CN113029009A - 一种双视角视觉位移测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双视角视觉位移测量系统，包括底座、滑动轨道、夹具、相机、分光棱镜、凸透镜、光掩膜、90°折光棱镜、光源和靶标；滑动轨道竖直安装在底座上；三个夹具分别用于夹持相机、分光棱镜和凸透镜；光掩膜放置于90°折光棱镜上；光源发出的水平光线经90°折光棱镜的反射后，投射至光掩膜上；靶标粘贴在待测目标的表面。本发明还提供了一种测量方法，通过对光斑进行定位，计算从后续帧到参考帧的单应矩阵；并进行单应变换，得到系统不稳定性误差校正之后的靶标图像坐标；然后坐标转换得到位移结果。本发明提出的视觉测量系统可同时校正相机运动(相机旋转和平移)和图像传感器受温度变化引起的位移测量误差，从而大幅提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及视觉位移测量技术领域，具体涉及一种双视角视觉位移测量系统及方法。
背景技术
工程结构的健康监测是预防设施老化和结构灾难性故障的必要手段，其中，长期位移形变测量能够有效反映工程结构的健康状况随时间的变化，因此是工程结构日常维护和故障评估的主要内容之一。目前在长期位移测量中广泛使用的传感器主要有线性可变差动变压器(LVDT)、全球导航卫星系统(GNSS)等接触式传感器，以及基于激光技术和计算机视觉技术的非接触式位移传感器等。接触式的测量方式和繁琐的安装过程限制了LVDT 和GNSS在结构位移监测中的应用。LVDT需要被安装在稳固不动的平台上，但大部分情况下很难在高速铁路或公路桥梁等大型结构上找到稳固的安装平台；对GNSS来说，最大的挑战是其难以有效获取结构的高动态响应，以高速铁路桥梁的振动监测为例，GNSS很难在采样率高达200Hz时仍然保证毫米级的位移测量精度。激光位移传感器[6]是一种高精度的非接触式传感器，与LVDT一样，激光位移传感器也需要被安装在稳固的平台上，此外激光位移传感器在长期位移测量时的移动和激光束漂移也会对其精度造成较大影响。基于计算机视觉技术的位移测量具有数据采集速度快、灵敏度高、使用简单等优势，近年来在工程结构的位移测量应用中表现出了巨大的潜力，为高精度、非接触式的结构位移监测提供了一种经济、高效的替代方案。
视觉位移测量方法假设相机稳定不变、图像传感器不受温度影响，进而以图像序列的第一帧为参考，在后续帧上计算工程结构相对第一帧的位移(变形)。然而在工程结构的长期位移监测应用中，始终保持相机稳固(不存在相机运动)、以及避免传感器不受温度变化的影响都是不切实际的，例如，相机自重、风力作用、系统结构的热膨胀均会导致相机发生不必要的移动，相机的图像传感器受温度影响也会导致图像变形，而视觉测量系统的这些不稳定性会导致不可容忍的位移测量误差。
针对上述问题，目前已有大量学者开展了相关研究。针对相机自重、风力作用和结构热膨胀导致的相机运动问题，目前主要有两类方法：
①借助图像背景补偿相机运动。在图像的背景中寻找稳固不动的特征物体作为相机运动校正的参照物，一般为图像背景中的建筑物、山体、或桥梁的桥墩，该方法具有简单易用的优势；但是该方法不能确保图像背景中的参照物稳固不变，其次由于参照物和监测靶标与相机之间的距离不一致，导致了该方法无法补偿相机的旋转运动；
②使用辅助传感器补偿相机运动。利用辅助传感器单独测量相机的运动，例如使用一台与主相机固连在一起副相机，拍摄一块稳定的区域或参照物，当检测到副相机拍摄的图像上的参照物发生变化时，认为该变化是由相机的运动导致的，进而实现对主相机运动的校正；又例如使用全站仪测量相机的视线方向，进而对相机运动进行改正。该类方法能够同时补偿相机的平移运动和旋转运动。但是传感器之间相对位姿的计算精度、以及数据的同步采集等问题仍然会制约视觉系统的有效性。
针对图像传感器受温度变化导致图像变形的问题，目前主要由两类方法：
③构建系统温度与位移测量误差之间的函数关系。在系统测量过程中，实时测量系统中图像传感器、支撑结构的温度，从而构建系统温度与位移测量误差之间的函数关系模型，并利用该模型改正位移测量误差；但是该类型的研究目前还不能得到令人信服的结论，相机运动、不同的传感器型号、不同的镜头型号、以及位移计算误差均会导致实验结果与预期出现较大偏差；
④构建温度补偿模型。分析系统温度变化引起的图像变形的变化趋势与变化量，并尝试构建补偿模型。但是到目前为止，针对该类型方法的研究进展缓慢，现有的文献还远远不足以全面了解温度对视觉测量的影响。
综上所述，急需一种双视角视觉位移测量系统及方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种双视角视觉位移测量系统及方法，以快速、精确和全面地校正视觉位移测量系统的不稳定性误差。
为实现上述目的，本发明提供了一种双视角视觉位移测量系统，包括底座、滑动轨道、夹具、相机、分光棱镜、凸透镜、光掩膜、90°折光棱镜、光源和靶标；滑动轨道竖直安装在底座上，夹具能在滑动轨道上滑动；夹具设有三个，从上往下三个夹具分别用于夹持相机、分光棱镜和凸透镜；90°折光棱镜放置于底座上，光掩膜放置于90°折光棱镜的上表面；光源设置在底座上，光源发出的水平光线经90°折光棱镜的反射后，投射至光掩膜上；靶标粘贴在待测目标的表面，用于辅助系统估计待测目标的位移；相机、分光棱镜、凸透镜和光掩膜设置在一条竖直轴线上。
进一步地，所述夹具包括夹头和夹持座；夹头和夹持座滑动连接；夹头分别用于夹持相机、分光棱镜或凸透镜；夹头上设有第一调节旋钮，用于调节夹头在夹持座上的位置；夹持座与滑动轨道可滑动连接，夹持座上设有第二调节旋钮，用于调节夹持座在滑动轨道上的位置。
进一步地，所述光掩膜上规则排列有多个针孔，光线透过针孔之后将在图像传感器上形成光斑，光斑位于图像的边缘。
进一步地，光掩膜到凸透镜的距离等于凸透镜的焦距。
进一步地，光掩膜、相机和凸透镜之间的位置关系以及尺寸参数，根据凸透镜的平行光路视觉成像公式确定，平行光路视觉成像公式为：
ML＝b′/b＝fC/fL
其中，ML为光掩膜成像在图像传感器上时的放大倍率，b′为光掩膜成像在图像传感器上的图像尺寸，b为光掩膜的实际尺寸，fC为相机镜头的焦距，fL为凸透镜的焦距。
本发明还提供了一种双视角视觉位移测量方法，采用上述一种双视角视觉位移测量系统，测量方法包括以下步骤：
步骤一：使用图像阈值分割和光斑质心对图像上的光斑进行定位，并借助光斑坐标计算从后续帧到参考帧的单应矩阵；
步骤二：在参考帧和后续帧图像上对靶标的图像坐标进行定位；
步骤三：将靶标在后续帧上的图像坐标进行单应变换，得到系统不稳定性误差校正之后的靶标图像坐标；
步骤四：借助尺度因子将得到的靶标像素位移转换为物理位移，得到位移结果。
进一步地，所述尺度因子通过比较被测靶标的物理尺寸和图像平面上的像素尺寸来计算。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明提出的视觉测量系统可同时校正相机运动(包括相机旋转和平移)和图像传感器受温度变化引起的位移测量误差，从而大幅提高了测量精度，使本发明设计的系统在生产实际中具备更加优异的测量性能。经实验验证本发明提出的系统对不稳定性引起的位移测量误差的改正率超过90％。且本发明设计的装置具有结构简单紧凑的优势，装置尺寸约为15cm×15cm×25cm，因此具有良好的工程实用性。
(2)本发明在视觉位移测量系统中加入了分光棱镜的设计，仅需一台相机，即可同时观测到两个不同方向上的目标。
(3)本发明在视觉位移测量系统中引入了基于凸透镜的光学准直设计，从而为系统提供了一种与距离无关的成像策略。使系统既能够获取远处靶标的清晰的像，也能够获取距离系统仅数十厘米处的光掩模的清晰的像，从而使得参照物(光掩模)与视觉系统集成为一体，为后续视觉系统的不稳定性误差的校正提供了必要的硬件基础。
(4)本发明将光掩膜作为视觉位移测量系统的参照物，并设计了一种简单且实用的光掩膜图形结构，确保了系统不稳定性误差校正的精度。
(5)本发明借助光掩膜的成像结果，提出了一种利用由光掩模形成的光斑计算帧间单应矩阵的方法，进而利用单应矩阵消除系统不稳定性误差的计算过程。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是使用凸透镜的平行光路视觉成像原理图；
图2是一种双视角视觉位移测量系统的光路原理图；
图3是一种双视角视觉位移测量系统的结构示意图；
图4是光掩膜的结构示意图；
图5是成像结果示意图；
图6是一种双视角视觉位移测量方法的实施流程图；
图7是位移测量实验结果。
其中，1、滑动轨道，2、第二调节旋钮，3、夹具，4、相机，4.1、相机光圈，4.2、图像传感器，5、分光棱镜，6、凸透镜，7、光掩膜，8、光源，9、靶标。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
如图1、图2所示为本发明提出的双视角系统的设计思想。借助分光棱镜，一台相机可以观测到两个不同方向上的目标。其中一个方向上是用以估计待测目标位移的靶标，而另一个方向上是用以估计系统不稳定性误差的光掩模，其将会被固定在系统的基座上以保证其稳固性。双视角系统能够正常工作的前提是靶标和光掩模的图像在传感器上都是清晰的。然而，相机允许的景深范围是有限的，当相机传感器上的靶标图像清晰时，光掩模的图像将变得模糊，因为靶标与相机间的距离通常远大于光掩模与相机间距离。为此，本发明在双视角系统中引入了一种基于凸透镜的光学准直设计。根据几何光学，当光掩模被放置在凸透镜的焦平面附近时，凸透镜将会使来自光掩模上的光线发生折射，进而形成近似平行的光线，从而改变光掩模的虚像与相机之间的距离。因此，在不影响靶标成像清晰度的前提下，仅需通过调整凸透镜和光掩模之间的距离，就可以在传感器上形成光掩模的清晰图像。
通过将平行光路视觉成像的原理引入视觉位移测量系统，将使视觉系统的参照物的设置更加简单快捷，避免了在工程现场额外设置或寻找参照物的繁琐操作；同时由于参照物可以设置在距离相机很近的位置，因此该方法也保证了视觉位移测量系统结构的简单紧凑。
光掩膜的实际尺寸为b，凸透镜的焦距为fL，为了简化光路图且便于公式的表达，本发明假设光掩膜距离凸透镜的距离也为fL，则光掩膜恰巧位于凸透镜的焦平面上，故而光掩膜发出的光线经过凸透镜之后变为平行光，如图1所示。凸透镜与相机之间的距离为u，相机光圈4.1的大小为a，相机镜头的焦距为fC，v表示相机物距。已知小孔成像公式：
则根据图1中的三角形相似关系，可得光掩膜成像在图像传感器4.2上的图像尺寸b′：
b′＝(v-fC)a/v＝fCa/u (2)
而根据图1中的三角形相似关系，光掩膜的实际尺寸b可以被表示为：
b＝afL/u (3)
由此可得位于凸透镜焦平面上的光掩膜的平行光路成像公式：
ML＝b′/b＝fC/fL (4)
其中ML为光掩膜成像在图像传感器上时的放大倍率。基于凸透镜的的光学准直设计提供了一种与相机拍摄距离无关的成像策略，因此，光掩模和用于估计结构表面位移的靶标始终都能够清晰地成像在相机传感器上。根据公式(3)和(4)，在已知相机各项参数的前提下，就可以快速地确定光掩模的尺寸和凸透镜的焦距等参数，从而方便后续双视角系统的设计和实现。
参见图1～图7，一种双视角视觉位移测量系统，包括底座、滑动轨道1、夹具3、相机4、分光棱镜5、凸透镜6、光掩膜7、90°折光棱镜、光源8和靶标9；如图3所示，滑动轨道竖直安装在底座上，是测量系统的主要支撑结构；夹具能在滑动轨道上滑动；夹具设有三个，从上往下三个夹具分别用于夹持相机、分光棱镜和凸透镜；90°折光棱镜放置于底座上，光掩膜放置于90°折光棱镜的上表面；光源设置在底座上，光源发出的水平光线经90°折光棱镜的反射后，投射至光掩膜上；靶标位于分光棱镜正前方；相机、分光棱镜、凸透镜和光掩膜设置在一条竖直轴线上。
夹具包括夹头和夹持座；夹头和夹持座滑动连接；夹头分别用于夹持相机、分光棱镜或凸透镜；夹头上设有第一调节旋钮，拧松第一调节旋钮，夹头能在夹持座上水平滑动，拧紧第一调节旋钮，能够固定夹头和夹持座；通过设置第一调节旋钮，能够调节被夹持件在水平方向上的位置，确保相机、分光棱镜或凸透镜在同一轴线上；夹持座与滑动轨道可滑动连接，夹持座上设有第二调节旋钮2，拧松第二调节旋钮，夹持座能在滑动轨道上竖直滑动，拧紧第二调节旋钮，能够固定夹持座和滑动轨道。
第一调节旋钮和第二调节旋钮的调节精度均为0.1mm，因此可非常快捷、准确地调节装置的同轴度(调节相机、分光棱镜和凸透镜在同一轴线上)，以此保证光掩膜能够完整地成像在相机的图像传感器上，夹具上还配备有卡扣可用于固定调节旋钮。
相机竖直向下对准分光棱镜，即可将底座上的光掩膜和分光棱镜前方的靶标同时成像在相机的图像传感器上。相机的图像传感器尺寸为5.1mm×4.1mm，对应的图像分辨率为 1280×1024，相机镜头焦距为100mm。
分光棱镜的尺寸为25mm×25mm×25mm，通过分光棱镜，相机可同时观察到两个不同方向的目标。在图3中，方向一为靶标所在的方向，在装置的前方；方向二为光掩膜所在的方向，在装置的正下方。
凸透镜带有镜筒，凸透镜的焦距为75mm，使用镜筒既方便凸透镜的固定，又能够防止环境光对光掩膜成像的干扰。
光掩膜和90°折光棱镜被单独固定于装置的底座，以此保证在测量过程中光掩膜的稳固性；
光源为LED光源，由LED光源发出的光线经90°折光棱镜的反射后，投射至光掩膜，保证了光掩膜在图像传感器上成像的亮度。
光掩膜(参照物)是双视角系统的关键部件之一。如图4所示为本发明设计的光掩膜图形结构，其上规则排列有8个针孔，光线透过针孔之后将在图像传感器上形成8个近似为圆形的光斑。根据公式(4)以及相机传感器的尺寸，本发明将针孔间距分别设为 d1＝1.15mm和d2＝1.05mm，从而使光掩膜形成的光斑恰巧位于图像的边缘，以防止对靶标的成像造成干扰。光掩膜的基板材料为玻璃，其边长为10mm、厚度为0.1mm，针孔直径为0.05mm。
图5展示了双视角系统拍摄的图像数据示例。图像中央为粘贴在待测目标表面的靶标，距离相机15m，而在图像边缘的8个光斑为安置在双视角系统底座上的光掩膜所成的像，光掩模与相机的距离仅为20cm。借助分光棱镜，本发明设计的系统能够同时观测到两个不同方向上的目标，而平行光路视觉成像的原理大幅扩大了相机的景深范围，使相机的成像不受距离的影响。为后续视觉系统的不稳定性误差的校正提供了必要的硬件支持。
针对上述装置，本发明提出了一种快速、稳健、实用的视觉系统不稳定性误差校正及位移测量方法，计算过程如图6所示。由于光掩模上的针孔都在一个平面上，因此利用两个像素平面上光斑的二维齐次坐标的单应性约束，就可以快速获取相机的六自由度运动，以及相机传感器热效应引起的图像平移和旋转。已知光掩模的重量只有5克，故而光掩模的不稳定性误差可忽略不计。因此以光掩模为稳定的参照物，通过计算两帧之间的单应矩阵，即可实现视觉系统不稳定性误差的快速校正。详细计算步骤如下：
①首先使用图像阈值分割和光斑质心提取对图像上的光斑进行定位，并借助光斑坐标计算从后续帧到其参考帧的单应变换矩阵。由于光掩膜是作为系统的参照物，因此若视觉测量系统在测量过程中保持稳定(无相机运动，传感器不受温度变化的影响)，则光斑在后续帧上的坐标理论上应与光斑在参考帧上的坐标保持一致，但由于系统的不稳定，两帧之间的光斑的坐标会出现偏差，而由此计算得到的单应矩阵就被认为是由视觉系统的不稳定性(相机运动和传感器温度变化)引起的误差；
②其次利用靶标检测与定位方法，在参考帧和后续帧图像上对靶标的图像坐标进行定位；利用第①步中已经计算得到的单应矩阵，将靶标在后续帧上的图像坐标进行单应变换，即可得到系统不稳定性误差校正之后的新的靶标图像坐标
其中，H表示单应变换矩阵，
为不稳定性误差改正前的靶标的图像坐标。紧接着，计算靶标相对于参考帧的位移
其中，
为靶标在参考帧上的图像坐标。最后，需要借助尺度因子将得到的靶标像素位移转换为物理位移，尺度因子SF可以通过比较被测靶标的物理尺寸Lphysical和图像平面上的像素尺寸Limage来计算：
由于光掩膜和监测靶标被同时投影在相机传感器上，因此系统不稳定性误差校正的计算过程被大幅简化，借助图像间的单应变换，本系统可以同时校正相机运动和传感器温度变化引起的位移测量误差。
位移测量实验：
在户外开展环境因素变化条件下的系统长期位移测量实验，将靶标固定在观测墩上保持其稳固不变，同时本发明提出的视觉位移测量系统也被固定在观测墩上，因此靶标的位移量为0，系统测量得到的不为0的结果均为测量误差。图像背景为天空，以便于能够真实地反映出光照条件的变化。图像数据的采样率设为4FPS，靶标与系统的距离为10m，尺度因子约为0.4mm/像素。实验时间为9:00～19:00，共计10小时。实验结果如图7所示。
由实验结果可知单目视觉位移测量系统的原始测量结果出现了较大的误差，该误差主要是由于相机的缓慢运动和图像传感器的温度变化引起的。未经系统校正的位移测量最大误差达到了2.39mm，RMSE为1.2，校正后的最大位移测量误差仅为0.1mm，RMSE为0.07，RMSE改正率为94.2％。证明了本发明提出的系统及方法进行系统不稳定性误差校正的有效性。
在户外开展环境因素变化条件下的系统长期位移测量实验，将靶标固定在墙面上保持其稳固不变，同时本发明提出的视觉位移测量系统被固定在观测墩上，因此靶标的位移量为0，系统测量得到的不为0的结果均为测量误差。相机的采样率设为4帧/秒，靶标与系统的距离为10m，尺度因子约为0.4mm/像素。实验时间为9:00～19:00，共计10小时。实验结果如图7所示。
观察实验结果，未改正的原始位移出现了较大的误差，该误差主要是由于相机的缓慢运动和图像传感器的温度变化引起的。未经系统校正的位移测量最大误差达到了2.39mm， RMSE为1.2，而利用本发明提出的方法校正后的最大位移测量误差仅为0.1mm，RMSE 为0.07，RMSE改正率达到了94.2％。证明了本发明提出的系统及方法的有效性。
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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双视角视觉位移测量系统，其特征在于，包括底座、滑动轨道、夹具、相机、分光棱镜、凸透镜、光掩膜、90°折光棱镜、光源和靶标；滑动轨道竖直安装在底座上，夹具能在滑动轨道上滑动；夹具设有三个，从上往下三个夹具分别用于夹持相机、分光棱镜和凸透镜；90°折光棱镜放置于底座上，光掩膜放置于90°折光棱镜的上表面；光源设置在底座上，光源发出的水平光线经90°折光棱镜的反射后，投射至光掩膜上；靶标粘贴在待测目标的表面，用于辅助系统估计待测目标的位移；相机、分光棱镜、凸透镜和光掩膜设置在一条竖直轴线上。
2.根据权利要求1所述的一种双视角视觉位移测量系统，其特征在于，所述夹具包括夹头和夹持座；夹头和夹持座滑动连接；夹头分别用于夹持相机、分光棱镜或凸透镜；夹头上设有第一调节旋钮，用于调节夹头在夹持座上的位置；夹持座与滑动轨道可滑动连接，夹持座上设有第二调节旋钮，用于调节夹持座在滑动轨道上的位置。
3.根据权利要求2所述的一种双视角视觉位移测量系统，其特征在于，所述光掩膜上规则排列有多个针孔，光线透过针孔之后将在图像传感器上形成光斑，光斑位于图像的边缘。
4.根据权利要求3所述的一种双视角视觉位移测量系统，其特征在于，光掩膜到凸透镜的距离等于凸透镜的焦距。
5.根据权利要求4所述的一种双视角视觉位移测量系统，其特征在于，光掩膜、相机和凸透镜之间的位置关系以及尺寸参数，根据凸透镜的平行光路视觉成像公式确定，平行光路视觉成像公式为：
ML＝b′/b＝fC/fL
其中，ML为光掩膜成像在图像传感器上时的放大倍率，b′为光掩膜成像在图像传感器上的图像尺寸，b为光掩膜的实际尺寸，fC为相机镜头的焦距，fL为凸透镜的焦距。
6.一种双视角视觉位移测量方法，采用了如权利要求1～5任意一项所述一种双视角视觉位移测量系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：使用图像阈值分割和光斑质心对图像上的光斑进行定位，并借助光斑坐标计算从后续帧到参考帧的单应矩阵；
步骤二：在参考帧和后续帧图像上对靶标的图像坐标进行定位；
步骤三：将靶标在后续帧上的图像坐标进行单应变换，得到系统不稳定性误差校正之后的靶标图像坐标；
步骤四：借助尺度因子将得到的靶标像素位移转换为物理位移，得到位移结果。
7.根据权利要求6所述的一种双视角视觉位移测量方法，其特征在于，所述尺度因子通过比较被测靶标的物理尺寸和图像平面上的像素尺寸来计算。
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