CN113781422A - 基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法，包括以下步骤：S1、对管道施工现场氧气瓶和乙炔瓶的图像进行采集；S2、对步骤S1中采集的图像进行前背景分离，对氧气瓶与乙炔瓶图像的轮廓进行提取，对氧气瓶与乙炔瓶图像的边缘直线进行提取；S3、通过单幅图像距离测量算法，建立先验知识库，以其自身为参照物，实现氧气瓶与乙炔瓶之间的距离测量；S4、将步骤S3中测量距离与规定距离进行对比，判断氧气瓶与乙炔瓶的使用是否符合安全使用规范。本发明能够智能化地对氧气瓶和乙炔气瓶之间距离进行监测，能够及时发现违章问题，避免在管道施工过程中发生氧气瓶和乙炔气瓶的使用安全问题。
Description
技术领域
本发明涉及管道工程建设技术领域，更具体涉及一种基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法。
背景技术
天然气管道施工的任务就是根据油气储运系统各设施或各单体设备的设计要求，在施工、验收规范的指导下，高效、低能、优质、快速地完成设施或单体建设，以达到投产的要求。一般来说，天然气管道工程的建设要经过设计和施工两个阶段。随着天然气与石油工业的发展，管道运输的距离越来越长，火焊由于其灵活性和普适性，广泛应用于管道的安装与检修施工中。管道施工现场中，常常进行管道切割的动火作业。在国标GB50720-2011，《建设工程施工现场消防安全技术规范》中规定：使用中的氧气瓶和乙炔气瓶应垂直放置并固定起来，氧气瓶和乙炔气瓶的距离不得小于5m。
但在施工作业中，由于施工人员安全意识浅薄以及存在侥幸心理，氧气瓶与乙炔瓶的使用会存在不符合安全使用规范的问题，存在很大的安全风险。但在目前管道的安装与检修施工中，并不能够智能化地对氧气瓶和乙炔气瓶之间距离进行监测，无法及时发现违章问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法，以解决背景技术中的问题，以能够对氧气瓶和乙炔气瓶之间距离进行监测，能够及时发现违章问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法，包括以下步骤：
S1、对管道施工现场氧气瓶和乙炔瓶的图像进行采集；
S2、对步骤S1中采集的图像进行前背景分离，对氧气瓶与乙炔瓶图像的轮廓进行提取，对氧气瓶与乙炔瓶图像的边缘直线进行提取；
S3、通过单幅图像距离测量算法，建立先验知识库，以其自身为参照物，实现氧气瓶与乙炔瓶之间的距离测量；
S4、将步骤S3中测量距离与规定距离进行对比，判断氧气瓶与乙炔瓶的使用是否符合安全使用规范。
进一步优化技术方案，所述步骤S1中，通过无人机正面拍摄采集图像。
进一步优化技术方案，所述步骤S2中，利用Grabcut前背景分离算法对步骤S1中采集的图像进行氧气瓶和乙炔瓶图像轮廓的完整提取。
进一步优化技术方案，所述步骤S2中，利用Canny边缘检测和Hough直线检测算法结合检测出氧气瓶与乙炔瓶图像的边缘直线。
进一步优化技术方案，所述Canny边缘检测的基本步骤为：
使用高斯滤波器，以平滑图像，滤除噪声；
计算图像中每个像素点的梯度强度和方向；
应用非极大值抑制，以消除边缘检测带来的杂散响应；
应用双阈值检测来确定真实的和潜在的边缘；
通过抑制孤立的弱边缘最终完成边缘检测。
进一步优化技术方案，采用Hough变换对Canny边缘检测出来的目标轮廓进行直线检测。
进一步优化技术方案，结合氧气瓶和乙炔瓶结构化场景信息建立先验知识库，结构化场景信息包括几何结构信息和已知度量信息。
进一步优化技术方案，对氧气瓶与乙炔瓶图像的边缘直线进行提取时能够得到直线端点坐标；所述步骤S3中，结合射影变换，利用直线端点坐标求取交点坐标，再利用交比不变性，计算出氧气瓶与乙炔瓶之间的实际间距。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明针对监测管道施工现场氧气瓶和乙炔瓶的安全工作距离，利用无人机巡视，将单幅图像几何测量算法应用于管道施工违章识别监测中，对采集到的图像利用Grabcut前背景分离算法进行氧气瓶和乙炔瓶轮廓的完整提取，极大排除了干扰因素；通过Canny边缘检测算法与Hough直线检测结合获取两气瓶边缘轮廓直线并得到直线端点坐标；利用氧气瓶和乙炔瓶结构化场景信息建立先验知识库，以其自身为参照物进行间距测量，最终与实际距离对比验证，测量结果相对误差为10.3％，满足管道施工现场氧气瓶与乙炔瓶的安全使用监测，能够智能化地对氧气瓶和乙炔气瓶之间距离进行监测，能够及时发现违章问题，避免在管道施工过程中发生氧气瓶和乙炔气瓶的使用安全问题。
本发明基于单幅图像对氧气瓶与乙炔瓶间距进行测量时，结合射影变换，利用直线端点坐标求取交点坐标，即两气瓶底部端点图像坐标，利用交比不变性，计算出氧气瓶与乙炔瓶之间的实际间距。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明对管道施工现场氧气瓶和乙炔瓶的图像进行采集时的照片；
图3为本发明对所采集的图像选用FCM聚类分割方法进行处理的图像前背景分离图；
图4为本发明对所采集的图像选用otsu全局阈值处理方法进行处理的图像前背景分离图；
图5为本发明对所采集的图像选用Grabcut前背景分离算法进行处理的图像前背景分离图；
图6为本发明对前背景分离处理后的图像轮廓采用sobel算子进行处理的图像边缘检测图；
图7为本发明对前背景分离处理后的图像轮廓采用roberts算子进行处理的图像边缘检测图；
图8为本发明对前背景分离处理后的图像轮廓采用prewitt算子进行处理的图像边缘检测图；
图9为本发明对前背景分离处理后的图像轮廓采用Canny边缘检测进行处理的图像边缘检测图；
图10为本发明采用HoughLines直线检测方法对Canny边缘检测出来的目标轮廓进行处理的图像目标边缘直线检测图；
图11为本发明采用HoughLinesP直线检测方法对Canny边缘检测出来的目标轮廓进行处理的图像目标边缘直线检测图；
图12为本发明在被测图像中点与直线关系示意图；
图13为本发明在被测图像中直线之间的射影变换示意图；
图14为本发明经边缘直线检测处理后图像的线段标记图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法，结合图1至图14所示，包括以下步骤：
S1、图像采集：对管道施工现场氧气瓶和乙炔瓶的图像进行采集。本发明通过无人机正面拍摄采集图像，以减少目标成像畸变。
S2、图像前期处理：对步骤S1中采集的图像进行前背景分离，对氧气瓶与乙炔瓶图像的轮廓进行提取，对氧气瓶与乙炔瓶图像的边缘直线进行提取。
1、图像的前期处理
实现基于单幅图像测量管道施工现场氧气瓶与乙炔瓶的距离，由于其施工现场工作环境复杂，采集的图像中环境信息对于距离的测量造成很大的干扰，为提高测量精度，需对图像进行预处理。图像前期处理包括图像的前背景分离、图像目标轮廓边缘提取、图像目标边缘直线检测。
1.1、图像的前背景分离
为排除环境等其他干扰因素，对氧气瓶与乙炔瓶的轮廓进行提取，进行图像前背景分离，增强所需目标信息。本发明对所采集的图像选用以下三种经典的图像分割方法进行目标轮廓提取，即FCM聚类分割、otsu全局阈值处理、Grabcut前背景分离，如图3至图5所示。由图5可知，Grabcut前背景分离算法能够更好的将氧气瓶和乙炔瓶轮廓提取，排除环境的干扰因素。
为了更好的将氧气瓶和乙炔瓶轮廓提取，排除环境的干扰因素，本发明利用Grabcut前背景分离算法对步骤S1中采集的图像进行氧气瓶和乙炔瓶图像轮廓的完整提取。
1.2、图像目标轮廓边缘提取
为了提取出图像中目标与背景的分界线，对图5中的Grabcut前背景分离处理后的图像轮廓进行边缘检测，采用常见的四种边缘检测算子获取目标轮廓边缘。四种边缘检测算子分别为sobel算子、roberts算子、prewitt算子、Canny边缘检测。
其中，Canny边缘检测的基本步骤为：
1)使用高斯滤波器，以平滑图像，滤除噪声；
2)计算图像中每个像素点的梯度强度和方向；
3)应用非极大值抑制，以消除边缘检测带来的杂散响应；
4)应用双阈值检测来确定真实的和潜在的边缘；
5)通过抑制孤立的弱边缘最终完成边缘检测。
如图6至图9所示为四种边缘检测算子检测的结果，可看出图9中的Canny边缘检测的效果最好，提取的目标轮廓最为完整。
1.3、图像目标边缘直线检测
Hough变换是一种特征提取技术，在一个参数空间中通过计算累计结果的局部最大值得到一个符合该特定形状的集合作为霍夫变换结果，它利用点与线的对偶性，将原始图像空间的给定曲线通过曲线表达形式变为Hough参数空间中的一个点。Hough直线检测算法定义了两个函数：HoughLines(标准霍夫变换)和HoughLinesP(渐进概率霍夫变换)，其中HoughLines函数输出检测到直线的矢量表示集合，每一条直线由具有两个元素的矢量(ρ,θ)表示，其中ρ表示直线距离原点(0,0)的长度，θ表示直线的角度，其无法输出图像空间中线段的长度。HoughLinesP能够检测出图像中直线的两个端点，每一条直线由具有四个元素的矢量(x1,y1,x2,y2)表示，其中(x1,y1)表示线段的起点，(x2,y2)表示线段的终点。采用Hough变换对图9中Canny边缘检测出来的目标轮廓进行直线检测。两种检测结果如图10和图11所示。
本发明利用Canny边缘检测和Hough直线检测算法结合检测出氧气瓶与乙炔瓶图像的边缘直线。由于本发明后续测量中需要计算边缘直线的方程，故选用HoughLinesP函数进行直线检测，各线段端点图像坐标如表1所示:
表1各线段端点图像坐标
S3、计算与测量：通过单幅图像距离测量算法，建立先验知识库，以其自身为参照物，实现氧气瓶与乙炔瓶之间的距离测量。
对氧气瓶与乙炔瓶图像的边缘直线进行提取时能够得到直线端点坐标；步骤S3中，结合射影变换，利用直线端点坐标求取交点坐标，再利用交比不变性，计算出氧气瓶与乙炔瓶之间的实际间距。
2、基于单幅图像的氧气瓶与乙炔瓶间距测量
按照单幅图像解析的过程，几何量测分为三个主要阶段，几何特征值计算、几何尺寸计算和辅助结果检测。几何特征值计算阶段主要根据图像中提供的平行、垂直、矩形、圆形的几何关系约束计算单应矩阵、灭线和虚圆点等信息，恢复图像的度量信息。几何尺寸计算阶段主要建立图像与现实空间对象之间的比例关系，恢复图像缩放因子。辅助结果检测阶段，利用等高、等距、对称性等知识对几何尺寸计算结果进行分析，采用适当的策略对各结果进行约束，并将分析结果进行反馈，从而提高最终的量测精度。
2.1、先验知识库构建
基于单幅图像的距离测量主要依赖于场景所负载的几何结构信息和已知度量信息，统称为结构化场景信息。结合氧气瓶和乙炔瓶结构化场景信息建立先验知识库。一般采集图像时都会有辅助参照物，参照物的几何结构信息和度量信息都已知，通过计算参照物实际空间和图像之间的映射关系，实现对目标物体的测量。但管道施工现场工作环境复杂，很难找到合适的参照物，并且氧气瓶和乙炔瓶使用时随工作地点的变化而移动放置，在无人机进行违章监测过程中，无法随时随地在拍摄点放置参考物。而考虑到氧气瓶和乙炔瓶为标准件，其直径已知，且工作时垂直于地面放置，故以氧气瓶和乙炔瓶自身为参照物进行图像测量，本发明中所用的管道施工现场主要先验知识如表2所示：
表2管道施工现场主要先验知识
2.2、基于单幅图像的测量原理分析
平行线是自然场景中常见的几何特征之一，例如道路上的地标和室内场景的矩形地砖。以平行线为研究对象，提出了包含平行线特征的单幅图像的几何测量方法和相关几何信息的计算方法。在先验知识库的基础上，图像平面被恢复到与其相差一个比例因子的实际的空间平面。在被测图像中，一个点p的齐次坐标可以表示为p＝[x,y,1]T，其中x,y为图像坐标系中点的x轴和y轴坐标。一条直线l的齐次坐标可以表示为l＝[a,b,c]T，其中a,b,c使ax+by+c＝0。如图12所示，p1p2两点确定一条直线l，这条直线可以表示为式(1)：
l＝p1×p2 (1)
在二维射影几何中任何一个定理都有一个对应的定理，它们可以通过互换定理中点和线的作用而导出。
与两点确定一条直线对偶，两条直线l1、l2确定一交点p，也可用两直线的叉乘表示为式(2)：
p＝l1×l2 (2)
射影变换是一种保线性变化，平行的直线映射到图像上为相交直线，这个交点被称为消隐点(vanishpoint)。即平行空间直线在图像无穷远处相交，消隐点即为这一交点的像。所有水平的平行直线族都各自相交于无穷远处的一点，这些点构成无穷远直线，这条直线在图像上的像叫地平线。
三维空间投影到二维的图像上，保持直线交比不变，交比是四个点两两“比例的比例”。所以如果在三维空间中的一条直线上有四个点，那么它们映射到图片上的四个点后，这四个点的交比不变。如图13所示，A，B，C，D为共线四点。
交比定义为式(3)，其中A，B称为基点偶，C，D称为分点偶。
2.3、射影变换在管道施工现场氧气瓶与乙炔瓶距离测量中的应用
为了便于描述，对上述处理后的图像，将检测出来的直线依次标记为l1,l2,l3,l4,l5,l6，l1,l2与l3分别交于a,b两点，l4,l5与l6分别交于c,d两点，如图14所示。
由于氧气瓶与乙炔瓶垂直放置于地面，故在图像中a,b,c,d为共线四点。其中，d(a,b)为乙炔瓶直径，d(c,d)为氧气瓶直径。设上述检测出的直线方程如式4所示：
yi＝kixi+bi (4)
式中i＝1,2,3,4,5,6。由表1各线段端点图像坐标，将直线li(i＝1,2,3,4,5,6)的端点坐标代入式(4)可得直线方程，进而可计算出交点a,b,c,d四点坐标，如表3所示：
表3交点的图像坐标
由此可计算出图像中乙炔瓶直径d(a,b)，氧气瓶直径d(c,d)，氧气瓶与乙炔瓶距离d(b,c)，如表4所示：
表4图像中各线段距离
根据CR(A,C,B,D)＝cr(a,c,b,d)，由式(5)和式(6)联立可计算出d(B,C)＝860.42cm。
d(A,D)＝d(C,B)+d(A,B)+d(C,D) (6)
2.4、结果验证
将步骤S3中的测量距离与实际测量距离结果对比，判断是否满足管道施工现场违章监测要求。使用手持测距仪对氧气瓶和乙炔瓶实际距离测量，并与上述测量结果进行对比，结果如表5所示：
表5计算结果对比
由表5对比结果可得：本发明所述单幅图像几何测量方法所测量的氧气瓶与乙炔瓶距离相对误差为10.3％，绝对误差在1米以内，此精度满足管道施工现场违章监测要求。
S4、输出结果：将步骤S3中测量距离与规定距离进行对比，判断氧气瓶与乙炔瓶的使用是否符合安全使用规范。
本发明将单幅图像几何测量算法运用到管道施工现场违章监测中，通过无人机正面拍摄采集图像，以减少目标成像畸变。由于施工现场环境复杂，影响因素太多，对于图像的测量中无固定的参照物，结合氧气瓶和乙炔瓶安全使用规范的结构化场景信息，以其自身为参照物，实现两气瓶间距的测量。本发明首先对采集到的图像利用Grabcut前背景分离算法进行氧气瓶和乙炔瓶轮廓的完整提取。通过Canny边缘检测算法与Hough直线检测结合获取两气瓶边缘轮廓直线并得到直线端点坐标。其次结合射影变换，利用直线端点坐标求取交点坐标，即两气瓶底部端点图像坐标，最后利用交比不变性，计算出氧气瓶与乙炔瓶之间的实际间距。
Claims (8)
1.基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对管道施工现场氧气瓶和乙炔瓶的图像进行采集；
S2、对步骤S1中采集的图像进行前背景分离，对氧气瓶与乙炔瓶图像的轮廓进行提取，对氧气瓶与乙炔瓶图像的边缘直线进行提取；
S3、通过单幅图像距离测量算法，建立先验知识库，以其自身为参照物，实现氧气瓶与乙炔瓶之间的距离测量；
S4、将步骤S3中测量距离与规定距离进行对比，判断氧气瓶与乙炔瓶的使用是否符合安全使用规范。
2.根据权利要求1所述的基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过无人机正面拍摄采集图像。
3.根据权利要求1所述的基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用Grabcut前背景分离算法对步骤S1中采集的图像进行氧气瓶和乙炔瓶图像轮廓的完整提取。
4.根据权利要求1所述的基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用Canny边缘检测和Hough直线检测算法结合检测出氧气瓶与乙炔瓶图像的边缘直线。
5.根据权利要求4所述的基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法，其特征在于，所述Canny边缘检测的基本步骤为：
使用高斯滤波器，以平滑图像，滤除噪声；
计算图像中每个像素点的梯度强度和方向；
应用非极大值抑制，以消除边缘检测带来的杂散响应；
应用双阈值检测来确定真实的和潜在的边缘；
通过抑制孤立的弱边缘最终完成边缘检测。
6.根据权利要求4所述的基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法，其特征在于，采用Hough变换对Canny边缘检测出来的目标轮廓进行直线检测。
7.根据权利要求1所述的基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法，其特征在于，结合氧气瓶和乙炔瓶结构化场景信息建立先验知识库，结构化场景信息包括几何结构信息和已知度量信息。
8.根据权利要求1所述的基于单幅图像几何测量算法的管道施工违章识别方法，其特征在于，对氧气瓶与乙炔瓶图像的边缘直线进行提取时能够得到直线端点坐标；所述步骤S3中，结合射影变换，利用直线端点坐标求取交点坐标，再利用交比不变性，计算出氧气瓶与乙炔瓶之间的实际间距。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116524004A (zh) * | 2023-07-03 | 2023-08-01 | 中国铁路设计集团有限公司 | 基于HoughLines算法的钢筋尺寸检测方法及系统 |
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