CN103808271A - 远距离量测裂缝的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种远距离量测裂缝的方法及其装置，其先利用多点且已知形状的雷射光点投射到远距离墙面的裂缝旁，利用几何计算以获得各雷射光点之间在墙面上的相对坐标与实际距离，此实际距离可作为裂缝的参考长度；然后利用照相机在于远处同时拍摄裂缝与雷射光点影像，接着利用影像辨识技术将拍摄图像中的裂缝相关参数计算出来；使用者完全不需要到靠近裂缝的所在位置做近距离量测或是于其旁边放置参考对象即可获得裂缝参数，具有安全性与便利性。

Description

远距离量测裂缝的方法及其装置

技术领域

本发明是一种远距离量测裂缝的方法及其装置，尤指一种使用雷射光束组成的雷射图案的形变而用以分析裂缝的长宽等参数的远距离量测裂缝的方法及其装置。

背景技术

建筑物于墙体上出现裂缝即是结构安全上的一项警讯，即便是细小的裂缝，若不及时进行补强，仍有可能在日益扩大之下，暴露出内部的钢筋而增加其锈蚀的可能，进而危害到安全性。

中国台湾地区因其地理关系而长年遭受台风、水患、地震等灾害侵袭，因此建筑物或是工程结构物也有较高的可能产生裂缝而逐渐老化、劣化，这对人民生命财产构成了严重威胁。因此，如何让工程养护单位在对于桥梁、坝体、隧道等建筑工程进行维护管理时，能确实地检测及追踪裂缝的状态即是重要且必须面对的课题。

传统上，当混凝土建物有裂缝产生时，对于量化裂缝的长度及宽度的方法为接触性的人工量测，也就是使用手持式的裂缝量尺进行判读，或是透过超音波做检测；然而此些人工量测的方式不但费时费力，且量测结果非唯一性，再者，有些裂缝位置并不容易到达，因此在大量施作上有其困难。

而近年来，已有越来越多的专家学者利用影像辨识来获得图像上的裂缝信息，但基本上，虽然此些习知技艺都可能得到图像上的裂缝信息，例如长度、宽度等，但这些尺度都是影像上画素(pixel)的大小，故需再透过参考比尺的转换关系才能得到实际的裂缝参数。目前仍未有人提出一个简易又实用的方式来提供图像上的参考比尺。

发明内容

本发明的主要目的，是提供一种远距离量测裂缝的方法，其先透过雷射光束照射裂缝的一侧，而后进行拍摄及影像分析处理，使用者完全不需要到现场近距离量测或放置参考对象，具有安全性与便利性。

本发明的次要目的，是提供一种远距离量测裂缝的方法，其藉由雷射光束本身的低发散性而让量测距离提升到远距，即便是相隔很远也不影响准确度。

本发明的另一目的，是提供一种远距离量测裂缝的方法，其仅需于取得相关参数以及拍摄图像后即可做分析处理，因此可应用于无人监测系统，并且快速地将数据传输至远程做统一分析。

本发明的再一目的，是提供一种远距离量测裂缝的装置，其可对具有裂缝的墙面投射所需要的雷射光束，以搭配本发明的方法做准确的裂缝量测。

因此，本发明揭示了一种远距离量测裂缝的方法及其装置，其于方法中包含步骤：移动一雷射光点投射器，使该雷射光点投射器与一墙面的法线方向平行；移动该雷射光点投射器一水平角度以及一垂直角度，使该雷射光点投射器对准至一投射点，该投射点位于该墙面的一裂缝的一侧；投射一雷射图形至该投射点；拍摄该投射点以及该裂缝，取得一变形图像；以及还原该变形图像为一正交影像，取得该裂缝的一参数。透过此些步骤，使用者即可在安全无疑虑之下准确地获得裂缝的长度及宽度等数值。

实施本发明产生的有益效果是：透过本发明所揭示的远距离量测裂缝的方法及其装置，先利用多点且已知形状的雷射光点投射到远距离墙面的裂缝旁，然后利用几何计算以获得各雷射光点之间在墙面上的相对坐标与实际距离，作为裂缝的参考长度；然后利用照相机在远处将裂缝与雷射光点影像一起照下来，针对图像利用影像辨识技术将裂缝相关参数计算出来，使用者完全不需要到现场近距离量测或放置参考对象，无疑是具有安全性与便利性的远距离量测裂缝的技术。

附图说明

图1：其为本发明的步骤流程图；

图2：其为本发明对准雷射光点投射器而使的与墙面的法线方向平行的示意图；

图3A：其为本发明于水平角度移动雷射光点投射器的示意图；

图3B：其为本发明于垂直角度移动雷射光点投射器的示意图；

图3C：其为本发明于投射雷射图形至投射点的示意图；

图4：其为本发明的雷射图形截面示意图；

图5A：其为本发明的平行雷射光束式雷射光点投射器的投射口示意图；

图5B：其为本发明的可调角度雷射光束式雷射光点投射器的投射示意图；

图6：其为本发明的一较佳实施例使用平行雷射光束式的投射坐标示意图；

图7：其为本发明的一较佳实施例的变形图像与正交影像照片；

图8A～8D：其为本发明的例1的实际操作影像照片；

图9A～9C：其为本发明的例2的实际操作影像照片；以及

图10A～10D：其为本发明的例3的实际操作影像照片；

【图号对照说明】

1  雷射光点投射器      11 投射口

12 滑轨                13 雷射光源

14 投射器本体          15 投射面

16 雷射光束            2  墙面

21 裂缝                3  投射点

4  雷射图形            41 雷射光点

5  变形图像            51 正交影像

α 水平角度            β 垂直角度

P₁ 第一图形            P₂ 第二图形

P₃ 第三图形            P₄ 第四图形

θ 夹角

具体实施方式

为了使本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，特用较佳的实施例及配合详细的说明，说明如下：

首先，请参考图1，此图是本发明关于远距离量测裂缝的方法的步骤流程图，其包含：

步骤S1：移动一雷射光点投射器，使该雷射光点投射器与一墙面的法线方向平行；

步骤S2：移动该雷射光点投射器一水平角度以及一垂直角度，使该雷射光点投射器对准至一投射点，该投射点位于该墙面的一裂缝的一侧；

步骤S3：投射一雷射图形至该投射点；

步骤S4：拍摄该投射点以及该裂缝，取得一变形图像；以及

步骤S5：还原该变形图像为一正交影像，取得该裂缝的一参数。

于本发明中，如图2所示，其先将雷射光点投射器1设置于相距具有裂缝的墙面2一定距离的位置，而基于雷射光本身的特性，此距离可相当长，因此能忽略所观察的墙面2与雷射光点投射器1安装位置之间的地形问题。此雷射光点投射器1可固定于脚架的上，使其投射方向调整为与墙面2的法线方向平行。

接着，请一并参考图3A～3C图，使用者将此雷射光点投射器1于水平方向移动水平角度α，以及于垂直方向移动垂直角度β，使雷射光点投射器1对准至投射点3。于此阶段中，于水平和垂直方向所做调整的顺序并无限制，只要能纪录最终所移动至的投射点3与原本起始位置的角度差异，即可用于进行后续的运算处理。

另外，此于水平方向移动的水平角度α，以及于垂直方向移动的垂直角度β的范围可因地制宜，而是在移动后，使投射点3落于墙面2的裂缝21的一侧。

接续于步骤S3中，请参考图4，移动后的雷射光点投射器1投射出一雷射图形4至投射点3，此雷射图形4具有至少四个雷射光点41。本发明所使用的雷射光点投射器1可为平行雷射光束式或是可调角度雷射光束式，两者的差异会显现于此步骤S4当中。若采用平行雷射光束式，此种雷射光点投射器1会同时发射出相互平行的雷射光束，且各光束间是以矩形的方式做排列。而若采用可调角度雷射光束式，则其投射出已知形状(例如矩形)但可放大或缩小形状的雷射光束，而雷射光点投射器1与墙面2之间的距离可透过整合雷射测距仪来获得，因此矩形光点放大或缩小后的尺寸可利用几何计算来获得。而无论是使用何种形式的雷射光点投射器1，皆可透过雷射光点投射器1与墙面2的法线的夹角，亦即前述所指的水平角度α、垂直角度β而计算出雷射光点41在墙面2上的相对坐标。

雷射光点投射器1若要同时发出相互平行的雷射光束，在设计上存在难度，因为即便是极小的误差，在投射至远处时就会扩大为不可忽略的偏移，因此本发明对雷射光点投射器1的结构也进行了些许改良，如图5A所示，在此平行雷射光束式的雷射光点投射器1的投射面15中，其将雷射光点投射器1的多个投射口11缩减为一个，而其可透过预设滑轨的方式在雷射光点投射器1的内部沿着滑轨12而移动，进而在每个位置都投射出完全平行的雷射光线，此时在后续的拍摄取像上则可搭配延长快门时间而获得与多个投射口11并列的相同效果。

另可参考图5B，其为可调角度雷射光束式的雷射光点投射器1的投射示意图，其中，雷射光点投射器1的投射器本体14的投射面上的投射口具有雷射光源13，透过投射口而投射出雷射光束16，且该些雷射光束16同时与该投射面的法线具有可调整的一夹角θ；而当雷射光束16经投射置墙面2后，形成雷射图形，此雷射图形的大小会受夹角θ而调整。

本发明以使用平行雷射光束式为例，请参考图6，图中第一图形P₁为雷射光点投射器1所射出的平行雷射光束的截面；第二图形P₂为将第一图形P₁经修正垂直角度β而垂直于XY平面的图形；第三图形P₃为将第二图形P₂经修正水平角度α而平行于YZ平面的图形；而第四图形P₄则为雷射光点投射器1形成于墙面2的变形图像。其中，雷射光点投射器1所投射出的影像为多个雷射光点，此图6所示的P₁、P₂、P₃以及P₄皆为多个雷射光点所连接起来的虚拟雷射图形，并非投射实体矩形图像。

使用者接着于步骤S4拍摄投射点3以及裂缝21，取得一变形图像。此阶段以相机或照相手机将投射点3的雷射光点41与裂缝21一起拍摄下来。而在拍摄取得变形图像后，还可进一步将所取得的变形图像、水平角度α、垂直角度β以及裂缝21所在的全球定位坐标透过无线传输技术上载至远程的影像分析系统进行后续的影像分析处理。

获得所需要的图像坐标信息和相关角度等还原参数后，使用者即可进行影像分析，也就是还原该变形图像为一正交影像，例如图7所示的变形图像5与正交影像51的转换。此时根据雷射光点投射器的旋转角(水平角度α与垂直角度β)，利用以下经整理的公式(式1)而获得图6中的A、B、C、D点在墙面21上的变形坐标(以YZ平面表示)：

$\left\{\begin{array}{c}{(y,z)}_A=\left(\mathrm{0,0}\right)\\ {(y,z)}_B=(W/\cos \mathrm{\α},W\tan \mathrm{\α}\tan \mathrm{\β})\\ {(y,z)}_C=(W/\cos \mathrm{\α},H/\cos \mathrm{\β}+W\tan \mathrm{\α}\tan \mathrm{\β})\\ {(y,z)}_D=(0,H/\cos \mathrm{\β})\end{array}\right.$

接下来，将变形图像中的雷射光点位置(y′，z′)_A～(y′，z′)_D，也就是拍摄的照片上的图像利用影像处理技术辨识出来，然后将变形前与变形后的A、B、C、D等四个点的坐标位置代入下式(式2)来联立求解出系数c₁～c₈：

y′＝c₁y+c₂z+c₃yz+c₄

z′＝c₅y+c₆z+c₇yz+c₈

在已知系数c₁～c₈的情况下，式2可用来将整张变形图像还原为正交影像，并获得雷射光点41间的参考长度。

接下来，裂缝21的影像辨识与参数的获得的流程可有两个方式，第一种方式是将原始变形图像的裂缝21位置于(y′，z′)坐标系统上辨识出来，再利用式2将其换算到实际的(y，z)平面坐标，为一真实坐标，因此裂缝21真正的长度、宽度等参数可以在实际的坐标系统计算出来。

另一种方式是将获得的正交影像的裂缝21位置辨识出来，再透过比较裂缝21与雷射图形4间的参考长度，而获得裂缝21真正的长度、宽度等参数。

若是在光线不佳或夜间施行量测的情况下，为了增强所拍摄到的图像的裂缝影像清晰度，本发明所揭示的方法也可以与其它光源搭配使用，雷射光的高聚旋光性将不会受到辅助光源的影响。

在实际应用的操作结果上，本发明的实例如下：

【例1】

使用平行雷射光束式的雷射光点投射器，而雷射光点投射器的初始矩形宽W为10公分，高H为5公分。将雷射光点投射在如图8A的墙面上，雷射投射角度为α＝20°、β＝30°，然后利用相机由另一角度侧拍裂缝与雷射光点，获得图8B的墙面以及雷射光点，然后利用公式计算获得于变形影像上的平行四边形红点位置：

A＝[0，0]

B＝[W/cos(α)，W*tan(α)*tan(β)]＝[10.64，2.1014]

C＝[W/cos(α)，H/cos(β)+W*tan(α)*tan(β)]

＝[10.64，7.8749]

D＝[0，H/cos(β)]＝[0，5.7735]

接着，透过红点侦测，找出雷射光点在此变形影像上的坐标，如图8C所示。然后将变形影像的透过式2做坐标转换，转换成10.64公分x7.87公分的大小。此时，已将影像转为正交影像，且图的大小与实际大小为100像素：1公分。再透过裂缝长度计算程序，将裂缝的坐标系统辨识出来，取出起点与终点，将裂缝分段连续累加，如图8D的裂缝图式。

起点＝[242，1537]

终点＝[2869，1495]

距离＝28.2公分(使用程序分段相加的结果)

在实际量测距离为28.4公分之下，误差为0.7％。

【例2】

使用可调角度雷射光束式的雷射光点投射器，雷射光点投射器的初始矩形宽W为10公分，高H为5公分。将雷射光点投射在如前一例中的图8A的墙面上，雷射投射角度为α＝20°、β＝30°、Xd＝100公分、α_A＝0°、β_A＝0°、α_B＝1°、β_B＝1°、α_C＝1°、β_C＝1°、α_D＝1°、β_D＝1°，然后利用相机由另一角度侧拍裂缝与雷射光点，获得如图9A的墙面以及雷射光点，然后利用公式计算获得于变形影像上的四边形红点位置：

A＝[0，0]

B＝[12.9959，0.0115]

C＝[13.0988，11.0265]

D＝[-2.3426，7.8532]

接着，透过红点侦测，找出雷射光点在此变形影像上的坐标，如图9B所示。然后将变形影像的透过公式做坐标转换为正交影像，再透过裂缝长度计算程序，将裂缝的坐标系统辨识出来，取出起点与终点，将裂缝分段连续累加，如图9C的裂缝图式。

起点＝[140，1055]

终点＝[2728，979]

距离＝27.84公分(分段相加的结果)

实际量测距离为28.4公分，误差为2％。

【例3】

此实施例将图8A所示的裂缝设置于圆柱，使裂缝为位于一曲面。利用雷射光点投射器将四道雷射光束投射其上，再利用相机由另一角度侧拍裂缝与雷射光点，获得如图10A的非正交图；然后利用雷射测距仪分别将各光点的坐标计算出来：

A＝[0，0，0]

B＝[5，17，0]

C＝[5，17，13.6]

D＝[0，0，13.6]

接着，透过红点侦测，找出雷射光点在此变形影像上的坐标，如图10B所示。然后将变形影像透过公式做坐标转换为正交影像，再透过计算目标曲面的曲面函数，也就是将所有点平移向右与向下增加600像素，代入四点坐标入曲面公式并重新投影至三维空间，确实为一曲面。

A＝[0，600，1960]

B＝[500，2300，1960]

C＝[500，2300，600]

D＝[0，600，600]

代入x＝ay²+byz+cz²+d

得a＝0.0001，b＝c＝0，d＝-36.5112

接着经由裂缝长度计算将裂缝辨识出来，取出起点与终点，将裂缝分段连续累加出来。其中，直线距离为不考虑裂缝深度值x的影响，曲线距离为考虑裂缝深度值x的影响。

全长裂缝(如图10C所示)：

起点＝[234，1383]

终点＝[2601，1307]

直线距离23.68公分

曲线距离25.85公分(分段相加的结果)

实际量测距离为28.4公分，误差为9％

部分裂缝：(如图10D所示，也就是于图10A的雷射光点内范围)

起点＝[889，1455]

终点＝[2072，1392]

曲线距离12.45公分(分段相加的结果)

实际量测距离为12.3公分，误差为1.2％。其中，全长裂缝量测误差略大的原因为二，其一是雷射光点外的区域的几何校正误差，其二是雷射光点外的区域的曲面函数误差。

透过本发明所揭示的远距离量测裂缝的方法及其装置，先利用多点且已知形状的雷射光点投射到远距离墙面的裂缝旁，然后利用几何计算以获得各雷射光点之间在墙面上的相对坐标与实际距离，作为裂缝的参考长度；然后利用照相机在远处将裂缝与雷射光点影像一起照下来，针对图像利用影像辨识技术将裂缝相关参数计算出来，使用者完全不需要到现场近距离量测或放置参考对象，无疑是具有安全性与便利性的远距离量测裂缝的技术。

上文仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (14)

1.一种远距离量测裂缝的方法，其特征在于，其步骤包含：

移动一雷射光点投射器，使该雷射光点投射器与一墙面的法线方向平行；

移动该雷射光点投射器一水平角度以及一垂直角度，使该雷射光点投射器对准至一投射点，该投射点位于该墙面的一裂缝的一侧；

投射一雷射图形至该投射点；

拍摄该投射点以及该裂缝，取得一变形图像；以及

还原该变形图像为一正交影像，取得该裂缝的一参数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该雷射光点投射器为一平行雷射光束式或一可调角度雷射光束式。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该雷射光点投射器仅具有一投射口。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该雷射图形具有至少四个雷射光点。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该雷射图形为矩形。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中还原该变形图像为该正交影像的步骤中，以该变形图像的坐标、该水平角度以及该垂直角度为还原参数。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，其中于取得该参数的步骤中，先辨识该变形图像的一变形后坐标，再利用该些还原参数，将该变形图像还原为该正交影像。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中于取得该裂缝的该参数的步骤中，将先辨识该裂缝于该变形图像的坐标，再换算至一真实坐标而获得该参数。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中于取得该裂缝的该参数的步骤中，将先辨识该裂缝于该正交影像的坐标，再参考该裂缝与该雷射图形间的参考长度而获得该参数。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中该参数包含该裂缝的长度以及宽度。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中于取得该变形图像后，更包含步骤：传送该变形图像、该水平角度、该垂直角度以及一全球定位坐标于一远程。

12.一种远距离量测裂缝的装置，为一雷射光点投射器，其特征在于，其包含：

一投射器本体，其一投射面具有复数个投射口；以及

复数个雷射光源，透过该些投射口而投射出雷射光束，且该些雷射光束同时与该投射面的法线具有可调整的一夹角；

其中，该些雷射光束经投射至一墙面后，形成一雷射图形，该雷射图形的大小受该夹角而调整。

13.一种远距离量测裂缝的装置，为一雷射光点投射器，其特征在于，其包含：

一投射器本体，其一投射面具有至少一投射口；以及

至少一雷射光源，透过该些投射口而投射出雷射光束。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，其中该投射面具有一滑轨，使该投射口沿着该滑轨而投射出平行的雷射光束。

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