CN112862790A - 基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法 - Google Patents

基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法，主要包括：线阵相机A1A2……An、相机主控单元B1B2……Bn、测距编码器C、相机同步控制单元D、相机支架E、测角仪F1F2……Fn/2(n为奇数时应为F(n+1)/2)和测距仪G1G2……Gn/2(n为奇数时应为G(n+1)/2)；所述线阵相机A1A2……An分别与相机主控单元B1B2……Bn连接，所述测距编码器C与相机同步控制D相连接，相机同步控制单元D同时与线阵相机和相机主控单元相连接，线阵相机A1A2……An固定安装在相机支架E上，所述测角仪和测距仪分别与线阵相机固定连接；隧道裂缝识别定位方法步骤：图像预处理、裂缝识别和追踪。本发明可实现地铁隧道裂缝的快速探测识别及精确定位。

Description

基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法
技术领域
本发明涉及隧道检测设备技术领域，更具体的说，涉及一种基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法。
背景技术
随着国家的不断发展，地铁运营线路也在不断增长，地铁隧道在建成以后，伴随着长期投入使用，在隧道表面不可避免的会出现衬砌开裂等病害，严重威胁地铁隧道的安全运营。在近几年，随着机器视觉技术的快速发展，线扫描系统由于检测速度快，检测效率高等优点越来越多的被应用于地铁隧道检测，但是由于地铁隧道环境复杂，常规的线扫描检测难以实现对线阵相机图像中的裂缝病害信息精确定位。因此如何实现基于线阵相机的地铁隧道衬砌表面裂缝病害的快速探测以及精确定位，是本领域技术人员亟待解决的问题
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法，目的是实现地铁隧道衬砌表面裂缝病害的快速探测以及精确定位。
本发明提供一种基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置，该装置主要包括：线阵相机A1 A2……An、相机主控单元B1 B2……Bn、测距编码器C、相机同步控制单元D、相机支架E、测角仪F1 F2……Fn/2(n为奇数时应为F(n+1)/2)和测距仪G1 G2……Gn/2(n为奇数时应为G(n+1)/2)。
进一步地，所述线阵相机A1 A2……An固定安装在相机支架E上，其中线阵相机A1A2……An用于获取隧道表面的图像，其中，任两个相邻相机获取的图像均有重叠区域，重叠区域占单个相机覆盖范围的10％；所述相机主控单元B1 B2……Bn分别与线阵相机A1 A2……An连接，实现数据采集的控制与存储，所述的测距编码器C与相机同步控制单元D相连接，相机同步控制单元D同时与所有的线阵相机和所有的相机主控单元相连接，实现线阵相机的同步控制。
进一步地，所述测角仪F1 F2……Fn/2和测距仪G1 G2……Gn/2分别与线阵相机A1+A2A3+A4……An-1+An固定连接(n为偶数)，其中倾角仪与测距仪安装在两个相邻线阵相机距离的中间位置，用于获取两个相邻线阵相机获取图像对应的空间位置信息。当n为奇数时，所述的测角仪F1 F2……F(n+1)/2和测距仪G1 G2……G(n+1)/2分别与线阵相机A1+A2A3+A4…A(n+1)/2…An-1+An固定连接。
进一步地，所述倾角仪与测距仪用于获取线阵相机获取图像对应的空间位置信息的方法为：线阵相机An拍摄图像在地铁隧道行进方向的距离为S＝ΔF×d，其中ΔF为任意一个线阵相机存储一幅图像的总道数，d为测距轮编码器的脉冲间距，脉冲间距d可由公式
Figure BDA0002943962630000021
计算得出，其中Q是测距编码器C每转一圈所发射的脉冲数，L是检测车车轮J的周长。线阵相机An在拍摄图像在环向方向的高度可由公式h1＝h2+h3计算得出,其中h3是线阵相机An的安装高度，线阵相机An到线阵相机图像底边的高度h2可由公式h2＝s3×sinq1计算得出，其中q1是线阵相机An到线阵相机图像底边的连线与水平线之间的夹角，角度信息由倾角仪Fn/2获取，s3是线阵相机An到线阵相机图像底边的距离，可由公式
Figure BDA0002943962630000031
其中s1测距仪到线阵相机图像底边的距离，s2是线阵相机An到测距仪的距离。
一种基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位方法，该方法主要包括：图像预处理、裂缝识别和追踪，图像预处理包括图像匀光处理以及基于图像连通区域特征滤波，主要是平衡光照不均的影响以及滤除掉图像中的噪声，保留裂缝信息。
进一步地，所述裂缝识别和追踪是在现有链码追踪算法基础上的改进算法，实现在同样检测精度条件下可有效减少裂缝结果数据点数据量，提高地铁隧道衬砌裂缝的检测效率。
进一步地，，所述链码追踪改进算法为：提取图像中裂缝的边缘并且按照提取顺序记录坐标(x1,y1)、(x2，y2)……(xn，yn),计算并记录坐标点(xn-1，yn-1)到(xn，yn)的链码值，将第i个(i＝1、2、3……)链码值m1设为基准，依次按顺序判断第i+a个(a＝1、2、3……)链码值代表的方向不为第i个链码值的0°、45°、-45°、90°、-90°，如不符合判断条件，则记录其坐标值(xi+a，yi+a)与链码值m2，并且将m2作为新的基准，重复上述判断条件，直到所有坐标点的链码值全部完成判断，记录所有不符合判断条件的坐标点，将这些不符合判定条件的坐标点按照顺序依次连接形成的区域即为裂缝区域，并且依据这些记录的坐标点即可实现裂缝的定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置结构示意图；其中A1 A2……An为线阵相机，B1 B2……Bn为相机主控单元，C为测距编码器，D为相机同步控制单元，E为相机支架，F1 F2……Fn/2为测角仪，G1 G2……Gn/2为测距仪，H为检测装置底板，J为轨轮，K为地铁隧道剖面，R为两个相邻相机获取的图像间的重叠区域，T是线阵相机保护外壳。
图2为线阵相机图像在隧道环向方向定位示意图；其中An是某一线阵相机，Fn/2为某一倾角仪，Gn/2为某一倾角仪，h1为线阵相机图像底边高度，h2为线阵相机图像底边到线阵相机的高度，h3为线阵相机的安装高度，h4为线阵相机图像顶边高度，s1为测距仪到线阵相机图像底边的距离，s2为线阵相机到测距仪的距离，s3为线阵相机到线阵相机图像底边的距离，q1为线阵相机到线阵相机图像底边的连线与水平线的夹角。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动之前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法，用于实现地铁隧道衬砌病害快速探测和提高衬砌病害定位精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
本发明提供一种基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置，如图1所示，该装置主要包括：线阵相机A1 A2……An、相机主控单元B1B2……Bn、测距编码器C、相机同步控制单元D、相机支架E、测角仪F1 F2……Fn/2(n为奇数时应为F(n+1)/2)和测距仪G1 G2……Gn/2(n为奇数时应为G(n+1)/2)。
如图1所示，线阵相机A1 A2……An固定安装在相机支架E上，分别与相机主控单元B1 B2……Bn连接，相机主控单元用于控制线阵相机采集数据与存储；任两个相邻相机获取的图像均有重叠区域R，重叠区域占单个相机覆盖范围的10％；测距编码器C与相机同步控制单元D相连接，相机同步控制单元D同时与所有的线阵相机和所有的相机主控单元相连接，实现线阵相机的同步控制；F1 F2……Fn/2为测角仪，G1 G2……Gn/2为测距仪，通过测距编码器C、倾角仪与测距仪数据信息分别可计算出线阵相机图像在隧道行进方向的行进距离与隧道环向高度位置。
所述依据测距编码器C数据信息计算线阵相机图像在隧道行进方向的行进距离方法为：第ΔF＝10000道线阵相机图像数据在地铁隧道行进方向的距离S可由公式S＝ΔF×d计算得出，其中ΔF为任意一个线阵相机存储一幅图像的总道数，d为测距轮编码器的脉冲间距，脉冲间距d可由公式
Figure BDA0002943962630000061
计算得出，其中Q＝2000/个是测距编码器C每转一圈所发射的脉冲数，L＝20cm是检测车车轮J的周长，最终可计算得出S＝10m。
所述依据倾角仪与测距仪数据信息可计算出线阵相机图像在隧道环向高度位置方法为：如图2所示，线阵相机An在拍摄图像在环向方向的高度可由公式h1＝h2+h3计算得出,其中h3＝2.5m是线阵相机An的安装高度，线阵相机An到线阵相机图像底边的高度h2可由公式h2＝s3×sinq1计算得出，其中q1＝50°是线阵相机An到线阵相机图像底边的连线与水平线之间的夹角，s3是线阵相机An到线阵相机图像底边的距离，可由公式
Figure BDA0002943962630000062
其中s1＝1.5m测距仪到线阵相机图像底边的距离，s2＝0.15m是线阵相机An到测距仪的距离，由此可得出线阵相机An图像底边的高度h1＝4.34m，同理也可计算出线阵相机An图像顶边h4的高度。
一种基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位方法，该方法主要包括：图像预处理、裂缝识别和追踪，图像预处理包括图像匀光处理以及基于图像连通区域特征滤波，主要是平衡光照不均的影响以及滤除掉图像中的噪声，保留裂缝信息。
所述裂缝识别和追踪是在现有链码追踪算法基础上的改进算法，实现在同样检测精度条件下可有效减少裂缝结果数据点数据量，提高地铁隧道衬砌裂缝的检测效率。
所述链码追踪改进算法为：提取图像中裂缝的边缘并且按照提取顺序记录坐标(x1,y1)、(x2，y2)……(xn，yn),计算并记录坐标点(x1,y1)到(xn，yn)的链码值为(1、2、5、1、3……)，将第1个链码值1设为基准，按顺序判断第2个链码值代表的方向不为第1个链码值的0°、45°、-45°、90°、-90°，第2个链码值为2，代表的方向为90°，不符合判定条件，继续判定第3个链码值，第三个链码值为3，代表的方向为-275°，符合判定条件，记录其坐标，并且将第三个链码值5作为新的基准，重复上述判断条件，直到所有坐标点的链码值全部完成判断，记录所有不符合判断条件的坐标点，将这些不符合判定条件的坐标点按照顺序依次连接形成的区域即为裂缝区域，并且依据这些记录的坐标点即可实现裂缝的定位。

Claims (8)

1.一种基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法，其特征在于所述的基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置主要包括：线阵相机A1 A2……An、相机主控单元B1 B2……Bn、测距编码器C、相机同步控制单元D、相机支架E、测角仪F1 F2……Fn/2(n为奇数时应为F(n+1)/2)和测距仪G1 G2……Gn/2(n为奇数时应为G(n+1)/2)。
2.根据权力要求1所述的基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法，其特征在于，所述的线阵相机A1 A2……An固定安装在相机支架E上，其中线阵相机A1 A2……An用于获取隧道表面的图像，其中，任两个相邻相机获取的图像均有重叠区域，重叠区域占单个相机覆盖范围的10％；相机主控单元B1 B2……Bn分别与线阵相机A1A2……An连接，实现数据采集的控制与存储，所述的测距编码器C与相机同步控制单元D相连接，相机同步控制单元D同时与所有的线阵相机和所有的相机主控单元相连接，实现线阵相机的同步控制。
3.根据权力要求1所述的基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法，其特征在于，所述的测角仪F1 F2……Fn/2和测距仪G1G2……Gn/2分别与线阵相机A1+A2 A3+A4……An-1+An固定连接(n为偶数)，其中倾角仪与测距仪安装在两个相邻线阵相机距离的中间位置，用于获取两个相邻线阵相机图像对应的空间位置信息。
4.根据权力要求3所述的基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法，其特征在于，当n为奇数时，所述的测角仪F1 F2……F(n+1)/2和测距仪G1 G2……G(n+1)/2分别与线阵相机A1+A2 A3+A4…A(n+1)/2…An-1+An固定连接。
5.根据权力要求3所述的基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法，其特征在于，所述的倾角仪与测距仪用于获取线阵相机获取图像对应的空间位置信息的方法为：线阵相机An拍摄图像在地铁隧道行进方向的距离为S＝ΔF×d，其中ΔF为任意一个线阵相机存储一幅图像的总道数，d为测距轮编码器的脉冲间距，脉冲间距d可由公式
Figure FDA0002943962620000021
计算得出，其中Q是测距编码器C每转一圈所发射的脉冲数，L是检测车车轮J的周长。线阵相机An在拍摄图像在环向方向的高度可由公式h1＝h2+h3计算得出，其中h3是线阵相机An的安装高度，线阵相机An到线阵相机图像底边的高度h2可由公式h2＝s3×sinq1计算得出，其中q1是线阵相机An到线阵相机图像底边的连线与水平线之间的夹角，角度信息由倾角仪Fn/2获取，s3是线阵相机An到线阵相机图像底边的距离，可由公式
Figure FDA0002943962620000022
其中s1测距仪到线阵相机图像底边的距离，s2是线阵相机An到测距仪的距离。
6.根据权力要求1所述的基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法，其特征在于，所述的隧道裂缝识别定位方法主要包括图像预处理、裂缝识别和追踪，图像预处理包括图像匀光处理以及基于图像连通区域特征滤波，主要是平衡光照不均的影响以及滤除掉图像中的噪声，保留裂缝信息。
7.根据权力要求6所述的基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法，其特征在于，所述的裂缝识别和追踪是在现有链码追踪算法基础上的改进算法，实现在同样检测精度条件下可有效减少裂缝结果数据点数据量，提高地铁隧道衬砌裂缝的检测效率。
8.根据权力要求7所述的基于线阵相机的地铁隧道裂缝定位装置和方法，其特征在于，所述的链码追踪改进算法为：提取图像中裂缝的边缘并且按照提取顺序记录坐标(x1,y1)、(x2，y2)……(xn，yn),计算并记录坐标点(xn-1，yn-1)到(xn，yn)的链码值，将第i个(i＝1、2、3……)链码值m1设为基准，依次按顺序判断第i+a个(a＝1、2、3……)链码值代表的方向不为第i个链码值的0°、45°、-45°、90°、-90°，如不符合判断条件，则记录其坐标值(xi+a，yi+a)与链码值m2，并且将m2作为新的基准，重复上述判断条件，直到所有坐标点的链码值全部完成判断，记录所有不符合判断条件的坐标点，将这些不符合判定条件的坐标点按照顺序依次连接形成的区域即为裂缝区域，并且依据这些记录的坐标点即可实现裂缝的定位。
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