CN111583108A - 隧道衬砌面线阵图像tof融合拼接方法、装置及存储介质 - Google Patents

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CN111583108A CN202010312819.7A CN202010312819A CN111583108A CN 111583108 A CN111583108 A CN 111583108A CN 202010312819 A CN202010312819 A CN 202010312819A CN 111583108 A CN111583108 A CN 111583108A
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Abstract

本发明涉及图像处理领域，具体的说是一种隧道衬砌面线阵图像TOF融合拼接方法、装置及存储介质，本方法利用图像结合激光TOF测距技术，将车载相机相对隧道衬砌面的TOF信息和相机图像结合，利用TOF信息融合方式首先计算出图像重叠区域的特征参数，并依据特征参数计算出图像重叠区域的像素数量，并进行对比，根据对比结果对图像进行剪裁拼接，解决了图像拼接对准精度低，拼接速度慢的问题，有效的提升了拼接精度和速度。

Description

隧道衬砌面线阵图像TOF融合拼接方法、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及图像处理领域，具体的说是一种隧道衬砌面线阵图像TOF融合拼接方法、装置及存储介质。
背景技术
图像拼接技术是将数张有重叠部分的图像拼成一幅大型的完整的无缝高分辨率图像的技术，这一直是图形学和机器视觉的研究兴趣所在。具有重叠视角区域的两张图片拼接时,现有技术一般是通过重叠区域内的标识或者重叠区域内图像信息的统计补偿实现拼接边界的确定,本质上一种图像相似比对的方法进行拼接边界确定,这样的处理方式依赖于拼接图像重叠区域内的像素变化情况,当像素变化缓慢时,处理速度和拼接精度都不高。
中国专利文献CN110223222A公开了图像拼接方法、装置和计算机可读存储介质，所述图像至少包括第一图像及第二图像，其中图像拼接方法包括：将待拼接的第一图像与第二图像进行特征点检测和匹配，获取多个特征点匹配对，每一个所述特征点匹配对包括所述第一图像的第一特征点和所述第二图像的第二特征点；将第一图像划分出至少两个第一拼接区域，根据特征点匹配对分别计算每个第一拼接区域的第一单应性矩阵；将第一图像划分出多个第一网格，并根据至少两个第一拼接区域的第一单应性矩阵中的至少一个，计算第一图像每个第一网格的第一网格单应性矩阵；将所述第一图像中的每个第一网格根据其对应的第一网格单应性矩阵进行坐标变换，并结合第二图像以形成拼接后图像，该方法通过比对图像重叠部分的特征点进行匹配，该方法依赖特征点的匹配程度，当特征点区别较小甚至细微时，图像处理速度和拼接精度会大幅度降低，拼接效率降低。
中国专利文献CN110211076A公开了一种图像拼接方法、图像拼接设备和可读存储介质。所述方法包括：获取多个待拼接图像中的前景图像，其中上述多个待拼接图像包括至少相邻的两幅待拼接图像；对相邻的两幅待拼接图像中的前景图像进行取交集处理，得到上述相邻的两幅待拼接图像的前景图像对应的第一重叠区域；对上述第一重叠区域进行特征点匹配处理，得到上述相邻的两幅待拼接图像之间的第一目标相对位移；利用上述第一目标相对位移对上述相邻的两幅待拼接图像进行拼接。该方法同样采用特征点进行匹配在拼接的过程，十分依赖特征点的匹配程度，因此当特征点区别细微时，图像处理效率大大降低。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明公布了一种隧道衬砌面线阵图像TOF融合拼接方法，本方法利用图像结合激光TOF测距技术，将车载相机相对隧道衬砌面的TOF信息和相机图像结合，利用TOF信息融合方式解决了图像拼接对准精度低，拼接速度慢的问题，有效的提升了拼接精度和速度。
本发明所公开的具体的技术方案如下：一种隧道衬砌面线阵图像TOF融合拼接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01.不同位置的相机单元拍摄照片，同时TOF激光测距单元扫描得到隧道衬砌轮廓数据；
S02.分别计算出拥有重叠区域相机单元的视角边界与隧道衬砌轮廓的交点坐标；
S03.分别计算相机单元中重叠区域隧道衬砌轮廓上的照片像素数量；
S04.依据计算得到的像素数量进行比较，依据比较结果进行图像拼接；
S05.重复S01至S04步骤的方法，将剩余拥有重叠区域的照片进行图像拼接，获得完整的图像。
进一步的，所述S01步骤中还包括以下步骤：以TOF激光测距单元作为基准坐标系oxy,其中TOF激光测距单元的中心与基准坐标系oxy的原点重合；选择不同位置的相机ci(xi,yi)、ci+1(xi+1,yi+1)，且i>1，其中所有相机的视角均为固定值
Figure BDA0002458316120000021
视场角内的像素总数量也为固定值nc,TOF激光测距单元获得的测量轮廓数据为测距长度rα及对应角度α，且角度以基准坐标系oxy的x轴起始，逆时针为正；相机ci+1位于基准坐标系oxy的y轴，相机ci位于基准坐标系oxy的x轴。
进一步的，所述S02步骤中计算相机与隧道衬砌轮廓交点坐标的步骤为：
S0211.设定相机ci和相机ci+1与隧道衬砌轮廓的交点坐标pi(rαi,αi)和pi+1(rαi+1，αi+1)；
S0212.计算获得相机ci视角边界与坐标系oxy的夹角为
Figure BDA0002458316120000022
相机ci+1视角边界与坐标轴oxy的夹角为
Figure BDA0002458316120000023
S0213.计算相机ci+1的视场角边界线ci+1pi+1的单位方向向量：
Figure BDA0002458316120000024
S0214.设定隧道衬砌TOF测距轮廓中任意点的坐标为pα(rα,α)，其与相机ci+1视角中心点构成向量
Figure BDA0002458316120000025
的单位向量为：
Figure BDA0002458316120000031
S0215.通过式(3)寻找交点pi+1：
Figure BDA0002458316120000032
通过式(3)得到相机ci+1视角边界线与TOF测距轮廓最近的点pi+1对应的测距角度值αi+1；
S0216.通过对比TOF激光测距单元获得的测量轮廓数据，依据测距角度值αi+1获得测距长度rαi+1的值，计算出pi+1的交点坐标(rαi+1,αi+1)；
S0217.重复采用步骤S0213至S0216的方法得到相机ci视角边界线与TOF测距轮廓最近的点pi对应的测距角度值αi，计算出pi的交点坐标(rαi,αi)。
进一步的，所述S0212步骤中当相机位于基准坐标系oxy的x轴上，夹角
Figure BDA0002458316120000033
为相机视角边界与基准坐标系oxy上x轴的夹角；当相机位于基准坐标系oxy的y轴上，夹角
Figure BDA0002458316120000034
为相机视角边界与基准坐标系oxy上y轴的夹角。
进一步的，所述S03步骤中像素数量计算方法为：
S0311.首先计算∠pici+1pi+1的值，根据点pi、pi+1和ci+1的坐标值计算向量
Figure BDA0002458316120000035
和
Figure BDA0002458316120000036
的坐标：
Figure BDA0002458316120000037
S0312.其次通过余弦定理求解得到∠pici+1pi+1：
Figure BDA0002458316120000038
S0313.采用同样的方法计算得到∠picipi+1的值；
S0314.分别计算相机ci和相机ci+1重叠轮廓部分在相机ci和相机ci+1中的像素数量ni和ni+1：
Figure BDA0002458316120000041
进一步的，所述S04步骤中像素数量比较方法为若ni大于等于ni+1，则在相机ci+1图像中将重叠轮廓区域的ni+1个像素裁减掉，剩余图片和相机ci的图像拼接；若ni+1大于ni，则在相机ci图像中，将重叠轮廓区域的ni个像素裁减掉，剩余图片和相机ci+1的图像拼接。
根据上述方法，本发明提供了一种隧道衬砌面线阵图像TOF融合拼接装置，包括多组相机单元、TOF激光测距单元、待测隧道单元和刚体固定单元，所述刚体固定单元位于所述待测隧道单元内，所述相机单元和所述TOF激光测距单元均固定在所述刚体固定单元上；所述TOF激光测距单元位于待测隧道单元的中间对称轴线上，与地面间隔一定距离；以所述TOF激光测距单元为中心，所述相机单元位于所述TOF激光测距单元的水平左右两侧及竖直上方。
进一步的，该装置还包括计算机处理设备，所述计算机处理设备中设置有处理器和存储器，所述存储器内储存有计算机执行程序、相机单元拍摄的图片数据以及TOF激光测距单元采集的数据参数；所述处理器用于运行计算机执行程序，提取并运算采集的数据参数，得出计算结果，并依据计算结果拼接图片。
根据上述方法，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机执行程序，其特征在于，所述计算机执行程序被运行时可实现下列图像拼接步骤：提取并运算相机单元拍摄的图片数据以及TOF激光测距单元采集的数据参数；计算得出图片重叠区域的像素数量；比较图片重叠区域的像素数量，对图片进行裁剪拼接。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明利用图像结合激光TOF测距技术，将相机相对隧道衬砌面的TOF信息和相机图像结合，并根据拼接边界快速完成两个相机图像的精确拼接，有效提高了图像拼接精度和速度。
2)本发明中图像重复边界的选定速度快，精确度高，且无需比对图像内边界上特征点，即可快速选择裁剪区域和拼接区域，有效的提升了拼接精度和速度。
3)本发明中图像拼接装置操作简单，自动化程度高，整个图像处理过程无需人为干预，可减小人为因素造成的误差，提高图像拼接准确度。
附图说明
图1是本发明实施例中一种隧道衬砌面线阵图像TOF融合拼接方法的示意图；
图2是本发明实施例中一种隧道衬砌面线阵图像TOF融合拼接装置的结构图；
附图中附图标记的具体含义为：
1-TOF激光测距单元、2-刚体固定单元、3-相机单元、4-待测隧道单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
结合图1所示，一种隧道衬砌面线阵图像TOF融合拼接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01.安装并启动测量设备；
S02.测量设备中不同位置的多台相机c同步拍摄照片，同时TOF激光测距单元扫描得到隧道衬砌轮廓；
S03.以TOF激光测距单元作为基准坐标系oxy,其中TOF激光测距单元的中心与基准坐标系oxy的原点重合；
S03.选择不同位置的相机c1(x1,y1)、c2(x2,y2)和c3(x3,y3)，其中所有相机的视角均为固定值
Figure BDA0002458316120000051
视场角内的像素总数量也为固定值nc,TOF激光测距单元获得的测量轮廓数据为测距长度rα及对应角度α，且角度以基准坐标系oxy的x轴起始，逆时针为正；
S04.分别计算出相机c1和相机c2与隧道衬砌轮廓的交点坐标p1(rα1,α1)和p2(rα2，α2)；
S05.分别计算相机c1和相机c2在重叠区域隧道衬砌轮廓s上的照片像素数量n1和n2；
S06.根据相机c1和相机c2重叠区域的像素数量n1和n2进行比较，依据比较结果进行图像拼接；
S07.采用上述方法将相机c2(x2,y2)和c3(x3,y3)中同帧图片进行图像拼接获得完整的隧道衬砌轮廓图像。
进一步的，相机c2位于基准坐标系oxy的y轴；相机c1和相机c3位于基准坐标系oxy的x轴。
进一步的，所述S04步骤中计算相机与隧道衬砌轮廓交点坐标的步骤为：
S0411.计算获得相机c1视角边界与坐标系oxy的夹角为
Figure BDA0002458316120000061
相机c2视角边界与坐标轴oxy的夹角为
Figure BDA0002458316120000062
S0412.计算相机c2的视场角边界线c2p2的单位方向向量：
Figure BDA0002458316120000063
S0413.设定隧道衬砌TOF测距轮廓中任意点的坐标为pα(rα,α)，其与相机c2视角中心点构成向量
Figure BDA0002458316120000064
的单位向量为：
Figure BDA0002458316120000065
S0414.通过式(3)寻找交点p2：
Figure BDA0002458316120000066
通过式(3)得到相机c2视角边界线与TOF测距轮廓最近的点p2对应的测距角度值α2；
S0115.通过对比TOF激光测距单元获得的测量轮廓数据，依据测距角度值α2获得测距长度rα2的值，计算出p2的交点坐标(rα2,α2)；
S0416.采用同样的方式得到相机c1视角边界线与TOF测距轮廓最近的点p1对应的测距角度值α1，计算出p1的交点坐标(rα1,α1)。
进一步的，所述S0411步骤中当相机位于基准坐标系oxy的x轴上，夹角
Figure BDA0002458316120000067
为相机视角边界与基准坐标系oxy上x轴的夹角；当相机位于基准坐标系oxy的y轴上，夹角
Figure BDA0002458316120000068
为相机视角边界与基准坐标系oxy上y轴的夹角。
进一步的，所述S05步骤中像素数量计算方法为：
S0511.首先计算∠p1c2p2的值，根据点p1、p2和c2的坐标值计算向量
Figure BDA0002458316120000069
和
Figure BDA00024583161200000610
的坐标：
Figure BDA00024583161200000611
S0512.其次通过余弦定理求解得到∠p1c2p2：
Figure BDA0002458316120000071
S0513.采用同样的方法计算得到∠p1c1p2的值；
S0514.分别计算相机c1和相机c2重叠轮廓部分在相机c1和相机c2中的像素数量n1和n2：
Figure BDA0002458316120000072
进一步的，所述S06步骤中像素数量比较方法为若n1大于等于n2，则在相机c2图像中将重叠轮廓区域的n2个像素裁减掉，剩余图片和相机c1的图像拼接；若n2大于n1，则在相机c1图像中，将重叠轮廓区域的n1个像素裁减掉，剩余图片和相机c2的图像拼接。
根据上述方法，本实施例提供了一种隧道衬砌面线阵图像TOF融合拼接装置，包括三组相机单元、TOF激光测距单元、待测隧道单元和刚体固定单元，所述刚体固定单元位于所述待测隧道单元内，所述相机单元和所述TOF激光测距单元均固定在所述刚体固定单元上；所述TOF激光测距单元位于待测隧道单元的中间对称轴线上，与地面间隔一定距离；以所述TOF激光测距单元为中心，所述相机单元位于所述TOF激光测距单元的水平左右两侧及竖直上方。
进一步的，该装置还包括计算机处理设备，所述计算机处理设备中设置有处理器和存储器，所述存储器内储存有计算机执行程序、相机单元拍摄的图片数据以及TOF激光测距单元采集的数据参数；所述处理器用于运行计算机执行程序，提取并运算采集的数据参数，得出计算结果，并依据计算结果拼接图片。
根据上述方法，本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机执行程序，其特征在于，所述计算机执行程序被运行时可实现下列图像拼接步骤：提取并运算相机单元拍摄的图片数据以及TOF激光测距单元采集的数据参数；计算得出图片重叠区域的像素数量；比较图片重叠区域的像素数量，对图片进行裁剪拼接。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种隧道衬砌面线阵图像TOF融合拼接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01.不同位置的相机单元拍摄照片，同时TOF激光测距单元扫描得到隧道衬砌轮廓数据；
S02.分别计算出拥有重叠区域相机单元的视角边界与隧道衬砌轮廓的交点坐标；
S03.分别计算相机单元中重叠区域隧道衬砌轮廓上的照片像素数量；
S04.依据计算得到的像素数量进行比较，依据比较结果进行图像拼接；
S05.重复S01至S04步骤的方法，将剩余拥有重叠区域的照片进行图像拼接，获得完整的图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S01步骤中还包括以下步骤：以TOF激光测距单元作为基准坐标系oxy,其中TOF激光测距单元的中心与基准坐标系oxy的原点重合；选择不同位置的相机ci(xi,yi)、ci+1(xi+1,yi+1)，且i>1，其中所有相机的视角均为固定值
Figure FDA0002458316110000011
视场角内的像素总数量也为固定值nc,TOF激光测距单元获得的测量轮廓数据为测距长度rα及对应角度α，且角度以基准坐标系oxy的x轴起始，逆时针为正；相机ci+1位于基准坐标系oxy的y轴，相机ci位于基准坐标系oxy的x轴。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S02步骤中计算相机与隧道衬砌轮廓交点坐标的具体步骤为：
S0211.设定相机ci和相机ci+1与隧道衬砌轮廓的交点坐标pi(rαi,αi)和pi+1(rαi+1，αi+1)；
S0212.测量获得相机ci视角边界与坐标系oxy的夹角为
Figure FDA0002458316110000012
相机ci+1视角边界与坐标轴oxy的夹角为
Figure FDA0002458316110000013
S0213.计算相机ci+1的视场角边界线ci+1pi+1的单位方向向量：
Figure FDA0002458316110000014
S0214.设定隧道衬砌TOF测距轮廓中任意点的坐标为pα(rα,α)，其与相机ci+1视角中心点构成向量
Figure FDA0002458316110000015
的单位向量为：
Figure FDA0002458316110000016
S0215.通过式(3)寻找交点pi+1：
Figure FDA0002458316110000021
通过式(3)得到相机ci+1视角边界线与TOF测距轮廓最近的点pi+1对应的测距角度值αi+1；
S0216.通过对比TOF激光测距单元获得的测量轮廓数据，依据测距角度值αi+1获得测距长度rαi+1的值，计算出pi+1的交点坐标(rαi+1,αi+1)；
S0217.重复S0213至S0216的步骤，得到相机ci视角边界线与TOF测距轮廓最近的点pi对应的测距角度值αi，计算出pi的交点坐标(rαi,αi)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S0212步骤中当相机位于基准坐标系oxy的x轴上，夹角
Figure FDA0002458316110000022
为相机视角边界与基准坐标系oxy上x轴的夹角；当相机位于基准坐标系oxy的y轴上，夹角
Figure FDA0002458316110000023
为相机视角边界与基准坐标系oxy上y轴的夹角。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S03步骤中像素数量计算方法为：
S0311.首先计算∠pici+1pi+1的值，根据点pi、pi+1和ci+1的坐标值计算向量
Figure FDA0002458316110000024
和
Figure FDA0002458316110000025
的坐标：
Figure FDA0002458316110000026
S0312.其次通过余弦定理求解得到∠pici+1pi+1：
Figure FDA0002458316110000027
S0313.采用同样的方法计算得到∠picipi+1的值；
S0314.分别计算相机ci和相机ci+1重叠轮廓部分在相机ci和相机ci+1中的像素数量ni和ni+1：
Figure FDA0002458316110000028
6.根据权利要求5所述的方法，其特征为：所述S04步骤中像素数量比较方法为若ni大于等于ni+1，则在相机ci+1图像中将重叠轮廓区域的ni+1个像素裁减掉，剩余图片和相机ci的图像拼接；若ni+1大于ni，则在相机ci图像中，将重叠轮廓区域的ni个像素裁减掉，剩余图片和相机ci+1的图像拼接。
7.一种隧道衬砌面线阵图像TOF融合拼接装置，其特征在于，包括多组相机单元、TOF激光测距单元、待测隧道单元和刚体固定单元，所述刚体固定单元位于所述待测隧道单元内，所述相机单元和所述TOF激光测距单元均固定在所述刚体固定单元上；所述TOF激光测距单元位于待测隧道单元的中间对称轴线上，与地面间隔一定距离；以所述TOF激光测距单元为中心，所述相机单元位于所述TOF激光测距单元的水平左右两侧及竖直上方。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括计算机处理设备，所述计算机处理设备中设置有处理器和存储器，所述存储器内储存有计算机执行程序、相机单元拍摄的图片数据以及TOF激光测距单元采集的数据参数；所述处理器用于运行计算机执行程序，提取并运算采集的数据参数，得出计算结果，并依据计算结果拼接图片。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机执行程序，其特征在于，所述计算机执行程序被运行时可实现下列图像拼接步骤：提取并运算相机单元拍摄的图片数据以及TOF激光测距单元采集的数据参数；计算得出图片重叠区域的像素数量；比较图片重叠区域的像素数量，对图片进行裁剪拼接。
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