CN104807446B - 一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法，包括以下步骤：1)根据隧道内部的拍摄环境选择拍摄相机；2)在隧道循环施工工序中确定相机的拍摄时间；3)确定相机拍摄的位置和光源的位置；4)根据隧道内部的拍摄环境采用现场试验的方法确定相机的拍摄参数；5)拍摄左右图像，并对左右图像进行处理得到掌子面三维点云模型。与现有技术相比，本发明具有精度高、成本低、快速便捷、可操作性强、适用范围广、可重复性强等优点。

Description

一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法

技术领域

本发明涉及一种三维点云模型的获取方法，尤其是涉及一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法。

背景技术

隧道开挖过程中形成的开挖面会揭露出大量的地质信息，然而要快速提取出其中有用的信息并加以分析利用却并不容易。施工现场受各种因素的制约，通常不允许在施工现场逗留太多时间对隧道开挖面进行观测和分析。另外，受技术条件限制，目前国内多数情况下仍然是通过地质技术人员采用皮尺、地质罗盘、游标卡尺等传统的工具在现场接触测量。地质工程师在采集数据过程中，需要直接暴露在岩崩、岩爆以及和不稳定的岩体下，人工地质素描不仅危险而且时间长，常常不能满足工程快速施工的需要，此外，地质素描的结果因人而异，很大程度上取决于人的主观判断以及相关经验，最后，高处的岩体难以测量到，因此也只能目测估计。所以人工地质素描有很大的局限性。综上所述，在实际工程中，受快速施工及落后的人工素描技术的影响，开挖面的地质信息并没有得到充分提取、分析和利用，更不能形成及时有效的反馈作用。因此，如何快速、可靠、客观地取得隧道开挖面地质信息变得至关重要。

数字摄影测量技术是基于数字影像与摄影测量的基本原理，应用计算机三维成像技术、影像匹配、图像插值、模式识别等多学科理论与方法，可以瞬间获取物体大量几何信息。并随着数字摄影测量技术和数码相机的发展，促进了研究人员通过普通数码相机获得多幅二维图像，并进行三维重构的研究和应用，目前已能达到相当高的测量精度。

然而要将数字摄影测量技术运用于实际施工中的隧道岩体信息的采集中，还需要克服很多的限制条件。我国的山岭隧道施工多采用“新奥法”，“新奥法”施工工序为：钻孔一装药一爆破一通风一出渣一初期支护一二次支护，其中开挖作业与支护作业同时交叉进行。在开挖方式上，以人工钻孔爆破为主；在初期支护中的锚喷环节，喷射混凝土仍以干喷占主要地位。上述施工手法所带来的粉尘已成为恶化隧道施工环境的重要因素，主要是爆破开挖岩石所带来的大量粉尘，干喷混凝土中的粉尘，以及炸药爆破后的有害气体，施工机械上的柴油机排放的烟尘等。其中开挖以及干喷环节中产生的粉尘居主要地位。此外，隧道中没有自然光，只能使用人造光源照明进行拍摄。拍摄过程中需注意光照角度、强度问题。最后，由于隧道施工工序比较紧凑，适合用于拍摄的时间较短。

基于单相机的双目三维重构包括特征点提取与匹配、相对位姿计算、极线校正、稠密匹配和三维重构等步骤。三维重构中图像处理的第一步是进行图像特征点的检测和提取，根据检测结果进行特征点匹配，然后计算两个拍摄位置上相机的相对位姿。两个点的误匹配会在三维空间造成一个很大的变异，在视觉感官上而言是就是一些孤零的突起，由于形状上像“毛刺”，因此称呼其为毛刺。这些少数的毛刺对于重构对象的整体效果有着很大的影响，一旦这些点很多时，甚至会影响后续对岩体特征的识别。因此特征点的正确检测非常重要，直接影响到后续工作的完成。两副图像特征点的检测的好坏常常取决于图像获取的质量。

综上所述，有必要针对隧道的特殊环境，对如何获取清晰的照片实现双目三维重构获得掌子面岩体的三维点云模型进行探讨，并给出具体的相机参数设置和拍摄步骤，减少后期三维重构的误差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精度高、成本低、快速便捷、可操作性强、适用范围广、可重复性强的隧道掌子面三维点云模型的获取方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法，包括以下步骤：

1)根据隧道内部的拍摄环境选择拍摄相机；

2)在隧道循环施工工序中确定相机的拍摄时间；

3)确定相机拍摄的位置和光源的位置；

4)根据隧道内部的拍摄环境采用现场试验的方法确定相机的拍摄参数；

5)拍摄左右图像，并对左右图像进行处理得到掌子面三维点云模型。

所述的步骤1)中选择拍摄相机为佳能5DMark II数码相机，镜头为佳能EF 24mmf/1.4L定焦镜头。

所述的步骤2)中的拍摄时间为在人工排险之后或在支钢拱架之后。

所述的步骤3)中的相机拍摄的位置为掌子面正前方3m～4m的位置处，拍摄光源设有2个，其位置为掌子面前2m～3m处，并且左右对称设置。

所述的步骤4)中的相机的拍摄参数包括相机内参、相机外参和相机拍摄参数，所述的相机内参包括主距f、镜头径向畸变参数Kappa、横纵向比例系数S_x和S_y、主点位置[C_x，C_y]、像宽WI、像高HI，所述的相机外参包括平移向量T＝(t_x，t_y，t_z)和旋转矩阵R＝R(α，β，γ)，所述的相机拍摄参数包括相机感光度ISO、光圈和快门。

所述的步骤5)中的拍摄左右图像具体包括以下步骤：

51)在掌子面前2m～3m处设置光源，使光源方向垂直于掌子面，平行调整灯光位置以减少掌子面上出现的阴影；

52)采用拍摄相机拍摄左图，获取左图图像，并在掌子面前方放置尺寸参照物后再拍摄一张图像；

53)平行移动三角架，采用线控方式拍摄右图，并且获取右图图像，并在掌子面前方放置尺寸参照物后再拍摄一张图像。

所述的步骤52)具体包括以下步骤：

521)在掌子面前3m～4m处架立三脚架，并将三角架稳定放置；

522)使用水准尺将三角架的云台调平，并且在云台平面上固定相机；

523)调整相机的位姿后，采用线控方式拍摄左图。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、精度高、成本低：本发明采用双目三维重构技术分别对隧道掌子面进行左右图的拍摄，采用佳能5DMark II数码相机和佳能EF 24mm f/1.4L定焦镜头，并且根据隧道内的环境进行参数设定，以此获得清晰的图像，为后续的掌子面三维点云模型的建立提供优质的数据。

二、快速便捷：本发明的操作步骤简单，适用性广，在人工排险之后或在支钢拱架之后进行拍摄，能够快速的获取图像而不影响正常的隧道施工流程，方便快捷。

三、可操作性强：本方法能够适应各种不同的隧道内的掌子面拍摄，操作简单，适用范围广。

四、适用范围广、可重复性强：本发明根据隧道内部的拍摄环境采用现场试验的方法确定相机的拍摄参数，并固定住相机的参数，可根据现场实际情况调节拍摄参数，适用范围广，同条件下使用时无需重复标定，即可直接使用，可重复性强。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为三角架和掌子面的位置关系图。

图3为隧道灯和掌子面的位置关系图。

图4为摄像机与世界坐标系的关系图。

图5为根据拍摄得到的左右图进行三维重构得到的点云模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法，包括以下步骤：

1)根据隧道内部的拍摄环境选择拍摄相机，近景摄影测量中，相机可以分为量测相机和非量测相机两种，两者的主要区别是相机内部参数是否固定。量测相机生产时即锁定内部参数并通过标定得到内参矩阵，具有较高的精度，但由于内参固定导致适用场合具有较多的限制条件，并且价格较贵。非量测相机即普通的数码相机，在精度、畸变控制等方面略为逊色，但可以自由调节相机内参，适用范围较广且价格较低。本发明的拍摄对象主要为隧道开挖掌子面岩体，拍摄过程受环境影响因素较大。在隧道中，由于没有自然光只能选用人造光源照明，并且需要在较短的拍摄距离内涵盖较大范围的岩体面，且满足三维重构所需的精度要求。因此选用相机时应着重考虑镜头畸变小、像素高、噪点少、有全手动拍摄模式等因素，因此选用佳能5DMark II数码相机和佳能EF 24mm f/1.4L定焦镜头；

2)在隧道循环施工工序中确定相机的拍摄时间，现场一个循环的施工工序是爆破、出渣、机械排险、台车靠前、人工排险、支钢拱架、锚杆施作、挂网、喷混凝土。在爆破、出完渣后拍摄的好处是可以拍摄到整个掌子面。然而机械排险完之后，施工台车就很快地被铲车向前推进直至紧贴掌子面，这两者之间的时间间隔很短，很难让施工单位停下当前的施工工序，配合拍照。其次，机械排险只是粗略地通过铲车打掉顶部和周边松动的岩块，掌子面附近仍然会有松动的小岩块掉下的风险，人仍然不宜在掌子面前面逗留。此外，刚排完渣之后，空气中仍有很多施工机械和装岩石的产生的粉尘以及爆破残留的粉尘还没来得及通过通风机排出，此时拍照会引入很多噪声。最后，机械排险后掌子面前方没有照明，光线较暗。因为供电设备只安装在台车上，要随着台车的移动而移动。

选择在人工排险之后或者是支钢拱架之后两个时间间隔拍摄照片的好处有：

1、过人工排险之后，掌子面前方相对较安全，几乎不会有松动的岩块掉下；

2、空气中的粉尘已通过通风机排出，空气质量好，图片的噪声少，拍摄人员也较舒适；

3、工台车靠前，可通过台车上的供电插头照明。掌子面前方较明亮。但缺点是不能拍摄到整个掌子面；

综合考虑拍摄人员的安全、拍摄照片的质量以及时间的宽裕度，选择在人工排险之后或者是支钢拱架之后两个时间段拍摄；

3)确定相机拍摄的位置和光源的位置，拍摄的范围为施工台车下没有被遮挡的岩体，如图2所示，为了将施工台车下整个岩体都拍摄下来，将相机摆放在距掌子面正前方3m～4m的位置处，以将整个岩体布满整张照片为宜；

4)根据隧道内部的拍摄环境采用现场试验的方法确定相机的拍摄参数；

步骤4)中的确定相机的拍摄参数包括相机内参、相机外参和相机拍摄参数，相机内参包括主距f、镜头径向畸变参数Kappa、横纵向比例系数S_x和S_y、主点位置[C_x，C_y]、像宽WI、像高HI，这8个内部参数可以通过对相机进行标定获得，相机外参包括平移向量T＝(t_x，t_y，t_z)和旋转矩阵R＝R(α，β，γ)，需要在拍摄时进行测量，相机拍摄参数包括相机感光度ISO、光圈和快门，ISO指的是感光器件CCD感应入射光线的强弱，拍摄距离较远时应优先设置大光圈、高ISO，但ISO设置需要参考具体相机噪声抑制性能说明，一般不超过400。快门速度由物体照度、ISO和光圈大小综合决定。

为了使相机的内部参数更适合施工现场的拍摄，采取现场试验的方法确定相机的基本参数。

施工台车靠前之后，掌子面前方虽然可以通过两个分别架在施工台车两侧的灯来照明，但是光线较暗，且灯光投射在台架上，会在岩体上产生阴影，影响后续图像的处理。因此需要在掌子面正前方2m～3m处左右对称的两侧放置两个灯，如图3所示，用于增加照明度和减少掌子面的阴影。另一方面，也必须合理的调整相机的参数，以增加图像的亮度，如加大相机的感光度ISO，或者是设置大光圈，减小快门速度等。但是高ISO会增加图像的噪声，因此，减小周围环境对图片的质量，综合考虑将ISO设为200。将拍照模式设置为光圈优先的模式，并设置光圈为f/10，快门速度由数码相机根据当时的环境及光线自动给出。由于隧道整体光线仍然较暗，快门速度慢，拍摄时必须使用三脚架稳定相机，并使用线控避免按动快门造成的震动影响。

将相机放置于拍摄位置处，设置完拍摄参数后，设置镜头的对焦模式为<AF>，将对焦的区域设置在掌子面上的岩体上，对焦完毕后，镜头上的对焦模式开关设置为<MF>。考虑相机确定则成像的CCD尺寸确定，镜头变焦、对焦功能固定则畸变、主点、主距均确定，通过锁定定焦镜头对焦环的方法即可实现相机内参的固定。为了保证相机在移动过程中，相机的内部参数不改变，用透明胶带缠住对焦环。为获取此时的相机内部参数，使用德国MVTec公司计算机视觉工具包Halcon对相机内参进行标定，首先于不同角度对Halcon专用标定板进行拍摄，然后对所得照片进行分析计算得到相机内参。用透明胶带缠住对焦环，使在移动过程中，相机的内部参数不变，这样在此后的拍摄中无须再次标定，这大大节约了在隧道里重复标定的时间以及由于隧道的光线暗造成的标定不准确等问题，如由于曝光时间长人抖动标定板引起的模糊以及光照不均匀产生的阴影。

5)拍摄左右图像，并对左右图像进行处理得到掌子面三维点云模型，拍摄左右图像具体包括以下步骤：

51)在掌子面前2m～3m处设置光源，使光源方向垂直于掌子面，平行调整灯光位置以减少掌子面上出现的阴影；

52)采用拍摄相机拍摄左图，获取左图图像，并在掌子面前方放置尺寸参照物后再拍摄一张图像，这样做的原因是度量重构到欧氏重构的转换可以通过图像上某已知尺度的参照物来确定。因此通过放置标定板来确定比例系数；

53)平行移动三角架，采用线控方式拍摄右图，并且获取右图图像，并在掌子面前方放置尺寸参照物后再拍摄一张图像。

步骤52)具体包括以下步骤：

521)在掌子面前3m～4m处架立三脚架，由于掌子面前方地面上的小石块较多，将三角架稳定的放置好，防止由于周边人员走动引起三角架晃动；

522)使用水准尺将三角架的云台调平，并且在云台平面上固定相机；

523)调整相机的位姿后，采用线控方式拍摄左图，在使用摄像机拍摄前，需要调整相机的位姿，使得施工台车下没有被遮挡的岩体能尽量大地布满整张照片。调节过程中，需要固定C杆不动，依次调节A、B杆令摄像机取得合适的位姿，如图4所示。由于该相机的变换对应着世界坐标系OXYZ到摄像机坐标系OX’Y’Z’的转换过程。该选择变换矩阵与旋转顺序有关，不能更改转动顺序。首先令两个坐标系重合，然后绕Y轴逆时针旋转β角使摄像机对准目标方向，再绕X’轴逆时针旋转α角以调整相机仰俯角，在这个过程中保持相机不发生绕Z’轴的转动，即γ角为0。

下面参照具体参数和步骤进行说明。

(1)设置相机的基本拍摄参数(ISO：200、光圈：f/10、拍摄模式：光圈优先)，在掌子面前方3m～4m处对焦掌子面岩体，用透明胶带缠住对焦环保证搬运过程中相机内部参数不变。

(2)相机参数调整完毕，在隧道外使用德国MVTec公司的计算机视觉工具包Halcon对相机进行标定获得相机内参，此后，该隧道都用该相机拍摄，不需要再在隧道里反复标定。

(3)放置光源于掌子面前2m～3m处，光源方向应尽量垂直于掌子面，平行调整灯光位置以尽量减少掌子面上出现的阴影。

(4)架立三脚架上于掌子面正前方3m～4m并左移0.4m～0.5m的位置处。

(5)使用水准尺将三角架的云台调平，固定摄像机于云台平面上。

(6)调整相机的位姿，使得施工台车下没有被遮挡的岩体能尽量大地布满整张照片。调节过程中，需要固定C杆不动，依次调节A、B杆令摄像机取得合适的位姿。拍摄左图。

(7)在岩体面的适当位置放置尺寸参照物(标定板)后再拍摄一张图片。

(8)使用地质罗盘仪测量云台产状，得到左相机在世界坐标系下的位姿参数。

(9)平行移动三角架0.8m～1m，调整相机的位姿后，拍摄右图。固定C杆不动，依次调节A、B杆令摄像机取得合适的位姿，拍摄右图。

(10)在掌子面前的适当位置放置尺寸参照物(标定板)后再拍摄一张图片。

图5为根据拍摄得到的左右图进行三维重构得到的点云模型。

Claims (6)

1.一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据隧道内部的拍摄环境选择拍摄相机；

2)在隧道循环施工工序中确定相机的拍摄时间；

3)确定相机拍摄的位置和光源的位置；

4)根据隧道内部的拍摄环境采用现场试验的方法确定相机的拍摄参数；所述的步骤4)中的相机的拍摄参数包括相机内参、相机外参和相机拍摄参数，所述的相机内参包括主距f、镜头径向畸变参数Kappa、横纵向比例系数S_x和S_y、主点位置[C_x，C_y]、像宽WI、像高HI，所述的相机外参包括平移向量T＝(t_x，t_y，t_z)和旋转矩阵R＝R(α，β，γ)，所述的相机拍摄参数包括相机感光度ISO、光圈和快门；

5)拍摄左右图像，并对左右图像进行处理得到掌子面三维点云模型。

2.根据权利要求1所述的一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法，其特征在于，所述的步骤1)中选择拍摄相机为佳能5DMark II数码相机，镜头为佳能EF24mm f/1.4L定焦镜头。

3.根据权利要求1所述的一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法，其特征在于，所述的步骤2)中的拍摄时间为在人工排险之后或在支钢拱架之后。

4.根据权利要求1所述的一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法，其特征在于，所述的步骤3)中的相机拍摄的位置为掌子面正前方3m～4m的位置处，拍摄光源设有2个，其位置为掌子面前2m～3m处，并且左右对称设置。

5.根据权利要求1所述的一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法，其特征在于，所述的步骤5)中的拍摄左右图像具体包括以下步骤：

51)在掌子面前2m～3m处设置光源，使光源方向垂直于掌子面，平行调整灯光位置以减少掌子面上出现的阴影；

52)采用拍摄相机拍摄左图，获取左图图像，并在掌子面前方放置尺寸参照物后再拍摄一张图像；

53)平行移动三角架，采用线控方式拍摄右图，并且获取右图图像，并在掌子面前方放置尺寸参照物后再拍摄一张图像。

6.根据权利要求5所述的一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法，其特征在于，所述的步骤52)具体包括以下步骤：

521)在掌子面前3m～4m处架立三脚架，并将三角架稳定放置；

522)使用水准尺将三角架的云台调平，并且在云台平面上固定相机；

523)调整相机的位姿后，采用线控方式拍摄左图。