CN113029041A - 一种多条激光线错位插补的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了隧道检测技术邻域内的一种多条激光线错位插补的测量方法，包括以下步骤：（1）将多个线激光发生器和高速数码相机一起安装在移动平台上；（2）启动线激光发生器；（3）启动高速数码相机；（4）启动移动平台；（5）将拍摄的激光线图像进行拼接后导入计算机；（6）将拼接完成的激光线图像进行划分；（7）计算有效测量范围内的所有间隔值，找出最大值；（8）若最大间隔小于等于s，保留该速度倍数；否则不保留该速度倍数；（9）返回步骤（4），直到速度倍数

达到设定的阈值；（10）根据所有保留的速度倍数，确定可选速度倍数的范围，最后选取最大速度倍数

；（11）计算出最大速度

；使用本发明可提高检测效率。

Description

一种多条激光线错位插补的测量方法

技术邻域

本发明属于隧道检测技术邻域，特别涉及一种多条激光线错位插补的测量方法。

背景技术

结构光三维视觉技术属于主动式光学测量方法，通过将一幅或多幅编码图案投影到测量场景中，并在与投影方向成一定角度的位置用相机采集场景投影图像，然后通过对投影图像与编码图案对应点的匹配，利用三角测量原理计算场景的三维信息。激光点、激光线、光栅是三种主要的结构光。作为一种有效而可靠的三维重建和主动测量手段，结构光三维视觉技术以其低成本、高精度、大视场、实时性好和抗干扰能力强等特点，在工业自动化测量、机器人导航、三维场景重建等领域的应用日益重要。

激光点测量技术采用激光点发生器投射出激光点，线阵相机采集物体表面上的激光点图像，提取激光点图像的中心，依据三角测量原理计算物体表面深度坐标，特点是一次采集一个点，测量速度慢，但测量精度高，可达±0.01mm。为了提高测量速度，采用激光线测量技术进行测量，现有的激光线测量技术采用激光线发生器投射出一条激光线，面阵相机采集物体表面上的激光线图像，提取激光线图像的中心，依据三角测量原理计算物体表面深度坐标，一次采集一条线，测量速度相对提高，但在相机帧频一定的情况下采样间隔限制测量速度，必须通过提高相机帧频才能达到测量速度的效果，成本高。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中的不足之处，提供一种多条激光线错位插补的测量方法，解决了现有技术中测量速度低技术难题，使用本发明可在相机帧频一定且保证测量间隔符合规定要求的情况下使测量速度成倍增加，提高检测效率。

本发明的目的是这样实现的：一种多条激光线错位插补的测量方法，包括以下步骤：

(1)将多个线激光发生器和高速数码相机一起安装在移动平台上；

(2)启动线激光发生器，并使得投射到隧道表面的多条激光线保持在高速数码相机的可拍摄视野范围内；

(3)启动高速数码相机，并按一定帧频f采集激光线图像；

(4)启动移动平台，并按一定速度v行驶一段时间t，使得多条激光线互相错位插补；

(5)将高速数码相机拍摄的激光线图像进行拼接后导入到计算机内；

(6)将步骤(5)中拼接完成的激光线图像划分为开始阶段、有效测量范围和结束阶段；

(7)计算图像中有效测量范围内所有相邻激光线之间的间隔，找出最大值；

(8)判断最大间隔是否小于规定间隔s，若最大间隔小于等于s，则保留此情况下的速度倍数；若最大间隔大于s，则不保留此情况下的速度倍数；

(9)重复步骤(4)～(8)，直到速度倍数V_n达到设定的阈值；

(10)根据所有保留的速度倍数，并确定可选速度倍数的范围，最后选取最大速度倍数V_max；

(11)利用步骤(10)中选取的最大速度倍数V_max计算出多条激光线测量的最大速度v_max；

(12)将多条激光线测量的最大速度v_max应用到地铁隧道三维激光检测系统中进行实际检测。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(1)中，具体处理步骤为，

(101)选取k个线激光发生器；

(102)将k个线激光发生器按一定间隔均匀组装，使得首尾激光线的间隔为D，则相邻激光线的间隔为

(103)将(102)中组装好的线激光发生器和高速数码相机一起安装在移动平台上；

其中，k≥2，间隔D的单位为mm。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(4)中，v＝v₀*V_n，v₀为初始速度，v₀的单位为mm/s，V_n＝1+n*δ，n为倍增次数，δ为倍数的增量，且

根据行驶时间t，可计算出高速数码相机拍摄次数m＝t*f，m＞k。

为了进一步实现激光线图像的划分，所述步骤(6)中，划分激光线图像的具体步骤为，

(601)对于同一条激光线，高速数码相机拍摄的该条激光线相邻两次位置间的距离为：

(602)设i∈[1，k]，j∈[1，m]，X_ij表示高速数码相机拍摄的第i条激光线的第j次位置的坐标，其计算公式为：

(603)对激光线图像进行划分：

划分X_1，1～X_k，1为开始阶段，X_k，1～X_1，m为有效测量范围，X_1，m～X_k，m为结束阶段。

为了进一步实现所有间隔的计算，所述步骤(7)中，计算图像中有效测量范围内所有相邻激光线之间的间隔的具体步骤为，

(701)设

(702)

时，有效测量范围内产生

种间隔值dist_r，计算公式为，

(703)

时，有效测量范围内产生

种间隔值，计算公式为，

以上提供了

种间隔值的计算方式，另有一种间隔值计算方式如下，

先取(m-k+1)组坐标值，

X_1，k，X_2，(k-1)，...，X_(k-1)，2，X_k，1；

X_1，(k+1)，X_2，k，...，X_(k-1))，3，X_k，2；

…

X_1，m，X_2，(m-1)，...，X_{(k-1)，(m-k)}，X_k，(m-k+1)；

然后对每组坐标值中的相邻坐标取差值的绝对值，求得间隔值为

作为本发明的进一步改进，所述步骤(11)中，测量的最大速度计算公式为，

v_max＝v₀*V_max。

本发明与现有技术相比，具有的技术效果：在相机帧频不提高且保证测量间隔符合规定要求的情况下通过多条激光运动过程中错位插补达到提高激光线测量速度的目的，节省成本，测量速度可成倍提高。

附图说明

图1为本发明中多激光线错位插补的立体示意图。

图2为本发明中6条激光线的均匀布置图。

图3为本发明中6条激光线按4.75倍速度运行时的采样间隔图。

图4为本发明中

之间不同速度倍数的有效测量范围内的最大间隔分布图。

其中，1线激光发生器，2高速数码相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

一种多条激光线错位插补的测量方法，包括以下步骤：

(1)将多个线激光发生器和高速数码相机一起安装在移动平台上；

(2)启动线激光发生器，并使得投射到隧道表面的多条激光线保持在高速数码相机的可拍摄视野范围内；

(3)启动高速数码相机，并按一定帧频f采集激光线图像；

(4)启动移动平台，并按一定速度v行驶一段时间t，使得多条激光线互相错位插补；

(5)将高速数码相机拍摄的激光线图像进行拼接后导入到计算机内；

(6)将步骤(5)中拼接完成的激光线图像划分为开始阶段、有效测量范围和结束阶段；

(7)计算图像中有效测量范围内所有相邻激光线之间的间隔，找出最大值；

(8)判断最大间隔是否小于规定间隔s，若最大间隔小于等于s，则保留此情况下的速度倍数；若最大间隔大于s，则不保留此情况下的速度倍数；

(9)重复步骤(4)～(8)，直到速度倍数V_n达到设定的阈值；

(10)根据所有保留的速度倍数，并确定可选速度倍数的范围，最后选取最大速度倍数V_max；

(11)利用步骤(10)中选取的最大速度倍数V_max计算出多条激光线测量的最大速度v_max；

(12)将多条激光线测量的最大速度v_max应用到地铁隧道三维激光检测系统中进行实际检测。

其中，步骤(1)中，具体处理步骤为，

(101)选取k个线激光发生器；

(102)将k个线激光发生器按一定间隔均匀组装，使得首尾激光线的间隔为D，则相邻激光线的间隔为

(103)将(102)中组装好的线激光发生器和高速数码相机一起安装在移动平台上；

其中，k≥2，间隔D的单位为mm。

步骤(4)中，v＝v₀*V_n，v₀为初始速度，v₀的单位为mm/s，V_n＝1+n*δ，n为倍增次数，δ为倍数的增量，且

根据行驶时间t(单位为s)，可计算出高速数码相机拍摄次数m＝t*f，m＞k。

为了进一步实现激光线图像的划分，步骤(6)中，划分激光线图像的具体步骤为，

(601)对于同一条激光线，高速数码相机拍摄的该条激光线相邻两次位置间的距离为：

(602)设i∈[1，k]，j∈[1，m]，X_ij表示高速数码相机拍摄的第i条激光线的第j次位置的坐标，其计算公式为：

(603)对激光线图像进行划分：

划分X_1，1～X_k，1为开始阶段，X_k，1～X_1，m为有效测量范围，X_1，m～X_k，m为结束阶段。

为了进一步实现所有间隔的计算，步骤(7)中，计算图像中有效测量范围内所有相邻激光线之间的间隔的具体步骤为，

(701)设

(702)

时，有效测量范围内产生

种间隔值dist_r，计算公式为，

(703)

时，有效测量范围内产生

种间隔值dist_r，计算公式为，

以上提供了

种间隔值的计算方式，另有一种间隔值计算方式如下，

先取(m-k+1)组坐标值，

X_1，k，X_2，(k-1)，...，X_(k-1)，2，X_k，1；

X_1，(k+1)，X_2，k，...，X_(k-1)，3，X_k，2；

…

X_1，m，X_2，(m-1)，...，X_{(k-1)，(m-k)}，X_k，(m-k+1)；

软后对每组坐标值中的相邻坐标取差值的绝对值，求得间隔值为

步骤(11)中，测量的最大速度计算公式为，

v_max＝v₀*V_max。

本实施例中，规定激光线测量间隔不允许大于2mm，如图1所示，本实例提供一种6条激光线按11mm间距均匀分布(如图2)，最大测量速度达4.75倍，6条激光线错位插补使得有效测量范围内测量间隔不大于2mm(如图3)，具体的为，对于按如图2所示的间隔、均匀布置的6条激光线，相机按每秒500帧采样，初始速度为3.6km/h(1000mm/s)，速度倍数在

之间变化，每次递增0.05(即选取δ为0.05)，对于每一速度倍数V_n，每条激光线按d_n间隔生成一个序列，6条激光线的序列按相对于起始位置距离排序，检测有效测量范围内相邻激光线之间的最大间隔，如图4，有效测量范围内最大间隔不大于2mm的都为可选速度倍数，可选速度倍数范围有：1.15～1.75倍、1.9～2.15倍、2.25～2.55倍、2.95～3.25倍、3.35～3.5倍、3.9～4.0倍、4.5～4.75倍，对于每秒500帧相机，最大测量速度为每小时17.1公里，本实施例的速度倍数达到4.75。

本发明在相机帧频一定且保证测量间隔符合规定的情况下通过多条激光运动过程中的错位插补达到提高激光线测量速度的目的，使用本发明进行隧道检测时，可大幅降低成本，成倍提高测量速度，提高检测效率，可应用于隧道检测的工作中。

本发明并不局限于上述实施例，激光线条数、激光器安装方式、测量间隔、速度倍数可按实际需求设计，在本发明公开的技术方案的基础上，本邻域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种多条激光线错位插补的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将多个线激光发生器和高速数码相机一起安装在移动平台上；

(2)启动线激光发生器，并使得投射到隧道表面的多条激光线保持在高速数码相机的可拍摄视野范围内；

(3)启动高速数码相机，并按一定帧频f采集激光线图像；

(4)启动移动平台，并按一定速度v行驶一段时间t，使得多条激光线互相错位插补；

(5)将高速数码相机拍摄的激光线图像进行拼接后导入到计算机内；

(6)将步骤(5)中拼接完成的激光线图像划分为开始阶段、有效测量范围和结束阶段；

(7)计算图像中有效测量范围内所有相邻激光线之间的间隔，找出最大值；

(8)判断最大间隔是否小于规定间隔s，若最大间隔小于等于s，则保留此情况下的速度倍数；若最大间隔大于s，则不保留此情况下的速度倍数；

(9)重复步骤(4)～(8)，直到速度倍数V_n达到设定的阈值；

(10)根据所有保留的速度倍数，并确定可选速度倍数的范围，最后选取最大速度倍数V_max；

(11)利用步骤(10)中选取的最大速度倍数V_max计算出多条激光线测量的最大速度v_max；

(12)将多条激光线测量的最大速度v_max应用到地铁隧道三维激光检测系统中进行实际检测。

2.根据权利要求1所述的一种多条激光线错位插补的测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中，具体处理步骤为，

(101)选取k个线激光发生器；

(102)将k个线激光发生器按一定间隔均匀组装，使得首尾激光线的间隔为D，则相邻激光线的间隔为

(103)将(102)中组装好的线激光发生器和高速数码相机一起安装在移动平台上；

其中，k≥2，间隔D的单位为mm。

3.根据权利要求2所述的一种多条激光线错位插补的测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，v＝v₀*V_n，v₀为初始速度，v₀的单位为mm/s，V_n＝1+n*δ，n为倍增次数，δ为倍数的增量，且

根据行驶时间t，可计算出高速数码相机拍摄次数m＝t*f，m＞k。

4.根据权利要求2所述的一种多条激光线错位插补的测量方法，其特征在于，所述步骤(6)中，划分激光线图像的具体步骤为，

(601)对于同一条激光线，高速数码相机拍摄的该条激光线相邻两次位置间的距离为：

(602)设i∈[1，k]，j∈[1，m]，X_ij表示高速数码相机拍摄的第i条激光线的第j次位置的坐标，其计算公式为：

(603)对激光线图像进行划分：

划分X_1，1～X_k，1为开始阶段，X_k，1～X_1，m为有效测量范围，X_1，m～X_k，m为结束阶段。

5.根据权利要求2所述的一种多条激光线错位插补的测量方法，其特征在于，所述步骤(7)中，计算图像中有效测量范围内所有相邻激光线之间的间隔的具体步骤为，

(701)设

(702)

时，有效测量范围内产生

种间隔值dist_r，计算公式为，

(703)

时，有效测量范围内产生

种间隔值，计算公式为，

以上提供了

种间隔值的计算方式，另有一种间隔值计算方式如下，

先取(m-k+1)组坐标值，

X_1，k，X_2，(k-1)，...，X_(k-1)，2，X_k，1；

X_1，(k+1)，X_2，k，...，X_(k-1)，3，X_k，2；

…

X_1，m，X_2，(m-1)，...，X_{(k-1)，(m-k)}，X_k，(m-k+1)；

软后对每组坐标值中的相邻坐标取差值的绝对值，求得间隔值为

6.根据权利要求2所述的一种多条激光线错位插补的测量方法，其特征在于，所述步骤(11)中，测量的最大速度计算公式为，

v_max＝v₀*V_max。

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