CN114593715A - 一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法 - Google Patents

一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法。在被测移动目标上安装带一个反光贴的监测标桩，在同一视场的固定位置安装带三个反光贴的参照标桩。监测时将监测标桩和参照标桩拍摄在同一幅图像中。使用图像处理算法搜索并计算出标桩上的各个反光贴的精确中心坐标。参照标桩上的反光贴中心坐标之间实际距离是已知的，与对应的图像像素距离相比可得出水平和竖直比例系数，从而可计算出监测标桩与参照标桩之间的距离。比较两幅不同时刻拍摄的照片中监测标桩与参照标桩的距离就可算出被监测目标移动的位移。本方法的优点是可实现连续实时在线监测；计算简单且测量精度不受拍照相机移动的影响；采用亚像素定心算法测量精度高。

Description

一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法
技术领域
本发明涉及工程测量技术领域，具体涉及一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法。
背景技术
随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展以及工程领域中对位移监测的不断研究，位移监测手段已由初期的人工监测、岩土传感器和传统大地测量技术转向全站仪、三维激光扫描技术以及多传感器的集成技术。但是现有的检测技术依赖通常的设备多，对环境因素依赖性强，实施经济成本偏高，并且在表面位移测量方面的手段测量精度有限，现有表面位移监测技术理想情况下能达到厘米级。其中全站仪能够实现远距离的精确测量，测量精度能够达到毫米级，但需要人工操作，不能很好地满足位移监测领域自动化、实时化的需求。并且设备价格非常昂贵，很难进行大范围的部署来实时监控任务。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法，该方法包括下列步骤:
S1、安装参照标桩、监测标桩及对应位置上的参照反光贴、监测反光贴并通过高清摄像头采集图像数据：在参照标桩和监测标桩的前方安装高清摄像头，将参照标桩和监测标桩都集中在高清摄像头视野中。并同时刻拍摄3张照片，为了消除由于镜头造成的误差。嵌入式电脑设备通过USB接口连接高清摄像头，对高清摄像头采集拍摄的图像进行数据处理。
本发明中标桩分为两类：参照标桩和监测标桩。反光贴分为两类：参照反光贴和监测反光贴。
其中，监测标桩设置有一个监测反光贴，参照标桩设置有第一、第二、第三参照反光贴。
S2、采用常规的图像处理技术搜索提取图像中监测标桩和参照标桩上的反光贴的轮廓，使用轮廓定心算法计算每个反光贴的亚像素中心坐标。步骤如下：
先对采集的初始图像进行二值化处理，针对反光贴的颜色进行通道过滤，使用开运算和闭运算消除周围噪声的干扰，去除的背景；
在数据区计算参照反光贴和监测反光贴的中心坐标，并对中心坐标进行三次插值运算，使得中心坐标达到亚像素精度。
S3、根据第一、第二、第三参照反光贴的中心坐标，计算第一、第二参照反光贴的水平像素距离Ph，计算第二、第三参照反光贴的竖直像素距离Pv，将水平像素距离Ph、竖直像素距离Pv与安装时设定的反光贴之间的实际距离相比，得出图像水平比例系数Sh和竖直比例系数Sv。
S4、计算监测反光贴相对于第一参照反光贴的水平方向和竖直方向的像素距离和实际距离；
S5、比较两幅不同时刻拍摄的照片中监测反光贴相对于第一参照反光贴的偏移量，计算得到监测目标移动的位移。
进一步地，参照标桩需要安装在水平面处，参照标桩上固定3块或4块等比例大小的参照反光贴。参照反光贴之间的实际距离和方位是固定的，用于判断监测标桩中的监测反光贴在水平方向和竖直方向是否发生位移的依据。背景均采用黑色吸光涂料。
监测标桩需要安装在视野开阔的待监测区域内，监测标桩的面积大小需要大于2倍监测反光贴。在监测标桩的中部处固定1块监测反光贴。背景采用黑色吸光涂料。
参照反光贴和监测反光贴的形状包括但不限于矩形、十字交叉形或圆形等规则几何图形。参照反光贴和监测反光贴的材料能够在拍摄的图片形成上具有一定分布特性的材料。参照反光贴和监测反光贴可选黄、绿、红、蓝等与环境互补的颜色。
在固定位置安装高清摄像头，使镜头朝向待监测目标区域，调整相机视野和焦距使其能够拍摄到监测标桩和参照标桩上所有反光贴的图像，并定时拍摄图像数据；同一时刻会对待测区域拍摄多张图像数据，最后对计算结果进行均值处理，以降低随机误差。
进一步地，所述步骤S2过程如下：
对采集的初始图像进行二值化处理，针对监测反光贴以及第一、第二、第三参照反光贴的颜色进行通道过滤，使用开运算和闭运算消除周围噪声的干扰，去除的背景；
对监测反光贴以及第一、第二、第三参照反光贴的轮廓进行匹配；
使用矩方法进行三次差值拟合计算得到监测反光贴以及第一、第二、第三参照反光贴的亚像素中心坐标。
通过对采集图像进行预处理能够减少复杂的图像背景信息，快速定位需要处理的目标区域，避免复杂的运算。
进一步地，轮廓匹配的过程如下：
对图像进行边缘增强，记录图像灰度变化超过第一比较阈值的区域；对记录的区域计算图像梯度；非极大值抑制，将有多个像素宽的边缘变成一个单像素宽的边缘；双阈值筛选，设置双阈值，分别为低阈值和高阈值，在灰度变化大于高阈值的设置为强边缘像素，剔除低于低阈值的值；边缘闭合，在边缘不闭合的地方通过低阈值和高阈值区间之间的点进行补充，使得边缘闭合，最后得到目标图像的轮廓。
使用矩方法求解亚像素中心坐标的过程如下：
先用计算出水平x轴方向和竖直y轴方向的边缘分布，M(x)为x轴方向上的灰度累加值，M(y)为y轴方向上的灰度累加值；
再根据公式
Figure BDA0003535938620000041
B为目标图像的背景值，x是初始横坐标，求解目标图像的中心横坐标x0，同理可求得目标图像的中心纵坐标y0。
使用矩方法进行三次差值拟合计算，以三次曲线的极小点逼近寻求函数的极小点，得到的中心坐标为浮点数，达到亚像素精度，提升图像的分辨率，即在软件层面通过算法极大地提升了测量精度。
进一步地，从同一时刻采集的多张监测图像中选出主图像与备用图像，将步骤S2定位的ROI区域作为数据区域，并对目标点进行编号；将目标点图像进行按照主图像规格进行图像叠加；对叠加完成的目标图像进行定心计算，得到目标图像的中心坐标精确值；将叠加图像的进行中心坐标计算，得到高精度的中心坐标。
上述步骤是为了消除镜头误差的影响，引入图像叠加技术，提升监测的稳定性和精确性，对局部数据区进行图像叠加以消除镜头自身发生的抖动。
进一步地，所述步骤S5中照片中监测反光贴相对于第一参照反光贴的偏移量的计算如下：
在t1和t2时刻拍摄照片中，监测反光贴中心坐标分别为p1和p2，得到监测反光贴相对于第一参照反光贴的偏移量△d，偏移量公式为：△d＝p1-p2。
上述步骤在不同时刻拍摄待监测目标，比较不同时刻拍摄的照片中监测反光贴相对于参照反光贴的偏移量，计算待监测目标移动的位移。在摄像头周期性的拍摄中，能够完成实时的监测任务。
进一步地，计算监测目标位移的过程如下：
通过比较前后两个时间段监测反光贴的中心坐标之间的偏移量，由水平比例系数Sh和相对偏移量△d，根据距离换算公式：△x＝△d*Sh可以得到目标移动的水平位移△x；由竖直比例系数Sv和相对偏移量△d，根据距离换算公式：△y＝△d*Sv得到目标移动的竖直位移△y。通过比例系数换算能够快速计算待监测目标的偏移量，避免了复杂的测量计算。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明通过对中心坐标使用三次样条插值将中心坐标由整像素提升至亚像素，提高了图像分辨率，在摄像系统硬件条件不变的情况下，用软件算法来提高位移监测的精度。
2、本发明通过比较不同时刻图像，计算出监测反光贴与参照反光贴之间的相对像素偏移，并将像素偏移根据事先计算的图像水平比例系数Sh和竖直比例系数Sv转换成实际偏移，避免了复杂的测量运算，具有误差小、抗干扰能力强等优点，并且能够实时在线地对远距离监测目标的位移数据进行精准的监测。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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是本发明公开的一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法的安装示意图；
图2是本发明实施例中的应用场景图；
图3是本发明公开的一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法的图像处理流程图；
图4是本发明实施例中目标图像边缘分布曲线图；
图中标记：1-监测标桩，2-监测反光贴，3-参照标桩，4-第一参照反光贴，5-第二参照反光贴，6-第三参照反光贴，7-已测量的水平距离，8-已测量的竖直距离，9-数据中心云平台，10-高清摄像头，11-监测标桩，12-参照标桩。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开了一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法，该方法包括下列步骤:
S1、安装参照标桩、监测标桩及对应位置上的参照反光贴、监测反光贴并通过高清摄像头采集图像数据：在参照标桩和监测标桩的前方安装高清摄像头，将参照标桩和监测标桩都集中在高清摄像头视野中。并同时刻拍摄3张照片，为了消除由于镜头造成的误差。嵌入式电脑设备通过USB接口连接高清摄像头，对高清摄像头采集拍摄的图像进行数据处理。
本发明中标桩分为两类：参照标桩和监测标桩。反光贴分为两类：参照反光贴和监测反光贴。
其中，监测标桩设置有一个监测反光贴，参照标桩设置有第一、第二、第三参照反光贴。
如图1所示，图1是本发明公开的一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法的安装示意图，包括：监测标桩、监测反光贴、参照标桩、参照反光贴。
在监测区域安装监测标桩和监测反光贴，在固定位置安装参照标桩和参照反光贴。安装完成后，调整摄像头的焦距和视野使得能够清晰地拍摄到监测区域的监测标桩和参照标桩。
在图2中，嵌入式电脑通过通信模块与数据中心云平台进行通信，通过USB接口与高清摄像头连接控制摄像头完成拍摄任务并读取图像数据。通过周期性地拍摄和数据处理完成监测任务。
监测目标的所有测点安装完成后，应当选取固定位置设置相机和参照标桩，相机镜头面向监测区域，调整相机视野和焦距使得能够清晰地拍摄到监测区域的所有反光贴。
S2、采用常规的图像处理技术搜索提取图像中监测标桩和参照标桩上的反光贴的轮廓，使用轮廓定心算法计算每个反光贴的亚像素中心坐标。步骤如下：
先对采集的初始图像进行二值化处理，针对反光贴的颜色进行通道过滤，使用开运算和闭运算消除周围噪声的干扰，去除的背景；
在数据区计算参照反光贴和监测反光贴的中心坐标，并对中心坐标进行三次插值运算，使得中心坐标达到亚像素精度。
S3、根据第一、第二、第三参照反光贴的中心坐标，计算第一、第二参照反光贴的水平像素距离Ph，计算第二、第三参照反光贴的竖直像素距离Pv，将水平像素距离Ph、竖直像素距离Pv与安装时设定的反光贴之间的实际距离相比，得出图像水平比例系数Sh和竖直比例系数Sv。
S4、计算监测反光贴相对于第一参照反光贴的水平方向和竖直方向的像素距离和实际距离；
S5、比较两幅不同时刻拍摄的照片中监测反光贴相对于第一参照反光贴的偏移量，计算得到监测目标移动的位移。
实施例2
本实施例用于解释位移测量的过程和步骤。设第一、第二、第三参照反光贴的中心坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，经过计算，第一、第二参照反光贴的水平像素距离Ph＝x2-x1，实际距离为Dh，第二、第三参照反光贴的竖直像素距离Pv＝y3-y2，实际距离为Dv。可以得到水平比例系数
Figure BDA0003535938620000081
竖直比例系数
Figure BDA0003535938620000082
在t1时刻监测反光贴的中心坐标为(x4，y4)，监测反光贴相对于第一参照反光贴的像素距离P14＝x1-x4，实际距离D14＝P14*Sh。
在t2时刻监测反光贴的中心坐标为(x5，y5)，监测反光贴相对于第一参照反光贴的像素距离P15＝x1-x5，实际距离D15＝P15*Sh。
相对偏移量△d＝P15-P14，目标移动的水平位移△x＝△d*Sh，竖直位移△y也同理可得。
具体参数如下：第一、第二、第三参照反光贴的中心坐标分别为(2014.2835，987.2428)、(2471.0342，985.1417)、(2467.7291，2467.7291)。
经过计算，第一、第二参照反光贴的水平像素距离Ph＝456.7507pix，实际距离为15cm；第二、第三参照反光贴的竖直像素距离Pv＝430.1945pix，实际距离为15cm；可以得到水平比例系数Sh＝0.0328cm/pix，竖直比例系数Sv＝0.0348cm/pix。
在t1时刻监测反光贴的中心坐标为(747.1293，1251.8929)，监测反光贴相对于第一参照反光贴的像素距离P14＝1267.1542pix，实际距离D14＝P14*Sh＝41.6141cm。
在t2时刻，监测目标水平移动1cm后，监测反光贴的中心坐标为(716.6792，1251.8929)，监测反光贴相对于第一参照反光贴的像素距离P15＝1297.6042pix，实际距离D15＝P15*Sh＝42.6141cm。
相对偏移量△d＝P15-P14＝30.4500，目标移动的水平位移△x＝△d*Sh＝0.8687cm。与预设值1cm的误差为0.1313cm。
实施例3
基于上述实施例1和2，本实施例继续公开如何利用矩方法求解中心坐标的过程和步骤。
对于目标图像，定义M(x)、M(y)为x和y方向的边缘分布，G(x,y)为坐标(x，y)位置处像素点的灰度值，设目标图像的边缘分布M(x)如图4所示用公式
Figure BDA0003535938620000091
Figure BDA0003535938620000092
计算出x和y方向的边缘分布M(x)，M(y)。
定义B为目标图像的背景值，再根据公式
Figure BDA0003535938620000093
求解目标图像的中心横坐标x0，同理可求的中心纵坐标y0。
综上，本实施例使用数字图像测量技术，运用计算机硬件配合专用的数字图像测量方法共同完成监测任务，是一种高自动化、高精度的测量技术。通过专用的数字图像处理技术来准确地获取目标所处空间位置，然后和初始位置的进行比较分析得到被测目标的微小位移。结合数据中心云平台可以实现对监测区域实时在线地进行动态监测。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法，其特征在于，所述位移测量方法包括下列步骤：
S1、在被监测移动目标上安装监测标桩，在固定位置上安装带3个反光贴的参照标桩，通过高清摄像头拍摄同时含有监测标桩和参照标桩的图像，所述监测标桩设置有一个监测反光贴，所述参照标桩设置有第一、第二、第三参照反光贴；
S2、通过图像处理技术搜索提取图像中监测标桩和参照标桩上的反光贴的轮廓，使用轮廓定心算法计算每个反光贴的亚像素中心坐标；
S3、根据第一、第二、第三参照反光贴的中心坐标，计算第一、第二参照反光贴的水平像素距离Ph，计算第二、第三参照反光贴的竖直像素距离Pv，将水平像素距离Ph、竖直像素距离Pv与安装时设定的反光贴之间的实际距离相比，得出图像水平比例系数Sh和竖直比例系数Sv；
S4、计算监测反光贴相对于第一参照反光贴的水平方向和竖直方向的像素距离和实际距离；
S5、比较两幅不同时刻拍摄的照片中监测反光贴相对于第一参照反光贴的偏移量，计算得到监测目标移动的位移。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法，其特征在于，所述参照反光贴和第一、第二、第三监测反光贴的形状为矩形、十字形或圆形；所述参照反光贴和第一、第二、第三监测反光贴采用黄、绿、红或蓝色；所述高清摄像头使用彩色摄像头或灰度摄像头。
3.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法，其特征在于，所述步骤S2过程如下：
对采集的初始图像进行二值化处理，针对监测反光贴以及第一、第二、第三参照反光贴的颜色进行通道过滤，使用开运算和闭运算消除周围噪声的干扰，去除的背景；
对监测反光贴以及第一、第二、第三参照反光贴的轮廓进行匹配；
使用矩方法进行三次差值拟合计算得到监测反光贴以及第一、第二、第三参照反光贴的亚像素中心坐标。
4.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，第一、第二参照反光贴的水平实际距离Dh，第二、第三参照反光贴的竖直实际距离Dv，计算得到水平比例系数
Figure FDA0003535938610000021
竖直比例系数
Figure FDA0003535938610000022
5.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的远距离高精度位移测量方法，其特征在于，通过定心算法得到亚像素级别的监测反光贴以及第一、第二、第三参照反光贴的中心坐标，对比不同时刻监测反光贴相对于第一反光贴移动的像素偏移量，利用水平比例系数Sh和竖直比例系数Sv将像素偏移量换算为实际的位移值；
在t1和t2时刻拍摄照片中，监测反光贴中心坐标分别为p1和p2，得到监测反光贴相对于第一参照反光贴的偏移量△d，偏移量公式为：△d＝p1-p2；
由水平比例系数Sh和相对偏移量△d，根据距离换算公式：△x＝△d*Sh得到目标移动的水平位移△x；
由竖直比例系数Sv和相对偏移量△d，根据距离换算公式：△y＝△d*Sv得到目标移动的竖直位移△y。
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