CN114018167A - 一种基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法。先获取相机和镜头的出厂参数；根据实验现场要求，在三个以上视角下采集标定图像；确定相机测量位置，采集参考图像和变形图像；对所采集的图像进行特征检测与匹配；以特征匹配结果为初值进行模板匹配；根据相机和镜头的出厂信息与模板匹配的结果，优化计算相机内参、各相机位置之间的外参和匹配点的三维空间坐标；建立桥梁世界坐标系，并根据待测平面内已知距离的两点或者激光测距仪的测量结果，确定桥梁世界坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参；根据相机平面与被测平面的投影矩阵，计算待测平面的桥梁挠度。本发明具有操作简单、实用性强等优点，可实现桥梁挠度的非接触全场测量。
Description
技术领域
本发明涉及结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法。
背景技术
在新建桥梁的验收和在役桥梁的健康监测中，桥梁挠度与桥梁的承载能力密切相关，因此通常被认为是必须测量的基本参数。而传统的接触式测量方法几乎只能应用于静挠度测量，难以实现动挠度测量并满足实时测量和长期监测的工程需求。其中倾角仪虽然可以测量桥梁动挠度，但是对仪器的性能提出了较高要求。此外，加速度计虽然也可以测量桥梁动挠度，但其通过两次积分获得位移的方式误差较大。
对于一些非接触式测量方法，如激光多普勒测振、GPS和雷达干涉测量等，虽然可以实现实时测量，其系统的总成本往往很高，GPS的测量精度更是无法满足桥梁挠度的测量需求。
为了突破现有桥梁挠度测量方法的局限性，基于计算机视觉和摄影测量原理的摄像测量方法，被逐步应用于桥梁挠度测量中，通过对变形前后的两幅图像上的点进行识别和追踪，实现对桥梁挠度的测量。
目前常使用的单相机测量手段，主要是基于单目摄影测量的挠度准静态测量和单相机二维测量。基于单目摄影测量的挠度准静态测量面临的关键问题一是需要人工设置标志物，二是难以实现桥梁的动挠度测量，无法进行实时测量和长期监测。单相机二维测量面临的关键难题之一是比例因子的求解问题，目前主要有两种方法：一种是采用激光测距仪，测量相机光心到被测点的距离，通过简化的针孔相机成像模型与相机系统的内部参数，计算测量点对应的比例因子，并将其视为全场各点的比例因子。第二种方法是在待测区域内寻找已知距离的两点，通过已知距离在所获图像中的像素距离计算比例因子。但是需要注意的是，在大视场测量中，各位置的比例因子存在较大差异，而这两种方法所获得的比例因子对于单相机二维测量而言只在测点附近的是相对准确的。这也就意味着其只能处理有限个测量点，无法获取全场挠度信息。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法，该方法利用桥梁表面自然纹理即可完成单相机外参标定，并且操作简单、易于实施。
为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法，包括以下步骤：
1)获取相机和镜头的出厂参数；
2)根据实验现场要求，在三个以上成像视角下采集标定图像；
3)固定最后一个标定图像的成像位置作为相机测量位置，采集参考图像和变形图像；
4)对步骤2)和步骤3)中相机采集的图像进行特征点检测与匹配，剔除异常匹配点；
5)以步骤4)特征点的匹配结果为初值进行模板匹配；
6)根据步骤1)中相机和镜头的出厂参数与步骤5)的模板匹配结果，以测量位置相机的光心为世界坐标系的原点，采用摄影测量方法，优化计算相机内参、镜头畸变、标定位置相机坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参以及匹配点的三维空间坐标；
7)根据步骤6)得到的匹配点三维空间坐标，以待测桥梁平面内某一点为原点，以桥梁的纵向为x轴，过该点的桥梁横截面与待测平面的交线为y轴，平面外法线方向为z轴，建立桥梁世界坐标系，确定桥梁世界坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参；
8)根据待测平面内已知距离的两点或者激光测距仪的测量结果，确定世界坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参中平移向量的尺度信息；
9)根据步骤8)得到的含有尺度信息的桥梁世界坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参，根据相机平面与被测平面之间投影矩阵和变形前后的图像坐标，计算待测平面的桥梁挠度。
进一步的，步骤1)中所述出厂参数包括相机图像分辨率、像元尺寸和镜头焦距。
进一步的，步骤4)采用SIFT、SURF或ORB特征点检测与匹配算法识别和追踪变形前后图像上的对应点。
进一步的，步骤5)中，以步骤4)的特征匹配结果为搜索初值，在参考图像与变形图像的待测区域内，采用归一化最小平方距离(zero-normalized sum of squareddifference,ZNSSD)相关函数进行模板匹配。
进一步的，步骤6)采用摄影测量方法中的自标定光束平差法以每个光束作为基本平差单元，在全区域内统一进行平差处理，具体步骤如下：
a)根据每对匹配点与相机在两个位置的光心连线的共面特性，对每对匹配点建立一个共面方程，得到一个联立的方程组；
b)根据步骤a)中联立的方程组列出优化目标函数，使用非线性优化算法优化求解相机内参、镜头畸变、标定位置相机坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参以及匹配点的三维空间坐标。
进一步的，步骤7)采用三点法进行世界坐标系变换。
有益效果：
与现有技术相比，一种基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法，具有如下优势：
1、使用相机平面与被测平面之间的投影矩阵和变形前后的图像坐标，计算待测平面的桥梁挠度，克服了单相机二维测量中大视场下各点的比例因子不一致性，减小了挠度测量误差，且可以得到三个方向的位移，相较于二维测量结果更加丰富；
2、无需人工安置标志物，基于桥梁表面自然纹理，利用高精度模板匹配来提高特征检测与匹配的精度，从而提升相机外参的求解精度和挠度测量精度；
3、无需提前标定相机内参和测量相机的仰角，利用采集的标定图像，直接使用摄影测量方法优化计算相机内参、镜头畸变、标定位置相机坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参和匹配点的三维空间坐标；
4、本发明通过已知距离两点或激光测距仪来确定比例因子，无需现场皮尺测量；该方法操作简单成本低，在实验现场无需繁琐的标定过程，因此非常适合于大视场测量与实际工程测量。
附图说明
图1为基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法的流程图；
图2为基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法的示意图。
具体实施方式
下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法，包括以下步骤：
1)获取相机和镜头的出厂参数，包括相机图像分辨率、像元尺寸和镜头焦距；
2)在实验现场根据测量视场及工作距离的要求，在三个以上成像视角下采集标定图像；
3)固定最后一个标定图像的成像位置作为相机测量位置，采集参考图像和变形图像；
4)采用SIFT、SURF或ORB特征点检测与匹配技术，对步骤2)和步骤3)中相机采集的图像进行特征点检测与匹配，并剔除异常匹配点；
5)以步骤4)的特征匹配结果为初值，在参考图像与变形图像的待测区域内，采用归一化最小平方距离相关函数进行模板匹配；
6)根据步骤5)的模板匹配结果和步骤1)中相机镜头出厂信息，以测量位置相机的光心为世界坐标系的原点，优化计算相机内参、镜头畸变、标定位置相机坐标系相对于测量位置相机坐标系的相对外参以及匹配点的三维空间坐标。
摄影测量技术中，利用自标定光束平差法以每个光束作为基本平差单元，将标志点的图像坐标
作为测量值，按照共线条件方程列出优化目标函数如下：
式中，下标i、j分别表示匹配点的序号和不同姿态的图片序号；
为标志点的投影图像坐标，K,D,Rj,Tj,
分别为相机内参、镜头畸变、外参以及标志点三维空间坐标。在全区域内统一进行平差处理，对相机内参K、镜头畸变D、不同姿态下相机坐标系相对于世界坐标系的外参Rj,Tj以及空间点坐标
进行优化求解。
7)根据步骤6)得到的匹配点三维空间坐标，以待测桥梁平面内某一点为原点，以桥梁的纵向为x轴，过该点的桥梁横截面与待测平面的交线为y轴，平面外法线方向为z轴，采用三点法建立桥梁世界坐标系，确定桥梁世界坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参；
8)根据待测平面内已知距离的两点或者激光测距仪的测量结果，确定桥梁世界坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参中平移向量的尺度信息；
9)根据步骤6)中优化求解的相机内参与步骤8)得到的含有尺度信息的桥梁世界坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参，可按公式(2)建立桥梁世界坐标系与测量位置相机坐标系的变换关系。由于相机内参A和相机外参中的旋转矩阵R和平移向量t均已确定，只需通过公式(3)求得相机投影矩阵P，便可以确定两坐标系的变换关系。
根据相机投影矩阵P，可由变形前后两幅图像上匹配点的像素坐标求得世界坐标系中对应点的坐标和位移。而该点位移在y轴上的位移分量即是该点的桥梁挠度。进一步的，可实现待测平面的全场挠度测量。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取相机和镜头的出厂参数；
2)根据实验现场要求，在三个以上成像视角下采集标定图像；
3)固定最后一个标定图像的成像位置作为相机测量位置，采集参考图像和变形图像；
4)对步骤2)和步骤3)中相机采集的图像进行特征点检测与匹配，剔除异常匹配点；
5)以步骤4)特征点的匹配结果为初值进行模板匹配；
6)根据步骤1)中相机和镜头的出厂参数与步骤5)的模板匹配结果，以测量位置相机的光心为世界坐标系的原点，采用摄影测量方法，优化计算相机内参、镜头畸变、标定位置相机坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参以及匹配点的三维空间坐标；
7)根据步骤6)得到的匹配点三维空间坐标，以待测桥梁平面内某一点为原点，以桥梁的纵向为x轴，过该点的桥梁横截面与待测平面的交线为y轴，平面外法线方向为z轴，建立桥梁世界坐标系，确定桥梁世界坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参；
8)根据待测平面内已知距离的两点或者激光测距仪的测量结果，确定世界坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参中平移向量的尺度信息；
9)根据步骤8)得到的含有尺度信息的桥梁世界坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参，根据相机平面与被测平面之间投影矩阵和变形前后的图像坐标，计算待测平面的桥梁挠度。
2.根据权利要求1所述的基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法，其特征在于，步骤1)中所述出厂参数包括相机图像分辨率、像元尺寸和镜头焦距。
3.根据权利要求1所述的基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法，其特征在于，步骤4)采用SIFT、SURF或ORB特征点检测与匹配算法识别和追踪变形前后图像上的对应点。
4.根据权利要求1所述的基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法，其特征在于，步骤5)中，以步骤4)的特征匹配结果为搜索初值，在参考图像与变形图像的待测区域内，采用归一化最小平方距离相关函数进行模板匹配。
5.根据权利要求1所述的基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法，其特征在于，步骤6)采用摄影测量方法中的自标定光束平差法以每个光束作为基本平差单元，在全区域内统一进行平差处理，具体步骤如下：a)根据每对匹配点与相机在两个位置的光心连线的共面特性，对每对匹配点建立一个共面方程，得到一个联立的方程组；b)根据步骤a)中联立的方程组列出优化目标函数，使用非线性优化算法优化求解相机内参、镜头畸变、标定位置相机坐标系相对于测量位置相机坐标系的外参以及匹配点的三维空间坐标。
6.根据权利要求1所述的基于单目三维视觉的桥梁挠度测量方法，其特征在于，步骤7)采用三点法进行世界坐标系变换。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115096191A (zh) * | 2022-02-22 | 2022-09-23 | 中南大学 | 一种基于移轴相机的桥梁多点位移监测方法 |
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