CN102052903B - 一种非接触移动目标位移检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种非接触移动目标位移检测方法，利用二值随机编码图像靶标及随机矩阵的互相关特性实现位移检测。固连于被测对象并随之移动的靶标上印有二值随机编码图像，其编码值对应于一个二值随机矩阵(称为靶标矩阵)。在不同时刻以固定的光轴及视角对靶标区域进行拍摄，每次所得的靶标局部图像经译码后为靶标矩阵的一个子矩阵(称为检测矩阵)。不同时刻检测矩阵与靶标矩阵的互相关函数峰值的偏移量与被测对象的位移距离成正比，由此关系实现检测。由随机矩阵互相关函数的特性可知，该方法的检测精度高、抗干扰能力强、对图像质量要求低，适合不同观测距离下的长期在线自动检测。

Description

一种非接触移动目标位移检测方法

技术领域

本发明涉及一种非接触移动目标位移检测方法，特别涉及一种利用图像处理方法进行非接触移动目标位移检测的方法。

背景技术

在桥梁、楼宇、大坝等大型建筑结构的安全状态监测和山体滑坡、地面沉降等自然灾害的监测中，需要对目标上某些特定点的位移情况进行长期、连续检测和记录。用于这种场合的位移检测技术和设备必须具有远距离、非接触的特点。目前可用于上述场合的检测方法有三类：

(1)激光全站仪，测量精度高，但设备价格昂贵、对工作环境以及安装使用条件等要求高，不适合长期无人值守在线工作；

(2)GPS全球定位系统，可以长期无人值守在线工作，但检测精度低、动态响应不够、价格昂贵，只能用于天线不受遮挡的开阔环境；

(3)利用图像处理的位移检测方法，方便、灵活、廉价、适合无人值守在线工作。但现有的利用图像处理的位移检测方法对环境光照、能见度、异常遮挡等因素过于敏感，因而检测结果的可靠性低，限制了这种方法在安全监测等重要场合的应用。

现有图像处理位移检测方法的原理，是事先在被测对象上选定或人为固定上去一个醒目的标记。在一个固定位置上安装一台图像传感设备(照相机、摄像机等可以拍摄图像的设备的总称)，间隔一段时间对包含标记的区域拍摄一幅图像。每次拍摄时的主光轴、视角保持不变，即，图像的取景方向和范围始终保持不变。将每次拍摄的图像进行滤波、增强等常规处理后，根据图像中标记与周围区域的灰度差别识别出标记所图形的区域边缘。然后，以像素为单位比较不同时刻标记区域在整幅图像中的位置改变量，再由焦距、物距和像素尺寸等参数根据几何光学原理换算出标记图形的实际位移量，从而实现位移检测。

现有图像处理位移检测方法存在的不足是：由于图像标记区域识别的结果对图像清晰度、曝光程度非常敏感，因此，光照强度、能见度、空气折射现象等因素都会对识别结果造成影响。当周围光照干扰较强、能见过低、有异常遮挡时，检测结果很甚至失效。因此，现有的利用图像处理的位移检测方法，容易受到干扰，检测可靠性低。

发明内容

针对现有利用图像处理的位移检测方法检测结果受环境条件影响大、可靠性低的问题，本发明提出一种非接触移动目标位移检测方法，其目的是提高图像处理位移检测方法的抗环境干扰能力，提高检测精度和可靠性。

本发明的技术方案是：一种非接触的移动目标位移检测方法，其特征在于首先按下述方法制作二值随机编码图像靶标：

(1)在靶标平面上确定纵、横方向，分别沿纵向和横向将靶标平面均匀划分为N₁×N₂个高度h×宽度w的矩形码元阵列，

(2)依照0.5∶0.5的概率生成一个N₁×N₂的二值随机矩阵，

(3)依照二值矩阵中每一位的取值将靶标中相应码元染色；然后，按以下方法之一实现检测：

(1)方法一

步骤一：将N₂＝1的单列靶标固定在被测对象上，靶标纵向沿被测对象移动方向，选定主光轴和视角使靶标纵向平行于拍摄图像纵向，

步骤二：在检测开始的t₁时刻拍摄图像，常规处理后分割出检测图像，

步骤三：依照码元颜色由检测图像解码得到检测序列D_T(m₁)，

步骤四：求D_T(m₁)与D(n₁)互相关峰值的偏移量，记作k_y1，

步骤五：在时刻t₂重复以上步骤二至四，得到偏移量k_y2，

步骤六：靶标纵向与主光轴之间安装夹角α_y，则(t₁t₂)时间段内的单向位移分量为：d_y＝h·(k_y2-k_y1)·sinα_y；

(2)方法二

步骤一：将靶标固定在被测对象上，选定主光轴和视角，使靶标纵向平行于拍摄图像的纵向，

步骤二：在检测开始的t₁时刻拍摄图像，常规处理后分割出检测图像，

步骤三：依照码元颜色由检测图像解码得到检测矩阵D_T(m₁，m₂)，

步骤四：求D_T(m₁，m₂)与D(n₁，n₂)互相关峰值的偏移量，记作(k_y1k_x1)，

步骤五：在时刻t₂重复以上步骤二至四，得到偏移量(k_y2k_x2)，

步骤六：靶标纵向和横向与主光轴之间夹角分别为(α_yα_x)，则(t₁t₂)时间段内的位移分量分别为：

上述的一种非接触的移动目标位移检测方法，其特征在于所述的矩形码元阵列中的码元尺寸和检测图像参数的选择方法为：

(1)码元高度h和宽度w分别小于该方向分辨率要求的二分之一倍；

(2)检测图像覆盖靶标范围，纵向：大于等于3L_y小于等于N₁；横向：大于等于3L_x小于等于N₂；

(3)靶标图像面积为：纵向×横向＝2h(N₁-L_y)×2w(N₂-L_x)。

本发明的有益效果是：1)利用二值随机编码图像靶标进行检测，对图像清晰度和保真度的要求下降，只要求检测图像的码元可以正常译码即可。因此，本发明提出的方法受环境光照强度、能见度、空气折射现象等因素的影响小，环境适应能力强；2)由二值随机矩阵相关函数的性质可知，本发明提出的方法在靶标图像被部分遮挡造成检测矩阵缺失的情况下，只要相关函数的峰值能够分辨则检测结果就不受影响，因此，检测可靠性高；3)本发明提出的方法只要求图像传感设备的成像质量满足译码条件，而对观测点和被测对象之间距离没有限制，适用于不同观测距离下的长期在线自动检测。

附图说明

图1是本发明一种非接触移动目标位移检测方法的单向检测二值随机编码图像靶标示意图；

图2是单向位移检测方法示意图；

图3是本发明一种非接触移动目标位移检测方法的平面检测二值随机编码图像靶标示意图；

图4是平面位移检测方法示意图。

图中符号说明：

T：被检测对象

A1：单向二值随机编码图像靶标示意

A2：单向位移检测时的拍摄图像示意

A3：单向位移检测时的检测图像示意

A1v：单向检测时的靶标的纵轴

A3v：单向检测时拍摄图像的纵轴

D(n₁)：单向检测的靶标序列

D_T(m₁)：单向检测时的检测序列

R(k_y)：单向位移检测的互相关函数

B1：平面二值随机编码图像靶标示意

B2：平面位移检测时的拍摄图像示意

B3：平面位移检测时的检测图像示意

B1v：平面检测时的靶标的纵轴

B1h：平面检测时的靶标横轴

D(n₁，n₂)：靶标矩阵

D_T(m₁，m₂)：检测矩阵

R(k_y，k_x)：平面位移检测的互相关函数

Vy：图像传感设备的纵向视场角

Vx：图像传感设备的横向视场角

Cm：图像传感设备

Cp：计算机

k_y：互相关运算的纵向偏移量

k_x：互相关运算的纵向偏移量

N₁：靶标阵列的行数

N₂：靶标阵列的列数

α_y：靶标纵轴与图像传感设备主光轴之间锐角

α_x：靶标横轴与图像传感设备主光轴之间锐角

具体实施方式

下面以具体实施方法对本发明一种非接触移动目标位移检测方法加以说明，参见图1至图4：

为了方便描述，首先对如下术语的含义作出约定：

二值编码矩阵：元素取值“0”或“1”的矩阵；

二值随机编码矩阵：元素值依给定概率随机取“0”或“1”的矩阵；

二值编码图像阵列：等尺寸矩形单元自左向右、自上向下均匀排列而成的整列，每个矩形单元以深、浅色分别代表数值“0”或“1”，整个图像阵列对应于一个二值编码矩阵；

码元：二值编码图像阵列中的一个矩形单元称为一个码元；

二值随机编码图像靶标：被测对象上固有的或人为固定于被测对象的、印有二值随机编码图像阵列的平面，以下简称“靶标”；

靶标矩阵：印在靶标上的二值随机编码图像阵列所对应的二值矩阵，以下用D(n₁，n₂)表示，用N₁×N₂表示其“行×列”数。当N₂＝1时简记为D(n₁)并称为“靶标序列”，其中元素与自上而下顺序排列的码元相对应；

连续码长度：靶标矩阵D(n₁，n₂)中沿行或列方向最长连续“0”或“1”的个数，行方向的最长连续码记作L_x、列方向的最长连续码记作L_y；

观测位置：位移检测过程中根据现场条件选定的设备安装点；

图像传感设备：特指固定于观测位置上的可以拍摄到被测对象上覆盖靶标图像的照相机、摄像机等成像设备；

拍摄图像：特指用图像传感设备在观测位置上以固定不变的主光轴和视角对覆盖部分靶标的区域所拍摄的图像；

检测图像：特指拍摄图像中的一个区域，该区域在整个位移检测过程中位置和大小保持不变，并且始终能够覆盖到部分靶标图像；

检测矩阵：检测图像所覆盖的部分靶标图像对应的二值编码矩阵，用D_T(m₁，m₂)表示。当N₂＝1时简记为D_T(m₁)并称为“检测序列”；

单向位移：被测对象在垂直于主光轴并且沿靶标纵向的位移分量；

平面位移：被测对象在垂直于主光轴并且沿靶标纵、横两个方向上的位移分量。

本发明的一种非接触移动目标位移检测方法，其原理是：首先采用下述方法制作用于移动目标位移检测的二值随机编码图像靶标：(1)在靶标平面上确定纵、横方向，分别沿纵向和横向将靶标平面均匀划分为N₁×N₂个高度(h)×宽度(w)的矩形码元阵列；(2)依照0.5∶0.5的概率生成一个N₁×N₂的二值随机矩阵；(3)依照二值矩阵中每一位的取值将靶标中相应码元染色。其次利用1中方法制作的靶标，采用单向位移检测方法或平面位移检测方法进行检测。其中，单向位移检测方法的步骤为：步骤一：将N₂＝1的单列靶标固定在被测对象上，靶标纵向沿被测对象移动方向，选定主光轴和视角使靶标纵向平行于拍摄图像纵向；步骤二：在检测开始的t₁时刻拍摄图像，常规处理后分割出检测图像；步骤三：依照码元颜色由检测图像解码得到检测序列D_T(m₁)；步骤四：求D_T(m₁)与D(n₁)互相关峰值的偏移量，记作k_y1；步骤五：在时刻t₂重复以上步骤二至四，得到偏移量k_y2；步骤六：靶标纵向与主光轴之间安装夹角α_y，则(t₁t₂)时间段内的单向位移分量为：d_y＝h·(k_y2-k_y1)·sinα_y。平面位移检测方法的步骤为：步骤一：将靶标固定在被测对象上，选定主光轴和视角，使靶标纵向平行于拍摄图像的纵向；步骤二：在检测开始的t₁时刻拍摄图像，常规处理后分割出检测图像；步骤三：依照码元颜色由检测图像解码得到检测矩阵D_T(m₁，m₂)；步骤四：求D_T(m₁，m₂)与D(n₁，n₂)互相关峰值的偏移量，记作(k_y1k_x1)；步骤五：在时刻t₂重复以上步骤二至四，得到偏移量(k_y2k_x2)；步骤六：靶标纵向和横向与主光轴之间夹角分别为(α_yα_x)，则(t₁t₂)时间段内的位移分量分别为：

d_y＝h·(k_y2-k_y1)·sinα_y。

d_x＝h·(k_x2-k_x1)·sinα_x

本发明的矩形码元阵列中的码元尺寸和检测图像参数的可以按照下列方法进行选择：(1)码元高度h和宽度w分别小于该方向分辨率要求的二分之一；(2)检测图像覆盖靶标范围，纵向：大于等于3L_y小于等于N₁；横向：大于等于3L_x小于等于N₂；(3)靶标图像面积为：纵向×横向＝2h(N₁-L_y)×2w(N₂-L_x)。

下面依照附图对本发明的检测方法作进一步的描述：

1、单向位移检测实施方法

(1)单向位移检测的靶标制作

图1中A1所示是单向位移检测的二值随机编码图像靶标。码元高度为h，深色代表编码值“0”、浅色代表“1”，因N₂＝1所以整个靶标图像对应于如图1中所示的长度为N₁的靶标序列D(n₁)。D(n₁)中每一位按照0.5∶0.5的概率随机取值“0”或“1”，与靶标图像中的码元按自上而下的顺序相对应。图中A1v所示是靶标纵轴，靶标两边的等间隔深浅区域为码元高度的参照。

(2)单向位移检测的实现步骤：

步骤一：如图2所示，构成单向位移检测系统。靶标A1与被测对象T固连，其纵轴A1v与图像传感设备主光轴Ax之间锐角为α_y。图像传感设备Cm与具有相应接口及驱动软件的计算机Cp构成图像采集系统。调整图像传感设备的主光轴Ax和纵向视角Vy，并选择检测图像A3在拍摄图像A2中的位置和大小，保证被测对象在量程范围内移动的任意时刻检测图像A3都至少覆盖3L_y个码元、至多覆盖全部N₁个码元，同时保证成像于其中的靶标图像的纵轴A1v与拍摄图像纵轴A3v平行，系统调整完成后，整个检测期间保证图像传感设备的主光轴Ax和纵向视角Vy不变；

步骤二：在t₁时刻拍摄图像A2，常规处理后分割出检测图像A3；

步骤三：对检测图像A3中的部分靶标图像进行译码得到如图2中所示检测序列D_T(m₁)，并且补0使其长度等于N₁，检测序列D_T(m₁)中元素的排列顺序和靶标序列相一致；

步骤四：计算如图2中所示的互相关函数R(k_y)

$R\left(k_y\right)=\underset{n_1=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}{D}_T\left(n_1\right)D(n_1+k_y)$

k_y＝-(N₁-1)，-(N₁-2)，…，0，1，…，N₁-2，N₁-1

其中当N₁＜n₁+k_y＜1时取D_T(n₁+k_y)＝0，求出互相关函数的峰值偏移量：

步骤五：在任意时刻t₂重复步骤二到步骤四，得到峰值偏移量k_y2；

步骤六：(t₁t₂)时间段内的单向位移分量为

d_y＝h·(k_y2-k_y1)·sinα_y

被测对象在时刻t₂的位置相对于t₁时刻向上移动则d_y＞0，向下移动则d_y＜0。连续重复以上过程，可以得到被测对象移动的时间历程。

2、平面位移检测实施方法

(1)平面位移检测的靶标制作

图3中B1所示是平面位移检测的二值随机编码图像靶标。码元高度为h，宽度为w，深色代表编码值“0”、浅色代表“1”。整个靶标图像对应于如图2中所示的行列数为N₁×N₂的二值靶标矩阵D(n₁，n₂)。D(n₁，n₂)中每一位按照0.5∶0.5的概率随机取值“0”或“1”，与靶标图像中的码元按自上而下、自左而右的顺序相对应。图中B1v所示是靶标纵轴、B1h所示是靶标横向，靶标四周的等间隔深浅区域分别为码元高度和宽度的参照。

(2)平面位移检测的实现步骤

步骤一：如图4所示，构成平面位移检测系统。靶标B1与被测对象T固连，其纵轴B1v与图像传感设备主光轴Ax之间锐角为α_y、横轴B1h与图像传感设备主光轴Ax之间锐角为α_x。图像传感设备Cm与具有相应接口及驱动软件的计算机Cp构成图像采集系统。调整图像传感设备的主光轴Ax和纵向视角Vy横向视角Vx，并选择检测图像B3在拍摄图像B2中的位置和大小，保证被测对象在量程范围内移动的任意时刻检测图像B3对靶标的覆盖，纵向：大于等于3L_y，小于等于N₁；横向：大于等于3L_x，小于等于N₂，同时保证成像于其中的靶标图像的纵轴B1v与检测图像纵轴B3v平行，系统调整完成后，整个检测期间保证图像传感设备的主光轴Ax和纵向视角Vy以及横向视角Vx不变；

步骤二：在t₁时刻拍摄图像B2，常规处理后分割出检测图像B3；

步骤三：对检测图像B3中部分靶标图像进行译码，得到如图4中所示检测矩阵D_T(m₁，m₂)，并且补0使其行列数为N₁×N₂，D_T(m₁，m₂)中元素排列顺序与靶标矩阵相一致；

步骤四：计算如图4中所示的互相关函数R(k_y，k_x)

$R(k_y,k_x)=\underset{n_2=1}{\overset{N_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n_1=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}{D}_T(n_1,n_2)D(n_1+k_y,n_2+k_x)$

k_y＝-(N₁-1)，-(N₁-2)，…，0，1，…，N₁-2，N₁-1

k_x＝-(N₂-1)，-(N₂-2)，…，0，1，…，N₂-2，N₂-1

其中当N₁＜n₁+k_y＜1或N₂＜n₂+k_x＜1时取D_T(n₁+k_y，n₂+k_x)＝0，求出互相关函数的峰值偏移量：

步骤五：在任意时刻t₂重复步骤二到步骤四，得到峰值偏移量(k_y2k_x2)；

步骤六：(t₁t₂)时间段内的单向位移分量为

d_y＝h·(k_y2-k_y1)·sinα_y

d_x＝h·(k_x2-k_x1)·sinα_x

d_y正向对应于被测对象向上移动、d_x正向对应于被测对象向右移动。连续重复以上过程，可以得到被测对象在平面上连续移动的轨迹。

本发明提出的位移检测方法：1)利用二值随机编码图像靶标进行检测，对图像清晰度和保真度的要求下降，只要求检测图像的码元可以译码即可。因此，本发明提出的方法受环境光照强度、能见度、空气折射现象等因素的影响小，环境适应能力强；2)由二值随机矩阵相关函数的性质可知，本发明提出的方法在靶标图像部分遮挡的检测矩阵部分缺失的情况下，只要峰值存在检测结果就可以不受影响，因此，检测可靠性高；3)在图像传感系统能够保证成像质量的前提下，观测点和被测对象之间距离不受限制，因此，本发明提出的方法适用于不同观测距离下的长期在线自动检测。

Claims (2)

1.一种非接触的移动目标位移检测方法，其特征在于按下述方法制作二值随机编码图像靶标：

(1)在靶标平面上确定纵、横方向，沿纵向和横向将靶标平面均匀划分为N₁×N₂个高度h×宽度w的矩形码元阵列，当N₂＝1时码元为高度h而宽度任意的单列码元序列，

(2)依照0.5∶0.5的概率生成一个N₁×N₂的二值随机矩阵D(n₁，n₂)，当N₂＝1时该矩阵用具有N₁个元素的二值随机序列D(n₁)表示，

(3)依照矩阵D(n₁，n₂)中每一位的值将码元阵列中相应的码元染色，得到二维图像靶标，当N₂＝1时，依照序列D(n₁)中每一位的值将单列码元中相应的码元染色，得到单列图像靶标；

然后，按以下方法之一实现检测：

方法一

步骤一：将N₂＝1的单列图像靶标固定在被测对象上，靶标纵向沿被测对象移动方向，选定主光轴和视角使靶标纵向平行于拍摄图像纵向，

步骤二：在检测开始的t₁时刻拍摄图像，经常规处理后分割出检测图像，

步骤三：依照码元颜色由检测图像解码得到检测序列D_T(m₁)，

步骤四：求D_T(m₁)与D(n₁)互相关峰值的偏移量，记作k_y1，

步骤五：在时刻t₂重复以上步骤二至四，得到偏移量k_y2，

步骤六：靶标纵向与主光轴之间安装夹角α_y，则(t₁，t₂)时间段内靶标沿其纵向的位移量为：d_y2＝h·(k_y2-k_y1)·sinα_y；

方法二

步骤一：将二维图像靶标固定在被测对象上，靶标的纵横方向分别平行于被测对象移动的纵横方向，选定主光轴和视角使拍摄图像的纵横方向与靶标的纵横方向平行，

步骤二：在检测开始的t₁时刻拍摄图像，经常规处理后分割出检测图像，

步骤三：依照码元颜色由检测图像解码得到检测矩阵D_T(m₁，m₂)，

步骤四：求D_T(m₁，m₂)与D(n₁，n₂)互相关峰值的偏移量，记作(k_y1，k_x1)，

步骤五：在时刻t₂重复以上步骤二至四，得到偏移量(k_y2，k_x2)，

步骤六：靶标纵向和横向与主光轴之间夹角分别为(α_y，α_x)，则(t₁，t₂)时间段内靶标沿其纵向的位移量为：d_y2＝h·(k_y2-k_y1)·sinα_y，横向的位移量为d_x2＝h·(k_x2-k_x1)·sinα_x。

2.根据权利要求1所述的一种非接触的移动目标位移检测方法，其特征在于所述的矩形码元阵列中的码元尺寸和检测图像参数的选择方法为：

(1)码元高度h和宽度w分别小于对应方向分辨率要求的二分之一倍；

(2)检测图像覆盖靶标范围，纵向：大于等于三倍的列方向连续码元的长度L_y小于等于N₁；横向：大于等于三倍的行方向连续码元的长度L_x小于等于N₂；

(3)靶标图像面积为：纵向×横向＝2h(N₁-L_y)×2w(N₂-L_x)。