CN106840011A - 铁塔变形测量装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铁塔变形测量装置及其方法，所述装置包括：第一摄像装置、第二摄像装置、图像采集装置及处理器；所述第一摄像装置和所述第二摄像装置设置在不同的位置，均用于拍摄一铁塔发生变形前后的图像；所述图像采集装置与所述第一摄像装置及所述第二摄像装置分别连接，用于采集所述第一摄像装置和所述第二摄像装置拍摄的所述铁塔发生变形前后的图像；所述处理器与所述图像采集装置连接，用于利用所述铁塔发生变形前后的图像，依据双目视觉测量原理计算得到所述铁塔上的监测点在所述铁塔发生变形前后的位移。本发明能够无损、准确、方便、快捷地测试铁塔的变形情况。
Description
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种铁塔变形测量装置及其方法。
背景技术
大型输电铁塔是大负荷电能输送的载体，特别是大跨越输电塔，具有塔体高、跨距大、柔度大等特点，对地震、风以及导线覆冰等环境载荷反应灵敏，可能会产生多种形式的变形，容易发生振动疲劳损伤和极端条件下的动态倒塌破坏。因此，输电铁塔应该有足够的强度以保证输电系统的正常运行。
目前，多种行之有效的变形测试技术已应用到输电铁塔变形监测中，但是由于其工作原理、技术水平等因素，这些技术仍存在一定的局限性。
早期对输电铁塔的监控主要是通过人工巡检的方式，这种检测方式速度慢，准确性低，特别是在灾害天气条件下人工巡检有很大困难。由于电测技术的发展，位移传感器和应变片的应用大大提高了测量的准确性。
然而，这种测试方法属于接触式测量，具有采样点有限、传感器的量程有限、易受外部环境干扰等缺点，同时传感器及其连接导线的自重会加大杆塔结构的负重，从而影响测试结果。光学测绘仪器如水准仪、全站仪等，虽然能够提供较高的测量精度，但是其检测范围有限，只能实现逐点监测，无法实现全场大范围的测试，也不能得到铁塔材料的应变，而且对铁塔振动情况下的动态变形监测也存在一定困难。
近期，视频监控系统被用于特高压输电线路的某些关键位置杆塔运行状况的监测。但这种监控技术也只是将视频图像传回给观测点，需要工作人员通过视频图像判断输电铁塔的工作状况，工作强度大，不能提供定量铁塔变形数据。基于卫星监测和GPS定位技术等方法也应用于钢塔变形测试，但是其准确度均难以保证。
目前，国内杆塔安全实验中关键点位移是使用全站仪来测量的。全站仪是一种综合利用光、机、电技术的测量装置。历经多年发展，已经非常成熟。但是，目前全站仪是通过人为操作利用逐点扫描的方式来进行位置检测的。这种方式的第一个缺点是操作过程繁琐，第二个缺点是人为操作会带来很大的测量误差。
综合来看，现有的铁塔变形测试技术的发展水平仍存在一定局限性。
发明内容
本发明提供一种铁塔变形测量装置及其方法，以解决现有技术中的一项或多项缺失。
本发明提供一种铁塔变形测量装置，所述装置包括：第一摄像装置、第二摄像装置、图像采集装置及处理器；所述第一摄像装置和所述第二摄像装置设置在不同的位置，均用于拍摄一铁塔发生变形前后的图像；所述图像采集装置与所述第一摄像装置及所述第二摄像装置分别连接，用于采集所述第一摄像装置和所述第二摄像装置拍摄的所述铁塔发生变形前后的图像；所述处理器与所述图像采集装置连接，用于利用所述铁塔发生变形前后的图像，依据双目视觉测量原理计算得到所述铁塔上的监测点在所述铁塔发生变形前后的位移。
一个实施例中，所述装置还包括：定位装置，用于测定两个所述摄像装置的视场范围内的空间中多个设定点的空间坐标，以标定所述第一摄像装置及所述第二摄像装置的空间参数，所述空间参数用以计算所述位移。
一个实施例中，所述定位装置为全站仪。
一个实施例中，所述第一摄像装置和所述铁塔之间的连线与所述第二摄像装置和所述铁塔之间的连线呈一设定夹角。
一个实施例中，所述第一摄像装置包括：第一数字拍摄仪器、第一云台及第一三脚架；其中，所述第一云台安装于所述第一三脚架上，所述第一数字拍摄仪器安装于所述第一云台上；所述第一云台用于调整所述第一数字拍摄仪器的拍摄方向及角度；所述第一数字拍摄仪器为数字相机或数字摄像机。
一个实施例中，所述第二摄像装置包括：第二数字拍摄仪器、第二云台及第二三脚架；其中，所述第二云台安装于所述第二三脚架上，所述第二数字拍摄仪器安装于所述第二云台上；所述第二云台用于调整所述第二数字拍摄仪器的拍摄方向及角度；所述第二数字拍摄仪器为数字相机或数字摄像机。
本发明还提供一种铁塔变形测量方法，适用于上述铁塔变形测量装置，所述方法包括：通过设置在不同位置的两个摄像装置均拍摄一铁塔发生变形前后的图像；利用所述铁塔发生变形前后的图像和两个所述摄像装置的视场范围内的空间中多个设定点的世界坐标及图像坐标，根据双目视觉测量原理计算得到所述铁塔上的监测点在所述铁塔发生变形前后的位移。
一个实施例中，利用所述铁塔发生变形前后的图像和两个所述摄像装置的视场范围内的空间中多个设定点的世界坐标及图像坐标，根据双目视觉测量原理计算得到所述铁塔上的监测点在所述铁塔发生变形前后的位移，包括：根据两个所述摄像装置拍摄的所述铁塔发生变形之前的图像，确定所述监测点的第一图像坐标；根据两个所述摄像装置拍摄的所述铁塔发生变形之后的图像，确定所述监测点的第二图像坐标；根据所述多个设定点的世界坐标及图像坐标，得到两个所述摄像装置的空间位置参数；利用所述第一图像坐标和所述第二图像坐标，根据所述空间位置参数和双目视觉测量原理中的三角关系分别计算得到所述监测点在所述铁塔发生变形之前的第一世界坐标和所述监测点在所述铁塔发生变形之后的第二世界坐标；根据所述第一世界坐标和所述第二世界坐标，计算得到所述位移。
一个实施例中，根据两个所述摄像装置拍摄的所述铁塔发生变形之前的图像，确定所述监测点的第一图像坐标，包括：在其中一个摄像装置所拍摄的所述铁塔发生变形之前的图像中选取以所述监测点为中心的第一区域；以所述第一区域为参照，利用数字图像相关函数，确定在另一个摄像装置所拍摄的所述铁塔发生变形之前的图像中以所述监测点为中心的第二区域；根据所述第一区域和所述第二区域确定所述监测点的所述第一图像坐标。
一个实施例中，根据两个所述摄像装置拍摄的所述铁塔发生变形之后的图像，确定所述监测点的第二图像坐标，包括：在其中一个摄像装置所拍摄的所述铁塔发生变形之后的图像中，利用数字图像相关函数与所述第一区域，确定以所述监测点为中心的第三区域；以所述第三区域为参照，利用数字图像相关函数，确定在另一个摄像装置所拍摄的所述铁塔发生变形之后的图像中以所述监测点为中心的第四区域；根据所述第三区域和所述第四区域确定所述监测点的所述第二图像坐标。
一个实施例中，还包括：通过定位装置测定所述多个设定点的世界坐标。
一个实施例中，根据所述多个设定点的世界坐标及图像坐标，得到两个所述摄像装置的空间位置参数，包括：根据所述多个设定点的世界坐标及图像坐标，得到世界坐标系分别与两个所述摄像装置的图像坐标系之间相互转换的投影矩阵；根据所述投影矩阵和两个所述摄像装置的内部参数，确定所述空间位置参数。
一个实施例中，所有所述的世界坐标系以所述铁塔上的一节点为原点。
本发明的铁塔变形测量装置及方法，使用光学原理进行测量，能够进行无损非接触测试，能够测到铁塔各节点三维变形，能够提供相机取景范围内所有节点的测量数据，从而分析结构变形的全场分布情况。本发明实施例的铁塔变形测量方法，可以用于静态测试，也可用于动态测试，适用范围更广，而且具有操作方便快捷、便携性好的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本发明实施例的铁塔变形测量装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例中铁塔的设定点和检测点的位置示意图；
图3是本发明实施例的铁塔变形测量方法的流程示意图；
图4是本发明一实施例中获取铁塔变形位移的方法流程示意图；
图5是本发明一实施例中摄像机的拍摄原理示意图；
图6是本发明一实施例中平行双目视觉测量原理的示意图；
图7是本发明一实施例中交汇双目视觉测量原理的示意图；
图8是本发明一实施例中确定图像坐标的方法流程图；
图9是本发明一实施例中确定图像坐标的方法流程图；
图10是本发明另一实施例的铁塔变形测量方法的流程示意图；
图11是本发明一实施例中获取简化的投影矩阵的方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明提供一种铁塔变形测量装置及其方法。该装置及方法以双目视觉原理和数字图像相关方法(DIC)为基础进行输电铁塔的变形测量，能够为实现输电铁塔整体变形的精确监测提供有效手段，为输电铁塔的可靠性分析提供实验依据。
图1是本发明实施例的铁塔变形测量装置的结构示意图。如图1所示，该铁塔变形测量装置包括：第一摄像装置200、第二摄像装置300、图像采集装置400及处理器500。
第一摄像装置200和第二摄像装置300设置在不同的位置，均用于拍摄铁塔100发生变形前后的图像。图像采集装置400与第一摄像装置200及第二摄像装置300分别连接，用于采集第一摄像装置200和第二摄像装置300拍摄的铁塔100发生变形前后的图像。处理器500与图像采集装置400连接，用于利用铁塔100发生变形前后的图像，依据双目视觉测量原理计算得到铁塔100上的监测点在铁塔100发生变形前后的位移。
本发明实施例的铁塔变形测量装置，能够对铁塔各个关键节点三维变形情况进行跟踪，从而实现对铁塔整体变形情况的测量。相对于传统检测装置，本发明实施例的装置使用光学成像的方法进行监测，能够进行无损测量，而且，还具有操作快捷、便携性好的优点。本发明的装置，可用于测量输电铁塔整体结构的变形情况，其所测变形数据可用于铁塔运行状态分析，判断铁塔安全程度。
上述的第一摄像装置200和第二摄像装置300可以用于拍摄静态图片，也可以用于拍摄动态视频影像，所以铁塔100发生变形前后的图像可以是静态图片或者视频影像。如此一来，本发明实施例的装置适用范围更广，可以用于静态测试，也可以用于动态测试。
第一摄像装置200和第二摄像装置300可以由不同的固定装置和拍摄仪器组成。较佳地，第一摄像装置200和第二摄像装置300由相同的固定装置和拍摄仪器组成，还且可以方便地调整拍摄的方向和角度。
如图1所示，第一摄像装置200可包括：第一数字拍摄仪器201、第一云台202及第一三脚架203。其中，第一云台202安装于第一三脚架203上，例如可为三维云台，用于固定第一数字拍摄仪器201；第一数字拍摄仪器201安装于第一云台202上；第一云台202可用于调整第一数字拍摄仪器201的拍摄方向及角度(例如水平转角和俯仰角)。上述的第一数字拍摄仪器201可为数字相机或数字摄像机。
再如图1所示，上述的第二摄像装置300可包括：第二数字拍摄仪器301、第二云台302及第二三脚架303。其中，第二云台302，安装于第二三脚架303上，例如可为三维云台，用于固定第二数字拍摄仪器301；第二数字拍摄仪器301安装于第二云台302上；第二云台302用于调整第二数字拍摄仪器301的拍摄方向及角度(例如水平转角和俯仰角)。上述的第二数字拍摄仪器301可为数字相机或数字摄像机。
较佳实施例中，第一摄像装置200和第二摄像装置300的构成可均如图1所示，且第一数字拍摄仪器201和第二数字拍摄仪器301及其各自的配套镜头可均为同型号同规格的。第一云台202和第二云台302可为相同的云台。第一三脚架203和第二三脚架303可为相同的三脚架，用于以同等效果固定云台和拍摄仪器。
在一个实施例中，第一摄像装置200和铁塔100之间的连线与第二摄像装置300和铁塔100之间的连线呈一设定夹角。或者第一摄像装置200拍摄铁塔100的方向与第二摄像装置300拍摄铁塔100的方向之间呈一设定夹角。如此一来，第一摄像装置200和第二摄像装置300均可以较容易地拍摄到铁塔100的全貌。
上述的图像采集装置400用于将第一摄像装置200和第二摄像装置300拍摄的图像或视频影像传送至上述的处理器500。较佳实施例中，该图像采集装置400还可用于控制第一摄像装置200(第一数字拍摄仪器201)和第二摄像装置300(第二数字拍摄仪器301)同步拍摄，如此一来可以使第一摄像装置200(第一数字拍摄仪器201)和第二摄像装置300(第二数字拍摄仪器301)在同一时刻拍摄同样变形状态的铁塔100，有利于方便、准确地分析铁塔的变形情况。
上述的处理器500可对两台拍摄仪器或摄像装置(第一数字拍摄仪器201和第二数字拍摄仪器301或者第一摄像装置200和第二摄像装置300)采集的图像(动态或静态)进行分析，计算得到铁塔100各节点在铁塔100变形前后的位移情况。处理器500只要能够利用双目视觉测量原理和数字图像相关函数方法，由两个摄像装置分别铁塔100变形前后的图像，得到铁塔100变形前后的世界坐标，进而得到上述位移。该处理器500例如可以是一台装有相应软件的计算机或服务器，该软件可以是现有的数字图像处理软件。
再如图1所示，本发明实施例的铁塔变形测量装置可以包括定位装置600，用于测定两个上述摄像装置(第一摄像装置200和第二摄像装置300或者第一数字拍摄仪器201和第二数字拍摄仪器301)的视场范围内的空间中多个设定点的空间坐标，以标定上述第一摄像装置及上述第二摄像装置的空间参数，上述空间参数用以计算上述位移。
该定位装置600可以是各种能够用于测量空间中某点的世界坐标的装置，例如全站仪或者可行的激光定位装置。该定位装置600可以测量多个设定点的世界坐标，例如铁塔100变形前若干关键节点的世界坐标(空间位置参数)。利用上述设定点的世界坐标或者空间位置参数可以对数字拍摄仪器(第一数字拍摄仪器201和第二数字拍摄仪器301)的空间参数进行标定。从而利用数字拍摄仪器的空间参数及内部参数，得到将铁塔100的监测点在拍摄图像或影像中的图像坐标转换至世界坐标的简化的投影矩阵。
本发明实施例的铁塔变形测量装置，与传统监测装置相比，仅利用定位装置测量少数几个点的世界坐标/空间参数，铁塔上的各个监测点的空间参数均可以通过该检测点的双目图像得到，测量更方便。该双目图像可指第一摄像装置200和第二摄像装置300分别拍摄的监测点的图像。
在一个实施例中，若已由多个设定点的世界坐标是已知的，则可以根据该已知的世界坐标和上述多个设定点的图像坐标得到将铁塔100的监测点在拍摄图像或影像中的图像坐标转换至世界坐标的投影矩阵。其中上述多个设定点的图像坐标，可以根据第一摄像装置200和第二摄像装置300单独拍摄的上述多个设定点的图像，经过处理器500的处理得到。如此一来，可以更加方便的得到铁塔的变形情况。
图2是本发明一实施例中铁塔的设定点和检测点的位置示意图。如图2所示，上述的设定点可以是在上述两个摄像装置视野内的点，例如铁塔上的点，较佳地是铁塔100上的关键节点A～H中的其中两个及以上。上述的监测点可以是铁塔100上的监测点J1～J9，还可以是铁塔100上其他各位置的点，具体可视需要而定。上述各实施例中的世界坐标可以空间中个点为坐标原点。较佳地，可以铁塔上的点为坐标原点，如图2所示，例如以关键节点D为坐标原点，以此可以使计算简洁，减少处理器600的计算量。
本发明的铁塔变形测量装置，使用光学原理进行测量，能够进行无损非接触测试，能够测到铁塔各节点三维变形，能够提供相机取景范围内所有节点的测量数据，从而分析结构变形的全场分布情况。本发明实施例的铁塔变形测量装置，可以用于静态测试，也可用于动态测试，适用范围更广，而且具有操作方便快捷、便携性好的优点。
根据上述铁塔变形测量装置，本发明还提供一种铁塔变形测量方法。该铁塔变形测量方法适用于上述各实施例的铁塔变形测量装置，也适用于其他能够实现该方法的功效的铁塔变形测量装置。根据下述铁塔变形测量方法可以更好地说明上述铁塔变形测量装置的实施及功效。
图3是本发明实施例的铁塔变形测量方法的流程示意图。如图3所示，该铁塔变形测量方法，可包括步骤：
S110：通过设置在不同位置的两个摄像装置均拍摄一铁塔发生变形前后的图像；
S120：利用上述铁塔发生变形前后的图像和两个上述摄像装置的视场范围内的空间中多个设定点的世界坐标及图像坐标，根据双目视觉测量原理计算得到上述铁塔上的监测点在上述铁塔发生变形前后的位移。
本发明实施例的铁塔变形测量方法，能够对铁塔各个关键节点三维变形情况进行跟踪，从而实现对铁塔整体变形情况的测量。相对于传统检测装置，本发明实施例的方法使用光学成像的方法进行监测，是一种无损测量方法，而且，还具有操作快捷、便携性好的优点。
图4是本发明一实施例中获取铁塔变形位移的方法流程示意图。如图4所示，在图3所示的铁塔变形测量方法的步骤S120中，利用述铁塔发生变形前后的图像和两个上述摄像装置的视场范围内的空间中多个设定点的世界坐标及图像坐标，根据双目视觉测量原理计算得到上述铁塔上的监测点在上述铁塔发生变形前后的位移，可包括步骤：
S121：根据两个上述摄像装置拍摄的上述铁塔发生变形之前的图像，确定上述监测点的第一图像坐标；
S122：根据两个上述摄像装置拍摄的上述铁塔发生变形之后的图像，确定上述监测点的第二图像坐标；
S123：根据上述多个设定点的世界坐标及图像坐标，得到两个所述摄像装置的空间位置参数；
S124：利用上述第一图像坐标和上述第二图像坐标，根据所述空间位置参数和双目视觉测量原理中的三角关系分别计算得到上述监测点在上述铁塔发生变形之前的第一世界坐标和上述监测点在上述铁塔发生变形之后的第二世界坐标；
S125：根据上述第一世界坐标和上述第二世界坐标，计算得到上述位移。
本发明实施例中，图像坐标可指在拍摄仪器的图像平面中的坐标，该图像坐标可以以该图像平面的中心作为坐标原点。
图5是本发明一实施例中摄像机的拍摄原理示意图。如图5所示，以针孔摄像机为例，该图像平面的主点位置可为(cx，cy)，即图像平面与拍摄仪器光轴的交点为(cx，cy)。对于空间中某物体上的一点Q在世界坐标系中的世界坐标为(X，Y，Z)，则该点Q通过针孔摄像机的小孔平面后，投影到拍摄仪器的图像平面，图像坐标为(xscreen，yscreen)。该点Q的世界坐标(X，Y，Z)和图像坐标(xscreen，yscreen)之间的转换关系符合：
在图5中，f是相机的焦距，Z是相机距离物体的距离，X是物体的高度。在公式(1)中，焦距值fx是物理焦距长度f和单个图像单元长度sx之间的乘积，焦距值fy是物理焦距长度和单个图像单元长度sy之间的乘积，在摄像机标定的过程中这两个焦距值fx、fy以及主点坐标cx、cy可以通过相机标定程序来测量。
对应空间中的一点Qi的坐标(Xi，Yi，Zi)和该点Qi在摄像机的投影平面(图像平面)上的投影点的图像坐标(xi，yi)之间的关系可被称为投影转换关系。当进行这种转换时，可使用齐次坐标，以方便计算。齐次坐标是将空间一个n维的向量用n+1维表示。本发明实施例中，图像平面可以是投影空间，是一个二维空间，使用三维向量(x，y，w)表示图像平面上的一点。因为所有点在投影空间中的比例值(不同焦距放大缩小后的比例)是相等的，所以可以把实际的像素坐标除以w，可将相机参数数据转化为一个3×3的矩阵，称为内参矩阵。物理空间中的点和在相机中投影的点的关系可以表示为：
q＝MQ， (2)
其中，
在公式(2)中，q为图像坐标系中的坐标，Q为世界坐标系中的坐标，M为系数矩阵。通过上面的矩阵乘法运算就可以发现w＝z，因为在此使用的是齐次坐标系，因此计算得到图像坐标q后，需要对q的第一分量和第二个分量除以w，所以公式(2)和公式(1)可取得均等的效果。
双目视觉测量原理/双目视觉视觉是基于视差，通过多幅图像的信息并根据光学三角原理进行三维信息获取的方法。可以通过摄像机平面和被测物体间建立的三角形，计算出场景的深度信息，恢复物体的三维几何信息，重新构建周围景物的形状和位置。根据相机光轴的方位，双目视觉视觉分为平行式双目视觉视觉和交汇式双目视觉视觉。
一个实施例中，在上述步骤S120中可以使用平行式双目视觉视觉测量原理，利用上述铁塔发生变形前后的图像和两个上述摄像装置的视场范围内的空间中多个设定点的世界坐标，计算得到上述铁塔上的监测点在上述铁塔发生变形前后的位移。
图6是本发明一实施例中平行双目视觉测量原理的示意图。如图6所示，两个摄像仪器的光轴612、622相互平行，两摄像仪器的光轴612、622之间的距离基线距为B，空间上的一点P在左右两个摄像仪器靶面所呈的像分别为PL和PR。由于点P在左图像611和右图像621上的纵坐标yL和yR相同，即y＝yL＝yR，点P在左图像611和右图像621上的横坐标分别为xL和xR，所以根据三角几何关系可以得到：
其中，f为摄像仪器的焦距。
根据匹配好的左右相机图像的特征点，计算出视差，就可以得到该点在三维空间坐标。该方法具有模型简单、计算方便的优点。
另一个实施例中，在上述步骤S120中可以使用交汇式双目视觉视觉测量原理，利用上述铁塔发生变形前后的图像和两个上述摄像装置的视场范围内的空间中多个设定点的世界坐标，计算得到上述铁塔上的监测点在上述铁塔发生变形前后的位移。
图7是本发明一实施例中交汇双目视觉测量原理的示意图。如图7所示，交汇式双目视觉视觉由拍摄方向成一定角度的两个摄像仪器构成。Ol和Or表示左右两个摄像仪器镜头的光心。空间中的任一点A在左右两个摄像仪器耙面Cl和Cr上投影的像点为al(ul，vl)和ar(ur，vr)，即为图像坐标。其中，左摄像仪器耙面Cl的图像坐标系原点为ol，右摄像仪器耙面Cr的图像坐标系原点为or。连接像点al(ul，vl)和ar(ur，vr)与它们各自摄像仪器镜头的光心Ol和Or得到投影线alOl和arOr。这两条投影线的交点为空间中的物点A。根据摄像仪器的透镜映射关系，通过两条投影线alOl和arOr的交点可以确定出目标物点A的位置，即世界坐标(X，Y，Z)。其中，点A的世界坐标以O点为坐标原点。摄像仪器的投影映射关系和投影线的角度可分别由摄像仪器的内部参数和外部参数来确定。
根据针孔摄像机模型，采用齐次坐标，数字图像坐标系与相机坐标系关系如下：
fx＝f×dx
其中，fy＝f×dy。
公式(4)中，u，v是A点在图像坐标系上的像素坐标，f为拍摄器材的透镜焦距。u0，v0为图像中心在拍摄仪器坐标系(例如相机坐标系)中的位置。焦距值fx是物理焦距长度和单个图像单元长度dx之间的乘积，类似地，焦距值fy是物理焦距长度和单个图像单元长度dy之间的乘积，焦距值fx、焦距值fy、摄仪器坐标u0及摄仪器坐标系v0可被称为拍摄仪器的内部参数。根据拍摄仪器的小孔成像模型，空间中的点A(X，Y，Z)与其像点(x，y，z)的关系可以用拍摄仪器的外部参数来表示，即世界坐标系和相机坐标系的转换关系可为：
可令
公式(5)中的系数矩阵[r t]可通过拍摄仪器中内部参数和设定点的已知空间坐标系进行标定。
将公式(4)和公式(5)结合在一起，可以得到：
本发明实施例中，根据多个摄像仪器拍摄的图像，依据公式(6)可以得到多个矩阵方程，根据这些矩阵方程，即双目视觉测量原理，可以由监测点的图像坐标求得其世界坐标。
当多个摄像机进行交汇组成系统时，可以得到2i个方程，从而组成超定方程组，这样可以用最小二乘法对方程进行求解得到空间物点的坐标。通常，将(6)中两个变换矩阵的乘积记为投影矩阵H，即：
本发明实施例中，在使用相关方法进行特征点匹配的过程中，首先要拍摄同一时刻的两幅数字图像，一幅作为参照图像，另一幅作为匹配图像。参照图像和匹配图像的灰度分布分别为f(x，y)与g(x，y)。通过在匹配图像中搜索与参照图像中的一块以特征点/监测点为中心的(2M+1)×(2M+1)大小的子区相似程度最高的子区来计算特征点的位移。两块子区的相似程度用相关函数来定义。相关函数的表达式可为：
图8是本发明一实施例中确定图像坐标的方法流程图。如图8所示，在上述步骤S121中，根据两个上述摄像装置拍摄的上述铁塔发生变形之前的图像，确定上述监测点的第一图像坐标，可包括步骤：
S1211：在其中一个摄像装置所拍摄的上述铁塔发生变形之前的图像中选取以上述监测点为中心的第一区域；
S1212：以上述第一区域为参照，利用数字图像相关函数，确定在另一个摄像装置所拍摄的上述铁塔发生变形之前的图像中以上述监测点为中心的第二区域；
S1213：根据上述第一区域和上述第二区域确定上述监测点的上述第一图像坐标。
在上述步骤S1213中，可以根据上述第一区域和上述第二区域可以将各自的特征点/监测点的图像坐标作为响应区域的图像坐标，此处，图像坐标可以直接由处理器输出。
图9是本发明一实施例中确定图像坐标的方法流程图。如图9所示，在上述步骤S122中，根据两个上述摄像装置拍摄的上述铁塔发生变形之后的图像，确定上述监测点的第二图像坐标，可包括步骤：
S1221：在其中一个摄像装置所拍摄的上述铁塔发生变形之后的图像中，利用数字图像相关函数与所述第一区域，确定以上述监测点为中心的第三区域；
S1222：以上述第三区域为参照，利用数字图像相关函数，确定在另一个摄像装置所拍摄的上述铁塔发生变形之后的图像中以上述监测点为中心的第四区域；
S1223：根据上述第三区域和上述第四区域确定上述监测点的上述第二图像坐标。
在上述步骤S1223中，可以根据上述第三区域和上述第三区域可以将各自的特征点/监测点的图像坐标作为响应区域的图像坐标，此处，图像坐标可以直接由处理器输出。
图10是本发明另一实施例的铁塔变形测量方法的流程示意图。如图10所示，在图3所示的铁塔变形测量方法的流程示意图，还可包括步骤：
S130：通过定位装置测定上述多个设定点的世界坐标。
本发明实施例中，通过定位装置测定上述多个设定点的世界坐标，可以解决拍摄仪器空间参数不好确定的困难。
图11是本发明一实施例中获取简化的投影矩阵的方法流程示意图。如图11所示，在上述步骤S123中，根据所述多个设定点的世界坐标及图像坐标，得到两个所述摄像装置的空间位置参数，即进行标定的方法，可包括步骤：
S1231：根据上述多个设定点的世界坐标及图像坐标，得到世界坐标系分别与两个所述摄像装置的图像坐标系之间相互转换的投影矩阵；
S1232：根据所述投影矩阵和两个所述摄像装置的内部参数，确定所述空间位置参数。
一个实施例中，所有上述的世界坐标系以上述铁塔上的一节点为原点。本发明实施例中，以上述铁塔上的一节点为原点可以简化上述位移的计算。
一个具体实施例中，首先，在铁塔前方一定距离分别架设两台相机；然后，将两台相机连接至图形才装置，将图像采集装置连接至计算机；之后在计算机上观察两台相机的成像效果，调整云台使铁塔位于图像中央，调整相机放大倍数和焦距，使成像清晰；进而，随机选取铁塔上的若干节点，使用激光定位装置确定这些关键点的空间坐标，如表1所示，并将这些节点与两台相机所拍摄的两幅图像中的图像坐标相对应(如表1所示)，进一步标定出两台相机的空间参数(如表2所示)，其中，包括相机空间坐标和与空间坐标系坐标轴的夹角。在铁塔上选取监测点，计算机自动计算监测点空间坐标，如表3所示；使用计算机控制相机，同步拍摄铁塔变形过程图像，并计算所测量点的位移情况，如表4至表12所示。
表1相机空间参数标定点坐标和图像坐标
表2相机空间参数
| 测点 | X | Y | Z |
| 1 | 13.5 | 0.595 | 8.5 |
| 2 | 13.6995 | 0.3955 | 5.65 |
| 3 | 13.8955 | 0.1995 | 2.85 |
| 4 | 15.17 | -0.7 | -10 |
| 5 | 16.19 | -1.295 | -18.5 |
| 6 | 14.095 | 0 | 0 |
| 7 | 14.27 | -0.175 | -2.5 |
| 8 | 23 | 0.595 | 8.5 |
| 9 | 22 | 0 | 0 |
表3监测点的空间坐标
表4测点1的位移测量结果
表5测点2的位移测量结果
表6测点3的位移测量结果
表7测点4的位移测量结果
表8测点5的位移测量结果
表9测点6的位移测量结果
表10测点7的位移测量结果
表11测点8的位移测量结果
表12测点9的位移测量结果
本发明的铁塔变形测量方法，使用光学原理进行测量，能够进行无损非接触测试，能够测到铁塔各节点三维变形，能够提供相机取景范围内所有节点的测量数据，从而分析结构变形的全场分布情况。本发明实施例的铁塔变形测量方法，可以用于静态测试，也可用于动态测试，适用范围更广，而且具有操作方便快捷、便携性好的优点。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种铁塔变形测量装置，其特征在于，所述装置包括：第一摄像装置、第二摄像装置、图像采集装置及处理器；
所述第一摄像装置和所述第二摄像装置设置在不同的位置，均用于拍摄一铁塔发生变形前后的图像；
所述图像采集装置与所述第一摄像装置及所述第二摄像装置分别连接，用于采集所述第一摄像装置和所述第二摄像装置拍摄的所述铁塔发生变形前后的图像；
所述处理器与所述图像采集装置连接，用于利用所述铁塔发生变形前后的图像，依据双目视觉测量原理计算得到所述铁塔上的监测点在所述铁塔发生变形前后的位移。
2.如权利要求1所述的铁塔变形测量装置，其特征在于，所述装置还包括：定位装置，用于测定两个所述摄像装置的视场范围内的空间中多个设定点的空间坐标，以标定所述第一摄像装置及所述第二摄像装置的空间参数，所述空间参数用以计算所述位移。
3.如权利要求2所述的铁塔变形测量装置，其特征在于，所述定位装置为全站仪。
4.如权利要求1所述的铁塔变形测量装置，其特征在于，所述第一摄像装置和所述铁塔之间的连线与所述第二摄像装置和所述铁塔之间的连线呈一设定夹角。
5.如权利要求1所述的铁塔变形测量装置，其特征在于，所述第一摄像装置包括：第一数字拍摄仪器、第一云台及第一三脚架；
其中，所述第一云台安装于所述第一三脚架上，所述第一数字拍摄仪器安装于所述第一云台上；所述第一云台用于调整所述第一数字拍摄仪器的拍摄方向及角度；所述第一数字拍摄仪器为数字相机或数字摄像机。
6.如权利要求1至5任一项所述的铁塔变形测量装置，其特征在于，所述第二摄像装置包括：第二数字拍摄仪器、第二云台及第二三脚架；
其中，所述第二云台安装于所述第二三脚架上，所述第二数字拍摄仪器安装于所述第二云台上；所述第二云台用于调整所述第二数字拍摄仪器的拍摄方向及角度；所述第二数字拍摄仪器为数字相机或数字摄像机。
7.一种铁塔变形测量方法，其特征在于，适用于如权利要求1至6任一项所述的铁塔变形测量装置，所述方法包括：
通过设置在不同位置的两个摄像装置均拍摄一铁塔发生变形前后的图像；
利用所述铁塔发生变形前后的图像和两个所述摄像装置的视场范围内的空间中多个设定点的世界坐标及图像坐标，根据双目视觉测量原理计算得到所述铁塔上的监测点在所述铁塔发生变形前后的位移。
8.如权利要求7所述的铁塔变形测量方法，其特征在于，利用所述铁塔发生变形前后的图像和两个所述摄像装置的视场范围内的空间中多个设定点的世界坐标及图像坐标，根据双目视觉测量原理计算得到所述铁塔上的监测点在所述铁塔发生变形前后的位移，包括：
根据两个所述摄像装置拍摄的所述铁塔发生变形之前的图像，确定所述监测点的第一图像坐标；
根据两个所述摄像装置拍摄的所述铁塔发生变形之后的图像，确定所述监测点的第二图像坐标；
根据所述多个设定点的世界坐标及图像坐标，得到两个所述摄像装置的空间位置参数；
利用所述第一图像坐标和所述第二图像坐标，根据所述空间位置参数和双目视觉测量原理中的三角关系分别计算得到所述监测点在所述铁塔发生变形之前的第一世界坐标和所述监测点在所述铁塔发生变形之后的第二世界坐标；
根据所述第一世界坐标和所述第二世界坐标，计算得到所述位移。
9.如权利要求8所述的铁塔变形测量方法，其特征在于，根据两个所述摄像装置拍摄的所述铁塔发生变形之前的图像，确定所述监测点的第一图像坐标，包括：
在其中一个摄像装置所拍摄的所述铁塔发生变形之前的图像中选取以所述监测点为中心的第一区域；
以所述第一区域为参照，利用数字图像相关函数，确定在另一个摄像装置所拍摄的所述铁塔发生变形之前的图像中以所述监测点为中心的第二区域；
根据所述第一区域和所述第二区域确定所述监测点的所述第一图像坐标。
10.如权利要求9所述的铁塔变形测量方法，其特征在于，根据两个所述摄像装置拍摄的所述铁塔发生变形之后的图像，确定所述监测点的第二图像坐标，包括：
在其中一个摄像装置所拍摄的所述铁塔发生变形之后的图像中，利用数字图像相关函数与所述第一区域，确定以所述监测点为中心的第三区域；
以所述第三区域为参照，利用数字图像相关函数，确定在另一个摄像装置所拍摄的所述铁塔发生变形之后的图像中以所述监测点为中心的第四区域；
根据所述第三区域和所述第四区域确定所述监测点的所述第二图像坐标。
11.如权利要求8所述的铁塔变形测量方法，其特征在于，根据所述多个设定点的世界坐标及图像坐标，得到两个所述摄像装置的空间位置参数，包括：
根据所述多个设定点的世界坐标及图像坐标，得到世界坐标系分别与两个所述摄像装置的图像坐标系之间相互转换的投影矩阵；
根据所述投影矩阵和两个所述摄像装置的内部参数，确定所述空间位置参数。
12.如权利要求8所述的铁塔变形测量方法，其特征在于，所有所述的世界坐标系以所述铁塔上的一节点为原点。
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