CN107862684A - 一种具有夜视能力的裂隙监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有夜视能力的裂隙监测系统及方法。该系统包括光学相机，带有特征点的图标、补光灯以及上位机；带有特征点的图标为两个，且分别固定安装在待测裂隙的两侧，两个带有特征点的图标以及待测裂隙均位于光学相机的视场范围内，光学相机将图像信息不断的上传给上位机；补光灯安装在光学相机的一侧，补光灯的出射光照射至两个带有特征点的图标以及待测裂隙所在的区域内。使用该系统的方法是：1)系统装调；2)光学相机的标定；3)图像采集；4)图像处理。通过使用带特征点的图标对文物本体的裂隙变化进行检测，不仅计算量小，成本低，便于实施，而且不会对文物本体表面造成损坏，同时也便于夜间或灯光黑暗环境的准确监测。

Description

一种具有夜视能力的裂隙监测系统及方法

技术领域

本发明属于图像监测技术领域，具体涉及一种具有夜视能力的裂隙监测系统及方法。

背景技术

中国是具有五千年悠久历史的文明古国，文化遗产丰富，文物保护工作艰巨而复杂。随着文化遗产保护理念从“抢救性保护”向“预防性保护”的转变，文化遗产监测就显得越来越重要。

文物本体监测作为文化遗产监测中的重要环节之一，主要从文物本体的形态、结构、病害等几个方面进行监测。

目前针对文物本体裂隙变化的监测主要采用电阻应变片、位移传感器等接触式监测技术，此类监测技术会对文物本体造成不同程度的损害。随着科学技术的发展和文化遗产保护要求的提高，越来越多新的理念和方法被引入进来，下面对现有主要监测技术作简单介绍：

接触式监测技术

接触式监测方式多采用电阻应变片，根据金属导体的应变效应，当被测物体受力沿电阻丝方向发生形变时，电阻丝随之一起变形，因而电阻丝的阻值也发生改变，根据应变片的灵敏系数，数据采集仪器可测得应变片电阻值的变化，并将之转换成裂隙的变化值。

这种监测方式有很大的局限性，因需要在本体表面进行粘贴和处理，因此在壁画表面、土遗址表面等监测应用场景下不适用。

图像处理技术

基于图像处理技术进行本体裂隙变化监测，主要是对现场所采集的数字图像进行处理。数字图像通常是由一个矩形像素矩阵构成，一帧图像可以描述成N×M位像素，其中N和M是像素点的数目，图像处理实际上就是对像素矩阵中像素值的数字化处理。

通过高清成像设备采集现场图像，采用二值化及边缘检测方法得到原始图像的特征区域轮廓，经过定位、分割、解码计算出区域中心点像素坐标，最终按照比例尺将不同像素点的差值换算成实际距离，从而得到裂隙的变化值。

虽然图像处理技术不会对文物表面产生影响，但是该技术本身的数据处理任务巨大，实现成本很高。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明通过使用带特征点图标对文物本体的裂隙变化进行检测，不仅计算量小，成本低，便于实施，而且不会对文物本体表面造成损坏，同时也便于夜间或灯光黑暗环境的准确监测。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种具有夜视能力的裂隙监测系统，包括光学相机，带有特征点的图标以及上位机；

其中，带有特征点的图标为两个，且分别固定安装在待测裂隙的两侧，两个带有特征点的图标以及待测裂隙均位于光学相机的视场范围内，光学相机将两个带有特征点的图标以及待测裂隙的图像信息按照时间间隔t不断的上传给上位机；补光灯安装在光学相机的一侧，补光灯的出射光照射至两个带有特征点的图标以及待测裂隙所在的区域内，且补光灯透镜角度要大于光学相机焦距对应的广角度数。

为了避免带有特征点的图标可能与应用现场的背景有很大的相似度，同时利于后期系统功能的扩展，该系统中带有特征点的图标选用二维码图标。

为了使光学相机在夜晚的识别率的到保证，所述补光灯的玻璃灯罩上粘覆有能将光线折射打散的薄膜。

另外，针对不同的应用场景，所述二维码图标采用沉积雕刻技术在不锈钢板上形成或者采用在PVC板上雕刻而成。

需要说明的是：该系统中带有特征点的图标还可以选用工业色标。

上述带有特征点的图标采用粘接固定或者不锈钢图钉固定。

具体来说，光学相机与待测裂隙之间的距离在3m范围之内，光学相机大于130万像素。

基于上述裂隙监测系统的描述，现对采用该系统对文物本体裂隙进行监测的方法进行一下说明：

该监测方法包括以下步骤：

1)系统装调；

在系统开始工作前对监测系统中各个部件进行装调操作，包括固定光学相机的位置、调整光学相机的焦距、固定补光灯以及调整补光灯的位置及出射光范围；

2)光学相机的标定；

光学相机拍摄的目标图像，所述目标图像包括待测裂隙以及两个两个带特征点图标；获取两个带特征点图标中特征点之间的像素尺寸和两个带特征点图标中两个特征点的实际物理尺寸，并将像素尺寸和实际物理尺寸作比，获得系数K；

3)图像采集；

设间隔时间为t，光学相机每间隔一个时间间隔t对待测裂隙以及两个带特征点图标进行拍照获得N幅目标图像，并将N幅目标图像上传至上位机；

4)图像处理；

分别获得N幅目标图像中特征点之间的像素尺寸，并通过步骤2)中的系数K换算出特征点之间的实际尺寸；

建立坐标系，以时间轴为横轴，实际长度值为纵轴；得出不同目标图像中所对应的特征点之间实际尺寸变化的曲线；所述曲线反映了裂隙的宽度变化和骤变趋势；所述骤变趋势为裂隙宽度变化的幅度。

上述方法存在两方面缺陷：1、特征点的误识别率较高，可能与应用现场的背景有很大的相似度；2、这种没有任何含义的特征点图标不利于后期系统扩展。

若带有特征点的图标为二维码图标时，监测方法具体如下：

1)系统装调；

在系统开始工作前对监测系统中各个部件进行装调操作，包括固定光学相机的位置、调整光学相机的焦距、固定补光灯以及调整补光灯的位置及出射光范围；

2)光学相机的标定；

光学相机拍摄的目标图像，所述目标图像包括待测裂隙以及两个两个二维码图标；

其中，每个二维码图标中的左上角、右上角以及左下角均设有一个框，将其中任意二个框做连线，以连线中点为特征点，再将两个二维码上的特征点连线，形成的线段为两个二维码图标之间的距离；

获取两个二维码图标之间的像素尺寸和两个二维码图标之间的实际物理尺寸，并将像素尺寸和实际物理尺寸作比，获得系数K；

3)图像采集；

设间隔时间为t，光学相机每间隔一个时间间隔t对待测裂隙以及两个二维码图标进行拍照获得N幅目标图像，并将N幅目标图像上传至上位机；

4)图像处理；

分别获得N幅目标图像中两个二维码图标之间的像素尺寸，并通过步骤2)中的系数K换算出两个二维码图标之间的实际物理尺寸；

建立坐标系，以时间轴为横轴，实际长度值为纵轴；得出不同目标图像中所对应的两个二维码图标之间实际尺寸变化的曲线；所述曲线反映了裂隙的宽度变化和骤变趋势；所述骤变趋势为裂隙宽度变化的幅度。

本发明的优点在于：

1、本发明采用带有特征点的两个图标固定在待测裂隙两侧的方式，通过上位机处理图像数据，从而获得裂隙的变化信息，不仅结构简单施工成本低廉，并且在待测裂隙为一些珍贵的文物时也不会对损坏文物表面。

2、本发明采用二维码作为带有特征点的图标，首先二维码图标不会与任何环境物品的纹饰存在重复性，从根本上降低了误识别率；其次，二维码图标自身可以携带大量信息，便于满足后期功能扩展。另外，二维码图标的方向性也是可以被有效利用的。

3、本发明中的二维码图标采用不锈钢或PVC制作，并且采用沉积的方式雕刻图像，使得图标的在一些恶劣环境下的使用寿命更长。

4、本发明在光学相机一侧安装补光灯，使得系统在黑夜工作时也能保证光学相机的拍摄精度，大大提高了工作的效率。

附图说明

图1为本发明的具体结构简图；

图2为本发明方法的流程框图；

图3为二维码图标作为带有特征点的图标时的裂隙宽度计算示意图。

附图标记如下：

1-光学相机、2-带有特征点的图标、3-补光灯、4-上位机、5-待测裂隙。

具体实施方式

针对文物本体裂隙变化的监测，获知裂隙变化量及变化趋势是关键点。本发明采取特殊点(如工业色标、二维码图标等)识别方法，通过高清光学相机固定拍摄现场照片获得目标图像上传至上位机，从而获得这一数据。

如图1所示，本发明系统的结构如下：

包括光学相机1，带有特征点的图标2、补光灯3以及上位机4；

其中，带有特征点的图标2为两个，且分别固定安装在待测裂隙5的两侧，两个带有特征点的图标2以及待测裂隙5均位于光学相机1的视场范围内，光学相机1将两个带有特征点的图标2以及待测裂隙5的图像信息按照时间间隔t不断的上传给上位机4；补光灯3安装在光学相机1的一侧，补光灯3的出射光照射至两个带有特征点的图标2以及待测裂隙5所在的区域内，且补光灯3透镜角度要大于光学相机1焦距对应的广角度数。

光学相机

系统精度说明：案例选用的网络光学相机为130万像素成像设备，最大像素尺寸为1280*960像素。系统精度与施工现场有紧密联系，具体测算方法如下：

测量精度＝观测尺寸/成像像素(长)

物距：指镜头到被摄物之间的实际距离。

观测尺寸：指被摄物体在画面(长度)中的尺寸。

成像像素：指生成图像的像素尺寸。

通过选取更高规格的光学相机，可以进一步提升系统精度。如选用某厂家一款500万像素的光学相机并配备同等规格镜头，该设备标称成像像素为2560×1920。以1000mm物距、120mm观测尺寸为例，带入公式计算精度为120/2560≈0.05mm。

拍摄角度：需要特别指出的是拍摄角度会对拍摄精度带来细微影响，我们主要从观测尺寸(或称取景宽度)来分析。当光学相机镜头与被摄物体平行放置时，获取精度最佳，当光学相机镜头与被摄物体成30°倾角放置时，相机的观测尺寸被相对放大，在成像尺寸不变的情况下，降低了拍摄精度。因此在使用该方案时，应保持光学相机镜头与被摄物体呈水平状。同时在系统运行过程中，不应调整光学相机拍摄角度，否则会影响系统工作的稳定性。还需要注意的是：安装光学相机时为消除拍摄角度对监测精度的影响，光学相机与土体表面基本平行，偏差角度不超过±5°

补光灯

针对夜间或者光学较差的监测场景，需要采用补光灯来增加亮度，从而保证监测的准确性和持续性，并且光学相机像素越高对补光灯的流明值要求更高，补光灯的功率相对更大。

补光灯分为LED补光灯和氙气补光灯两大类。原则上，

近距离选用LED补光灯，远距离选用氙气补光灯。

1、IP等级适合项目室外环境使用(一般IP65以上)；

2、功率为小于10W(一般为6W)；

3、灯罩角度为90度；

补光灯安装在光学相机的任意一侧，且补光灯的出射光覆盖整个待检测区域。补光灯的光线被折射打散，提高了夜间光学相机对裂隙的识别，在夜晚识别率30％左右的基础上提高到了识别率98％以上。这样对于夜晚的裂隙监测来说，提高了数据的有效性。

带有特征点的图标可以选用工业色标，当选用工业色标等具有特征点的图标时，其具体的检测方法是，如图2所示：

步骤1)系统装调；

在系统开始工作前对监测系统中各个部件进行装调操作，包括固定光学相机的位置、调整光学相机的焦距、固定补光灯以及调整补光灯的位置以及出射光范围；

具体安装补光灯时需注意：

A：监控补光灯透镜角度要大于光学相机焦距对应的广角度数，补光灯的光照才能带到最佳效果；

B:调整监控补光灯投射方向与光学相机拍摄图像方向一致；当补光灯投射出的光斑在光学相机的监控场景时，可固紧安装螺钉，完成补光灯的安装调试。

步骤2)光学相机的标定；

光学相机拍摄的目标图像，所述目标图像包括待测裂隙以及两个两个带特征点图标；获取两个带特征点图标中特征点之间的像素尺寸和两个带特征点图标中两个特征点的实际物理尺寸，并将像素尺寸和实际物理尺寸作比，获得系数K；

步骤3)图像采集；

设间隔时间为t，光学相机每间隔一个时间间隔t对待测裂隙以及两个带特征点图标进行拍照获得N幅目标图像，并将N幅目标图像上传至上位机；

步骤4)图像处理；

分别获得N幅目标图像中特征点之间的像素尺寸，并通过步骤2)中的系数K换算出特征点之间的实际尺寸；

建立坐标系，以时间轴为横轴，实际长度值为纵轴；得出不同目标图像中所对应的特征点之间实际尺寸变化的曲线；所述曲线反映了裂隙的宽度变化和骤变趋势；所述骤变趋势为裂隙宽度变化的幅度。

为了不会与任何环境物品的纹饰存在重复性，从根本上降低了误识别率；其次，二维码图标自身可以携带大量信息，便于满足后期功能扩展。另外，二维码图标的方向性也是可以被有效利用，如通过二维码图标自身旋转得知物体在平面上的位移变化，因此，本发明的带有特征点的图标的另外一种优选方式是采用二维码图标。

制作和安装二维码图标

不锈钢二维码

不锈钢二维码常用在户外，或者环境较为恶劣的环境。通常与被测物体有以下几种固定方式：

石质文物。

二维码需要通过胶与被测物体进行粘合。胶的配比：环氧树脂与固化剂按照2:1的比例进行混合。

注意事项：需要在被测物体刷一层保护层之后再用刷胶。

土质文物。

二维码通过不锈钢图钉直接固定在被测物体上。

注意事项：被测物体安装二维码的位置，尽量处理的平整。确保二维码与被测物体良好的接触。

PVC二维码

PVC二维码常用在室内(也可用于户外)。通常与被测物体有以下几种固定方式：

土质文物。

二维码通过不锈钢图钉直接固定在被测物体上。

注意事项：被测物体安装二维码的位置，尽量处理的平整。确保二维码与被测物体良好的接触。

陶制文物。

二维码通常采用背胶的方式直接粘贴在被测物体。

二维码制作需要注意的事项：

1、二维码的前景色必须比背景色要深，否则将无法识别。

2、选择材质时要选择不易反光的材质，尽量避免透明介质。

3、印刷时，要注意印版上不能丢失元素，以免造成二维码读取困难。

4、在印刷中关键要控制好墨色和印刷压力，保证二维码条纹准确还原。

采用二维码图标进行在不同场景进行试验，识别率在98％以上，与一般带有特征点的图标相比较有很高的识别率，基于二维码图标计算的裂缝宽度变化值，精度可达0.01mm，二维码可以长期定位，还可以携带本体的相关信息，比如，本体名称、裂缝级别、重要程度等，为后期功能扩展提供了便利。

基于上述对检测系统的描述，现对其检测方法作进一步的说明：

当带有特征点的图标采用二维码时，该监测方法步骤如下，如图2所示：

步骤1)系统装调；

在系统开始工作前对监测系统中各个部件进行装调操作，包括固定光学相机的位置、调整光学相机的焦距、固定补光灯以及调整补光灯的位置及出射光范围；具体安装补光灯时需注意：

A：监控补光灯透镜角度要大于光学相机焦距对应的广角度数，补光灯的光照才能带到最佳效果；

B:调整监控补光灯投射方向与光学相机拍摄图像方向一致；当补光灯投射出的光斑在光学相机的监控场景时，可固紧安装螺钉，完成补光灯的安装调试。

步骤2)光学相机的标定；

光学相机拍摄的目标图像，所述目标图像包括待测裂隙以及两个两个二维码图标；

其中，每个二维码图标中的左上角、右上角以及左下角均设有一个框，将其中任意二个框做连线，以连线中点为特征点，再将两个二维码上的特征点连线，形成的线段为两个二维码图标之间的距离；

获取两个二维码图标之间的像素尺寸和两个二维码图标之间的实际物理尺寸，并将像素尺寸和实际物理尺寸作比，获得系数K；

如图3所示，为了提高数据的一致性，消除二维码图标因方向性带来的干扰信息，规定每个二维码图标的第一个框(右上角的框)与第三个框(左下角的框)的连线中点为二维码图标的中心点。通过计算一组二维码图标中心点之间的距离，得到一组二维码图标间的像素差值，并通过进一步换算得到实际距离；

步骤3)图像采集；

设间隔时间为t，光学相机每间隔一个时间间隔t对待测裂隙以及两个二维码图标进行拍照获得N幅目标图像，并将N幅目标图像上传至上位机；

步骤4)图像处理；

分别获得N幅目标图像中两个二维码图标之间的像素尺寸，并通过步骤2)中的系数K换算出两个二维码图标之间的实际物理尺寸；

建立坐标系，以时间轴为横轴，实际长度值为纵轴；得出不同目标图像中所对应的两个二维码图标之间实际尺寸变化的曲线；所述曲线反映了裂隙的宽度变化和骤变趋势；所述骤变趋势为裂隙宽度变化的幅度。

Claims (9)

1.一种具有夜视能力的裂隙监测系统，其特征在于：

包括光学相机，带有特征点的图标、补光灯以及上位机；

其中，带有特征点的图标为两个，且分别固定安装在待测裂隙的两侧，两个带有特征点的图标以及待测裂隙均位于光学相机的视场范围内，光学相机将两个带有特征点的图标以及待测裂隙的图像信息按照时间间隔t不断的上传给上位机；补光灯安装在光学相机的一侧，补光灯的出射光照射至两个带有特征点的图标以及待测裂隙所在的区域内，且补光灯透镜角度要大于光学相机焦距对应的广角度数。

2.根据权利要求1所述的具有夜视能力的裂隙监测系统，其特征在于：所述带有特征点的图标选用二维码图标。

3.根据权利要求1或2所述的具有夜视能力的裂隙监测系统，其特征在于：所述补光灯的玻璃灯罩上粘覆有能将光线折射打散的薄膜。

4.根据权利要求3所述的具有夜视能力的裂隙监测系统，其特征在于：所述二维码图标采用沉积雕刻技术在不锈钢板上形成或者采用在PVC板上雕刻而成。

5.根据权利要求1所述的具有夜视能力的裂隙监测系统，其特征在于：所述带有特征点的图标还可以选用工业色标。

6.根据权利要求4所述的具有夜视能力的裂隙监测系统，其特征在于：所述带有特征点的图标采用粘接固定或者不锈钢图钉固定。

7.根据权利要求6所述的具有夜视能力的裂隙监测系统，其特征在于：光学相机与待测裂隙之间的距离在3m范围之内，光学相机大于130万像素。

8.基于权利要求1所述的具有夜视能力的裂隙监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)系统装调；

在系统开始工作前对监测系统中各个部件进行装调操作，包括固定光学相机的位置、调整光学相机的焦距、固定补光灯以及调整补光灯的位置及出射光范围；

2)光学相机的标定；

光学相机拍摄的目标图像，所述目标图像包括待测裂隙以及两个两个带特征点图标；获取两个带特征点图标中特征点之间的像素尺寸和两个带特征点图标中两个特征点的实际物理尺寸，并将像素尺寸和实际物理尺寸作比，获得系数K；

3)图像采集；

设间隔时间为t，光学相机每间隔一个时间间隔t对待测裂隙以及两个带特征点图标进行拍照获得N幅目标图像，并将N幅目标图像上传至上位机；

4)图像处理；

分别获得N幅目标图像中特征点之间的像素尺寸，并通过步骤2)中的系数K换算出特征点之间的实际尺寸；

建立坐标系，以时间轴为横轴，实际长度值为纵轴；得出不同目标图像中所对应的特征点之间实际尺寸变化的曲线；所述曲线反映了裂隙的宽度变化和骤变趋势；所述骤变趋势为裂隙宽度变化的幅度。

9.基于权利要求2所述的具有夜视能力的裂隙监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)系统装调；

在系统开始工作前对监测系统中各个部件进行装调操作，包括固定光学相机的位置、调整光学相机的焦距、固定补光灯以及调整补光灯的位置及出射光范围；

2)光学相机的标定；

光学相机拍摄的目标图像，所述目标图像包括待测裂隙以及两个两个二维码图标；

其中，每个二维码图标中的左上角、右上角以及左下角均设有一个框，将其中任意二个框做连线，以连线中点为特征点，再将两个二维码上的特征点连线，形成的线段为两个二维码图标之间的距离；

获取两个二维码图标之间的像素尺寸和两个二维码图标之间的实际物理尺寸，并将像素尺寸和实际物理尺寸作比，获得系数K；

3)图像采集；

设间隔时间为t，光学相机每间隔一个时间间隔t对待测裂隙以及两个二维码图标进行拍照获得N幅目标图像，并将N幅目标图像上传至上位机；

4)图像处理；

分别获得N幅目标图像中两个二维码图标之间的像素尺寸，并通过步骤2)中的系数K换算出两个二维码图标之间的实际物理尺寸；

建立坐标系，以时间轴为横轴，实际长度值为纵轴；得出不同目标图像中所对应的两个二维码图标之间实际尺寸变化的曲线；所述曲线反映了裂隙的宽度变化和骤变趋势；所述骤变趋势为裂隙宽度变化的幅度。