CN104197888A - 一种立杆垂直度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用图像处理技术的高适应性脚手架立杆垂直度检测方法，包括以下步骤：提供一图像采集设备，拍摄需要检测垂直度的立杆，获取所述立杆的数字图像；提供一显示设备显示所述立杆的数字图像，基于所述显示设备压缩显示大致图像区域；压缩后的图像每h个像素作为一个水平条，对每个水平条垂直投影获取定位点，选择合适定位点拟合出来的直线投影到距离与法线空间上，找出法线方向分布峰值，求出立杆垂直度。

Description

一种立杆垂直度检测方法

技术领域

本发明涉及一种垂直度检测方法，尤其涉及一种采用图像处理技术的高适应性脚手架立杆垂直度检测方法。

背景技术

脚手架是建筑物施工过程中的一种临时工程，其安全性、稳定性及可靠性对建筑工程的顺利完工至关重要。立杆作为脚手架体系中最主要的部件，是传递垂直施工荷载的承压杆件。立杆在安装时若有过大的垂直度偏差，其受力状态会受到极大影响，脚手架的承载能力也随之降低，甚者会因承载力损失而发生坍塌。国内外曾有许多脚手架坍塌的安全事故，影响非常恶劣，诸多事故中立杆垂直度偏差较大是原因之一。《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130——2011)中规定，脚手架立杆垂直度偏差要求为≤3‰，检测方法为用经纬仪或吊线和钢尺，按3％比例抽检。规范虽然对垂直度偏差及检测方法等有明确规定，但采用现有技术检测难度较大。首先是现有技术效率不高，无论经纬仪还是吊线，操作都很繁琐，每次只能检测一根立杆，当脚手架面积较大时工作量非常大；其次现有技术要求必须有人员爬到立杆顶部打点或吊线，当脚手架体较高时，人员上下无专用安全通道，有很大安全隐患；再次，现有规范中规定了脚手架安装完成后立杆垂直度要求，但在脚手架安装完成后立杆与水平杆、剪刀撑等连成整体，如立杆垂直度偏差不符合规范要求，调整难度非常大，因此必须在脚手架安装过程中实时检测立杆垂直度，现有技术无法实现。

随着我国城市建设的不断发展，越来越多的建筑出现在各个城市之中，伴随各式建筑的不断增多，随之而来的建筑脚手架数量也越来越多。脚手架安装的质量直接关系到脚手架的安全，这其中脚手架立杆垂直度是重要指标之一，而其检测方法却仍然很原始，主要是利用地球重力吊垂线，将一根细绳上端与立杆顶部紧贴固定，下端挂一个重锤使其自由垂落，然后量测底部立杆与垂线之间距离。这种方法需要工人爬上脚手架，效率不高而且非常不安全，重锤会做周期性摆动且短时间内停不下来，且受风吹等因素影响造成垂直测量上的偏差。

赵群飞、张浩等人在专利申请《电梯导轨垂直度检测机器人》(CN200410067147)中公开了一种垂直度检测装置，该装置采用磁性轮驱动移动平台，单片机控制减速电机、拍摄，检测电梯导轨的垂直度。

郑学德在专利申请《垂直度检测尺》(CN99227642)中公开了一种垂直度检测尺，该装置主要由活动靠脚、靠脚安装架、制动销、弹簧组成；利用两端面的活动靠脚，并通过弹簧推动制动销和活动靠脚的定位销孔配合，使活动靠脚维持伸出状态，用来检测建筑工程中内墙角的垂直度。

卢克强、赵宗文等人在专利申请《模板垂直度检测装置》(CN201320566526)中公开了一种模板垂直度检测装置，该装置为一种框架结构包括支撑杆以及分别垂直连接支撑杆的上支脚和下支脚，上支脚与下支脚平行且等长，上支脚连接一吊线、下支脚对应所述吊线设有刻度，采用将吊线固定在一垂直结构上并相应设有刻度尺检测垂直度。

但是上述现有的垂直度检测方法皆存在以下缺陷：

1)效率底，人工成本高，每次只能检测一根立杆，且必须要由专业人员操作，对作业人员的经验和操作技能有较高要求，人为误差对检测结果也会有一定影响；

2)安全性差，作业人员必须爬到架体顶部操作，因垂直度要求按3％比例抽检，脚手架上无法搭设专用检测垂直度的安全通道，对作业人员的人身安全有很大隐患；

3)适应性差，只能在脚手架安装完成后检测，而对于立杆垂直度控制最有效的阶段是在搭设过程中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的脚手架立杆垂直度检测方法，以解决上述现有检测方法中带来的缺陷。

本发明公开了一种一种立杆垂直度检测方法，包括以下步骤：

提供一图像采集设备，拍摄需要检测垂直度的立杆，获取所述立杆的数字图像；

提供一显示设备显示所述立杆的数字图像，同时在所述显示设备上选择所述立杆的数字图像的大致图像区域Dx×Dy，并基于所述显示设备的几何尺寸Ix×Iy，压缩显示所述大致图像区域；

将所述压缩显示的大致图像区域每h个像素作为一个水平条，对每个水平条垂直投影，从而获得水平条中第j列所有像素的灰度值垂直投影值p(j)，其中：p(j)为水平条中第j列所有像素的灰度值垂直投影值，c(i,j)为水平条内(i,j)处的像素灰度值，j＝1,2,...,Ix；

根据p(j)曲线上波峰确定所述立杆的有效检测区域，以所述有效检测区域的中心作为定位点；

在平面坐标系中，基于所述定位点拟合出直线，并采用以下参数方程表示：

ρ＝xcosθ+ysinθ

ρ表示平面坐标系原点到直线的垂直距离，θ表示直线的法线方向，x、y为平面坐标系上定位点的坐标；

将所述定位点拟合出的直线投影到距离与法线空间上，找出法线方向分布峰值，从而求出所述立杆的垂直度。

本发明的进一步改进在于，所述将所述定位点拟合出的直线投影到距离与法线空间上，找出法线方向分布峰值，从而求出所述立杆的垂直度的步骤中，进一步包括：

在所述立杆的有效检测区域的顶部和底部，各标记两个点；

分别找出与这两个点距离上较近的两组定位点集合P和Q，每组定位点与另一组所有点相连组成直线，对于集合P和Q上任意两个点p(x_i,y_i)、q(x_i,y_i)，由公式：ρ＝xcosθ+ysinθ以及平面两点共线原理可知，这两点映射到(ρ,θ)参数平面上的两条正弦曲线必定会交于某点(ρ₀,θ₀)：

ρ₀＝x_icosθ₀+y_isinθ₀

ρ₀＝x_jcosθ₀+y_jsinθ₀

上式变换可得θ₀＝arctan(x_i-x_j/y_j-y_i)，计算出一对(ρ₀,θ₀)参数值；

找到参数空间(ρ,θ)中θ分布的峰值θ'以及其对应的ρ'，计算所述立杆的有效检测区域顶部和底部的图像坐标(x'₁,y'₁)、(x'₂,y'₂)；

将压缩图中的坐标转换为原图坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=\frac{{x^{\′}}_1}{A}\\ y_1=\frac{{y^{\′}}_1}{B}\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}{x}_2=\frac{{x^{\′}}_2}{A}\\ y_2=\frac{{y^{\′}}_2}{B}\end{array}\right.$

从而计算立杆的斜率α＝arctg(y₂-y₁/x₂-x₁)，最后结合拍摄时图像采集设备的滚角得到立杆的实际垂直度β。

本发明检测方法的有益效果在于：

1)提高检测效率，降低人工成本，仅需用手机等设备拍张照，即可对照片中所有立杆进行垂直度检测，快速高效，因此可以做到100％普检；

2)作业人员不需要与架体接触，只要在远离架体安全区域拍张立杆整体照即可；

3)可实时全过程检测，重点是将现有技术的事后检测，提升为事中控制，提升了检测技术的适应性。

附图说明

图1为立杆的投影成像模型。

图2选取立杆、压缩立杆图像过程

具体实施方式

本发明的立杆垂直度方法主要包括:

1.提供一图像采集设备，拍摄需要检测垂直度的立杆，获取所述立杆的数字图像，该图像采集设备可以为手机，数码摄像机等；

摄像机拍摄脚手架照片时，立杆的整个成像过程是由4个坐标系组成：世界坐标系、摄像机坐标系、成像平面坐标系、图像坐标系。从世界坐标系到摄像机坐标系的变换由平移和旋转组成，旋转矩阵R由3个旋转角度确定，分别是绕摄像机坐标系x轴旋转角度α、绕y轴旋转角度β、绕z轴旋转角度γ，旋转矩阵均为正交矩阵。立杆在摄像机坐标系下的坐标为(x_c,y_c,z_c)，在世界坐标系下的参数坐标为(x_w,y_w,z_w)，具体变换关系为：

${[x_c,y_c,z_c,1]}^T=\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0& 1\end{array}\right]{[x_w,y_w,z_w,1]}^T$

t为平移矩阵，R和t中的参数是摄像机的外部参数，由摄像机坐标系与世界坐标系之间关系决定。摄像机坐标系下立杆投影到成像平面坐标系中的过程为：

$\left(\begin{array}{c}u\\ v\end{array}\right)=\frac{f}{z_c}\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\end{array}\right)$

其中f为摄像机焦距。综上所述，参阅图1所示，立杆在图像坐标系上的坐标就能变换到世界坐标系中： $s\left(\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}1/s_x& 0& u_0& 0\\ 0& 1/s_y& v_0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right)\left[\begin{array}{cc}R& T\\ 0& 1\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)$

s_x、s_y为比例缩放因子，表示在水平和垂直方向上相邻图像像素之间的物理距离；(u₀,v₀)表示图像的光心点。事先标定好摄像机的内部参数，就可以通过立杆在图像上的坐标求出立杆上点的世界坐标值，当计算出来的点越多，就越能更好地拟合出立杆垂直的情况。

2.提供一显示设备显示所述立杆的数字图像，该显示设备可以为手机，电脑等智能显示设备。图像处理的主要工作是获取的拍摄图像时手机的姿态，同时结合人机交互、图像压缩、直线拟合等方法，计算出待测立杆的实际垂直度。单个立杆存在于整个脚手架当中，拍摄立杆图像时由于立杆长度较长、其他立杆遮挡等因素，用户从整个图像上无法看清立杆的垂直度情况，需要将立杆的大致区域提取出来，进行压缩显示。

用户在显示设备上选择立杆所在大致区域，获得该区域的数字图像信息。屏幕大小为Ix×Iy，立杆大致区域的大小为Dx×Dy，则X轴压缩倍数为：A＝Ix/Dx，Y轴压缩倍数为：B＝Iy/Dy，将待测立杆的大致区域的像素转换为显示设备的屏幕区域进行显示(如图2所示)。

3.压缩后的图像每h个像素作为一个水平条，对每个水平条垂直投影(水平条大小为Ix×h，h水平条每列的像素个数)，则

$p\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}c(i,j)$

p(j)为水平条中第j列所有像素的灰度值垂直投影值，c(i,j)为水平条内(i,j)处的像素灰度值，j＝1,2,...,Ix。根据p(j)曲线上波峰确定立杆区域，区域中心作为定位点。假设ρ表示原点到直线的垂直距离，θ表示直线的法线方向，x、y为平面直线坐标系上定位点的坐标，可采用如下参数方程表示立杆直线：

ρ＝xcosθ+ysinθ

曲线峰值计算出来定位点数量较多，并不是每个定位点都适合参与直线拟合计算，可以采用人工干预的方式去除不合适的定位点，合适定位点拟合出来的直线投影到距离与法线空间上，找出法线方向分布峰值，然后再求出立杆垂直度。具体步骤如下：

1)用户在立杆所处压缩图的顶部和底部，各标记两个点。

2)分别找出与这两个点距离上较近的两组定位点集合P和Q。每组定位点与另一组所有点相连组成直线，对于集合P和Q上任意两个点p(x_i,y_i)、q(x_i,y_i)，由上式以及平面两点共线原理可知，这两点映射到(ρ,θ)参数平面上的两条正弦曲线必定会交于某点(ρ₀,θ₀)：

ρ₀＝x_icosθ₀+y_isinθ₀

ρ₀＝x_jcosθ₀+y_jsinθ₀

上式变换可得θ₀＝arctan(x_i-x_j/y_j-y_i)，计算出一对(ρ₀,θ₀)参数值。

3)找到参数空间(ρ,θ)中θ分布的峰值θ'以及其对应的ρ'，计算立杆顶部和底部的图像坐标(x'₁,y'₁)、(x'₂,y'₂)

4)将压缩图中的坐标转换为原图坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=\frac{{x^{\′}}_1}{A}\\ y_1=\frac{{y^{\′}}_1}{B}\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}{x}_2=\frac{{x^{\′}}_2}{A}\\ y_2=\frac{{y^{\′}}_2}{B}\end{array}\right.$

从而计算立杆杆的斜率α＝arctg(y₂-y₁/x₂-x₁)，最后结合拍摄时摄像机的滚角得到立杆实际垂直度β：

其中θ为摄像机拍摄脚手架图像时的滚角。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种立杆垂直度检测方法，其特征在于包括以下步骤：

提供一图像采集设备，拍摄需要检测垂直度的立杆，获取所述立杆的数字图像；

提供一显示设备显示所述立杆的数字图像，同时在所述显示设备上选择所述立杆的数字图像的大致图像区域Dx×Dy，并基于所述显示设备的几何尺寸Ix×Iy，压缩显示所述大致图像区域；

将所述压缩显示的大致图像区域每h个像素作为一个水平条，对每个水平条垂直投影，从而获得水平条中第j列所有像素的灰度值垂直投影值p(j)，其中：p(j)为水平条中第j列所有像素的灰度值垂直投影值，c(i,j)为水平条内(i,j)处的像素灰度值，j＝1,2,...,Ix；

根据p(j)曲线上波峰确定所述立杆的有效检测区域，以所述有效检测区域的中心作为定位点；

在平面坐标系中，基于所述定位点拟合出直线，并采用以下参数方程表示：

ρ＝xcosθ+ysinθ

ρ表示平面坐标系原点到直线的垂直距离，θ表示直线的法线方向，x、y为平面坐标系上定位点的坐标；

将所述定位点拟合出的直线投影到距离与法线空间上，找出法线方向分布峰值，从而求出所述立杆的垂直度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述定位点拟合出的直线投影到距离与法线空间上，找出法线方向分布峰值，从而求出所述立杆的垂直度的步骤中，进一步包括：

在所述立杆的有效检测区域的顶部和底部，各标记两个点；

分别找出与这两个点距离上较近的两组定位点集合P和Q，每组定位点与另一组所有点相连组成直线，对于集合P和Q上任意两个点p(x_i,y_i)、q(x_i,y_i)，由公式：ρ＝xcosθ+ysinθ以及平面两点共线原理可知，这两点映射到(ρ,θ)参数平面上的两条正弦曲线必定会交于某点(ρ₀,θ₀)：

ρ₀＝x_icosθ₀+y_isinθ₀

ρ₀＝x_jcosθ₀+y_jsinθ₀

上式变换可得θ₀＝arctan(x_i-x_j/y_j-y_i)，计算出一对(ρ₀,θ₀)参数值；

找到参数空间(ρ,θ)中θ分布的峰值θ'以及其对应的ρ'，计算所述立杆的有效检测区域顶部和底部的图像坐标(x'₁,y'₁)、(x'₂,y'₂)；

将压缩图中的坐标转换为原图坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=\frac{{x^{\′}}_1}{A}\\ y_1=\frac{{y^{\′}}_1}{B}\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}{x}_2=\frac{{x^{\′}}_2}{A}\\ y_2=\frac{{y^{\′}}_2}{B}\end{array}\right.$

从而计算立杆的斜率α＝arctg(y₂-y₁/x₂-x₁)，最后结合拍摄时图像采集设备的滚角得到立杆的实际垂直度β。