CN104061876A - 基于数字图像测量原理的建筑模板施工监测系统 - Google Patents

基于数字图像测量原理的建筑模板施工监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于数字图像测量原理的建筑模板施工监测系统。包括中控电脑、双目摄像机单元、激光测距单元和预警单元；所述双目摄像机单元的两台摄像机以预定的时间间隔拍摄模板的数字图像，并将图像传输给中控电脑进行处理、计算及分析；所述激光测距单元测量激光测距仪到被拍摄模板的距离，并实时传输给中控电脑；中控电脑对数字图像进行特征点识别，并根据两台摄像机所拍摄图像中同一特征点的视差，计算出被拍摄模板各特征点的三维变形量以及该被拍摄模板的运动趋势。本发明系统采用无接触式的图像测量方法，仪器操作简单，实时给出模板变形情况，且对模板可能出现的情况作出预判，因此，可以在建筑施工过程中广泛使用。

Description

基于数字图像测量原理的建筑模板施工监测系统
技术领域
本发明属于建筑模板施工安全领域，涉及一种预警系统，特别是一种基于数字图像测量原理的建筑模板施工监测系统。
背景技术
模板施工技术是钢筋混凝土工程中高度机械化、施工速度快、占有场地少、安全作业有保障、综合效益显著且可以重复使用的一种施工方法。特别在高层、超高层建筑现浇钢筋混凝土结构施工中，模板更是大面积广泛使用的一种施工工具，其重复使用率高、节省大量费用和施工周期、对工程质量有一定的保证。然而在施工过程中由于模板本身质量问题、支撑不够、不牢，施工人员操作不当，或者组织人力执行检查不够等原因产生了胀模、爆模现象。胀模和爆模都是在浇筑混凝土的时候，由于上述多种因素，再加上受到混凝土泵送冲击、混凝土自身重力或者振动棒振捣等影响扰动了模板。现有的模板监测主要是由专业人员定时的去观测，由于人直接观测误差较大，且容易遗漏，胀模、爆模现象时有发生。因此在施工过程通过仪器设备对模板的变形实时监测是十分重要的，一旦模板局部区域出现较大的变形或者模板的变形呈现逐渐增大的情况就给出报警，提示施工人员停止施工并作详细的安全检查，防止施工中爆模现象出现，可以节省大量的时间和费用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字图像测量原理的建筑模板施工监测系统，该方法采用无接触式的图像测量方法，仪器操作简单，实时给出模板变形情况，且对模板可能出现的情况作出预判，因此，可以在建筑施工过程中广泛使用。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于数字图像测量原理的建筑模板施工监测系统，包括中控电脑及与该中控电脑连接的双目摄像机单元、激光测距单元和预警单元；所述双目摄像机单元包括两台摄像机；
所述两台摄像机以预定的时间间隔拍摄模板的数字图像，并将图像传输给中控电脑进行处理、计算及分析；
所述激光测距单元用于测量激光测距仪到被拍摄模板的距离，并实时传输给中控电脑；
所述中控电脑对数字图像进行特征点识别，并根据所述两台摄像机所拍摄图像中同一特征点的视差，计算出被拍摄模板各特征点的三维坐标，对比各个时刻的三维坐标得到三维变形量以及该被拍摄模板的运动趋势。
在本发明实施例中，所述对数字图像进行特征点识别是基于图像摄影技术对被拍摄模板进行实时数字化处理的过程，其具体实现过程如下：
步骤S1：将两台摄像机所拍摄模板的数字图像均以 数组形式存储于所述中控电脑中，并在两台摄像机的两个成像平面上分别建立第一图像平面坐标系O1-U1V1和第二图像平面坐标系O2-U2V2，第一成像平面和第二成像平面分别位于第一摄像机和第二摄像机的焦距f处；
步骤S2：分别以第一摄像机的光心和第二摄像机的光心为原点建立第一摄像机坐标系xcyczc和第二摄像机坐标系xc2yc2zc2，并选择第一摄像机坐标系xcyczc作为世界坐标系，其中，xc轴和yc轴分别与U1轴和V1轴平行，zc轴为第一摄像机的光轴，并垂直于第一成像平面的第一图像平面坐标系原点O1处，xc2轴和yc2轴分别与U2轴和V2轴平行，zc2轴为第二摄像机的光轴，并垂直于第二成像平面的第二图像平面坐标系原点O2处；
步骤S3：设两台摄像机的投影中心的连线距离为d，取被拍摄模板上任意一点P，则其在第一摄像机和第二摄像机所拍摄图像的成像坐标分别为和，设点P在第一摄像机坐标系中的坐标为，由几何关系可得：
，
，
，
，
步骤S4：设点P在第一摄像机和第二摄像机所拍摄图像中相应点的位置差，即视差为：
，
由此计算出被拍摄模板上点P在第一摄像机坐标系xcyczc的三维坐标：
，
，
；
步骤S5：根据第一摄像机和第二摄像机中被拍摄模板各特征点的视差，可得各特征点在该时刻的三维坐标，通过与模板前一时刻的三维坐标比较即可得被拍摄模板的位移量，进而计算出被拍摄模板各特征点的三维变形量以及该被拍摄模板的运动趋势。
在本发明实施例中，所述激光测距单元为一激光测距仪，该激光测距仪设置于所述第一摄像机和第二摄像机连线中点处。
在本发明实施例中，所述被拍摄模板上的各特征点为在被拍摄模板上喷涂的斑点图案，以便于特征点的识别及匹配。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明系统采用了双目立体视觉三维测量方法，能够测量出目标物体的三维运动，当发现施工过程中模板整体或者局部位移超限则及时通过预警系统报警，防止胀模、爆模现象的发生，且该双目立体视觉三维测量方法采用无接触式的图像测量方法，不影响工程施工，仪器操作简单，实时给出模板变形情况，且对模板可能出现的情况作出预判，因此，可以在建筑施工过程中广泛使用。
附图说明
图1为本发明测量系统框架图。
图2为图像像素坐标系与实际图像坐标系。
图3为双目立体三维成像原理图。
图4为本发明激光测距仪安装图。
图5为本发明模板表面喷涂斑点示意图。
图6为施工前测量的结果图。
图7为本发明施工过程中测量的结果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种基于数字图像测量原理的建筑模板施工监测系统，包括中控电脑及与该中控电脑连接的双目摄像机单元、激光测距单元和预警单元；所述双目摄像机单元包括两台摄像机；所述两台摄像机以预定的时间间隔拍摄模板的数字图像，并将图像传输给中控电脑进行处理、计算及分析；所述激光测距单元用于测量激光测距仪到被拍摄模板的距离，并实时传输给中控电脑；所述中控电脑对数字图像进行特征点识别，并根据所述两台摄像机所拍摄图像中同一特征点的视差，计算出被拍摄模板各特征点的三维坐标，对比各个时刻的三维坐标得到三维变形量以及该被拍摄模板的运动趋势。
所述对数字图像进行特征点识别是基于图像摄影技术对被拍摄模板进行实时数字化处理的过程，其具体实现过程如下：
步骤S1：将两台摄像机所拍摄模板的数字图像均以数组形式存储于所述中控电脑中，并在两台摄像机的两个成像平面上分别建立第一图像平面坐标系O1-U1V1和第二图像平面坐标系O2-U2V2，第一成像平面和第二成像平面分别位于第一摄像机和第二摄像机的焦距f处；
步骤S2：分别以第一摄像机的光心和第二摄像机的光心为原点建立第一摄像机坐标系xcyczc和第二摄像机坐标系xc2yc2zc2，并选择第一摄像机坐标系xcyczc作为世界坐标系，其中，xc轴和yc轴分别与U1轴和V1轴平行，zc轴为第一摄像机的光轴，并垂直于第一成像平面的第一图像平面坐标系原点O1处，xc2轴和yc2轴分别与U2轴和V2轴平行，zc2轴为第二摄像机的光轴，并垂直于第二成像平面的第二图像平面坐标系原点O2处；
步骤S3：设两台摄像机的投影中心的连线距离为d，取被拍摄模板上任意一点P，则其在第一摄像机和第二摄像机所拍摄图像的成像坐标分别为和，设点P在第一摄像机坐标系中的坐标为，由几何关系可得：
，
，
，
，
步骤S4：设点P在第一摄像机和第二摄像机所拍摄图像中相应点的位置差，即视差为：
，
由此计算出被拍摄模板上点P在第一摄像机坐标系xcyczc的三维坐标：
，
，
；
步骤S5：根据第一摄像机和第二摄像机中被拍摄模板各特征点的视差，可得各特征点在该时刻的三维坐标，通过与模板前一时刻的三维坐标比较即可得被拍摄模板的位移量，进而计算出被拍摄模板各特征点的三维变形量以及该被拍摄模板的运动趋势。
所述激光测距单元为一激光测距仪，该激光测距仪设置于所述第一摄像机和第二摄像机连线中点处。
所述被拍摄模板上的各特征点为在被拍摄模板上喷涂的斑点图案，以便于特征点的识别及匹配。
以下为本发明的具体实施例。
如图1所示，本发明的基于数字图像测量原理的建筑模板施工监测系统，包括中控电脑、双目摄像机系统、激光测距仪、预警系统。所述的双目摄像机系统是由两台摄像机组成，对施工中的模板进行监测，并与中控电脑连接，所述的中控电脑控制摄像机拍摄、图像处理，以及警示系统的控制。
所述的摄像机以固定的时间间隔，如1秒，拍摄模板的数字图像。两个摄像机同时拍摄并把图像传送给中控电脑中进行处理、计算和分析，激光测距仪测量该点的距离实时传递给中控电脑。双目摄像机所拍摄的图像通过激光点进行两幅图的立体匹配。根据两个摄像机中同一个特征点的视差自动计算出模板中各个特征点的三维变形，并对其运动趋势作出判断。所述的中控电脑中可以设定“报警阈值”和“报警趋势阈值”等参数，当模板变形超过阈值或者其变形趋势超过趋势阈值后，中控电脑给出报警指令传送至警示系统，由警示系统来提示操作人员停止施工并进行相关的检查和加固，达到安全施工的目的。
本实施例中控电脑采用的数字图像测量方法（即对数字图像进行特征点识别）是基于图像摄影技术对目标进行实时的数字化处理的过程。具体处理过程如下：
摄像机采集的数字图像为数组形式存储，每幅数字图像在计算机内为数组，图像中的每一个元素（称为像素，pixel）表示图像的灰度。实际物理图像坐标系是以图像中心点O为原点，水平轴和竖向轴分别与摄像机两个轴相平行的坐标系，如图2所示，则实际的物理图像与像素之间的对应关系为
（1）
（2）
其中，、为中心点的像素，、分别为水平、竖向每个像素的物理尺寸。
双目立体三维测量技术采用两个摄像机，对两个摄像机分别建立相应的坐标系，具体如下：摄像机1坐标系的原点为摄像机的光心，轴和轴与图像的水平轴和竖向轴平行，轴为摄像机1的光轴，与图像平面垂直。摄像机1的光轴与图像平面的交点，即为图像1的坐标系原点，摄像机1的成像平面位于摄像机1前方光心前（焦距）处，这个虚拟的图像平面坐标系为，其中原点位于光心位置处，轴和轴与摄像机1坐标系轴和轴方向一致。则有
（3）
（4）
由于摄像机可以安装在环境中的任何位置，这里选择一个基准坐标系来描述摄像机的位置，并用它来描述环境中任何物体的位置，该坐标系称为世界坐标系，这里选择世界坐标系与摄像机1的坐标系重合。
采用双目立体视觉三维测量，该测量方法是基于视差原理，图3所示为简单的平视双目立体三维成像原理图，两个摄像机的投影中心的连线距离为d。摄像机2的坐标系与摄像机1坐标系类似。摄像机2的图像平面坐标系为，其中原点位于光心位置处，轴和轴与摄像机1坐标系轴和轴方向一致。摄像机2的成像平面位于摄像机2前方光心前（焦距）处，这个虚拟的图像平面坐标系为，其中原点位于光心位置处，轴和轴与摄像机2坐标系轴和轴方向一致。则有
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）
对于空间某点，该点在摄像机1和摄像机2中成像的坐标分别为和。
根据几何关系：
（10）
（11）
（12）
（13）
上式中为点在摄像机1坐标系中的坐标值，为基线距，为两个摄像机的焦距，和分别为点P在摄像机1所拍摄图像和摄像机2所拍摄图像中的坐标。
视差定义为为某一点在两幅图像中相应点的位置差：
（14）
由此可以计算出空间中某点P在左摄像机坐标系下的坐标为：
（15）
（16）
（17）
双目立体三维测量系统标定：本实施例所采用的双目摄像机的光轴是平行的，两个摄像机的水平距离为d，激光测距仪安装在两个摄像机之间，距离为d/2位置处，且其光心与摄像机平行，关于激光测距仪的安装如图4所示。两个摄像机拍摄图像后，在摄像机1和摄像机2中都会有激光测距仪射出的光点，通过匹配两个图像的光点作为特征点，激光测距仪射出的光点在世界坐标系下的坐标为，其中为激光测距仪测量得到。根据该已知点的坐标，对系统的参数进行标定。
双目立体三维测量方法中的对应点匹配：由于双目立体三维测量原理是建立在双目立体视觉图像中对应点的视差基础上的，因此，两个摄像机图像中各点的匹配关系成为双目立体三维测量的关键问题。为了能够增加匹配结果的准确性、高精度以及匹配的速度，通常需要在被测位置喷涂斑点图案用于该特征点的识别与匹配。根据摄像机1和摄像机2中各个特征点的视差即可以求得该时刻的三维坐标。通过与初始三维坐标即可以得到位移量。图5为施工现场喷涂的斑点图案。
双目立体视觉系统精度分析：根据上述双目立体视觉系统的基本原理可知，求解特征点在空间中的三维坐标，需要两个摄像机均出现该特征点。该方法所用的双目三维成像系统必须安装在一个稳定的平台上，在进行系统标定和测量时，要确保摄像机的内参数和外参数均不再发生变化，且每次测量前系统自动标定。
根据双目三维成像系统理论计算方法，则其测量的精度可以由下式得出：
（18）
其中：表示被测点与系统之间距离的精度；表示被测点与系统之间的绝对距离；为摄像机的焦距；表示双目摄像机之间的基线距；表示被测点的视差精度。
对于不同的系统参数，则其测量精度也不同，随着摄像机焦距以及基线距离增大，则测量精度提高，越靠近被测对象，则精度也越高。同时，视差对测量精度也有非常大的影响，视差可以精确到亚像素，表1列出了在视差精度为深度测量精度和各个参数之间的关系。
预警系统：根据上述的计算方法识别出各个特征点的视差并进行计算，得到了各个特征点的三维坐标。将所有点进行最小二乘法拟合得到整个模板所在的平面方程。计算其法向位移，将法向位移与初始时刻的法向坐标值进行作差得到其法向位移。
平面方程的一般表达式为：
（19）
对于一系列的n个点，其中。
要用点拟合计算上述平面方程，则目标函数为：
（20）
要使得S最小，应满足：，则
（21）
在施工前所测量的数据为初始数据，该拟合的平面为原始平面，如图6所示。在施工过程中所测量的数据分别与初始数据进行对比，得到三维变形量，与上一次测量结果对比得到变形增量，施工过程的变形量如图7所示。当各个测点的变形量超过了给定的阈值则系统报警，提示施工人员停止操作并作相应的安全检查。当局部区域变形产生一个类似于“鼓包”形式，则系统也会给出报警，说明局部支撑不足，应立刻加强该位置的支撑。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于数字图像测量原理的建筑模板施工监测系统，其特征在于：包括中控电脑及与该中控电脑连接的双目摄像机单元、激光测距单元和预警单元；所述双目摄像机单元包括两台摄像机；
所述两台摄像机以预定的时间间隔拍摄模板的数字图像，并将图像传输给中控电脑进行处理、计算及分析；
所述激光测距单元用于测量激光测距仪到被拍摄模板的距离，并实时传输给中控电脑；
所述中控电脑对数字图像进行特征点识别，并根据所述两台摄像机所拍摄图像中同一特征点的视差，计算出被拍摄模板各特征点的三维坐标，对比各个时刻的三维坐标得到三维变形量以及该被拍摄模板的运动趋势。
2.根据权利要求1所述的基于数字图像测量原理的建筑模板施工监测系统，其特征在于：所述对数字图像进行特征点识别是基于图像摄影技术对被拍摄模板进行实时数字化处理的过程，其具体实现过程如下：
步骤S1：将两台摄像机所拍摄模板的数字图像均以 数组形式存储于所述中控电脑中，并在两台摄像机的两个成像平面上分别建立第一图像平面坐标系O1-U1V1和第二图像平面坐标系O2-U2V2，第一成像平面和第二成像平面分别位于第一摄像机和第二摄像机的焦距f处；
步骤S2：分别以第一摄像机的光心和第二摄像机的光心为原点建立第一摄像机坐标系xcyczc和第二摄像机坐标系xc2yc2zc2，并选择第一摄像机坐标系xcyczc作为世界坐标系，其中，xc轴和yc轴分别与U1轴和V1轴平行，zc轴为第一摄像机的光轴，并垂直于第一成像平面的第一图像平面坐标系原点O1处，xc2轴和yc2轴分别与U2轴和V2轴平行，zc2轴为第二摄像机的光轴，并垂直于第二成像平面的第二图像平面坐标系原点O2处；
步骤S3：设两台摄像机的投影中心的连线距离为d，取被拍摄模板上任意一点P，则其在第一摄像机和第二摄像机所拍摄图像的成像坐标分别为和，设点P在第一摄像机坐标系中的坐标为，由几何关系可得：
，
，
，
，
步骤S4：设点P在第一摄像机和第二摄像机所拍摄图像中相应点的位置差，即视差为：
，
由此计算出被拍摄模板上点P在第一摄像机坐标系xcyczc的三维坐标：
，
，
；
步骤S5：根据第一摄像机和第二摄像机中被拍摄模板各特征点的视差，可得各特征点在该时刻的三维坐标，通过与模板前一时刻的三维坐标比较即可得被拍摄模板的位移量，进而计算出被拍摄模板各特征点的三维变形量以及该被拍摄模板的运动趋势。
3.根据权利要求2所述的基于数字图像测量原理的建筑模板施工监测系统，其特征在于：所述激光测距单元为一激光测距仪，该激光测距仪设置于所述第一摄像机和第二摄像机连线中点处。
4.根据权利要求2所述的基于数字图像测量原理的建筑模板施工监测系统，其特征在于：所述被拍摄模板上的各特征点为在被拍摄模板上喷涂的斑点图案，以便于特征点的识别及匹配。
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