CN113280750B - 一种三维变形监测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于变形监测技术领域，公开了一种三维变形监测方法和装置。装置包括LED光源组、远程控制单元、摄像机、计算和控制设备。本发明利用LED光源组来获取观测目标的三维变形，通过切换LED光源组的开、关状态来获取光源位置，能够解决现有技术中的光学法变形监测的监测结果不全面、监测结果难以可视化的问题，本发明能够实现观测结果的可视化，提高目标光源的识别可靠性，降低识别难度，监测结果全面。

Description

一种三维变形监测方法和装置

技术领域

本发明属于变形监测技术领域，更具体地，涉及一种三维变形监测方法和装置。

背景技术

目前常见的变形监测技术手段有GNSS、全站仪、激光扫描仪和近景摄影测量，干涉雷达等。基于GNSS的监测手段对供电、电磁环境、通信等条件要求较高；三维激光扫描是扫描物体表面的，获得点云数据，通过后期处理得到形变量，由于点云数据量大，难以实现实时性，且其精度和距离都极为有限；而测量机器人与干涉雷达可以实现高精度测量，但是成本偏高，不易维护。

摄影测量则有许多优势所在，例如，非接触获取数据、信息量丰富，自动化和精度都较高，可以将监测成果叠加在光学图像上，实现可视化的特点。另外，摄像机配合光源实现变形监测的检测方案成本低，易于维护。而在摄像机捕获图像的时候，获取的不仅仅有LED灯的光线，还存在着实验环境内的背景光线，因此为了获得较高精度、高可靠的实验结果，需要对摄影机进行改造，通过在镜头前加红外滤波片来排除日常光线对于实验中图像处理获取LED灯位置坐标的影响。但是如此一来，就无法获取人眼熟悉的光学图像，观测结果的可视化难以实现。另外，目前的光学法变形监测方法的光源为单光源，仅能实现X,Y两个方向的位移监测，结果不全面。

发明内容

本发明通过提供一种三维变形监测方法和装置，解决现有技术中的光学法变形监测的监测结果不全面、监测结果难以可视化的问题。

本发明提供一种三维变形监测方法，包括以下步骤：

步骤1、将LED光源组固定在观测目标上，所述LED光源组包含多个LED灯；

步骤2、计算和控制设备发送第一控制信息至远程控制单元，所述远程控制单元根据所述第一控制信息控制所述LED光源组的开启；通过摄像机采集所述LED光源组在开启状态下的第一图像；所述计算和控制设备发送第二控制信息至远程控制单元，所述远程控制单元根据所述第二控制信息控制所述LED光源组的关闭；通过所述摄像机采集所述LED光源组在关闭状态下的第二图像；

步骤3、对所述第一图像和所述第二图像均进行灰度化处理；

步骤4、对灰度化后的所述第一图像和所述第二图像进行求差处理得到差值图，对所述差值图进行二值化处理，得到二值化差值图；

步骤5、对所述二值化差值图进行漫水填充处理，得到填充图像；

步骤6、对所述填充图像进行轮廓提取，基于轮廓提取结果对LED灯进行拟合，并得到LED灯的圆心坐标，记为第一圆心坐标信息；

步骤7、重复步骤2至步骤6，得到LED灯位置发生变化之后的圆心坐标，记为第二圆心坐标信息；

步骤8、基于相邻的两个所述LED灯之间的实际距离、所述第一圆心坐标信息、所述第二圆心坐标信息，计算得到观测目标在z轴方向的位置变化信息；

步骤9、基于所述第一圆心坐标信息、所述第二圆心坐标信息、所述观测目标在z轴方向的位置变化信息，计算得到观测目标在x轴方向的位置变化信息、观测目标在y轴方向的位置变化信息；综合所述观测目标在z轴方向的位置变化信息、所述观测目标在x轴方向的位置变化信息、所述观测目标在y轴方向的位置变化信息，得到观测目标的位移结果信息。

优选的，将所述第一图像或所述第二图像作为光学图像，将所述光学图像与所述观测目标的位移结果信息进行叠加，得到观测结果对应的可视化图像。

优选的，所述步骤3中，对图像进行灰度化处理的同时进行平滑去噪处理。

优选的，所述步骤6中，轮廓提取之后获得点集，通过确定点的最小包围圆来近似拟合LED灯，用最小包围圆的圆心坐标表示LED灯在图像上的位置。

优选的，计算观测目标在z轴方向的位置变化信息时，采用公式(1)计算摄像机到观测目标平面的距离：

其中，Z为摄像机到观测目标平面的距离，f为摄像机的焦距，L为相邻的两个LED灯之间的实际距离，l为相邻的两个LED灯在图像上的距离。

优选的，计算观测目标在x轴方向的位置变化信息、观测目标在y轴方向的位置变化信息时，采用公式(2)推算出现实中LED灯在x轴和y轴方向上的坐标位移量：

其中，ΔX和ΔY分别表示图像坐标系上LED灯在的x轴和y轴方向上的坐标位移量，Δx和Δy分别表示现实中LED灯在x轴和y轴方向上的坐标位移量。

优选的，所述三维变形监测方法还包括：步骤10、重复步骤2至步骤9，对所述观测目标的三维变形进行连续观测。

另一方面，本发明提供一种三维变形监测装置，包括：LED光源组、远程控制单元、摄像机、计算和控制设备；

所述LED光源组固定在观测目标上，所述LED光源组包含多个LED灯，所述LED灯的数量大于3，多个所述LED灯安装在同一平面上且安装的位置不在一条直线上；

所述远程控制单元用于接收来自所述计算和控制设备的控制信息，并根据所述控制信息控制所述LED光源组的开启或关闭；

所述摄像机用于采集所述LED光源组在开启状态下的第一图像、采集所述LED光源组在关闭状态下的第二图像；

所述计算和控制设备用于根据相邻的两个所述LED灯之间的实际距离、所述第一图像、所述第二图像得到观测目标的位移结果信息；

所述三维变形监测装置用于实现上述的三维变形监测方法中的步骤。

优选的，所述远程控制单元包括第一数传电台、第二数传电台；

所述第二数传电台用于接收来自所述计算和控制设备的控制信息，并将所述控制信息传输至所述第一数传电台；所述第一数传电台用于根据所述控制信息控制所述LED光源组的开启或关闭。

优选的，所述LED光源组采用红外LED光源组。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在发明中，将LED光源组固定在观测目标上，LED光源组包含多个LED灯；远程控制单元接收来自计算和控制设备的控制信息，并根据控制信息控制LED光源组的开启或关闭；摄像机采集LED光源组在开启状态下的第一图像、采集LED光源组在关闭状态下的第二图像；计算和控制设备根据相邻的两个LED灯之间的实际距离、第一图像、第二图像得到观测目标的位移结果信息。即本发明利用LED光源组(即光源LED组合图案)来获取观测目标的三维变形，通过切换LED光源组(即目标光源)的开、关状态来获取光源位置，不仅可以将观测结果与光学图像叠加，实现观测结果的可视化，还提高了目标光源的识别可靠性，降低了识别难度。本发明采用LED光源组作为光学法变形监测的光源，能够实现X、Y、Z三个方向的位移监测，监测结果全面。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种三维变形监测装置的结构示意图；

图2为求差并二值化后图像；

图3为漫水法填充后的图像；

图4为轮廓提取与圆心点确定后的图像。

其中，01-LED光源组、02-第一数传电台、03-第二数传电台、04-摄像机、05-计算和控制设备。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

实施例1提供了一种三维变形监测方法，包括以下步骤：

步骤1、将LED光源组固定在观测目标上，所述LED光源组包含多个LED灯。

步骤2、计算和控制设备发送第一控制信息至远程控制单元，所述远程控制单元根据所述第一控制信息控制所述LED光源组的开启；通过摄像机采集所述LED光源组在开启状态下的第一图像；所述计算和控制设备发送第二控制信息至远程控制单元，所述远程控制单元根据所述第二控制信息控制所述LED光源组的关闭；通过所述摄像机采集所述LED光源组在关闭状态下的第二图像。

步骤3、对所述第一图像和所述第二图像均进行灰度化处理。

优选的，对图像进行灰度化处理的同时进行平滑去噪处理。

步骤4、对灰度化后的所述第一图像和所述第二图像进行求差处理得到差值图，对所述差值图进行二值化处理，得到二值化差值图。

步骤5、对所述二值化差值图进行漫水填充处理，得到填充图像。

步骤6、对所述填充图像进行轮廓提取，基于轮廓提取结果对LED灯进行拟合，并得到LED灯的圆心坐标，记为第一圆心坐标信息。

具体的，轮廓提取之后获得点集，通过确定点的最小包围圆来近似拟合LED灯，用最小包围圆的圆心坐标表示LED灯在图像上的位置。

步骤7、重复步骤2至步骤6，得到LED灯位置发生变化之后的圆心坐标，记为第二圆心坐标信息。

步骤8、基于相邻的两个所述LED灯之间的实际距离、所述第一圆心坐标信息、所述第二圆心坐标信息，计算得到观测目标在z轴方向的位置变化信息。

其中，计算观测目标在z轴方向的位置变化信息时，采用公式(1)计算摄像机到观测目标平面的距离：

其中，Z为摄像机到观测目标平面的距离，f为摄像机的焦距，L为相邻的两个LED灯之间的实际距离，l为相邻的两个LED灯在图像上的距离。

步骤9、基于所述第一圆心坐标信息、所述第二圆心坐标信息、所述观测目标在z轴方向的位置变化信息，计算得到观测目标在x轴方向的位置变化信息、观测目标在y轴方向的位置变化信息；综合所述观测目标在z轴方向的位置变化信息、所述观测目标在x轴方向的位置变化信息、所述观测目标在y轴方向的位置变化信息，得到观测目标的位移结果信息。

其中，计算观测目标在x轴方向的位置变化信息、观测目标在y轴方向的位置变化信息时，采用公式(2)推算出现实中LED灯在x轴和y轴方向上的坐标位移量：

其中，ΔX和ΔY分别表示图像坐标系上LED灯在的x轴和y轴方向上的坐标位移量，Δx和Δy分别表示现实中LED灯在x轴和y轴方向上的坐标位移量。

优选的，还可以包括：步骤10、重复步骤2至步骤9，对所述观测目标的三维变形进行连续观测。

此外，将所述第一图像或所述第二图像作为光学图像，将所述光学图像与所述观测目标的位移结果信息进行叠加，得到观测结果对应的可视化图像。

实施例2：

实施例2提供了一种三维变形监测装置，包括：LED光源组、远程控制单元、摄像机、计算和控制设备。

所述LED光源组固定在观测目标上，所述LED光源组包含多个LED灯，所述LED灯的数量大于3，多个所述LED灯安装在同一平面上且安装的位置不在一条直线上。

所述远程控制单元用于接收来自所述计算和控制设备的控制信息，并根据所述控制信息控制所述LED光源组的开启或关闭。

所述摄像机用于采集所述LED光源组在开启状态下的第一图像、采集所述LED光源组在关闭状态下的第二图像。

所述计算和控制设备用于根据相邻的两个所述LED灯之间的实际距离、所述第一图像、所述第二图像得到观测目标的位移结果信息。

实施例2提供的三维变形监测装置用于实现如实施例1提供的三维变形监测方法中的步骤。

其中，方法中的步骤3-步骤9具体是通过所述计算和控制设备实现的。

例如，所述远程控制单元包括第一数传电台、第二数传电台；所述第二数传电台用于接收来自所述计算和控制设备的控制信息，并将所述控制信息传输至所述第一数传电台；所述第一数传电台用于根据所述控制信息控制所述LED光源组的开启或关闭。

优选的方案中，所述LED光源组采用红外LED光源组。

下面对本发明做进一步的说明。

本发明提供一种三维变形监测装置，如图1所示，包括：一个摄像机04(无需滤光片)、可控制开关的LED光源组01、远程控制单元(具体可以包括第一数传电台02、第二数传电台03)、计算和控制设备05。其中，所述LED光源组01包含多个LED灯，所述LED灯的数量大于3，每个所述LED灯所能提供的观测量有两个，即在摄像机感光器件中的两个移动方向上坐标，多个所述LED灯安装在同一平面上且安装的位置不在一条直线上，由于同一个平面的加工难度要比非同一个平面简单，因此多个所述LED灯安装在同一平面上可以降低设计生产难度；而多个所述LED灯安装的位置不在一条直线上能够保证可以测量到三维变形结果；此外，所述LED灯尽可能放置在摄像机光轴上。预处理的时候使用MATLAB，张正友标定法，利用黑白棋格对相机进行标定，获取摄像机的焦距。此部分为常规摄影测量方法，具体不再详述。

所述LED光源组01优选为红外LED光源组，使用红外LED具有以下两个优点：一是红外光穿透性好，在雾天也有较好的效果；二是红外抗干扰能力强。多个LED灯组成一定的图案，其相对位置关系是计算三维变形的基础，只有相对位置关系(即间距)一定，才能确定每个LED灯的真实位置，并知道两个LED灯之间的确定距离，这样它们在所述摄像机04的传感器上的位置以及距离才可以作为已知量来使用。例如，本实施例设计的图案为T字形组合，相邻的两个LED灯之间的间距为5厘米。间距越大，则测量精度越高，但体积也较大。本发明对组合图案并无严格要求，但是最好能保证在一个LED灯受到遮挡或者损坏后，能判断出是哪一个缺失了。在判断出哪一个LED灯损坏或缺失后，在图像中就可以明确不包含该LED灯的影像，以免计算出现错误。

所述LED光源组01固定在需要观测的目标(即观测目标)上，其位移直接反映了观测目标的位移。所述第一数传电台02和所述第二数传电台03均使用LORA模块实现，作用是与实现远程控制所述LED光源组01的开或关。所述摄像机04的作用是采集所述LED光源组01对应的图像，从而为计算观测目标的位移提供数据信息。例如，可以使用网络接口的防水摄像机，具体可以使用的是大华监控摄像机。所述计算和控制设备05一般为电脑或者单片机，作用是采集所述摄像机04的数据，计算所述LED光源组01的位移，并且通过所述第二数传电台03发送指令，经过所述第一数传电台02接收后，控制所述LED光源组01的开关。

本发明提供的一种三维变形监测方法的具体的流程步骤如下(其中常规的图像处理方法的具体实现不再赘述)：

1、首先计算和控制设备通过所述第一数传电台和所述第二数传电台控制所述LED光源组打开，并通过所述摄像机获取获得一张图像，然后所述计算和控制设备通过所述第一数传电台和所述第二数传电台控制所述LED光源组关闭，并通过所述摄像机获取获得另一张图像。

这两张图像是计算目标位移的原始数据。而这两张图像的任意一张均可以作为光学图像，与最后计算得到的目标位移结果进行叠加，以得到可视化效果。

2、对步骤1种获取的两张图像采用同样方法的灰度化同时平滑去噪。

3、对灰度化后的两张图像求差，同时设定恰当的阀值，以获得二值化后的差值图。此时LED灯在图像上位置为白色，其他背景部分为黑色，参见图2。

4、对二值化之后图像进行漫水填充，消除孔洞，参见图3。由于LED灯在图像上不是完整白色圆表示，而是存在有较多的孔洞，为了后续操作的方便和计算准确，需要对空洞进行填充。

5、填充后的图像是较为完整的圆表示LED灯，此时需要对图像进行轮廓提取以获得LED灯在图像上的具体位置。常用的方法有用Canny算子进行轮廓提取。

6、轮廓提取之后获得的是点集，通过确定点的最小包围圆来近似拟合LED灯，用最小包围圆的圆心坐标表示LED灯在图像上的位置，参见图4。

7、重复1-6步骤，获取LED灯位置发生变化之后的两张图像，进一步确定LED灯位置发生变化之后的圆心坐标。

8、利用圆心坐标以及实际LED灯的距离按照针孔摄像机成像原理，确定光轴方向即z轴方向的位置变化。

9、计算变形前后图像圆心点坐标x和y轴方向的变化，利用z轴位置变化和图像上x和y轴变化，计算得到x轴和y轴方向的位置变化。

相关计算公式如下：

假定图像上相邻的两个LED灯之间的距离为l，相邻的两个LED灯之间的实际距离为L，则光轴方向(对于目标的位移而言，即是Z轴方向)的位移计算依据为：

其中，f为摄像机的焦距，Z为摄像机到观测目标平面的距离。

由于公式(1)可以计算出摄像机到观测目标平面的距离，因此利用公式(2)可以推算出x，y轴方向上的位移计算公式为：

其中，ΔX和ΔY代表图像坐标系上LED灯在的x轴和y轴方向的坐标位移量，Δx和Δy代表现实中LED灯在x轴和y轴方向上的坐标位移量。

10、至此得到了目标的三维变形情况。重复步骤1-9即可实现连续观测。

本发明实施例提供的一种三维变形监测方法和装置至少包括如下技术效果：

(1)本发明利用LED光源组(即光源LED组合图案)来获取观测目标的三维变形，通过切换LED光源组(即目标光源)的开、关状态来获取光源位置，不仅可以将观测结果与光学图像叠加，实现观测结果的可视化，还提高了目标光源的识别可靠性，降低了识别难度。

(2)本发明采用LED光源组作为光学法变形监测的光源，能够实现X、Y、Z三个方向的位移监测，监测结果全面。

(3)本发明采用的摄像机配合光源实现变形监测的检测方案成本低，易于维护。此外，本发明中的摄像机不用进行改造，不用在镜头前加滤光片，能够进一步降低监测成本。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种三维变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将LED光源组固定在观测目标上，所述LED光源组包含多个LED灯；

步骤2、计算和控制设备发送第一控制信息至远程控制单元，所述远程控制单元根据所述第一控制信息控制所述LED光源组的开启；通过摄像机采集所述LED光源组在开启状态下的第一图像；所述计算和控制设备发送第二控制信息至远程控制单元，所述远程控制单元根据所述第二控制信息控制所述LED光源组的关闭；通过所述摄像机采集所述LED光源组在关闭状态下的第二图像；

步骤3、对所述第一图像和所述第二图像均进行灰度化处理；

步骤4、对灰度化后的所述第一图像和所述第二图像进行求差处理得到差值图，对所述差值图进行二值化处理，得到二值化差值图；

步骤5、对所述二值化差值图进行漫水填充处理，得到填充图像；

步骤6、对所述填充图像进行轮廓提取，基于轮廓提取结果对LED灯进行拟合，并得到LED灯的圆心坐标，记为第一圆心坐标信息；

步骤7、重复步骤2至步骤6，得到LED灯位置发生变化之后的圆心坐标，记为第二圆心坐标信息；

步骤8、基于相邻的两个所述LED灯之间的实际距离、所述第一圆心坐标信息、所述第二圆心坐标信息，计算得到观测目标在z轴方向的位置变化信息；

步骤9、基于所述第一圆心坐标信息、所述第二圆心坐标信息、所述观测目标在z轴方向的位置变化信息，计算得到观测目标在x轴方向的位置变化信息、观测目标在y轴方向的位置变化信息；综合所述观测目标在z轴方向的位置变化信息、所述观测目标在x轴方向的位置变化信息、所述观测目标在y轴方向的位置变化信息，得到观测目标的位移结果信息；

其中，所述LED光源组采用红外LED光源组；

将所述第一图像或所述第二图像作为光学图像，将所述光学图像与所述观测目标的位移结果信息进行叠加，得到观测结果对应的可视化图像。

2.根据权利要求1所述的三维变形监测方法，其特征在于，所述步骤3中，对图像进行灰度化处理的同时进行平滑去噪处理。

3.根据权利要求1所述的三维变形监测方法，其特征在于，所述步骤6中，轮廓提取之后获得点集，通过确定点的最小包围圆来近似拟合LED灯，用最小包围圆的圆心坐标表示LED灯在图像上的位置。

4.根据权利要求1所述的三维变形监测方法，其特征在于，计算观测目标在z轴方向的位置变化信息时，采用公式(1)计算摄像机到观测目标平面的距离：

其中，Z为摄像机到观测目标平面的距离，f为摄像机的焦距，L为相邻的两个LED灯之间的实际距离，l为相邻的两个LED灯在图像上的距离。

5.根据权利要求4所述的三维变形监测方法，其特征在于，计算观测目标在x轴方向的位置变化信息、观测目标在y轴方向的位置变化信息时，采用公式(2)推算出现实中LED灯在x轴和y轴方向上的坐标位移量：

其中，ΔX和ΔY分别表示图像坐标系上LED灯在的x轴和y轴方向上的坐标位移量，Δx和Δy分别表示现实中LED灯在x轴和y轴方向上的坐标位移量。

6.根据权利要求1所述的三维变形监测方法，其特征在于，还包括：步骤10、重复步骤2至步骤9，对所述观测目标的三维变形进行连续观测。

7.一种三维变形监测装置，其特征在于，包括：LED光源组、远程控制单元、摄像机、计算和控制设备；

所述LED光源组固定在观测目标上，所述LED光源组包含多个LED灯，所述LED灯的数量大于3，多个所述LED灯安装在同一平面上且安装的位置不在一条直线上；

所述远程控制单元用于接收来自所述计算和控制设备的控制信息，并根据所述控制信息控制所述LED光源组的开启或关闭；

所述摄像机用于采集所述LED光源组在开启状态下的第一图像、采集所述LED光源组在关闭状态下的第二图像；

所述计算和控制设备用于根据相邻的两个所述LED灯之间的实际距离、所述第一图像、所述第二图像得到观测目标的位移结果信息；

所述三维变形监测装置用于实现如权利要求1-6中任一项所述的三维变形监测方法中的步骤。

8.根据权利要求7所述的三维变形监测装置，其特征在于，所述远程控制单元包括第一数传电台、第二数传电台；

所述第二数传电台用于接收来自所述计算和控制设备的控制信息，并将所述控制信息传输至所述第一数传电台；所述第一数传电台用于根据所述控制信息控制所述LED光源组的开启或关闭。

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