CN111256595A

CN111256595A - 一种光电靶标式结构位移测量方法、装置及存储介质

Info

Publication number: CN111256595A
Application number: CN202010098427.5A
Authority: CN
Inventors: 周逸; 樊仕建; 唐建辉; 苗秀鹏; 王鑫
Original assignee: Chongqing Ya Pai Bridge Engineering Quality Testing Co ltd
Current assignee: Chongqing Ya Pai Bridge Engineering Quality Testing Co ltd
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2020-06-09

Abstract

本发明提供了一种光电靶标式结构位移测量方法、装置及存储介质，包括：读取配置信息，接收位移采集指令，启动图像采集设备并获取视频图像流；电源控制按测点配置打开单测点对应光源的电源；获取单测点光斑图像；对图像进行处理，并做位移标定，计算标定值；找到光斑中心坐标并与初始坐标进行比较，根据标定值计算得出该测点的位移测量值；存储该测点的位移值至存储设备，电源控制关闭当前测点光源的电源；检测是否还有其他测点，若是，则返回S2，若否，则关闭相关设备。本发明提供的一种光电靶标式结构位移测量方法、装置及存储介质，能够满足自动高效、精确可靠的测量需求，并能测量水平及垂直方向的位移变化量。

Description

一种光电靶标式结构位移测量方法、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及光电测量领域，具体涉及一种光电靶标式结构位移测量方法、装置及存储介质。

背景技术

结构位移是反映大型桥梁及其它结构体运营状态的重要参数。现有的位移测量方式主要有连通管测量、倾角仪测量、GPS测量以及全站仪测量。但是连通管测量安装比较繁琐，且准确度要受液体密度以及管内气泡的影响；倾角仪测量的准确性通常受建模及选点的影响；GPS测量精度不高，造价很高；全站仪测量通常是人工测量，无法做到实时，若要实现实时测量，造价也非常高。为达到精确、可靠、实时、易安装、低成本的要求，需要对光电式位移测量系统进行开发及应用。

发明内容

本发明提供了一种光电靶标式结构位移测量方法、装置及存储介质，能够满足自动高效、精确可靠的测量需求，并能测量水平及垂直方向的位移变化量。

本发明采用如下技术方案：

一种光电靶标式结构位移测量方法，包括：

步骤一、读取配置信息，接收位移采集指令，启动图像采集设备并获取视频图像流；

步骤二、电源控制按测点配置打开单测点对应光源的电源；

步骤三、获取单测点光斑图像；

步骤四、对图像进行处理，并做位移标定，计算标定值；

步骤五、找到光斑中心坐标并与初始坐标进行比较，根据标定值计算得出该测点的位移测量值；

步骤六、存储该测点的位移值至存储设备，电源控制关闭当前测点光源的电源；

步骤七、检测是否还有其他测点，若是，则返回S2，若否，则关闭相关设备。

进一步地，所述步骤一中的采集方式包括定时采集、连续采集、触发采集；所述配置信息包括定时采集时刻表，连续采集次数，触发条件，图像采集设备登录信息，图像处理参数配置。

进一步地，所述定时采集为根据配置信息中的定时采集时刻表进行测量，并依据单测点列表依次测量；所述连续采集为不间断的测量；所述触发采集为根据配置信息中的触发条件进行触发测量。

进一步地，所述步骤三中获取单测点光斑图像，包括：输入图像采集设备的信息登录，并进行预览、抓拍、录像；所述电源控制是基于ADAM4060模块的控制，包括打开电源、关闭电源、查询电源状态。

进一步地，所述步骤四中对图像进行处理，并做位移标定，计算标定值，包括：输入检测区域初始坐标、二值化滤波参数、图像有效像素范围、标定实际距离；检测区域划分，对图像进行滤波二值化处理；获取图像重心，根据图像重心上下分割图像；获取上图像重心和下图像重心，并计算上下图像重心距离；根据上下图像重心距离和上下光源中心实际距离计算标定值。

进一步地，所述对图像进行滤波二值化处理，包括：

所述对图像进行滤波处理采用先开启后闭合的操作，其中开启操作为先进行腐蚀算法后进行膨胀算法，闭合操作为先进行膨胀算法后进行腐蚀算法；

所述腐蚀算法为：把结构元素B平移a后得到Ba，若Ba包含于X，记下a点，记所有满足上述条件的a点组成的集合为E(X)，E(X)为X被B腐蚀的结果，则

所述膨胀算法为：把结构元素B平移a后得到Ba，若Ba击中X，记下a点，记所有满足上述条件的a点组成的集合为D(X)，D(X)为X被B膨胀的结果，则

所述对图像进行二值化处理采用两种方法，第一种方法为亮度阈值，具体包括：

将像素RGB值换算成亮度值，换算公式为：L＝R×0.3+G×0.59+B×0.11，其中，L表示亮度；

计算出图像中像素最大亮度L_max，记滤波系数为f；

依次计算每一个像素亮度L_n，当L_n＜L_max×f时，则将该像素设置成黑色，反之则将该像素设置成白色；

第二种方法为色值阈值，具体包括：

记滤波系数为f；

依次计算每一个像素色值Sd，计算像素R、G、B值的总和Sa；

当Sd÷Sa≥f时，则将该像素设置成白色，反之则将该像素设置成黑色。

进一步地，所述根据上下图像重心距离和上下光源中心实际距离计算标定值，包括：

通过图像算法计算出两光源中心的像素差；

记两光源中心实际距离为Cy，两光源中心的像素差为Dx；

图像像素点对应的实际距离，即标定值为

进一步地，所述步骤五中找到光斑中心坐标并与初始坐标进行比较，根据标定值计算得出该测点的位移测量值，包括：

计算上图像重心与下图像重心连线的中心坐标；

计算中心坐标与初始坐标差值，即像素偏移量；

像素偏移量与标定值作乘得到该测点的位移测量值；

其中，计算上图像重心与下图像重心连线的中心坐标，包括：将光源图像处理成256级灰度图像，图像大小为W×H(pixels)，记A[i，j]代表第i行第j列的像素灰度值，利用重心算法计算出光源在图像上的重心坐标(X，Y)；

一种装置，所述装置包括处理器、存储器及通信总线；所述通信总线用于实现处理器和存储器之间的连接通信；所述处理器用于执行存储器中存储的一个或者多个程序，以实现光电靶标式结构位移测量方法的步骤。

一种存储介质，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现光电靶标式结构位移测量方法的步骤。

本发明的有益效果为：能够满足自动高效、精确可靠的测量需求，并能测量水平及垂直方向的位移变化量，并可长期稳定运行，精确、可靠、实时、易安装、成本低。

附图说明

图1为本发明实施例一的光电靶标式结构位移测量方法的流程示意图。

图2为本发明实施例一中采集流程示意图。

图3为本发明实施例一中图像获取流程示意图。

图4为本发明实施例一中图像处理流程示意图。

图5为本发明实施例一中双光源的位置示意图。

图6为本发明实施例二的装置结构示意图。

附图中，处理器21、通信总线22、存储器23。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明中的术语解释：

实施例一：

变形是桥梁及其它结构体健康状况评价的重要参数，因此变形监测是桥梁安全监测的重要内容。为满足结构变形监测的要求，本发明需满足自动高效、精确可靠的测量需求，并能测量水平及垂直方向的位移变化量，并可长期稳定运行。

本发明的测量基本原理为有源光靶标固定在被测结构的测量点上，视频采集设备安装在远处固定体上，测量时靶标发光，视频采集设备进行图像采集形成图像，当被测结构发生位移变化时，采集的图像上形成光斑也会位移变化。基于光斑变化前后的两幅图像，通过图像处理算法，找出两次光斑的中心位置，通过计算两次中心位置的位移变化量，可换算出被测结构的位移变化量。

如图1所示，本发明提供了一种光电靶标式结构位移测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、读取配置信息，接收位移采集指令，启动图像采集设备并获取视频图像流。如图2所示，图2示出了采集流程，采集方式包括定时采集、连续采集、触发采集；配置信息包括定时采集时刻表，连续采集次数，触发条件，图像采集设备登录信息，图像处理参数配置。

定时采集：

定时采集是根据配置中的采集时刻表进行采集，并依据测点列表依次采集，对采集数据进行滤波处理，对异常数据进行错误标识，具有强的容错能力，能过滤偶发性的采集错误，具有强的鲁棒性，在部分测点状态异常的情况下，仍能正确采集其余测点数据。

连续采集：

连续采集即不间断地采集，对大量采集数据进行分析处理，并实时分类统计动态数据：根据采集值的幅值进行分类统计；动态剔除冗余数据：通过统计分析后属正常范围内的数据采取一定策略丢弃一部分数据；永久存储异常时间段时间。

触发采集

触发采集分为手动采集以及事件触发采集，当某种事件发生时即进行多次采集。

步骤二、电源控制按测点配置打开单测点对应光源的电源。

步骤三、获取单测点光斑图像，如图3所示，图3示出了图像获取流程。具体包括输入图像采集设备的信息登录，并进行预览、抓拍、录像；电源控制是基于ADAM4060模块的控制，包括打开电源、关闭电源、查询电源状态，并加入电源控制延时控制，每次电源打开关闭操作必须在规定的时候过后才能执行，控制开关频率以保护设备。

步骤四、对图像进行处理，并做位移标定，计算标定值。如图4所示，图4示出了图像处理流程。图像处理模块包含图像分割、图像滤波、二值化、重心算法、自标定等功能。为了保证图像处理的高效性，对图像的处理方式均为对图像内存数组进行操作。由于抓拍图片中除了靶标区域之外还有许多无用区域，这些区域即会降低图像处理效率以及会对图像处理进行干扰，所以还需根据图像检测区域坐标信息将检测区域进行扣取。

S41、输入检测区域初始坐标、二值化滤波参数、图像有效像素范围、标定实际距离。

S42、检测区域划分，对图像进行滤波二值化处理。

滤波：

在尽量保留图像细节特征的条件下对目标图像的噪声进行抑制，是图像预处理中不可缺少的操作，其处理效果的好坏将直接影响到后续图像处理和分析的有效性和可靠性。

本发明采用的图像滤波算法为形态学噪声滤除器，将开启和闭合结合起来可用来滤除噪声，首先对有噪声图象进行开启操作，可选择结构要素矩阵比噪声的尺寸大，因而开启的结果是将背景上的噪声去除。最后是对前一步得到的图像进行闭合操作，将图像上的噪声去掉。根据此方法的特点可以知道，此方法适用的图像类型是图像中的对象尺寸都比较大，且没有细小的细节，对这种类型的图像除噪的效果会比较好，可为二值化打下基础。

对图像进行滤波处理采用先开启后闭合的操作，其中开启操作为先进行腐蚀算法后进行膨胀算法，闭合操作为先进行膨胀算法后进行腐蚀算法；

腐蚀算法为：把结构元素B平移a后得到Ba，若Ba包含于X，记下a点，记所有满足上述条件的a点组成的集合为E(X)，E(X)为X被B腐蚀的结果，则

膨胀算法为：把结构元素B平移a后得到Ba，若Ba击中X，记下a点，记所有满足上述条件的a点组成的集合为D(X)，D(X)为X被B膨胀的结果，则

二值化：

图像每像素包含R(红)、G(绿)、B(蓝)三元色，可将一种RGB值范围确定为一种阈值范围。当某一像素RGB值计算后不在阈值范围内，就将该像素设置成黑色即RGB(0,0,0)，反之则将该像素设置成白色即RGB(255,255,255)。处理完图像的每个像素即将该图像二值化。

对图像进行二值化处理采用两种方法，具体包括：

第一种方法为亮度阈值，具体包括：

计算出图像中像素最大亮度L_max，记滤波系数为f；

依次计算每一个像素亮度L_n，当L_n＜L_max×f时，则将该像素设置成黑色，反之则将该像素设置成白色。

第二种方法为色值阈值，具体包括：

记滤波系数为f；

依次计算每一个像素色值Sd(根据配置信息为像素R、G、B值其中一个值)，计算像素R、G、B值的总和Sa；

S43、获取图像重心，根据图像重心上下分割图像；

S44、获取上图像重心和下图像重心，并计算上下图像重心距离；

S45、根据上下图像重心距离和上下光源中心实际距离计算标定值。测量结果为位移值，图像算法计算出的偏移量为像素数量值，所以需要找到像素点与实际距离的比例关系才能计算出最终的位移值。如图5所示，本发明采用的靶标为双光源，两光源相对位移固定不变且完全平行，通过图像算法计算出两光源中心的像素差；记两光源中心实际距离为Cy，两光源中心的像素差为Dx；图像像素点对应的实际距离，即标定值为

步骤五、找到光斑中心坐标并与初始坐标进行比较，根据标定值计算得出该测点的位移测量值。

S51、计算上图像重心与下图像重心连线的中心坐标。

将光源图像处理成256级灰度图像，图像大小为W×H(pixels)，记A[i，j]代表第i行第j列的像素灰度值，利用重心算法计算出光源在图像上的重心坐标(X，Y)；计算出来的重心坐标可作为该图像的中心。

S52、计算中心坐标与初始坐标差值，即像素偏移量。

S53、像素偏移量与标定值作乘得到该测点的位移测量值。

实施例二：

本实施例在上述实施例一的基础上，提供一种装置，请参见图6，主要用于实现上述实施例一的光电靶标式结构位移测量方法的步骤，该装置主要包括处理器21、存储器22及通信总线23；通信总线23用于实现处理器21和存储器22之间的连接通信；处理器21用于执行存储器22中存储的一个或者多个程序，以实现如上述实施例一的光电靶标式结构位移测量方法的步骤。具体请参见上述实施例一中的描述，在此不再赘述。

另外，本实施例还提供一种存储介质，该存储介质存储有一个或者多个程序，该一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述实施例一的光电靶标式结构位移测量方法的步骤。具体请参见上述实施例一中的描述，在此不再赘述。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims

1.一种光电靶标式结构位移测量方法，其特征在于，包括：

步骤二、电源控制按测点配置打开单测点对应光源的电源；

步骤三、获取单测点光斑图像；

步骤四、对图像进行处理，并做位移标定，计算标定值；

2.根据权利要求1所述的一种光电靶标式结构位移测量方法，其特征在于，所述步骤一中的采集方式包括定时采集、连续采集、触发采集；所述配置信息包括定时采集时刻表，连续采集次数，触发条件，图像采集设备登录信息，图像处理参数配置。

3.根据权利要求2所述的一种光电靶标式结构位移测量方法，其特征在于，所述定时采集为根据配置信息中的定时采集时刻表进行测量，并依据单测点列表依次测量；所述连续采集为不间断的测量；所述触发采集为根据配置信息中的触发条件进行触发测量。

4.根据权利要求3所述的一种光电靶标式结构位移测量方法，其特征在于，所述步骤三中获取单测点光斑图像，包括：输入图像采集设备的信息登录，并进行预览、抓拍、录像；所述电源控制是基于ADAM4060模块的控制，包括打开电源、关闭电源、查询电源状态。

5.根据权利要求4所述的一种光电靶标式结构位移测量方法，其特征在于，所述步骤四中对图像进行处理，并做位移标定，计算标定值，包括：

输入检测区域初始坐标、二值化滤波参数、图像有效像素范围、标定实际距离；

检测区域划分，对图像进行滤波二值化处理；

获取图像重心，根据图像重心上下分割图像；

获取上图像重心和下图像重心，并计算上下图像重心距离；

根据上下图像重心距离和上下光源中心实际距离计算标定值。

6.根据权利要求5所述的一种光电靶标式结构位移测量方法，其特征在于，所述对图像进行滤波二值化处理，包括：

计算出图像中像素最大亮度L_max，记滤波系数为f；

第二种方法为色值阈值，具体包括：

记滤波系数为f；

依次计算每一个像素色值Sd，计算像素R、G、B值的总和Sa；

7.根据权利要求6所述的一种光电靶标式结构位移测量方法，其特征在于，所述根据上下图像重心距离和上下光源中心实际距离计算标定值，包括：

通过图像算法计算出两光源中心的像素差；

记两光源中心实际距离为Cy，两光源中心的像素差为Dx；

图像像素点对应的实际距离，即标定值为

8.根据权利要求7所述的一种光电靶标式结构位移测量方法，其特征在于，所述步骤五中找到光斑中心坐标并与初始坐标进行比较，根据标定值计算得出该测点的位移测量值，包括：

计算上图像重心与下图像重心连线的中心坐标；

计算中心坐标与初始坐标差值，即像素偏移量；

像素偏移量与标定值作乘得到该测点的位移测量值；

9.一种装置，其特征在于，所述装置包括处理器、存储器及通信总线；所述通信总线用于实现处理器和存储器之间的连接通信；所述处理器用于执行存储器中存储的一个或者多个程序，以实现权利要求1至8中任一项所述的光电靶标式结构位移测量方法的步骤。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现权利要求1至8中任一项所述的光电靶标式结构位移测量方法的步骤。