CN106018411A - 一种裂缝宽度的测量计算方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裂缝宽度的测量计算方法及测量装置，方法包括：测出裂缝所在平面和高清照相机之间的距离，并根据测出的距离计算光斑的直径，所述光斑由第一激光器发出的光束经裂缝所在平面投射而成；采用高清照相机对裂缝所在平面进行拍摄，以获取包含有光斑和裂缝的图像；从拍摄的图像中分别提取出光斑和裂缝，并分别识别和分析出光斑直径范围内所含的像素个数以及裂缝实际宽度所含的像素个数；根据光斑直径范围内所含的像素个数和光斑的直径计算单个像素的长度，然后根据裂缝实际宽度所含的像素个数与单个像素的长度计算裂缝的实际宽度。本发明具有测量精度高和测量方便的优点，可广泛应用于工程检测领域。

Description

一种裂缝宽度的测量计算方法及测量装置

技术领域

本发明涉及工程检测领域，尤其是一种裂缝宽度的测量计算方法及测量装置。

背景技术

混凝土结构、桥梁、公路及一些设备在使用的过程中，会由于各种原因而导致物体的表面出现裂缝。尤其是对于桥梁、高速公路等安全系数要求高的设备来说，此种裂缝可能会导致重大事故的发生。因此，必须对裂缝进行定期的观测和监控，并在裂缝超过安全范围的情况下及时进行处理。由此可见，准确测量裂缝的宽度对判断结构的安全状态至关重要。

随着科技的进步与发展，裂缝宽度测量逐渐摆脱了过去手工测量的年代，步入了电子数码测量的时代。电子裂缝观测仪可分为接触式和非接触式两类。接触式裂缝观测仪需要近距离接触裂缝，成像后进行分析，通常需要使用一种读数显微镜或通过视频放大的电子显微镜进行裂缝宽度的测量。然而接触式观测仪通常要求使用者接近裂缝，对于高耸结构等不易接近的建筑物难以测量。有研究者采用数字图像处理技术对采用远距离照相机拍摄的裂缝图像进行处理，从而得到裂缝的宽度，例如申请号为201310175669.X，名为“一种测量隧道衬砌岩石裂缝宽度的方法”的发明专利，但是其在图像处理过程中会因其所用处理图像的方法对噪声、光线敏感而使裂缝宽度测量不准确。

非接触式裂缝观测仪不需要接触裂缝便可以进行测量，比接触式观测仪应用更广泛。现有的非接触式裂缝观测仪，大多数没考虑把标尺放在图像上，而是另寻标尺进行对比测量，测量误差较大。例如申请号为200910055047.7，名为“一种隧道衬砌裂缝测量方法及其测量装置”的发明专利，然而其采用了激光测距标定像素尺寸的方式，导致测量的误差较大。有研究者提出了在裂缝处放置标尺，然后拍摄裂缝图像，通过对比标尺和裂缝比例关系获得裂缝宽度的方法，例如申请号为201410301546.0，名为“一种基于智能手机实现的混凝土表面裂缝宽度测量仪及方法”的发明专利，然而在裂缝处放置标尺在实际建筑结构中非常困难。也有研究者通过发射激光束在裂缝平面成像光斑，然后对比光斑和裂缝比例关系获得裂缝宽度的方法，例如申请号为201410814206.8，名为“一种非接触式物体大小及距离图像测量仪”的发明专利，然而实际上光斑的大小跟发射端与裂缝平面间的距离有关，此种方法只能进行精度不高的测量。

综上所述，目前业内亟需一种测量精度高和测量方便的裂缝宽度的测量及计算技术。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种测量精度高和测量方便的，裂缝宽度的测量计算方法。

本发明的另一目的在于：提供一种测量精度高和测量方便的，裂缝宽度的测量装置。

本发明所采取的技术方案是：

一种裂缝宽度的测量计算方法，包括以下步骤：

S1、测出裂缝所在平面和高清照相机之间的距离，并根据测出的距离计算光斑的直径，所述光斑由第一激光器发出的光束经裂缝所在平面投射而成；

S2、采用高清照相机对裂缝所在平面进行拍摄，以获取包含有光斑和裂缝的图像；

S3、从拍摄的图像中分别提取出光斑和裂缝，并分别识别和分析出光斑直径范围内所含的像素个数以及裂缝实际宽度所含的像素个数；

S4、根据光斑直径范围内所含的像素个数和光斑的直径计算单个像素的长度，然后根据裂缝实际宽度所含的像素个数与单个像素的长度计算裂缝的实际宽度。

进一步，所述步骤S1包括：

S11、通过第二激光器发出的高频波或高清照相机的激光测距功能测出裂缝所在平面和照相机之间的距离L；

S12、根据第一激光器的发散角θ 、第一激光器发出的光束直径d和测出的距离L计算光斑的直径D，所述光斑的直径D 的计算公式为：D =2tanθ •L+d。

进一步，所述步骤S3包括：

从拍摄的图像中提取出光斑，然后对裂缝的像素个数进行识别和分析，得到光斑直径范围内所含的像素个数m ；

从拍摄的图像中提取出裂缝，然后对光斑的像素个数进行识别和分析，得到裂缝实际宽度所含的像素个数n 。

进一步，所述步骤S3在对裂缝或光斑的像素个数进行识别和分析时，通过高清照相机镜头处安装的快速数据领域搜索与识别软件直接识别光斑或裂缝的像素个数；或者在放大光斑或裂缝后直接获取光斑或裂缝的像素个数。

进一步，所述步骤S4包括：

S41、根据光斑直径范围内所含的像素个数m 和光斑的直径D 计算单个像素的长度r ，所述单个像素的长度r 的计算公式为：r=D/m；

S42、根据裂缝实际宽度所含的像素个数n与单个像素的长度r 计算裂缝的实际宽度w，所述裂缝的实际宽度w 的计算公式为：w= nr=nD/m。

本发明所采取的另一技术方案是：

一种裂缝宽度的测量装置，包括：

第一激光器，用于发出光束，并经裂缝所在平面投射后形成光斑；

第二激光器，用于测量裂缝所在平面和照相机之间的距离；

高清照相机，用于对裂缝所在平面进行拍摄，以获取包含有光斑和裂缝的图像；

测量计算机，用于根据第二激光器测量的距离计算光斑的直径，并对比光斑直径和裂缝在拍摄的图像中像素个数的比例，然后根据对比的比例获得裂缝的实际宽度；

所述第二激光器和高清照相机均与测量计算机连接。

进一步，所述第一激光器、第二激光器和高清照相机通过螺丝固定为一体化机构，所述第一激光器和第二激光器分别位于高清照相机的两侧。

进一步，所述第二激光器位于高清照相机的内部或外部。

进一步，所述第一激光器位于高清照相机的内部或外部。

本发明的方法的有益效果是：先从拍摄的图像中提取出光斑和裂缝并进行像素个数识别，然后根据光斑直径和光斑像素个数识别的结果得到作为像素间距标尺的单个像素的长度，最后根据该像素间距标尺和裂缝实际宽度所含的像素个数获得裂缝的实际宽度，将像素间距标尺放到高清照相机所拍摄的图像中，通过对比光斑直径和裂缝在同一图像中的像素个数比例获得裂缝的实际宽度，不再需要另寻标尺进行对比测量，既避免了传统接触式观测方法工作量大、工作环境危险的缺点，又避免了基于数字图像处理的远距离测量存在的专业技术高、图像处理过程使测量不准确等缺点；还增设了测出裂缝所在平面和照相机之间的距离步骤，能通过实时测出的距离对成像光斑直径进行实时修正，大大提高了测量精度。

本发明的装置的有益效果是：包括第一激光器、第二激光器、高清照相机和测量计算机，通过在高清照相机中对比光斑直径和裂缝在拍摄的图像中像素个数的比例来获得裂缝的实际宽度，不再需要另寻标尺进行对比测量，既避免了传统接触式观测仪工作量大、工作环境危险的缺点，又避免了基于数字图像处理的远距离测量存在的专业技术高、图像处理过程使测量不准确等缺点；还增设了用于测出裂缝所在平面和照相机之间的距离的第二激光器，能通过实时测出的距离对成像光斑直径进行实时修正，大大提高了测量精度。进一步，第一激光器或第二激光器可位于高清照相机的内部，能根据高清照相机的实际功能选择是否需要第一激光器或第二激光器，更加灵活和多样化。

附图说明

图1为本发明一种裂缝宽度的测量计算方法的整体流程图；

图2为本发明一种裂缝宽度的测量装置的一种结构示意图；

图3为本发明一种裂缝宽度的测量装置的另一种结构示意图。

附图标记：1、第一激光器；2、高清照相机；3、第二激光器；4、螺丝；5、裂缝。

具体实施方式

参照图1，一种裂缝宽度的测量计算方法，包括以下步骤：

S1、测出裂缝所在平面和高清照相机之间的距离，并根据测出的距离计算光斑的直径，所述光斑由第一激光器发出的光束经裂缝所在平面投射而成；

S2、采用高清照相机对裂缝所在平面进行拍摄，以获取包含有光斑和裂缝的图像；

S3、从拍摄的图像中分别提取出光斑和裂缝，并分别识别和分析出光斑直径范围内所含的像素个数以及裂缝实际宽度所含的像素个数；

S4、根据光斑直径范围内所含的像素个数和光斑的直径计算单个像素的长度，然后根据裂缝实际宽度所含的像素个数与单个像素的长度计算裂缝的实际宽度。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S1包括：

S11、通过第二激光器发出的高频波或高清照相机的激光测距功能测出裂缝所在平面和照相机之间的距离L；

S12、根据第一激光器的发散角θ 、第一激光器发出的光束直径d和测出的距离L计算光斑的直径D，所述光斑的直径D 的计算公式为：D=2tanθ •L+d。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3包括：

从拍摄的图像中提取出光斑，然后对裂缝的像素个数进行识别和分析，得到光斑直径范围内所含的像素个数m ；

从拍摄的图像中提取出裂缝，然后对光斑的像素个数进行识别和分析，得到裂缝实际宽度所含的像素个数n。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3在对裂缝或光斑的像素个数进行识别和分析时，通过高清照相机镜头处安装的快速数据领域搜索与识别软件直接识别光斑或裂缝的像素个数；或者在放大光斑或裂缝后直接获取光斑或裂缝的像素个数。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S4包括：

S41、根据光斑直径范围内所含的像素个数m 和光斑的直径D 计算单个像素的长度r，所述单个像素的长度r 的计算公式为：r=D/m；

S42、根据裂缝实际宽度所含的像素个数n与单个像素的长度r 计算裂缝的实际宽度w，所述裂缝的实际宽度w 的计算公式为：w =nr =nD/m。

参照图2，一种裂缝宽度的测量装置，包括：

第一激光器，用于发出光束，并经裂缝所在平面投射后形成光斑；

第二激光器，用于测量裂缝所在平面和照相机之间的距离；

高清照相机，用于对裂缝所在平面进行拍摄，以获取包含有光斑和裂缝的图像；

测量计算机，用于根据第二激光器测量的距离计算光斑的直径，并对比光斑直径和裂缝在拍摄的图像中像素个数的比例，然后根据对比的比例获得裂缝的实际宽度；

所述第二激光器和高清照相机均与测量计算机连接。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述第一激光器、第二激光器和高清照相机通过螺丝固定为一体化机构，所述第一激光器和第二激光器分别位于高清照相机的两侧。

参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述第二激光器位于高清照相机的内部或外部。

进一步作为优选的实施方式，所述第一激光器位于高清照相机的内部或外部。

实施例一

参照图2和图3，本发明的第一实施例：

本发明裂缝宽度的测量装置主要包括第一激光器1、第二激光器3、高清照相机2和测量计算机，如图2所示，第一激光器1、第二激光器3和高清照相机2通过螺丝4固定成一整体。第一激光器1发出的光束经裂缝5所在平面投射后形成光斑。第二激光器3配合测量计算机完成光斑直径的实时测量，并可对光斑的实际大小进行实时校正。高清照相机对裂缝所在平面及光斑进行拍摄生成电子相片，并配合测量计算机通过对比光斑直径和裂缝在图像中的像素个数比例来获得裂缝的实际宽度。其中，第一激光器1具有准直性和稳定的发散角。

第一激光器1、第二激光器3可在同一平面内也可以不在同一平面内。在知道第一激光器1和裂缝之间的距离的情况下，第二激光器3可以不用，如图3所示。如果第一激光器1具备测距功能（相当于第二激光器3位于高清照相机的内部），那么第二激光器3也可以不用，如图3所示。

此外，若高清照相机内置第一激光器1、第二激光器3的上述功能（即相当于第一激光器1和第二激光器3均位于高清照相机的内部），则第一激光器1、第二激光器3均可以不用。

实施例二

针对现有技术测量精度低和测量不方便的问题，本发明提出了一种全新的裂缝宽度的测量计算方法，通过对方向性较好的激光束与可以拍出高清照片的高清照相机的结合，实现对裂缝宽度的远程高精度测量。本发明的裂缝宽度的测量计算方法的原理为：先通过激光束成像光斑，实时计算光斑所含像素的数量以及光斑的直径，从而得出一个像素间距的标尺；再根据裂缝实际宽度所含像素个数及这个标尺，计算出裂缝的实际宽度。

本发明的裂缝宽度的测量计算方法的实现过程如下：

（1）第一激光器1发出直径为d 的光束，经距离L 到达裂缝5所在平面后，投射成直径为D 的光斑，如图2所示。其中，光斑的直径D 的计算公式为：

D =2tanθ •L+d

式中，θ 为第一激光器1的发散角。

（2）裂缝5所在平面和高清照相机2之间的距离L 可通过第二激光器发出的高频波或高清照相机2的激光测距功能测出。

（3）高清照相机2对裂缝5所在平面进行照相，拍摄的相片包含了第一激光器1投射而产生的光斑。

（4）在高清照相机2的镜头处装有快速数据领域搜索与识别软件，可以直接从高清照相机2所拍摄到的照片中提取所需的部分进行像素个数的识别。此外，也可以通过手工放大高清照相机2所拍摄到的照片，直接获取图片像素的个数。

在高清照相机2拍摄到的图像中提取光斑，并分析、识别出光斑直径范围内所含的像素个数m后，便可以得出像素间距的实际距离r=D/m。接着，从高清照相机2拍摄到的图像中提取裂缝，分析、识别出裂缝的实际宽度所含像素为n ，则其实际宽度w =nr=nD/m。

（5）在技术条件允许的情况下，如果第一激光器1功能多样，具备测距的功能，那么第二激光器3可以不用，如图3所示。此时的裂缝宽度观测计算方法和（1）-（4）所描述的方法相同，不再赘述。如果高清照相机2其内置第一激光器1及二激光器3的功能，那么第一激光器1及二激光器3可以不用。此时的裂缝宽度观测计算方法和（1）-（4）所描述的方法相同，此处不再使用图来进行说明。

本发明裂缝宽度的测量精度取决于高清相机2的像素及成像视野的宽度。以3000万像素（5500×5500）的高清相机为例，假设其成像视野为100mm×100mm，则其测量的精度为像素的距离（即单个像素的长度r ），且r=100/5500=0.02mm。若高清相机的拍摄视野为1000mm×1000mm ，则同理可得其测量的精度为0.2mm。对于很多混凝土结构、桥梁、房屋、设备，这种测量精度已在许可的范围内，精度较高。

而本发明所提出的裂缝宽度的测量计算方法及测量装置，并不局限于观测裂缝宽度。采用本发明的方法，通过对比光斑直径和物体在同一图像中像素个数的比例，还可以观测任何物体的实际大小。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

a. 将像素间距标尺放到高清照相机所拍摄的图像中，通过对比光斑直径和裂缝在同一图像中的像素个数比例获得裂缝的实际宽度，不再需要另寻标尺进行对比测量，既避免了传统接触式观测方法工作量大、工作环境危险的缺点，又避免了基于数字图像处理的远距离测量存在的专业技术高、图像处理过程使测量不准确等缺点。

b. 还增设了测出裂缝所在平面和照相机之间的距离步骤，能通过实时测出的距离对成像光斑直径进行实时修正，大大提高了测量精度。

c. 第一激光器或第二激光器可位于高清照相机的内部，能根据高清照相机的实际功能选择是否需要第一激光器或第二激光器，更加灵活和多样化。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种裂缝宽度的测量计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、测出裂缝所在平面和高清照相机之间的距离，并根据测出的距离计算光斑的直径，所述光斑由第一激光器发出的光束经裂缝所在平面投射而成；

S2、采用高清照相机对裂缝所在平面进行拍摄，以获取包含有光斑和裂缝的图像；

S3、从拍摄的图像中分别提取出光斑和裂缝，并分别识别和分析出光斑直径范围内所含的像素个数以及裂缝实际宽度所含的像素个数；

S4、根据光斑直径范围内所含的像素个数和光斑的直径计算单个像素的长度，然后根据裂缝实际宽度所含的像素个数与单个像素的长度计算裂缝的实际宽度。

2.根据权利要求1所述的一种裂缝宽度的测量计算方法，其特征在于：所述步骤S1包括：

S11、通过第二激光器发出的高频波或高清照相机的激光测距功能测出裂缝所在平面和照相机之间的距离L；

S12、根据第一激光器的发散角θ 、第一激光器发出的光束直径d 和测出的距离L 计算光斑的直径D，所述光斑的直径D 的计算公式为：D =2tanθ •L+d。

3.根据权利要求2所述的一种裂缝宽度的测量计算方法，其特征在于：所述步骤S3包括：

从拍摄的图像中提取出光斑，然后对裂缝的像素个数进行识别和分析，得到光斑直径范围内所含的像素个数m ；

从拍摄的图像中提取出裂缝，然后对光斑的像素个数进行识别和分析，得到裂缝实际宽度所含的像素个数n。

4.根据权利要求3所述的一种裂缝宽度的测量计算方法，其特征在于：所述步骤S3在对裂缝或光斑的像素个数进行识别和分析时，通过高清照相机镜头处安装的快速数据领域搜索与识别软件直接识别光斑或裂缝的像素个数；或者在放大光斑或裂缝后直接获取光斑或裂缝的像素个数。

5.根据权利要求3或4所述的一种裂缝宽度的测量计算方法，其特征在于：所述步骤S4包括：

S41、根据光斑直径范围内所含的像素个数m 和光斑的直径D 计算单个像素的长度r ，所述单个像素的长度r 的计算公式为：r =D/m；

S42、根据裂缝实际宽度所含的像素个数n与单个像素的长度r 计算裂缝的实际宽度w，所述裂缝的实际宽度w 的计算公式为：w =nr=nD/m。

6.一种裂缝宽度的测量装置，其特征在于：包括：

第一激光器，用于发出光束，并经裂缝所在平面投射后形成光斑；

第二激光器，用于测量裂缝所在平面和照相机之间的距离；

高清照相机，用于对裂缝所在平面进行拍摄，以获取包含有光斑和裂缝的图像；

测量计算机，用于根据第二激光器测量的距离计算光斑的直径，并对比光斑直径和裂缝在拍摄的图像中像素个数的比例，然后根据对比的比例获得裂缝的实际宽度；

所述第二激光器和高清照相机均与测量计算机连接。

7.根据权利要求6所述的一种裂缝宽度的测量装置，其特征在于：所述第一激光器、第二激光器和高清照相机通过螺丝固定为一体化机构，所述第一激光器和第二激光器分别位于高清照相机的两侧。

8.根据权利要求6或7所述的一种裂缝宽度的测量装置，其特征在于：所述第二激光器位于高清照相机的内部或外部。

9.根据权利要求8所述的一种裂缝宽度的测量装置，其特征在于：所述第一激光器位于高清照相机的内部或外部。