CN106441108B - 一种视觉位移测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种视觉位移测量系统，包括参照板，设置于远端基准上的激光器，可移动采集设备；激光器发射的激光束置于参照板内；可移动采集设备包括一图像采集镜头，参照板表面设置有测量基准框、坐标方向标点及信息码；基准框内分布有校准网格，所述信息码为条形码或二维码，且信息码中设置有相应的参照板规格数据及ID识别信息；激光器及可移动采集设备均与服务器终端通过电信号连接。本发明的有益效果体现在：整套系统造价低，节约了大量的成本；通过相对位移的变化测量可以更准确的测得被测物体的位移变化，准确度高，同时，相对现有的固定式测量，本发明可以通过多角度，多方向进行拍摄控制，测量使用范围更广。

Description

一种视觉位移测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于位移监测技术领域，具体涉及在建筑领域内对位移变化的测量系统。

背景技术

随着时间的推移，通常建筑物会悄无声息的发生着位移的变化，为了更好的检测建筑物的安全新性能，需要对位移的变化进行监测。现有的检测方法一般采用位移传感器在纵向或横向上进行测量，通过多次测量进行人工计算比对得出位移变化量。但这样容易造成测量数据的不准确。同时，现有的方法人工测量时，测量点不同，势必也会造成前后的测量误差。现有的机器视觉必须要用专用的工业相机，专用采集设备，价格较贵，接口复杂，只适合工业生产环境，很多工程现场并不具备安装条件，所以在建筑领域应用受到局限。

发明内容

本发明提供了一种视觉位移测量系统及其测量方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种视觉位移测量系统，包括，

用于对被测物体进行位置定位的参照板，设置于远端基准上的激光器，用于采集参照板的信息的可移动采集设备；所述激光器发射的激光束置于所述参照板内；所述可移动采集设备包括一图像采集镜头；

所述参照板表面设置有测量基准框、坐标方向标点及信息码；所述基准框内分布有校准网格，所述信息码为条形码或二维码，且所述信息码中设置有相应的参照板规格数据及ID识别信息；

所述激光器及可移动采集设备均与服务器终端通过电信号连接。

优选地，所述可移动采集设备的第一信号输出端与所述服务器的第一信号输入端连接，所述服务器的第一信号输出端与所述激光器的第一信号输入端连接。

优选地，所述参照板在所述被测物体上至少设置有一个，所述激光器与所述参照板对应设置。

优选地，所述参照板设置有一固定底座或粘结端，所述参照板通过固定底座或粘结端固定于被测物体上。

优选地，所述的一种视觉位移测量系统的测量方法，包括如下步骤，

S1、可移动采集设备打开，对参照板上的信息进行采集；并将采集数据发送至服务器终端；所述信息包括测量基准框、坐标方向标及信息码；

S2、服务器终端将接收到的信息进行分析处理，

S3、激光器打开，所述激光器将激光束发射于所述参照板的测量基准框内形成激光光斑；

所述激光器打开可以但不限于通过服务器终端进行无线打开或人工进行开启；

S4、所述可移动采集设备扫描采集激光光斑，进行动态或静态的实时图像抓取，并进行图像处理，将处理的数据信息传输至服务器终端；

S41、所述图像处理包括对特征点的提取并处理，对处理后的图片进行激光光斑的动态标定，分别确定X，Y方向上单个像素点代表的实际距离，根据激光光斑相对于所述测量基准框内的实际坐标位置；

S5、选取不同的时间段，重复S1-S4；

S6、将S4及S5中坐标位置进行分析比较，得出准确的位移变化值；并传输至服务器终端；

S7、所述服务器终端对接收到的数据信息进行储存，并进行云服务器的同步。

优选地，所述S41中图像处理为将采集到的斜视图进行修正至正视图像，具体包括如下步骤：

S411、将测量基准框的图像对比度值作为清晰度验证的依据，并剔除对焦不准、模糊抖动的图像；

S412、根据测量基准框外框四边及基准框内的相互垂直的中心线的图像特征信息，将斜视图像还原为正视图像，同时，对图像旋转进行纠正，再根据参照板信息码中测量基准框的实际尺寸的横纵比修正图像的横纵比；

S413、根据校准网格线图像特征，利用几何校正法修正图像扭曲的变形，同时分别对比所有横向和纵向网格大小校正图像鱼眼误差；

优选地，所述S4中所述激光光斑的动态标定包括如下步骤，先根据参照板中所述的坐标方向标点的图像特征确定光斑坐标方向，根据参照板信息码中得出测量基准框实际尺寸、校准网格线实际尺寸及标定系数进行动态标定。

本发明的有益效果体现在：整套系统造价低，节约了大量的成本；通过相对位移的变化测量可以更准确的测得被测物体的位移变化，准确度高，同时，相对现有的固定式测量，本发明可以通过多角度，多方向进行拍摄控制，测量使用范围更广。

附图说明

图1：本发明的系统结构示意图，其中示意了参照板与激光器之间的关系。

图2：参照板的结构示意图，主要示意了参照板上各个信息的分布情况。

图3：本系统的使用时各设备之间的结构示意图。

图4：本发明中激光束光斑形成原理结构示意图。

图5：本发明参照板位移的变化与形成光斑面积的关系结构示意图。

图6：本发明长距离测试时的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例具体阐述本发明的技术方案，如图1所示，本发明揭示了一种视觉位移测量系统，包括用于对被测物体2进行位置定位的参照板1，设置于远端基准4上的激光器3，用于采集参照板1的信息的可移动采集设备（图中未示意）；所述激光器3发射的激光束5置于所述参照板内；所述可移动采集设备包括一图像采集镜头。

其中，所述参照板1材质不限，尺寸不限，只要能清晰、准确显示图形即可。结合图2所示，所述参照板表面设置有测量基准框11、坐标方向标点14及信息码15；只要采集设备能够识别，这些图形分布位置可任意设置；所述基准框11内分布有校准网格13，所述信息码15为条形码或二维码，且所述信息码15中设置有相应的参照板规格数据及ID识别信息；所述激光器及可移动采集设备均与服务器终端通过电信号连接。参照板1下部有安装座16，方便稳固地安装在被测物体2上，参照板安装方式任意，可以是能够折叠拆卸的，可以是一张贴纸贴在被测物体上。

激光器3固定在稳定的远端基准4上，激光器3可以通过多种方式控制激光开闭。例如接入internet网络，通过服务器下行指令来控制激光开闭；使用蓝牙、wifi等无线通讯模块，通过局域网或者点对点与采集设备连接控制激光开闭；也可安装专用遥控接收机，通过遥控指令来控制激光开闭。激光器3发射激光束5照射在参照板1的测量基准框11范围内。

所述可移动采集设备可以多种多样，只要是能够采集图像，连接internet与云服务器进行同步的设备都可以。例如具有拍照及摄像功能的手机或者其它具有拍照及摄像功能的移动终端，或者是专用的相机。

以下阐述下本系统的测量方法，结合图3所示，

S1、启动采集程序，激活采集设备的图像采集传感器，将采集设备的镜头对准参照板1，实时扫描参照板图像特征，若发现参照板的图像特征后进入下一步。

S2、进行自动对焦，获取清晰图像。

S3、自动扫描参照板1上的条码或者二维码，读取参照板上的产品ID、参照板规格尺寸、参照板防伪码等信息。

S4、通过internet获取云服务器上参照板产品ID对应的信息（例如工程名称，工程部位、监测点编号等），并获取对应激光器ID（这些信息也可以缓存在采集设备上），通过服务器发送指令开启对应的激光器，或者使用采集设备自带的蓝牙、wifi通过局域网或点对点连接开启对应的激光器，或者通过专用遥控器发射机来开启对应的激光器。

S5、实时扫描图像中参照板测量区域内激光光斑特征，发现激光光斑则拍摄高分辨率照片或进行高分辨率动态摄像，高分辨率照片用来获得高精度的静态测量数据，使用摄像功能用来获得动态的测量数据。

S6、根据参照板上各特征点进行后台图像校正处理，将斜视图像修正成为正视图像，具体包括：

S61、根据测量基准框11的图像对比度值作为清晰度验证的依据，以剔除对焦不准、模糊抖动的图像；

S62、根据测量基准框11四边线及基准框中线12的图像特征信息，将斜视图像还原为正视图像，同时对图像旋转进行纠正，再根据参照板信息中测量基准框实际尺寸的横纵比修正图像的横纵比；

S63、根据校准网格线13图像特征，利用几何校正法修正图像扭曲的变形，同时分别对比所有横向和纵向网格大小校正图像鱼眼误差；

S7、对校正完成后的图像进行动态标定，计算测量结果：根据激光光斑图像特征计算激光光斑中心像素位置，根据坐标方向标点14的图像特征确定坐标方向，根据之前扫描条形码或二维码的参照板信息中测量基准框实际尺寸、校准网格线实际尺寸和标定系数进行动态标定，分别确定X，Y方向上单个像素点代表的实际距离，计算激光光斑与基准框实际的相对坐标位置。

以上步骤经过不同时间段的测量后，可以进行比较得出不同坐标即可得出相应的位移变化。

S8、采集设备会实时将实测的结果、对应的测量参数等数据通过internet与云服务器7进行同步；若采集设备6暂时无法连接internet或者云服务器7，会将数据缓存在自身缓存内，待能连接云服务器时再进行同步。

本发明的系统在实际应用中，可以适用多种场合的需求，例如在全自动测量：现场批量安装专用采集设备，并组成传感器网络，通过internet由云服务器7或者客户端软件远程控制进行数据采集；将采集设备安装在特定载具上（机械臂、车辆、机器人、无人机），实现全自动测量。

扩展测量参数：对激光的光斑形状进行设定，通过扩束，整形，将线形、十字形、四边形等光斑形状的激光束投射在参照板上，根据光斑角度特征可以测量被测物体的偏转量，见图4；所述激光器3包括激光管31、以及依次设置在激光管31前方的准直透镜32、扩束镜33、遮光板34最终形成激光束5，所述激光束5照射到参照板上形成激光束光斑51。所述激光束光斑的形状可以根据遮光板形状的不同而产生不同的形状。

通过调节准直透镜与激光管的距离对激光束散射角度进行设定，光斑大小会沿着激光束发射方向产生变化，通过计算光斑面积可以测量被测物体在激光束发射方向上的位移变化，结合图5；通过在一个被测物体上的多个方向安装激光器和参照板，可以全方位监测被测物体的位移。图中A、B分别为参照板在激光发射方向上进行位移变化的示意。最后形成不同的光斑面积。

长测程的测量：为了测量隧道、桥梁等建筑物，可以采用激光器和参照板组合的方式，即当前参照板作位置为下一个测量点基准，测量的位移结果作为参照来接力测量数据，见图6；在有较长直线段测程的情况下，使用带精确卡位的可折叠、翻转或插片式参照板（自动测量时可以自动控制收起和展开），利用同一个激光器，在不同测程上测量多个参照板的数据（非测量状态下的参照板收起，避免遮住激光束），这样可以提高测量精度，降低误差的累积。

低照度下测量：使用采集设备自带的补光灯或者外部光源进行照明；亦可使用具有背光功能的参照板；还可使用电子参照板。

电子参照板：使用平板显示设备，直接显示参照板图像，然后用激光照射测量。1.使用采集设备与云服务器同步的工作方式，可实现一个工程下多台采集设备同时采集数据，互不影响。

本发明的测量系统优点体现在：1、使用条码或二维码，实现附加信息的自动加载与同步，更进一步智能化。

2、参照板按照预定的规则进行图像特征设置，采集设备集成智能机器视觉算法，可以将偏转的斜视图像转换为正视图像，使得采集设备可以在一定范围内任意摆放、亦可人工手持采集设备拍摄扫描，同时实现动态标定，具有方便、灵活、快速、准确的优点。

3、测量现场仅需要激光器和参照板，具有硬件要求低，制造成本低，维护简单方便的优点。

4、采集设备不受限制，支持任意的图像采集设备，只要能够安装测量采集软件即可运行。

5、系统扩展能力强，可以安装于机械手臂、车辆、机器人、无人机等载具，实现全自动化测量。

6、测量参数灵活扩展：通过技术扩展可以方便实现偏转、三维的位移测量。

本发明尚有多种具体的实施方式。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种视觉位移测量系统的测量方法，其特征在于：所述视觉位移测量系统包括：用于对被测物体进行位置定位的参照板，设置于远端基准上的激光器，用于采集参照板的信息的可移动采集设备；所述激光器发射的激光束置于所述参照板内；所述可移动采集设备包括一图像采集镜头；所述参照板表面设置有测量基准框、坐标方向标点及信息码；所述基准框内分布有校准网格，所述信息码为条形码或二维码，且所述信息码中设置有相应的参照板规格数据及ID识别信息；所述激光器及可移动采集设备均与服务器终端通过电信号连接；

所述测量方法具体包括如下步骤，

S1、可移动采集设备打开，对参照板上的信息进行采集；并将采集数据发送至服务器终端；所述信息包括测量基准框、坐标方向标及信息码；

S2、服务器终端将接收到的信息进行分析处理，

S3、激光器打开，所述激光器将激光束发射于所述参照板的测量基准框内形成激光光斑；

所述激光器打开为：通过服务器终端进行无线打开或人工进行开启；

S4、所述可移动采集设备扫描采集激光光斑，进行动态或静态的实时图像抓取，并进行图像处理，将处理的数据信息传输至服务器终端；

S41、所述图像处理包括对特征点的提取并处理，对处理后的图片进行激光光斑的动态标定，分别确定X，Y方向上单个像素点代表的实际距离，计算激光光斑相对于所述测量基准框的实际坐标位置；

S5、选取不同的时间段，重复S1-S4；

S6、将S4及S5中坐标位置进行分析比较，得出准确的位移变化值；并传输至服务器终端；

S7、所述服务器终端对接收到的数据信息进行储存，并进行云服务器的同步；

所述S41中对特征点的提取并处理，该处理具体为将采集到的斜视图进行修正至正视图像，包括如下步骤：

S411、将测量基准框的图像对比度值作为清晰度验证的依据，并剔除对焦不准、模糊抖动的图像；

S412、根据测量基准框外框四边及基准框内的相互垂直的中心线的图像特征信息，将斜视图像还原为正视图像，同时，对图像旋转进行纠正，再根据参照板信息码中测量基准框的实际尺寸的横纵比修正图像的横纵比；

S413、根据校准网格线图像特征，利用几何校正法修正图像扭曲的变形，同时分别对比所有横向和纵向网格大小校正图像鱼眼误差；

所述S41中所述激光光斑的动态标定包括如下步骤，先根据参照板中所述的坐标方向标点的图像特征确定光斑坐标方向，根据参照板信息码中的测量基准框实际尺寸、校准网格线实际尺寸及标定系数进行动态标定。

2.如权利要求1所述的一种视觉位移测量系统的测量方法，其特征在于：所述可移动采集设备的第一信号输出端与所述服务器的第一信号输入端连接，所述服务器的第一信号输出端与所述激光器的第一信号输入端连接。

3.如权利要求1所述的一种视觉位移测量系统的测量方法，其特征在于：所述参照板在所述被测物体上至少设置有一个，所述激光器与所述参照板对应设置。

4.如权利要求1所述的一种视觉位移测量系统的测量方法，其特征在于：所述参照板设置有一固定底座或粘结端，所述参照板通过固定底座或粘结端固定于被测物体上。

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