CN103940344B - 一种高精度远程位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度远程位移传感器，包括光学镜头（1）、图像传感器（2）、核心控制功能单元（5）、处理存储单元（6）、触发控制单元（3）和远程通讯单元（4）；其中核心控制功能单元（5）包括触发信号检测模块、目标靶模板加载及规格化模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和目标图像匹配检测模块（7）；本发明采用图像传感器获取被测量目标上靶标的图像，并通过图像处理获得桥梁的位移参数，具有精度高、结构简单可靠、二维实时测量、测量量程大等特点，适用于长期、在线、多点测量。

Description

一种高精度远程位移传感器

技术领域

本发明属于力学测量技术领域，涉及一种可用于桥梁、大坝、结构件等目标的位移和形变测量装置，特别是一种远程测量的位移传感器。

背景技术

桥梁、大坝、结构件等目标的变形主要包括静态变形和动态变形，静态变形是指地基下陷、倾斜和应力松弛等变化很慢的变形，动态变形是指由于风、温度、地震及交通负载引起的短期变形，其参数监测对于目标的安全评估分析具有重要的作用。世界上很多国家都投入了很大的人力物力，进行桥梁变形测量技术的研究。

传统的桥梁变形检测的仪器有百分表、千分表、加速计、水准仪、经纬仪等。目前，这些仪器在桥梁验收、定期检测中仍然广泛使用，但是需要专业技术人员，费时、费力，人为误差大，远远不能实现在线、实时、自动、智能测量。近年来，信息技术的蓬勃发展大大带动了桥梁变形测量技术的发展，涌现了许多新技术和新方法，比如激光挠度法和GPS(GlobalPosition System)定位测量法。激光挠度仪能实现亚毫米的位移测量，但是量程仅能达到数十厘米，不能满足跨距较大的用于桥梁大变形的测量，其垂直位移可达米级；GPS定位测量法可实现实时在线测量桥梁的大变形，但是其精度智能达到厘米级，且费用高昂，限制了其推广应用。

自从70年代末期固体图像传感器出现以来，国内外有不少学者以CCD等图像传感器为媒介，将图像处理技术用于桥梁、混凝土梁变形测量的研究。申请号为200820241096.0的中国专利“一种基于机器视觉的桥梁动位移测量装置”公开了一种通过激光源和CCD结合测量大桥动态变形的测量装置，通过在桥梁远端用CCD记录大桥变形过程中激光光束的位置变化，计算得到大桥的变形参数。目前这类位移传感器存在的主要问题是：CCD图像传感器需要与准直激光器联合使用，增加了系统的复杂性。

发明内容

本发明提出了基于图像传感器的高精度远程位移传感器，通过光学成像的方法，监测桥梁等目标上的靶标点位置随时间变化参数，并经过分析计算得到目标的位移，具有二维实时测量、精度高、测量范围大，很适合长期、在线、多点和自动测量。

本发明的技术内容如下：

一种高精度远程位移传感器，包括光学镜头、图像传感器、核心控制功能单元、处理存储单元、触发控制单元和远程通讯单元；

光学镜头瞄准被测量目标上设置的靶标；

图像传感器为CCD或CMOS传感器，用于获取被测量目标的图像；

触发控制单元用于提供远程位移传感器所需的触发信号；

远程通讯单元与处理存储单元联接，用于图像数据的远程发送；

处理存储单元与核心控制功能单元相联，用于图像数据的存储和处理；

核心控制功能单元包括触发信号检测模块、目标靶模板加载及规格化模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和目标图像匹配检测模块；

目标靶模板加载及规格化模块事先根据靶标的特征建立目标靶模板，并对目标靶模板进行缩放和旋转处理，获得匹配模板组数据，并将其存储在处理存储单元的Flash存储器内；当触发信号检测模块接收到触发信号后，图像采集模块获取图像传感器数据，经过图像灰度化及缩放模块运行处理后，得到与靶标图像相适应的数据格式；在目标图像匹配检测模块内将靶标特征模板组数据与处理后的图像传感器数据进行匹配检测，并根据检测结果计算出位移参数，最后由远程通讯单元传出。

上述高精度远程位移传感器中，目标图像匹配检测模块包括目标图像粗略匹配单元、目标图像精确匹配单元和结果判定单元，其中：

目标图像粗略匹配单元将图像灰度化及缩放模块处理后的图像划分为若干个区域，并将靶标模板组数据与图像的各个子区域数据进行相关性计算，粗略判断得到靶标图像存在的热点区域；

目标图像精确匹配单元将热点区域内图像数据与靶标特征模板数据逐像素进行相关性计算，判断得到靶标所在的图像位置；

结果判定单元处理得到靶标的坐标信息，并计算得到靶标的位移值。

上述高精度远程位移传感器中，靶标为目标对象上的一个特定图案或连续工作的加电靶标。

上述高精度远程位移传感器中，加电靶标为排成一定形状的LED或LD灯带。

上述高精度远程位移传感器中，处理存储单元包括Flash存储器和32位ARM处理器。

上述高精度远程位移传感器中，远程通讯单元为无线GPRS系统或3G无线网络传输模块。

上述高精度远程位移传感器中，光学镜头为变焦距镜头。

上述高精度远程位移传感器中，核心控制功能单元由DSP构建。

本发明具有的技术效果如下：

1、本发明采用图像传感器获取被测量目标上靶标的图像，并通过图像处理获得桥梁的位移参数，具有、结构简单可靠、二维实时测量、测量量程大等特点，适用于长期、在线、多点测量。

2、本发明设置有采用远程通讯传输单元，可将测量的结果通过GPRS系统、3G无线网络等无线传输系统或光缆等有线传输系统，传输至远端的值班室，满足了远程无人值守全天候的野外工作要求。

3、本发明的核心控制功能单元采用嵌入式系统，结构紧凑可靠，方便应用。

4、本发明的光学镜头采用变焦镜头，自适应测量距离、测量范围大，对测量目标具有良好的适应性。

5、本发明的测量系统对靶标要求不高，系统可根据靶标生成不同缩放比及旋转角度的目标靶模板组，获取目标靶的距离、大小及位移信息；如果采用加电的LED或LD灯带作为靶标，则可以实现24小时全天候的工作，并具有特征目标提取方便和准确度高的特点，测量精度也相应提高。

6、本发明将靶标的特征目标提取后获得不同缩放率和不同旋转角度的目标模板组数据，预先放置在flash存储器中，在测量中只需要读取存储器的特征目标模板组数据与图像传感器的数据进行逐个比对，大大提高了比对效率；同时在数据比对过程中，利用图像相关性算法及粗略搜索及精确搜索相结合的策略有效提高比对速率和准确度，最终提高了测量的时间分辨率和精度。

附图说明

图1为本发明高精度远程位移传感器的原理示意图；

图2为利用本发明高精度位移传感器测量位移的流程；

图3为本发明目标图像粗略匹配和粗略搜索原理示意图。

附图标记如下：

1—光学镜头；2—图像传感器；3—触发控制单元；4—远程通讯单元；5—核心控制功能单元；6—处理存储单元；7—目标图像匹配检测模块；10—靶标；11—靶标特征模板组；12—含有靶标的图像。

具体实施方式

如图1所示，本发明的远程位移传感器包括光学镜头1、图像传感器2、核心控制功能单元5、处理存储单元6、触发控制单元3和远程通讯单元4。

光学镜头1瞄准被测量目标上设置的靶标，在应用中可选变焦距的镜头，将不同距离、不同大小的目标成像至图像传感器上，这种工作方式对测量目标具有良好的适应性，并具有测量范围大的特点，其中图像传感器2为CCD或CMOS传感器，用于实时获取被测量目标的图像。

本发明的靶标可以为目标对象上的一个特定图案或连续工作的加电靶标。本装置对靶标要求不高，如果采用加电的LED或LD灯带作为靶标，则可以实现24小时全天候的工作，并具有特征目标提取方便和准确度高的特点，测量精度也相应提高。

触发控制单元3用于提供远程位移传感器所需的触发信号，传感器平时不工作，只有当外界触发信号到来时，位移传感器才开始工作，减小了数据存储和数据传输的压力。远程通讯单元4与处理存储单元6联接，用于图像数据的远程发送。

远程通讯单元4可以为无线GPRS系统、3G无线网络传输模块或光缆等有线传输系统，将测量结果传输至远端的值班室，满足了远程无人值守全天候的野外工作要求。

处理存储单元6包括Flash存储器与32位ARM处理器，其与处理存储单元6联接，实现图像数据的存储和处理。

核心控制功能单元5是本发明的核心部分，包括触发信号检测模块、靶标加载及特征提取模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和目标图像匹配检测模块7。

其中靶标加载及特征提取模块事先根据靶标的特征进行缩放、旋转处理后，获得不同缩放比例和不同旋转角度的若干个匹配模板组数据，并将其存储在处理存储单元6的Flash存储器内供调用。

目标靶模板像素大小可以根据用户需要进行自由设定，原则上，目标靶模板的大小和实际测量环境中标靶成像后的像素大小越接近，测量的准确度越高；模板可以缩放的数量与模板的像素大小有关，最小缩放后的模板像素不小于4个像素大小；模板的旋转角度分度及支持最大旋转角度也可以根据用户需要设定，最小分度值为1°，最大支持±180°旋转。Flash容量为1GB。

当触发信号检测模块接收到触发信号后，图像采集模块获取图像传感器数据，首先对图像采集数据进行灰度化处理，把RGB图像数据转换成YUV格式数据，其中YUV格式数据中的Y值即为图像的灰度值，其转换公式如下：

Y=0.2989*R+0.5870*G+0.1140*B

经过灰度化处理后，对图片进行压缩、分别得到1/2,1/4,1/8,……1/n大小的图片组，n=2^x，x=1,2,3，……。然后与模板组数据进行相关性匹配计算。相关性分析可以用来衡量两幅图片相似度标准，两幅图片的相似度越高，则其相关系数越大，相关性计算公式如下：

其中，D_k为图片的灰度数据，Avr是图片灰度数据的平均值；M_k为模板图片的灰度数据，n为计算数，其值等于图片的宽度和高度乘积。

通过模板组与压缩后的图片组数据相关性分析，可以获得与标靶图片数据具有最大相关度系数的区域，该区域即为计算出的标靶位置，再与基准点图片中的标靶位置信息进行比对，获得标靶相对于基准点的位移信息。最后由远程通讯单元4传出。其中核心控制功能单元5由DSP构建，这种嵌入式工作方式可确保结构紧凑可靠，方便应用。

为了实现准确、高效率的位移参数测量，本发明的目标图像匹配检测过程采用粗细结合的方式，具体说明如下：目标图像匹配检测模块7包括目标图像粗略匹配单元、目标图像精确匹配单元和结果判定单元。在处理过程中，目标图像粗略匹配单元首先将图像灰度化及缩放模块处理后的图像划分为若干个区域，并将靶标模板组数据与图像的各个子区域数据进行相关性计算，粗略判断得到靶标图像存在的热点区域。具体计算及处理过程如下所述：

1）图像粗略匹配

用模板组分别和压缩后的图片从左上角开始进行相关性计算，为了加快计算的速度，首先进行快速匹配，即在进行相关性计算时，设定一个对图片区域进行匹配的步长，即容差，容差可以根据需要设置，默认设定容差为32个像素，这样在对压缩的图片组进行相关性计算时，匹配检索的步长为32，可以极大的提高检索的速度。找出具有最大相关系数值而且匹配度系数大于设定值（默认为0.8）的图片及其x，y坐标，以及与其匹配的模板信息（缩放比及旋转角度），则该区域及其相邻周边区域就是可能存在目标靶的热点图片区域，以及可能的模板缩放比及旋转角度，完成图像的粗略匹配；

2）精确匹配方式

粗略匹配获得图片中目标靶的热点区域后，为了获取目标靶的精确位置信息，还需要进行精确匹配定位计算，计算原理及过程和粗略匹配相同，不过这里把容差设定为1，即相当于对热点区域与模板组数据进行逐像素的相关性匹配计算，找到相关性系数值最大而且超过设定匹配度门限（默认为0.95）数据，则该组数据的x，y即为标靶图像的坐标点，与其匹配的模板缩放比率即为标靶的缩放比，旋转角度即为标靶的旋转角度。

3）靶标位置的判断

通过与基准点图片中标靶位置的比对，得到靶标所在的图像的精确位置，将该位置与原始位置进行比较，即得到测量目标的位移值。

本发明的位移测量流程如图2所示：

首先在在被测量目标上安装或选取靶标，由图像传感器获取靶标图像，根据靶标的特征建立目标靶模板，并对目标靶模板进行缩放和旋转处理，获得匹配模板组数据，并将其存储在处理存储单元6的Flash存储器内。

当位移传感器接收到触发信号时，图像数据采集模块获取图像传感器的图像数据，并对图像进行灰度化及缩放模块运行处理后，得到与靶标图像相适应的数据格式。

接着进入图像匹配检测流程，即将靶标特征模板数据与处理后的图像数据进行匹配检测，并根据检测结果计算出位移参数。本发明的匹配检测采取了图像相关性算法以及粗略搜索及精确搜索相结合的方法，极大地加快了测量的速度及精准性；

其中粗略搜索的过程如图3所示，先将前期处理后的图像划分为若干个区域，并将每个子区域的数据逐一与靶标特征模板组数据进行相关性计算，找到相关性系数最大并且大于设定的门限值的区域，则可判定为该区域可能存在目标靶，将其定义为热点区域，并获得与其匹配靶标模板的缩放比率及旋转角度。对于远程测量的图像传感器来说，其获得的靶标图像在桥梁的动态变形中表现为靶标图像的缩放和旋转角度，因此事先将靶标在成像中可能的变形图像进行特征提取后形成包含多个缩放比例和多个旋转角度的靶标特征模板组，只对模板组数据和图像划分后的子区域数据进行相关性计算，可大大提高运算速率。需要说明的是，粗略搜索中图像划分的子区域数量和靶标特征模板组中数据的个数要适量，同时兼顾测量精度和时间分辨率的要求。

精确搜索的过程是将热点区域内图像数据与靶标特征模板数据逐像素进行相关性计算，找到具有最大相关性系数而大于设定门限（默认0.95）的区域，则该区域即为最终测量到的目标的位置，从而获得目标靶在图片中的精确坐标信息。

最后根据现在位置坐标与原始位置坐标的比较，计算得到靶标的位移值，并将计算得到的位移参数由远程通讯单元4传出。这种利用图像相关性算法及粗略搜索及精确搜索相结合的策略有效提高比对速率和准确度，最终提高了测量的时间分辨率和精度。

本发明已在桥梁位移检测中得到应用，目前可测量位移的量程为10m级,测量精度达0.1mm级，时间分辨率为100ms。

Claims (7)

1.一种高精度远程位移传感器，其特征在于：包括光学镜头(1)、图像传感器(2)、核心控制功能单元(5)、处理存储单元(6)、触发控制单元(3)和远程通讯单元(4)；

所述的光学镜头(1)瞄准被测量目标上设置的靶标；

所述的图像传感器(2)为CCD或CMOS传感器，用于获取被测量目标的图像；

所述的触发控制单元(3)用于提供远程位移传感器所需的触发信号；

所述的远程通讯单元(4)与处理存储单元(6)联接，用于图像数据的远程发送；

所述的处理存储单元(6)与核心控制功能单元(5)相联，用于图像数据的存储和处理；

所述的核心控制功能单元(5)包括触发信号检测模块、目标靶模板加载及规格化模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和目标图像匹配检测模块(7)；

所述目标靶模板加载及规格化模块事先根据靶标的特征建立目标靶模板，并对目标靶模板进行缩放和旋转处理，获得靶标特征模板组数据，并将其存储在处理存储单元(6)的Flash存储器内；当触发信号检测模块接收到触发信号后，图像数据采集模块获取图像传感器数据，经过图像灰度化及缩放模块运行处理后，得到与靶标图像相适应的数据格式；在目标图像匹配检测模块(7)内将靶标特征模板组数据与处理后的图像传感器数据进行匹配检测，并根据检测结果计算出位移参数，最后由远程通讯单元(4)传出；

所述的目标图像匹配检测模块包括目标图像粗略匹配单元、目标图像精确匹配单元和结果判定单元，其中

所述的目标图像粗略匹配单元将图像灰度化及缩放模块处理后的图像划分为若干个区域，并将靶标特征模板组数据与图像的各个子区域数据进行相关性计算，粗略判断得到靶标图像存在的热点区域；

所述的目标图像精确匹配单元将热点区域内图像数据与靶标特征模板组数据逐像素进行相关性计算，判断得到靶标所在的图像位置；

所述的结果判定单元处理得到靶标的坐标信息，并计算得到靶标的位移值。

2.根据权利要求1所述的高精度远程位移传感器，其特征在于：所述的靶标为目标对象上的一个特定图案或连续工作的加电靶标。

3.根据权利要求2所述的高精度远程位移传感器，其特征在于：所述的加电靶标为排成一定形状的LED或LD灯带。

4.根据权利要求1所述的高精度远程位移传感器，其特征在于：所述的处理存储单元(6)包括Flash存储器和32位ARM处理器。

5.根据权利要求1所述的高精度远程位移传感器，其特征在于：所述的远程通讯单元(4)为无线GPRS系统或3G无线网络传输模块。

6.根据权利要求1所述的高精度远程位移传感器，其特征在于：所述的光学镜头(1)为变焦距镜头。

7.根据权利要求1所述的高精度远程位移传感器，其特征在于：所述的核心控制功能单元(5)由DSP构建。