CN112781549B - 基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪及其测量方法，包括带透明漏斗部的储液罐、位于储液罐顶部中心处正上方且镜头垂直向下正对储液罐轴向中心的工业相机、位于储液罐底部中心处正下方且射线光点对准储液罐顶部中心的激光射线、环形灯、漫射板、用于接收工业相机所采集图像并输出至图像处理系统的图像传输供电单元以及根据所采集图像分析处理后得到液面真实高度和倾斜角度的图像处理系统，储液罐的漏斗部上设有位于储液罐顶部且用于标定激光点偏移位置的顶部刻度和位于储液罐侧壁用于标定液面四周高度的侧壁刻度。本发明实现自动精准识别液面真实高度和监测倾斜角度，满足了高精度、低成本、实时监测与复核的需求。

Description

基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及静力水准仪，尤其涉及一种基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪及其测量方法。

背景技术

静力水准仪利用连通器原理，使用时将多个置于测量点上的容器用连通管依次连接至储水槽，保持储水槽液面高度不变，当各测量点发生不均匀沉降时容器高程位置发生变化，而各个容器内的连通液始终保持在同一水平面上，这样通过观测液位与容器侧壁刻度的相对位置，可测出各测点的沉降变化。静力水准仪是一种高精密液位测量系统，该系统适于测量多点的相对沉降，被广泛用于管廊、大坝、核电站、高层建筑、基坑、隧道、桥梁、地铁等垂直位移和倾斜的监测。

传统静力水准测量采用人工读数方式，工作量较大且无法实现实时采集数据。目前，市场上出现的智能静力水准仪大多采用磁致伸缩式传感器进行自动化数据采集，成本较高，且无法实现人工远程核实校准功能。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的在于提出一种基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪，实现自动精准识别液面真实高度和监测倾斜角度，满足了高精度、低成本、实时监测与复核的需求。

本发明的第二目的是提供该基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪的测量方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪，包括带透明漏斗部的储液罐、位于储液罐顶部中心处正上方且镜头垂直向下正对储液罐轴向中心的工业相机、位于储液罐底部中心处正下方且射线光点对准储液罐顶部中心的激光射线、位于储液罐正下方的环形灯、位于环形灯上用于提供漫反射光源的漫射板、用于接收工业相机所采集图像并输出至图像处理系统的图像传输供电单元以及根据所采集图像分析处理后得到液面真实高度和倾斜角度的图像处理系统，所述储液罐的漏斗部上设有位于储液罐顶部且用于标定激光点偏移位置的顶部刻度和位于储液罐侧壁用于标定液面四周高度的侧壁刻度。

其中，还包括用于封装储液罐的柱状金属壳体和位于柱状金属壳体的下方用于实现水平放置的调平脚螺旋支座。

优选的，所述储液罐还包括与漏斗部小口端相连通的金属托底部，漏斗部的上部设有通气孔，金属托底部的底板上设有用于连通相邻静力水准仪的连通孔，激光射线位于金属托底部的底板中心处。

再者，所述图像传输供电单元包括带一侧开口且用于封装的保护盒以及均位于保护盒内的USB接口、无线传输模块、可抽取式锂电池和电源开关。

进一步，所述顶部刻度为以储液罐中心为圆心且呈等间距发散状的圆环型刻度。

优选的，所述侧壁刻度呈东西南北四个方向对称分布，每一方向上的侧壁刻度均为呈垂直等间距分布的竖向刻度。

再者，所述图像处理系统的分析处理步骤为：

(1)、图像预处理：图像处理系统对所采集图像进行二值化处理、图像滤波、图形腐蚀及膨胀，得到最终的目标图像；

(2)、刻度定位：经过图像预处理得到目标图像之后，通过建立刻度模式库，将其应用到目标图像中，寻找与之匹配最佳的目标物体，即定位储液罐侧壁刻度和顶部刻度，并从复杂背景中截取出来；

(3)、图像信息识别：

液位读数L：标记和筛选储液罐侧壁刻度二值图像的连通域，找到各个刻度线区域，用最小二乘法拟合符合条件的连通域，然后获取刻度线信息；拟合提取液面所在的圆弧与储液罐侧壁四个方向的径向刻度线的交点，标定液面交点与液面上方的所有刻度线，通过量化径向刻度线的像素点，确定相邻弧形刻度线间像素点个数作为单位长度，计算液面交点与最外圈弧形刻度线间的像素点占单位长度的比例来确定当前读数，对四个方向的液位读数求取平均值即为当前液位读数L＝(l₁+l₂+l₃+l₄)/4；

倾斜角读数θ：标记和筛选顶部刻度二值图像的连通域，找到各个刻度线区域，用最小二乘法拟合符合条件的连通域，然后获取刻度线信息；以顶部刻度中心为圆心，拟合激光点位置所在的圆弧线，求取该圆弧线与径向刻度线的交点，标定交点上下方距离相邻的刻度线，作为初始值和满量程值，根据交点位置的像素点占满量程的比例来确定当前读数l，即激光灯光点偏移距离l；已知储液罐高度为H，结合折射定律算出倾斜角读数为

其中n₁和n₂分别为空气与连通液的折射率；

液面中心真实高度h：

本发明一种基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪的测量方法，包括如下步骤：

(1)、安平仪器：将静力水准仪置于测量点上，打开电源开关，外接显示屏观察相机图像，调整调平脚螺旋支座使激光射线的激光点正对储液罐顶部刻度中心处；

(2)、采集图像：控制工业相机拍摄储液罐液面、顶部刻度图像和侧面刻度图像，将采集得到的原始图像通过USB接口或无线传输模块传输至图像处理系统；

(3)、图像预处理：图像处理系统对所采集图像进行二值化处理、图像滤波、图形腐蚀及膨胀，得到最终的目标图像；

(4)、刻度定位：经过图像预处理得到目标图像之后，通过建立刻度模式库，将其应用到目标图像中，寻找与之匹配最佳的目标物体，即定位储液罐侧壁刻度和顶部刻度，并从复杂背景中截取出来；

(5)、图像信息识别：

液位读数L：标记和筛选储液罐侧壁刻度二值图像的连通域，找到各个刻度线区域，用最小二乘法拟合符合条件的连通域，然后获取刻度线信息；拟合提取液面所在的圆弧与储液罐侧壁四个方向的径向刻度线的交点，标定液面交点与液面上方的所有刻度线，通过量化径向刻度线的像素点，确定相邻弧形刻度线间像素点个数作为单位长度，计算液面交点与最外圈弧形刻度线间的像素点占单位长度的比例来确定当前读数，对四个方向的液位读数求取平均值即为当前液位读数L＝(l₁+l₂+l₃+l₄)/4；

倾斜角读数θ：标记和筛选顶部刻度二值图像的连通域，找到各个刻度线区域，用最小二乘法拟合符合条件的连通域，然后获取刻度线信息；以顶部刻度中心为圆心，拟合激光点位置所在的圆弧线，求取该圆弧线与径向刻度线的交点，标定交点上下方距离相邻的刻度线，作为初始值和满量程值，根据交点位置的像素点占满量程的比例来确定当前读数l，即激光灯光点偏移距离l；已知储液罐高度为H，结合折射定律算出倾斜角读数为

其中n₁和n₂分别为空气与连通液的折射率；

液面中心真实高度h：

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)、本发明中储液罐采用漏斗状的结构设计，提高了观测液面变化和液位刻度时的直观性，解决了工业相机拍摄视角带来的液面读数误差问题；采用工业相机拍摄储液罐液位刻度和激光偏移刻度，图像处理系统计算液位真实高度和倾斜角度，对液位刻度起到修正作用，进一步提高沉降观测精度；同时也可获得建筑物倾斜角度和倾斜状况，满足了高精度、低成本、实时自动化采集信息的工程需求，同时实现技术员远程在线复核的条件；

(2)、本发明中静力水准仪融合了测斜仪的监测原理，兼具监测建筑物沉降量和倾斜角度的功能，也可单独作为测斜仪来使用，拓宽了静力水准仪的应用领域；

(3)、本发明结构简单，克服了以往静力水准仪对处于绝对水平位置的要求，在倾斜变形条件下仍可正常使用，现场安置仪器只需初次调平即可，后续监测可达到自动化操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的剖视图；

图3为本发明中储液罐的结构示意图；

图4为本发明中储液罐的俯视图；

图5为本发明中图像处理的流程示意图；

图6为本发明中液位计算的原理图；

图7为本发明的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明一种基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪，包括储液罐1、工业相机2、激光射线3、环形灯4、漫射板5、图像传输供电单元、图像处理系统、柱状金属壳体7和调平脚螺旋支座8。

如图3和图4所示，储液罐1包括透明漏斗部101、金属托底部104、顶部刻度102、侧壁刻度103、通气孔105和连通孔106，透明漏斗部101为一上端外径30cm，下端外径10cm的漏斗状透明容器，透明漏斗部101的小口端与金属托底部104相连通，储液罐内装有连通液，储液罐1采用漏斗形结构，将液面高程的竖直变化转化为工业相机易观测的水平变化，解决工业相机拍摄视角带来的液面读数误差问题。顶部刻度102位于储液罐顶部，顶部刻度102用于标定激光点偏移位置，顶部刻度102为以储液罐中心为圆心且呈等间距发散状的圆环型刻度。侧壁刻度103位于储液罐的透明漏斗部侧壁，侧壁刻度103用于标定液面四周高度，侧壁刻度103呈东西南北四个方向对称分布，每一方向上的侧壁刻度均为呈垂直等间距分布的竖向刻度，刻度之间的垂直距离为1cm，量程均为20cm。通气孔10位于透明漏斗部101的上部，连通孔106位于金属托底部104的底板上，连通孔106上安装有连通管9用于连通相邻静力水准仪。

工业相机2位于储液罐顶部中心处正上方且镜头垂直向下正对储液罐轴向中心，激光射线3位于金属托底部104的底板中心处，激光射线垂直向下，射线光点对准储液罐顶部中心，激光射线3的激光穿过连通液经过一次折射打在储液罐1的顶部刻度102上；环形灯4位于储液罐正下方，漫射板5位于环形灯4上，漫射板5用于提供漫反射光源，图像传输供电单元6用于接收工业相机所采集图像并输出至图像处理系统。本发明中工业相机拍摄储液罐液面和刻度图像，通过有线或无线方式传输至图像处理系统，基于机器视觉进行图像处理分析，可对真实沉降量加以修正，同时获得建筑物的倾斜角度。

储液罐1封装在柱状金属壳体7内，柱状金属壳体7的下方设有用于实现水平放置的调平脚螺旋支座8，柱状金属壳体7的顶部设有图像传输供电单元6，图像传输供电单元6包括保护盒601、USB接口602、无线传输模块、可抽取式锂电池603和电源开关604，保护盒601为一侧开口的塑料盒，可抽取式锂电池603位于保护盒601内，可实现便携式充电，USB接口602作为有线传输方式传入图像处理系统，无线传输模块实现远程操控。

如图5所示，图像处理系统的分析处理步骤为：

(1)、图像预处理：图像处理系统对所采集图像进行二值化处理、图像滤波、图形腐蚀及膨胀，得到最终的目标图像；

(2)、刻度定位：经过图像预处理得到目标图像之后，通过建立刻度模式库，将其应用到目标图像中，寻找与之匹配最佳的目标物体，即定位储液罐侧壁刻度和顶部刻度，并从复杂背景中截取出来；

(3)、图像信息识别：

液位读数L：标记和筛选储液罐侧壁刻度二值图像的连通域，找到各个刻度线区域，用最小二乘法拟合符合条件的连通域，然后获取刻度线信息；拟合提取液面所在的圆弧与储液罐侧壁四个方向的径向刻度线的交点，标定液面交点与液面上方的所有刻度线，通过量化径向刻度线的像素点，确定相邻弧形刻度线间像素点个数作为单位长度，计算液面交点与最外圈弧形刻度线间的像素点占单位长度的比例来确定当前读数，对四个方向的液位读数求取平均值即为当前液位读数L＝(l₁+l₂+l₃+l₄)/4；

倾斜角读数θ：标记和筛选顶部刻度二值图像的连通域，找到各个刻度线区域，用最小二乘法拟合符合条件的连通域，然后获取刻度线信息；以顶部刻度中心为圆心，拟合激光点位置所在的圆弧线，求取该圆弧线与径向刻度线的交点，标定交点上下方距离相邻的刻度线，作为初始值和满量程值，根据交点位置的像素点占满量程的比例来确定当前读数l，即激光灯光点偏移距离l；

如图6所示，激光通过连通液射向储液罐顶部，忽略储液罐玻璃刻度板的影响，将折射模型等价为一次由连通液进入空气的折射过程，图6中θ₂和θ₁分别表示入射光线和折射光线与折射法线之间的夹角，θ₃表示折射光线与储液罐中心轴之间的夹角，θ表示静力水准仪的倾斜角，已知储液罐高度为H，空气与连通液的折射率分别为n₁和n₂；

由Snell定律和角度转换关系可以求得：

n₁sin(θ₂+θ₃)＝n₂sinθ₂ (1)

激光灯光点偏移距离l与倾斜角θ₃的关系：

tanθ₃＝l/(H-L) (2)

根据式(1)和式(2)求得静力水准仪的倾斜角θ：

液面中心真实高度h：

即当激光点恰好在顶部刻度中心时，代表静力水准仪处于水平状态，此时液面中心真实高度h即为液位读数L；当激光点偏离顶部刻度中心时，代表静力水准仪处于倾斜状态，此时液面中心真实高度h即为Lcosθ。

本发明利用光的折射原理实现倾斜角度监测，当静力水准仪初始调平时，激光射线垂直穿过连通液液面，光点恰好打在顶部刻度中心，当在后续监测中由于地基不均匀沉降导致静力水准仪倾斜时，激光经过液体与空气界面的折射打在顶部刻度上会偏离中心，监测光点偏离距离，结合折射定律可计算出仪器倾斜角度。

本发明一种基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪的测量方法，包括如下步骤：

(1)、安平仪器：将静力水准仪置于测量点上，打开电源开关，外接显示屏观察相机图像，调整调平脚螺旋支座使激光射线的激光点正对储液罐顶部刻度中心处；

(2)、采集图像：控制工业相机拍摄储液罐液面、顶部刻度图像和侧面刻度图像，将采集得到的原始图像通过USB接口或无线传输模块传输至图像处理系统；

(3)、图像预处理：图像处理系统对所采集图像进行二值化处理、图像滤波、图形腐蚀及膨胀，得到最终的目标图像；

(4)、刻度定位：经过图像预处理得到目标图像之后，通过建立刻度模式库，将其应用到目标图像中，寻找与之匹配最佳的目标物体，即定位储液罐侧壁刻度和顶部刻度，并从复杂背景中截取出来；

(5)、图像信息识别：

液位读数L：标记和筛选储液罐侧壁刻度二值图像的连通域，找到各个刻度线区域，用最小二乘法拟合符合条件的连通域，然后获取刻度线信息；拟合提取液面所在的圆弧与储液罐侧壁四个方向的径向刻度线的交点，标定液面交点与液面上方的所有刻度线，通过量化径向刻度线的像素点，确定相邻弧形刻度线间像素点个数作为单位长度，计算液面交点与最外圈弧形刻度线间的像素点占单位长度的比例来确定当前读数，对四个方向的液位读数求取平均值即为当前液位读数L＝(l₁+l₂+l₃+l₄)/4；

倾斜角读数θ：标记和筛选顶部刻度二值图像的连通域，找到各个刻度线区域，用最小二乘法拟合符合条件的连通域，然后获取刻度线信息；以顶部刻度中心为圆心，拟合激光点位置所在的圆弧线，求取该圆弧线与径向刻度线的交点，标定交点上下方距离相邻的刻度线，作为初始值和满量程值，根据交点位置的像素点占满量程的比例来确定当前读数l，即激光灯光点偏移距离l；已知储液罐高度为H，结合折射定律算出倾斜角读数为

其中n₁和n₂分别为空气与连通液的折射率；

液面中心真实高度h：

如图7所示，在实际工程应用中，将多个静力水准仪10安置于测量点上，并由连通管依次连接至一个储水槽，依据连通器原理，储水槽中的连通液即可通过连通管注入静力水准仪的储液罐中，保持储水槽液面高度不变，则储液罐中的液位始终维持在同一水平面上，由于各监测点的不均匀沉降导致水准仪所处的位置发生变化，通过实时监测液位刻度即可得到各监测点的沉降量；当相邻监测点的高程差远超出静力水准仪量程时，可在两监测点之间设置高程传递支架11，同一量程范围内的水准仪共用一个储水槽12。

Claims (6)

1.一种基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪，其特征在于：包括带透明漏斗部(101)的储液罐(1)、位于储液罐顶部中心处正上方且镜头垂直向下正对储液罐轴向中心的工业相机(2)、位于储液罐底部中心处正下方且射线光点对准储液罐顶部中心的激光射线(3)、位于储液罐正下方的环形灯(4)、位于环形灯上用于提供漫反射光源的漫射板(5)、用于接收工业相机所采集图像并输出至图像处理系统的图像传输供电单元(6)以及根据所采集图像分析处理后得到液面真实高度和倾斜角度的图像处理系统，所述储液罐(1)的漏斗部上设有位于储液罐顶部且用于标定激光点偏移位置的顶部刻度(102)和位于储液罐侧壁用于标定液面四周高度的侧壁刻度(103)；所述顶部刻度(102)为以储液罐中心为圆心且呈等间距发散状的圆环型刻度，所述侧壁刻度(103)呈东西南北四个方向对称分布，每一方向上的侧壁刻度均为呈垂直等间距分布的竖向刻度。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪，其特征在于：还包括用于封装储液罐的柱状金属壳体(7)和位于柱状金属壳体的下方用于实现水平放置的调平脚螺旋支座(8)。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪，其特征在于：所述储液罐(1)还包括与漏斗部小口端相连通的金属托底部(104)，漏斗部的上部设有通气孔(105)，金属托底部(104)的底板上设有用于连通相邻静力水准仪的连通孔(106)，激光射线(3)位于金属托底部(104)的底板中心处。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪，其特征在于：所述图像传输供电单元(6)包括带一侧开口且用于封装的保护盒(601)以及均位于保护盒内的USB接口(602)、无线传输模块、可抽取式锂电池(603)和电源开关(604)。

5.根据权利要求1所述的基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪，其特征在于：所述图像处理系统的分析处理步骤为：

(1)、图像预处理：图像处理系统对所采集图像进行二值化处理、图像滤波、图形腐蚀及膨胀，得到最终的目标图像；

(2)、刻度定位：经过图像预处理得到目标图像之后，通过建立刻度模式库，将其应用到目标图像中，寻找与之匹配最佳的目标物体，即定位储液罐侧壁刻度和顶部刻度，并从复杂背景中截取出来；

(3)、图像信息识别：

液位读数L：标记和筛选储液罐侧壁刻度二值图像的连通域，找到各个刻度线区域，用最小二乘法拟合符合条件的连通域，然后获取刻度线信息；拟合提取液面所在的圆弧与储液罐侧壁四个方向的径向刻度线的交点，标定液面交点与液面上方的所有刻度线，通过量化径向刻度线的像素点，确定相邻弧形刻度线间像素点个数作为单位长度，计算液面交点与最外圈弧形刻度线间的像素点占单位长度的比例来确定当前读数，对四个方向的液位读数求取平均值即为当前液位读数L＝(l₁+l₂+l₃+l₄)/4；

倾斜角读数θ：标记和筛选顶部刻度二值图像的连通域，找到各个刻度线区域，用最小二乘法拟合符合条件的连通域，然后获取刻度线信息；以顶部刻度中心为圆心，拟合激光点位置所在的圆弧线，求取该圆弧线与径向刻度线的交点，标定交点上下方距离相邻的刻度线，作为初始值和满量程值，根据交点位置的像素点占满量程的比例来确定当前读数l，即激光灯光点偏移距离l；已知储液罐高度为H，结合折射定律算出倾斜角读数为

其中n₁和n₂分别为空气与连通液的折射率；

液面中心真实高度h：

6.根据权利要求1至5任一所述的基于机器视觉且具有测斜功能的静力水准仪的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、安平仪器：将静力水准仪置于测量点上，打开电源开关，外接显示屏观察相机图像，调整调平脚螺旋支座使激光射线的激光点正对储液罐顶部刻度中心处；

(2)、采集图像：控制工业相机拍摄储液罐液面、顶部刻度图像和侧面刻度图像，将采集得到的原始图像通过USB接口或无线传输模块传输至图像处理系统；

(3)、图像预处理：图像处理系统对所采集图像进行二值化处理、图像滤波、图形腐蚀及膨胀，得到最终的目标图像；

(4)、刻度定位：经过图像预处理得到目标图像之后，通过建立刻度模式库，将其应用到目标图像中，寻找与之匹配最佳的目标物体，即定位储液罐侧壁刻度和顶部刻度，并从复杂背景中截取出来；

(5)、图像信息识别：

液位读数L：标记和筛选储液罐侧壁刻度二值图像的连通域，找到各个刻度线区域，用最小二乘法拟合符合条件的连通域，然后获取刻度线信息；拟合提取液面所在的圆弧与储液罐侧壁四个方向的径向刻度线的交点，标定液面交点与液面上方的所有刻度线，通过量化径向刻度线的像素点，确定相邻弧形刻度线间像素点个数作为单位长度，计算液面交点与最外圈弧形刻度线间的像素点占单位长度的比例来确定当前读数，对四个方向的液位读数求取平均值即为当前液位读数L＝(l₁+l₂+l₃+l₄)/4；

倾斜角读数θ：标记和筛选顶部刻度二值图像的连通域，找到各个刻度线区域，用最小二乘法拟合符合条件的连通域，然后获取刻度线信息；以顶部刻度中心为圆心，拟合激光点位置所在的圆弧线，求取该圆弧线与径向刻度线的交点，标定交点上下方距离相邻的刻度线，作为初始值和满量程值，根据交点位置的像素点占满量程的比例来确定当前读数l，即激光灯光点偏移距离l；已知储液罐高度为H，结合折射定律算出倾斜角读数为

其中n₁和n₂分别为空气与连通液的折射率；

液面中心真实高度h：

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