CN110044289A - 基于自动变焦的隧道多断面收敛变形视频监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自动变焦的隧道多断面收敛变形视频监测装置及方法。主要解决隧道中视频摄影质量差、精度低以及无法实时监控的技术问题。本发明所述监测装置包括多断面监测标志点或标靶、摄像系统和监控服务器，所述监控服务器包括自适应对焦控制系统、图像实时传输与存储系统、视频图像分析系统和变形预警反馈系统；所述的监测方法包括标志点标靶及摄像系统的安装、多断面的自适应动态对焦拍摄、图像的采集、图像本地存储与在线传输、标志点运动特征图像识别分析、收敛变形预警分析及反馈。本发明实现了隧道变形的快速、在线、空间覆盖监测，可用于隧道施工期和运营期变形监测，也可应用于管廊管沟、顶管隧道等其他类似地下工程。

Description

基于自动变焦的隧道多断面收敛变形视频监测装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道变形监测领域，特别涉及一种基于自动变焦的隧道多断面收敛变形视频监测方法，同时还特别涉及一种变形监测设备，适用于公路隧道、地铁隧道以及管沟管廊等工程施工期和运营期结构收敛变形的监测。

背景技术

隧道施工和运营过程中，结构的收敛变形直观反映了结构的安全状态，收敛变形监测为结构安全评估提供了依据。当前隧道收敛变形的主要监测手段有：采用收敛计或全站仪定期进行人工测量，及采用三维激光扫描或智能机器人的自动监测，此外在基坑、桥梁的结构安全监测中也有采用数字摄影测量技术。目前国内隧道工程多采用人工测量手段，效率低，只能定点定时监测，无法全天候实时监控。采用三维激光扫描或智能机器人可实现自动监测，但设备的采购和维护成本极高，导致难以普及推广。数字摄影测量技术成本较低，也能够进行实时监测，但隧道中光线昏暗、粉尘较多，且交通环境复杂，相机或摄像机的成像质量较差、识别精度低，很难满足变形监测的高精度要求；此外，摄影测量中相机参数一旦标定不能更改，只能定焦监测，视频摄像机也没有自动对焦功能，因此只能实现单断面监测，当监测断面较多时需要安装同样数量的摄像机，成本也不低，故数字摄影测量技术目前在隧道中尚无应用。

专利文献CN101339141A公开的一种轮索移动式结构健康视频监测系统，通过牵引动力系统、轮索系统牵引摄像系统移动并按指令获取被测结构的视频信息，无线传输到远程监控服务器，可用于桥梁、房屋、水坝等结构部位的损伤、裂缝产生及发展、结构指定点的应变增量和相对变形的监视。但该专利并未解决隧道中视频摄影质量差、精度低的问题。同时，对于较长的隧道，安装轮索系统的成本也不低，且隧道中无线信号较差、无线传输可能并不适用，而有线传输的线缆过长则易在移动中缠绕、损坏；摄像机移动需要时间，只适合低频定期监测，不能用于实时监测。

因此。本领域急需解决的技术问题在于：第一方面，需要适应隧道昏暗、多尘、交通复杂的环境，获取清晰的断面图像；第二方面，需要同时对多个监测断面进行实时监测，实现低成本的空间覆盖。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种视频监测装置和方法，通过自适应对焦系统的调节，实现隧道收敛变形的实时、在线视频监控。

本发明的技术方案，一种基于自动变焦的隧道多断面收敛变形视频监测装置，包括：

标志点或标靶，布置在多个监测断面，根据标志点间的定位变化计算结构收敛变形；

摄像系统，用于获取监测断面的视频信息；

监控服务器，与摄像系统及网络连接，负责存储和分析摄像机获取的视频信息；所述监控服务器包括自适应对焦控制系统、图像实时传输与存储系统、视频图像分析系统和变形预警反馈系统，图像实时传输与存储系统、视频图像分析系统和变形预警反馈系统通过线路依次连接，自适应对焦控制系统与视频图像分析系统通过线路连接，自适应对焦控制系统通过线路连接摄像机，图像实时传输与存储系统和变形预警反馈系统与用户端网络连接；自适应对焦系统控制摄像系统变焦改变监测断面，图像实时传输与存储系统控制图像数据的本地存储和网络传输，视频图像分析系统对接收到的数据进行分析和分级，当结果满足预警条件时变形预警反馈系统发出结构健康状态预警。

进一步，所述的标志点为黑白相间的正方形棋盘状，优选的材质为热膨胀系数较小的陶瓷等材料。

进一步，所述的摄像系统包括高清摄像机和补光装置，高清摄像机可调角度、可调焦距，用于拍摄监测断面图像，拍摄时补光装置进行频闪补光，确保成像质量不受灯光和粉尘的影响。

进一步，所述的摄像机应当具备20倍或以上的光学变焦功能，分辨率5百万像素以上，对于变形监测精度为毫米级以上的隧道，优选的分辨率为1千万像素以上；对于三车道或以上的大跨隧道以及监测断面距离摄像机断面较近时，还应具备广角镜头。

进一步，所述的补光装置可以采用可见光，也可以采用不可见光，优选地，采用红外补光，可有效减小粉尘对成像质量的影响，此时所述摄像机应配备相应的红外镜头。

进一步，所述的自适应对焦控制系统在改变监测断面时控制摄像机按照自适应对焦方法调整摄影参数，获取新断面的清晰图像。

进一步，所述的图像实时传输与存储系统将所述摄像系统获取的图像存储在监控服务器的硬盘里，并将视频图像和分析结果上传至网络供用户端查看。

进一步，所述的视频图像分析系统从摄像系统获取的视频图像中对标志点进行定位，根据不同标志点间定位的相对变化计算隧道的收敛变形。

进一步，所述的变形预警反馈系统根据现有监测评价隧道结构的安全指标，在达到预警级别时，自动向用户端发送邮件或短信进行预警。

本发明的另一方面，一种基于自动变焦的隧道多断面收敛变形视频监测方法，包括以下步骤：

第一步：标志点或标靶及摄像系统的安装：所述的标志点或标靶布置在隧道拱顶、拱腰、边墙等关键位置，单个断面至少在拱顶、两侧边墙各布置1个标志点；所述摄像系统安装可安装在拱顶或边墙，不得超过隧道建筑限界，避免影响行车；摄像机与最远监测断面的距离建议为50-100米；

第二步：多断面的自适应动态对焦：在系统中预设改变监测断面的频率，定时更改监测断面，必要时也可人工更改监测断面，监测断面改变时摄影系统对焦包括以下步骤：

A：安装摄像机时通过人工手动对焦预先设定各监测断面对应的摄像参数；

B：摄像机首先根据监测断面预设摄像参数调整拍摄姿态；

C：拍摄一张预设参数下的图像数据；

D：对所述图像数据进行标志点识别，判断是否满足要求；

E：若标志点有一定的位移或偏转导致图像不满足要求，根据当前监测断面与摄像机的距离和角度微调摄像机焦距和拍摄角度；

F：重复C-E步骤直至图像质量满足要求；

G：更新该断面的预设摄像参数；

进一步，所述摄像参数具体为：应预先建立摄像机焦距f、与监测断面水平摄影角度θ ₁、垂直摄影角度θ ₂、摄像机和标志点距离L与图像中标志点的形状畸变、大小间的关系，见公式（1）、公式（2）和公式（3），一方面确保不同断面的监测精度，另一方面可作为调整角度、焦距等参数的依据；

（1）

（2）

（3）

公式中l ₁ 、l ₂ 分别为图像中标志点左右两条边的像素数，l ₃ 、l ₄ 分别为图像中标志点上下两条边的像素数，μ为摄像机CCD/CMOS单个像素的尺寸；当l ₁=l ₂时，水平方向无偏转，当l ₁>l ₂时，标志点左侧向前方、右侧向后方偏转，当l ₁<l ₂时，标志点左侧向后方、右侧向前方偏转；同理，当l ₃=l ₄时，竖直方向无偏转，当l ₃>l ₄时，标志点上侧向前方、右侧向后方偏转，当l ₃<l ₄时，标志点上侧向后方、下侧向前方偏转。

进一步，所述图像应满足要求为：分析的图像应当同时覆盖单个断面上的所有测点，所有测点清晰可辨识，摄像机镜头与断面间的夹角为80-90^°，标志点的像素数满足变形识别精度的要求；

进一步，所述摄像机角度为摄像机镜头与断面间的夹角，角度和焦距的微调幅度可在图像分析系统中根据标志点图像的形状畸变、大小反算，见公式（4）-（5）：

（4）

（5）

（6）

公式中上划线符号表示当前的摄影和图像参数，Δl ₁ 、Δl ₂ 表示希望获得的标志点图像像素数与现拍摄的标志点图像像素数的差值，根据变形识别精度设定；当Δθ ₁>0时，摄像机向右旋转，当Δθ ₁<0时，摄像机向左旋转；同理，当Δθ ₂>0时，摄像机向下旋转，当Δθ ₂<0时，摄像机向上旋转；

进一步，采集图像时使用补光装置进行频闪补光；

进一步，每次采集图像时，在1-3秒内连续采集多帧图像，并对所有帧的变形识别结果求平均，减小交通扰动、镜头变焦导致的设备微振动对变形识别结果的影响。

第三步：图像的本地存储与在线传输：所述摄像系统获取的图像通过线缆传输并存储在监控服务器上，并由监控服务器通过网络通信设备上传至云端网络供用户实时查看；

进一步，监控服务器与网络的连接可采用光纤，在通讯信号较好的隧道也可采用无线网络通信，此时需要安装额外的无线传输和接收模块；

进一步，传输和存储过程中，根据灰度和频域特征智能区分图像中的标志点和隧道背景信息图像，并采取不同的压缩策略，图像在标志点位置使用低压缩比或不压缩，压缩比选择0-20%，在背景信息使用高压缩比，压缩比选择60-80%，减少带宽和存储空间的占用、提高传输和存储效率。

第四步：标志点运动特征图像识别分析，通过预算的图像识别分析算法检测标志点边缘并定位其中心点在图像中的坐标，根据两侧边墙标志点中心的定位结果计算边墙收敛Δx，根据拱顶和两侧边墙标志点中心的定位结果计算拱顶相对沉降Δy，分别如公式（7）、公式（8）所示：

（7）

（8）

式中、、分别为第一次监测时左边墙、拱顶、右边墙标志点中心在图像中的像素坐标， 、、分别为第二次监测时左边墙、拱顶、右边墙标志点中心在图像中的像素坐标。

进一步，改变监测断面时，根据所述的监测距离与标志点像素大小的关系重新标定收敛变形的识别精度；当图像的识别精度为δ个像素时，变形识别的精度ε可按照公式（9）计算：

（9）

可通过调节焦距确保多个断面的变形识别精度一致，先确定变形识别精度ε，再按照公式（7）计算不同距离断面对应的焦距参数；变形识别精度ε与标志点图像四边的像素数l关系见公式（10）：

（10）

根据公式（4）和公式（10）可以在标志点发生偏移时调整焦距确保变形识别精度不变。

第五步：收敛变形预警分析及反馈，根据收敛变形的大小将安全状态划分为5个等级；当安全状况分级达到4级及以上时通过监控服务器连接的互联网向用户端发送邮件或短信通知；

进一步，所述安全状态分级指标可根据不同工程的地质、结构设计、施工工法等条件计算分析确定，并预设在系统中；针对实际工程的结构、荷载形式，可通过_数值分析软件计算结构内力与收敛变形间的关系，并据此确定的分级指标。

本发明结构简单，环境适应性强，以较低的成本实现了隧道变形的快速、在线、空间覆盖式监测，与目前常用的隧道收敛变形监测相比，具有下列优点：

（1）自适应对焦方法解决了摄影测量技术无法变焦因而只能监测单个断面的问题，低成本地实现了隧道收敛变形监测的空间覆盖；

（2）频闪补光装置减少光照和粉尘环境对摄影成像质量的影响；

（3）视频图像分析系统保证了收敛变形监测的精度；

（4）变形预警反馈系统及时、准确地向用户反馈隧道的安全状况，有效防止事故的发生。

附图说明

图1为本发明中标志点和摄像机的安装示意图。

图2为本发明装置的结构框图。

图3为本发明的自适应变焦系统工作流程图。

图中：1-第一监测断面，2-第二监测断面，3-摄像机安装断面，4-标志点A，5-标志点B，6-标志点C，7-摄像系统。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的具体实施案例进行详细的描述。

图1说明了监测断面标志点和摄像系统的安装，设定第一监测断面1、第二监测断面2和摄像机安装断面3；摄像机安装断面3与第一监测断面1距离为L ₁=50米，与第二监测断面2距离为L ₂=40米。每个监测断面至少安装3个标志点，标志点分别安装在拱顶、左右侧边墙位置，分别为标志点A4，标志点B5，标志点C6。标志点A4和标志点C6间的水平距离变化为隧道的边墙收敛，标志点B5和标志点A4、标志点C6连线的垂直距离变化为隧道的拱顶相对沉降；若采用5个标志点，可在隧道左右拱肩也各安装一个。标志点采用黑白相间的正方形棋盘状陶瓷件，标志点边长为10厘米。摄像系统7安装在拱顶或边墙，且不得超过隧道建筑限界，避免影响行车。

图2说明了本发明装置的主要架构和工作流程，一种基于自动变焦的隧道多断面收敛变形视频监测装置，包括：

标志点或标靶；

摄像系统7，用于获取监测断面的视频信息；

监控服务器，与摄像系统7及网络连接，负责存储和分析摄像机获取的视频信息；所述监控服务器包括自适应对焦控制系统、图像实时传输与存储系统、视频图像分析系统和变形预警反馈系统，图像实时传输与存储系统、视频图像分析系统和变形预警反馈系统通过线路依次连接，自适应对焦控制系统与视频图像分析系统通过线路连接，自适应对焦控制系统通过线路连接摄像机，图像实时传输与存储系统和变形预警反馈系统与用户端网络连接；

监测设备工作流程包括：（a）摄像机采集监测断面的图像；（b）图像经压缩后传输并存储至监控服务器，并经实时传输与存储系统上传至互联网的用户端；（c）视频图像分析系统对图像中的标志点进行识别和定位，并根据识别结果计算结构收敛变形；（d）变形预警反馈系统根据监测结果对隧道安全状态分级，安全状态达到预警指标时向用户端发送警告；（e）根据系统预设频率定时改变监测断面时，自适应对焦控制系统控制摄像机调整拍摄角度和焦距，图像分析系统则对识别精度重新标定。

所述的步骤（a）中摄像机采集图像时补光装置频闪补光，减小光照和粉尘的影响；摄像机应当具备20倍或以上的光学变焦功能，分辨率5百万像素以上，对于三车道或以上的大跨隧道以及监测断面距离摄像机断面较近时，还应具备广角镜头，此案例中摄像机为摄像机CCD/CMOS单个像素的尺寸μ=2微米。

进一步，摄像机的焦距根据断面距离、监测精度要求确定：例如，图像识别精度为1个像素，而要求收敛变形的识别精度达到1毫米，根据公式（10）可以计算图像中的标志点边长最佳值为个像素；根据公式（1）可以计算监测对象为第一监测断面1时，预设的摄像机焦距应为米即100毫米，同理可得监测对象为第二监测断面2时预设焦距为80毫米。

进一步，每次采集图像时，在1-3秒内连续采集多帧图像，并对所有帧的变形分析结果求平均，作为本次采集的分析结果，以减小交通扰动、镜头变焦等因素导致的设备微振动对变形识别结果的影响。

所述的步骤（b）中，监控服务器放置在就近的设备室，摄像机与监控服务器之间采取有线连接，监控服务器与网络的连接可采用光纤，在通讯信号较好的隧道也可采用无线网络通信，此时需要安装额外的无线传输和接收模块。

进一步，传输和存储过程中，根据图像中标志点和背景的不同灰度特征可以粗略区分包含标志点的关键区域和其余的背景区域，对于关键区域的图像数据采取0-20%的压缩比压缩，而对于背景区域的图像数据则采取60-80%的压缩比压缩，在最大限度保留图像关键信息的前提下减小数据流量，提高传输和存储的效率。

所述的步骤（c）中，以图像左下角为坐标原点、横向为x轴、纵向为y轴，像素为坐标单位，若第一次监测标志点A4、B5、C6中心点的定位结果分别为、、，第二次监测的定位结果分别为、、，则隧道的边墙收敛为，而拱顶相对沉降为。

所述的步骤（d）中，所述安全状态分级指标可根据不同工程的地质、结构设计、施工工法等条件计算分析确定，并预设在系统中；针对实际工程的结构、荷载形式，可通过数值分析软件计算结构内力与收敛变形间的关系，并据此确定的分级指标；根据收敛变形的大小将安全状态划分为5个等级，当安全状况分级达到4级及以上时通过监控服务器连接的互联网向用户端发送邮件或短信通知。

所述步骤（e）中，自适应对焦控制系统的工作原理参见图3，先根据预设的摄影参数调整摄像机并拍摄一张图像，对所述图像数据进行标志点识别；判断是否满足要求；若不满足要求，根据当前监测断面与摄像机的距离和角度微调摄像机焦距和拍摄角度；重复上述步骤直至图像质量满足要求；更新该断面的预设拍摄参数。根据所述的步骤（c）中摄影角度、距离与图像中标志点形状畸变、像素数量间的关系，可由标志点图像反算当前的摄影角度、距离偏差，并做微调。

例如，监测断面从第一监测断面1调整至第二监测断面2时，先将摄像机的焦距调整为预设的80毫米，拍摄图像；经识别，标志点边长为98个像素，说明标志点向后方偏移，可能为安装误差或地质作用、交通扰动等原因导致；为满足监测精度要求应调整焦距使标志点图像为边长100个像素的正方形；根据公式（4）计算焦距微调毫米，即焦距增大1.6毫米，并将81.6mm更新为第二监测断面2的预设焦距。

进一步，调整参数后拍摄的图像应当满足所述的步骤（c）中对分析图像的要求，若满足则将当前摄影参数更新为本断面的预设参数，若不满足则进行调整，直至拍摄图像满足要求。

本发明基于自动变焦的隧道多断面收敛变形图像监测装置和方法不仅局限于上述实施例，不违背本发明设备基本结构精神原则和监测方法基本精神原则所做的些许改动，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于自动变焦的隧道多断面收敛变形视频监测装置，其特征在于：包括：

标志点或标靶，布置在监测断面；

摄像系统，获取监测断面的视频信息；

监控服务器，与摄像系统及网络连接，负责存储和分析摄像机获取的视频信息；

所述监控服务器包括自适应对焦控制系统、图像实时传输与存储系统、视频图像分析系统和变形预警反馈系统，图像实时传输与存储系统、视频图像分析系统和变形预警反馈系统通过线路依次连接，自适应对焦控制系统与视频图像分析系统通过线路连接，自适应对焦控制系统通过线路连接摄像机，图像实时传输与存储系统和变形预警反馈系统与用户端网络连接；自适应对焦系统控制摄像系统变焦改变监测断面，图像实时传输与存储系统控制图像数据的本地存储和网络传输，视频图像分析系统对接收到的数据进行分析和分级，当结果满足预警条件时变形预警反馈系统发出结构健康状态预警。

2.如权利要求1所述的监测装置，其特征在于：所述的标志点为黑白相间的正方形棋盘状陶瓷件。

3.如权利要求1所述的监测装置，其特征在于：所述的摄像系统包括高清摄像机和补光装置，高清摄像机可调角度、可调焦距，用于拍摄监测断面图像，拍摄时补光装置进行频闪补光。

4.权利要求1所述基于自动变焦的隧道多断面收敛变形视频监测装置的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：标志点或标靶及摄像系统安装：所述的标志点或标靶布置在隧道拱顶、拱腰或边墙，单个断面至少在拱顶、两侧边墙各布置1个标志点；所述摄像系统安装可安装在拱顶或边墙，不得超过隧道建筑限界，摄像机与最远监测断面的距离为50-100米；

第二步：多断面的自适应动态对焦拍摄：

A：安装摄像机时通过人工手动对焦预先设定各监测断面对应的摄像参数；

B：摄像机首先根据监测断面预设摄像参数调整拍摄姿态；

C：拍摄一张预设参数下的图像数据；

D：监控服务器对所述图像数据进行标志点识别，判断是否满足要求；

E：若标志点有一定的位移或偏转导致图像不满足要求，根据当前监测断面与摄像机的距离和角度，自动微调摄像机焦距和拍摄角度；

F：重复C-E步骤直至图像质量满足要求；

G：更新该断面的预设摄像参数；

第三步：图像的本地存储与在线传输：所述的传输和存储过程中，根据灰度和频域特征智能区分图像中的标志点和隧道背景信息图像，并采取不同的压缩策略，图像在标志点位置压缩比选择0-20%，在背景信息压缩比选择60-80%；

第四步：标志点运动特征图像识别分析：所述的标志点运动特征图像识别分析，通过预算的图像识别分析算法检测标志点边缘并定位其中心点坐标，根据两侧边墙标志点中心的定位结果计算边墙收敛，根据拱顶和两侧边墙标志点中心的定位结果计算拱顶相对沉降；

第五步：收敛变形预警分析及反馈：根据收敛变形的大小将安全状态划分为5个等级；当安全状况分级达到4级及以上时通过监控服务器连接的互联网向用户端发送邮件或短信通知；安全状态分级指标可根据不同工程的地质、结构设计、施工工法等条件计算分析确定，并预设在系统中；针对实际工程的结构、荷载形式，可通过数值分析软件计算结构内力与收敛变形间的关系，并据此确定的分级指标。

5.如权利要求4所述的监测方法，其特征在于：所述预设摄像参数具体为：预先建立摄像机焦距f、与监测断面水平摄影角度θ ₁、垂直摄影角度θ ₂、摄像机和标志点距离L与图像中标志点的形状畸变、大小间的关系，见公式（1）、公式（2）和公式（3），一方面确保不同断面的监测精度，另一方面可作为调整角度、焦距等参数的依据；

（1）

（2）

（3）

公式中l ₁ 、l ₂ 分别为图像中标志点左右两条边的像素数，l ₃ 、l ₄ 分别为图像中标志点上下两条边的像素数，μ为摄像机CCD/CMOS单个像素的尺寸；当l ₁=l ₂时，水平方向无偏转，当l ₁>l ₂时，标志点左侧向前方、右侧向后方偏转，当l ₁<l ₂时，标志点左侧向后方、右侧向前方偏转；同理，当l ₃=l ₄时，竖直方向无偏转，当l ₃>l ₄时，标志点上侧向前方、右侧向后方偏转，当l ₃<l ₄时，标志点上侧向后方、下侧向前方偏转。

6.如权利要求4所述的监测方法，其特征在于：所述的图像应满足要求为：分析的图像应当同时覆盖单个断面上的所有测点，所有测点清晰可辨识，摄像机镜头与断面间的夹角为80-90^°，标志点的像素数满足变形识别精度的要求。

7.如权利要求4所述的监测方法，其特征在于：所述摄像机镜头与断面间的夹角、角度焦距的微调幅度是在图像分析系统中根据标志点图像的形状畸变、像素数量反算，见公式（4）-（5）：

（4）

（5）

（6）

公式中上划线符号表示当前的摄影和图像参数，Δl ₁ 、Δl ₂ 表示希望获得的标志点图像像素数与现拍摄的标志点图像像素数的差值，根据变形识别精度设定；当Δθ ₁>0时，摄像机向右旋转，当Δθ ₁<0时，摄像机向左旋转；同理，当Δθ ₂>0时，摄像机向下旋转，当Δθ ₂<0时，摄像机向上旋转。

8.如权利要求4所述的监测方法，其特征在于：图像采集时开启补光装置频闪补光。

9.如权利要求4所述的监测方法，其特征在于：每次采集图像时，在1-3秒内连续采集多帧图像，并对所有帧的变形识别结果求平均。

10.如权利要求4所述的监测方法，其特征在于：改变监测断面时，所述的标志点运动特征图像识别分析根据所述的监测距离与标志点像素大小的关系重新标定收敛变形的识别精度；当图像的识别精度为δ个像素时，变形识别的精度ε可按照公式（7）计算：

（7）

可通过调节焦距确保多个断面的变形识别精度一致，先确定变形识别精度ε，再按照公式（7）计算不同距离断面对应的焦距参数；变形识别精度ε与标志点图像四边的像素数l关系如公式（8）：

（8）

根据公式（4）和公式（8）可以在标志点发生偏移时调整焦距确保变形识别精度不变。