。

Description

一种基于双目测距原理的强夯工程自动监测方法

技术领域

本发明属于工业自动化测量技术领域，涉及图像识别和强夯工程监测，尤其涉及基于双目测距原理的强夯工程自动监测方法。 

背景技术

强夯法又称动力固结法(Dynamic Consolidation)，是一种处理软弱土地基的加固方法。它是20世纪60年代末由法国工程师Louis开发并创用的。它利用起重设备将夯锤(8～40t)提升到很大高度(10～40m)，然后使夯锤自由下落，以很大冲击能量(500～8000KN·m)作用在地基上，在土中产生很大的冲击波，以克服土颗粒间的各种阻力，使地基压密，从而提高地基的强度，减少沉降，消除湿陷性，膨胀性，提高抗液化能力。 

强夯法现今已广泛的应用于机场跑道和电站水坝、水库等基础工程的地基加固工程。目前，强夯工程施工数据测量以及工程现场监测几乎采用的人工测量方式。人工测量方法造成工程质量参数可信度降低，施工人员也容易偷工减料，从而造成工程质量无法控制和经济损失。 

发明内容

本发明提供一种基于双目测距原理的强夯工程自动监测方法，该方法基于双目测距原理，采用图像识别技术，以两台摄像机(即双目方式)对夯锤目标进行实时摄像、跟踪和定位，使得在非接触的形式下对夯锤行程进行测量，通过一定的计算实现强夯施工参数的自动测量，从而提高了强夯工程的监测效率，保证了工程施工质量。 

一种基于双目测距原理的强夯工程自动监测方法，如图2所示，包括以下步骤： 

步骤1：在强夯机强夯过程中，同时采用两台摄像仪以相同的采样频率分别对夯锤行程范围进行摄像，将采集到的两个图像序列以有线或无线的方式发送到数据处理计算机。其中两台摄像仪安装于固定支架上不同的高度位置，两台摄像仪镜头之间的距离为H；两台摄像仪距离夯锤起落行程的距离为S；安装摄像仪时应保证夯锤的整个起落行程均在且摄像范围内。 

步骤2：图像处理。 

数据处理计算机将第一摄像仪采集的图像序列依次进行RGB格式转换成灰度格式、中值 滤波和差分处理，得到运动目标图像序列，即夯锤图像序列；再对夯锤图像序列进行二值化处理，得到二值化夯锤图像序列，计算二值化夯锤图像序列中的每一幅图像中夯锤几何中心与整个图像几何中心之间的距离h1′，得到h1′的序列值。同样地，数据处理计算机将第二摄像仪采集的图像序列依次进行RGB格式转换成灰度格式、中值滤波和差分处理，得到运动目标图像序列，即夯锤图像序列；再对夯锤图像序列进行二值化处理，得到二值化夯锤图像序列，计算二值化夯锤图像序列中的每一幅图像中夯锤几何中心与整个图像几何中心之间的距离h2′，得到h2′的序列值。 

步骤3：根据双目测距原理，如图1所示，由同一采样时刻下h1′的序列值和h2′的序列值计算该采样时刻下夯锤至第一摄像仪镜头竖直方向的距离h1的值和夯锤至第二摄像仪镜头竖直方向的距离h2的值，进而得到h1的序列值和h2的序列值。其中： 

而 

其中f1为第一摄像仪的镜头焦距，f2为第二摄像仪的镜头焦距，H为两台摄像仪镜头之间的距离，S为两台摄像仪距离夯锤起落行程的距离。 

步骤4：计算强夯工程监测结果，包括夯锤起落过程中的最高牵引高度H_max和夯锤有效强夯次数C。夯锤一次起落行程过程中，由步骤3得到的h1或h2的最大值和最小值的差值就是夯锤该次起落行程过程的最高牵引高度H_max。若夯锤一次起落行程过程中的最高牵引高度H_max超过强夯工程要求的有效牵引高度时，则夯锤有效强夯次数C加一；若夯锤一次起落行程过程中的最高牵引高度H_max不超过强夯工程要求的有效牵引高度H时，则夯锤该次起落行程无效，即夯锤有效强夯次数C不变。 

需要强调的是，为了保证强夯工程自动监测过程中的测量精度，两台摄像仪的采样频率应不低于4Hz；两台摄像仪可采用相同的摄像仪，也可以是不同的摄像仪，但需要焦距已知。 

本发明创造性地将信息处理技术应用于强夯工程监测领域，基于双目测距原理和图像处理技术，实现强夯工程中包括夯锤外形识别、夯锤牵引高度和有效强夯次数统计的自动监测。有效降低了强夯工程监理人员的劳动强度和出错概率，对于确保强夯工程质量和施工进度具有很强的实用性。 

附图说明

图1为双目测距原理示意图。 

图2为本发明流程示意图。 

具体实施方式

一种基于双目测距原理的强夯工程自动监测方法，如图2所示，包括以下步骤： 

步骤1：在强夯机强夯过程中，同时采用两台摄像仪以相同的采样频率分别对夯锤行程范围进行摄像，将采集到的两个图像序列以有线或无线的方式发送到数据处理计算机。其中两台摄像仪安装于三角支架上不同的高度位置，两台摄像仪镜头之间的距离为H；两台摄像仪距离夯锤起落行程的距离为S；安装摄像仪时应保证夯锤的整个起落行程均在且摄像范围内。 

步骤2：图像处理。 

数据处理计算机将第一摄像仪采集的图像序列依次进行RGB格式转换成灰度格式、中值滤波和差分处理，得到运动目标图像序列，即夯锤图像序列；再对夯锤图像序列进行二值化处理，得到二值化夯锤图像序列，计算二值化夯锤图像序列中的每一幅图像中夯锤几何中心与整个图像几何中心之间的距离h1′，得到h1′的序列值。同样地，数据处理计算机将第二摄像仪采集的图像序列依次进行RGB格式转换成灰度格式、中值滤波和差分处理，得到运动目标图像序列，即夯锤图像序列；再对夯锤图像序列进行二值化处理，得到二值化夯锤图像序列，计算二值化夯锤图像序列中的每一幅图像中夯锤几何中心与整个图像几何中心之间的距离h2′，得到h2′的序列值。 

步骤3：根据双目测距原理，如图1所示，由同一采样时刻下h1′的序列值和h2′的序列值计算该采样时刻下夯锤至第一摄像仪镜头竖直方向的距离h1的值和夯锤至第二摄像仪镜头竖直方向的距离h2的值，进而得到h1的序列值和h2的序列值。其中： 

而 其中f1为第一摄像仪的镜头焦距，f2为第二摄像仪的镜头焦距，H为两台摄像仪镜头之间的距离，S为两台摄像仪距离夯锤起落行程的距离。 

步骤4：计算强夯工程监测结果，包括夯锤起落过程中的最高牵引高度H_max和夯锤有效强夯次数C。夯锤一次起落行程过程中，由步骤3得到的h1或h2的最大值和最小值的差值就是夯锤该次起落行程过程的最高牵引高度H_max。若夯锤一次起落行程过程中的最高牵引高度H_max超过强夯工程要求的有效牵引高度时，则夯锤有效强夯次数C加一；若夯锤一次起落行 程过程中的最高牵引高度H_max不超过强夯工程要求的有效牵引高度H时，则夯锤该次起落行程无效，即夯锤有效强夯次数C不变。 

步骤3中双目测距公式推导说明： 

如图1所示，由相似三角形原理可知： 

$\frac{f1}{S}=\frac{{h1}^{\′}}{h1}---\left(1\right)$

$\frac{f2}{S}=\frac{{h2}^{\′}}{h2}---\left(2\right)$

h2＝h1+H    (3) 

其中：f1为第一摄像仪的镜头焦距，f2为第二摄像仪的镜头焦距，H为两台摄像仪镜头之间的距离，S为两台摄像仪距离夯锤起落行程的距离，h1′为第一摄像仪采集的图像经处理得到的二值化夯锤图像中夯锤几何中心与整个图像几何中心之间的距离，h2′第二摄像仪采集的图像经处理得到的二值化夯锤图像中夯锤几何中心与整个图像几何中心之间的距离。以上参数中h1、h2和S为未知值，其它为已知值。联立公式(1)、(2)和(3)，可得S的值为： 

$S=\frac{f1\·H}{f1\·{h2}^{\′}-f2\·{h1}^{\′}}---\left(4\right)$

$h1=\frac{S\·{h1}^{\′}}{f1}---\left(6\right)$

$h2=\frac{S\·{h2}^{\′}}{f2}---\left(7\right)$

此外，关于数据处理计算机对激光测距传感器采集的距离数据和摄像仪采集的图像数据的处理过程，均可采用相应的程序语言经编程实现。 

Claims (2)

1.一种基于双目测距原理的强夯工程自动监测方法，包括以下步骤：

步骤1：在强夯机强夯过程中，同时采用两台摄像仪以相同的采样频率分别对夯锤行程范围进行摄像，将采集到的两个图像序列以有线或无线的方式发送到数据处理计算机；其中两台摄像仪安装于固定支架上不同的高度位置，两台摄像仪镜头之间的距离为H；两台摄像仪距离夯锤起落行程的距离为S；安装摄像仪时应保证夯锤的整个起落行程均在摄像仪的摄像范围内；

步骤2：图像处理；

数据处理计算机将第一摄像仪采集的图像序列依次进行RGB格式转换成灰度格式、中值滤波和差分处理，得到运动目标图像序列，即夯锤图像序列；再对夯锤图像序列进行二值化处理，得到二值化夯锤图像序列，计算二值化夯锤图像序列中的每一幅图像中夯锤几何中心与整个图像几何中心之间的距离h1′，得到h1′的序列值；

同样地，数据处理计算机将第二摄像仪采集的图像序列依次进行RGB格式转换成灰度格式、中值滤波和差分处理，得到运动目标图像序列，即夯锤图像序列；再对夯锤图像序列进行二值化处理，得到二值化夯锤图像序列，计算二值化夯锤图像序列中的每一幅图像中夯锤几何中心与整个图像几何中心之间的距离h2′，得到h2′的序列值；

步骤3：根据双目测距原理，由同一采样时刻下h1′的序列值和h2′的序列值计算该采样时刻下夯锤至第一摄像仪镜头竖直方向的距离h1的值和夯锤至第二摄像仪镜头竖直方向的距离h2的值，进而得到h1的序列值和h2的序列值；其中：

而 其中f1为第一摄像仪的镜头焦距，f2为第二摄像仪的镜头焦距，H为两台摄像仪镜头之间的距离，S为两台摄像仪距离夯锤起落行程的距离；

步骤4：计算强夯工程监测结果，包括夯锤起落过程中的最高牵引高度H_max和夯锤有效强夯次数C；

夯锤一次起落行程过程中，由步骤3得到的h1或h2的最大值和最小值的差值就是夯锤该次起落行程过程的最高牵引高度H_max；若夯锤一次起落行程过程中的最高牵引高度H_max超过强夯工程要求的有效牵引高度时，则夯锤有效强夯次数C加一；若夯锤一次起落行程过程中的最高牵引高度H_max不超过强夯工程要求的有效牵引高度H时，则夯锤该次起落行程无效， 即夯锤有效强夯次数C不变。

2.根据权利要求1所述的基于双目测距原理的强夯工程自动监测方法，其特征在于，所述两台摄像仪的采样频率应不低于4Hz。 

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