CN115128084A - 一种旋转式隧道衬砌的图像采集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种旋转式隧道衬砌的图像采集装置及方法，伺服电机与旋转平台转动连接，旋转平台安装角位移传感器，伺服电机驱动器与控制器连接，角位移传感器、伺服电机驱动器连接比较器。相机和照明灯沿弧形旋转支架方向固定，相邻拍摄区域重叠，两侧布置照明灯，工控机通过分频板与图像采集卡、相机和照明灯连接，图像采集卡与相机、图像处理系统连接。采集图像时，控制器通过伺服电机驱动器驱动伺服电机，旋转平台旋转，角位移传感器输出脉冲信号，通过比较器判断是否到指定位置；客车行驶，光电编码器发出脉冲信号，相机、照明灯、图像采集卡触发，图像采集卡获取图像，转换后图像处理系统处理得到拼接后图像，另一侧隧道衬砌按相同过程采集。
Description
技术领域
本发明属于道路隧道检测领域，具体为一种旋转式隧道衬砌的图像采集装置及方法。
背景技术
公路隧道存在渗漏水现象，地铁中的隧道也存在渗漏水病害。由于隧道修建时间不同，设计标准和施工工艺水平不同，加之隧道沿线穿越地质条件的差异，隧道在长期的使用过程中比普通道路更容易出现病害，如衬砌开裂、隧道渗漏水、隧道冻害、衬砌腐蚀、空洞等。其中，衬砌渗漏水严重影响隧道的安全性，易导致隧道电路损坏、设备锈蚀、衬砌结构破坏、混凝土冻胀开裂等。随着隧道设施运营时间的不断增加，隧道病害还将逐渐增多，因此增加养护效率、降低养护成本，对隧道的维护和人们的生命健康、财产安全至关重要。
对于公路的隧道结构的病害检测，对比路面检测来说，更有一系列的技术难点，目前一直没有推出合适的快速检测装备。公路的隧道结构常见病害主要表现为衬砌裂缝、断面变形、错台错缝、渗漏水、蜂窝麻面、剥落剥离等。目前对高速公路隧道病害大部分仍采取人工检查的方式，例如，隧道衬砌裂缝的检测，是采用人工肉眼识别，然后用标尺测量，相机拍照记录裂缝特质形态，人工记录裂缝位置信息。对于拱腰以上和拱顶的衬砌裂缝检测，则需要采用脚手架或者高空升降平台车，检测人员才能近距离接触到隧道内壁，采用手电筒照明，肉眼查看拱腰和拱顶的病害，不仅效率低，精度差，也严重影响公路正常通行。传统的养护检查手段方法已经不能满足高速公路的运营现状，必须设计一种先进的养护机械和施工方法，缩短养护施工作业占用车道的时间，减少交通阻塞，最大限度地实施快速养护。
目前，市面上现有的隧道检测车是基于卡车底盘改造的箱式结构，受到法规限制，车辆运行时，检测人员无法于工作间内对仪器进行操作。在相机采集时，相机支架需要突出车体两侧。除此之外，还存在着整车体积大，不便检测车停放等诸多问题。如授权公告号为CN303189688S的中国专利，公开了一种隧道检测车，其采用的是卡车车型，使用限制条件大，并且该图像采集装置不能旋转，机动灵活性差，一次只能采集隧道一侧表面的图像，效率低，工作强度大。授权公告号为CN105510351B的中国专利也够公开了一种隧道检测车，采用的也是大型卡车车型，体积较大，使用不方便，同时，这两个专利都没考虑相机镜头的焦距问题，不能进行镜头自动变焦。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种旋转式隧道衬砌的图像采集装置及方法，提高了采集效率和精度，降低了劳动强度，增强安全性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种旋转式隧道衬砌的图像采集装置，包括客车车体、旋转装置、图像采集系统和图像处理系统；
所述的旋转装置包括弧形旋转支架、伺服电机驱动器和安装在客车车体的底盘上的旋转机构，旋转机构包括旋转平台和伺服电机，伺服电机的输出端与旋转平台转动连接，弧形旋转支架的下端固定在旋转平台上，旋转平台的上表面安装有角位移传感器，伺服电机驱动器的输入端与控制器的输出端连接，角位移传感器的输出端和伺服电机驱动器的输出端均连接在工控机的比较器中。
所述图像采集系统包括光电编码器、图像采集卡和CMOS面阵相机和LED频闪照明灯，光电编码器固定在客车车体的车轮轮轴上，图像采集卡安装在工控机中，若干个CMOS面阵相机和若干个LED频闪照明灯均沿弧形旋转支架的圆周方向均匀固定，相邻两个CMOS面阵相机的拍摄区域重叠设置，CMOS面阵相机的两侧均布置有一组LED频闪照明灯，工控机的输出端通过分频板分别与图像采集卡、每个CMOS面阵相机和LED频闪照明灯的输入端连接，图像采集卡的输入端与每个CMOS面阵相机的输出端连接，图像采集卡的输出端与图像处理系统连接，图像处理系统用于将图像采集卡获取的图片进行预处理后得到拼接后的图像。
优选的，所述的客车车体中布置有操作室，操作室中放置有伺服电机驱动器、控制器和工控机柜，工控机柜中安装有工控机。
优选的，还包括安装在底盘上方的发电机，客车车体中的发动机通过传动带与发电机连接，发电机的输出端连接在工控机柜内的电源中，所述电源与工控机连接。
优选的，所述工控机中同步控制电路的输出端分别连接到CMOS面阵相机总线上和LED频闪照明灯总线上，若干个LED灯串联形成一个LED频闪照明灯，若干个LED频闪照明灯并联连接在LED频闪照明灯总线上，若干个CMOS面阵相机并联连接到CMOS面阵相机总线上。
优选的，所述的旋转平台包括底座、第一交叉滚子轴承、第二交叉滚子轴承、第一齿轮、第二齿轮和旋转台面；
所述的底座包括圆形底板和固定在所述圆形底板上表面中心的第一圆环，第一圆环的中心与圆形底板的中心重合，第一圆环的直径小于圆形底板，圆形底板固定在底盘上表面的中心，第二交叉滚子轴承外表面与第一圆环内壁贴合，第一齿轮中心的上表面和下表面对称固定有第二圆环和第三圆环，第三圆环的外壁与第二交叉滚子轴承内表面贴合，第一交叉滚子轴承套设在第二圆环的外壁上，旋转台面包括圆形顶板和固定在所述圆形顶板下表面中心的第四圆环，第四圆环的内壁贴合在第一交叉滚子轴承的外表面，伺服电机的输出端与第一齿轮转动连接。
进一步，所述的伺服电机位于底座的一侧，伺服电机通过一个支架固定在底盘上，第二齿轮安装在伺服电机的输出轴上，第一齿轮和第二齿轮啮合设置。
优选的，所述的弧形旋转支架所对应圆环的圆心与待采集隧道所对应的圆心重合，LED频闪照明灯均安装在第一支架上，CMOS面阵相机均安装在第二支架上，第一支架和第二支架均固定在弧形旋转支架上，CMOS面阵相机两侧的LED频闪照明灯所发出的光线与CMOS面阵相机到隧道衬砌表面的垂线夹角均为5～8度。
优选的，还包括固定在弧形旋转支架上的激光传感器，激光传感器为3～5个，每个激光传感器与LED频闪照明灯的一端贴合设置，每个激光传感器与相应的CMOS面阵相机位置相对，每个激光传感器的输出端与工控机的输入端连接。
一种旋转式隧道衬砌的图像采集方法，基于上述任意一项所述的旋转式隧道衬砌的图像采集装置，包括如下步骤：
步骤1，客车进入隧道后，控制器向伺服电机驱动器发出指令，驱动伺服电机开始工作，带动旋转平台旋转，使弧形旋转支架旋转至与客车长度方向垂直，角位移传感器将旋转平台的位置变化输出为脉冲信号，伺服电机驱动器产生的脉冲信号与角位移传感器输出的脉冲信号在比较器中进行比较，若所述的两个脉冲信号相等，控制器通过伺服电机驱动器，使伺服电机停止工作；若所述的两个脉冲信号不相等，控制器通过伺服电机驱动器驱动伺服电机带动旋转平台旋转，直至所述的两个脉冲信号相等，再按相同的过程停止伺服电机工作；
步骤2，客车开始行驶，光电编码器发出脉冲信号给工控机，工控机对信号进行变换后经分频板，分别得到触发CMOS面阵相机、LED频闪照明灯和图像采集卡的脉冲信号，当CMOS面阵相机接收到脉冲信号的上升沿开始触发，之后LED频闪照明灯接收脉冲信号的上升沿触发LED频闪照明灯，图像采集卡触发后，获取CMOS面阵相机的图像信号，经过AD转换，转换成图像处理系统能够识别的数字信号；
步骤3，图像处理系统依次对图像进行中值滤波去噪、归一化和柱面投影，然后求取所得柱面全景图中参考区和待拼接区中每个像素点的方向梯度幅值，计算参考区和待拼接区中各子区域内每个像素点的方向梯度幅值总和占整体监测区域每个像素点的梯度幅值总和的比重，对占比最大的子区域进行特征点提取，之后匹配得到两个最大子区域的匹配点对集合，剔出误匹配特征点，最后消除参考区和待拼接区拼接处的拼接缝，完成一侧隧道衬砌的图像采集；
步骤4，按照步骤1～步骤3的过程对另一侧隧道衬砌的图像进行采集，完成对隧道衬砌的图像采集。
进一步，步骤2中，当工控机计算到CMOS面阵相机镜头到隧道衬砌表面的最短直线H满足以下关系时，CMOS面阵相机在景深范围内拍照：
H0-ΔL1<H<H0+ΔL2；
其中H0为隧道口处激光传感器到隧道衬砌表面的垂直距离，ΔL1为前景深，ΔL2为后景深，H按如下公式得到：
其中A为CMOS面阵相机的视野，f为CMOS面阵相机的镜头焦距，a为C MOS面阵相机的尺寸大小，A按如下公式得到：
A＝H0×tanα，
其中的M通过如下过程得到：
两个相邻的CMOS面阵相机在隧道衬砌表面上形成两个相同形状的长方形区域，当激光传感器位于其中一个长方形区域的中心时，激光传感器距离另一个长方形区域的中心距离为Mi，M为所有激光传感器对应的Mi的平均值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种旋转式隧道衬砌的图像采集装置，旋转机构安装在客车车体的底盘上，由于弧形旋转支架下端固定在旋转平台上，旋转平台上表面安装有角位移传感器，伺服电机驱动器输入端与控制器输出端连接，角位移传感器输出端和伺服电机驱动器输出端均连接在工控机的比较器中，这样控制器可向伺服电机驱动器发出指令，驱动伺服电机开始工作，带动旋转平台旋转，使弧形旋转支架旋转至与客车长度方向垂直，角位移传感器此时将旋转平台的位置变化输出为脉冲信号，伺服电机驱动器产生的脉冲信号与角位移传感器输出的脉冲信号在比较器中进行比较，若脉冲信号相等，控制器通过伺服电机驱动器使伺服电机停止工作；若不相等，控制器通过伺服电机驱动器驱动伺服电机带动旋转平台旋转，直至相等，再按相同的过程停止伺服电机工作。CMOS面阵相机的镜头有基于图像处理技术的自动对焦功能，对焦结构简单，若干个CMOS面阵相机和若干个LED频闪照明灯均沿弧形旋转支架的圆周方向均匀固定，CMOS面阵相机的两侧均布置有一组LED频闪照明灯，可解决拍摄图像中存在的照明不足和照明不均匀问题，同时可使相邻两个CMOS面阵相机的拍摄区域重叠，保证不会遗漏隧道衬砌的图像，保证图像的质量。光电编码器固定在客车车体的车轮轮轴上，这样客车开始行驶，光电编码器发出脉冲信号给工控机，由于工控机的输出端通过分频板分别与图像采集卡、每个CMOS面阵相机和LED频闪照明灯的输入端连接，工控机对信号进行变换后可经分频板分别得到触发CMOS面阵相机、LED频闪照明灯和图像采集卡的脉冲信号，当CMOS面阵相机接收到脉冲信号的上升沿开始触发，之后LED频闪照明灯接收脉冲信号的上升沿触发LED频闪照明灯，图像采集卡触发后，由于其输入端与每个CMOS面阵相机的输出端连接，图像采集卡便可获取CMOS面阵相机的图像信号，经过AD转换，转换成图像处理系统能够识别的数字信号，图像处理系统可进行预处理，最后得到拼接后的图像。本发明采用客车作为底盘，体积小，工作和停放方便，操作方便，保证操作空间的舒适性，同时避免法规对车辆的使用限制。采用弧形旋转支架，能够同时采集两车道的隧道衬砌图像，工作效率高。客车车体整体质量轻，采集速度快，效率高，之后再进一步对拼接后的图像进行检测时，若有裂缝，裂缝精度高。客车结构简单，造价成本低，可应用性高。
本发明一种旋转式隧道衬砌图像采集方法，客车进入隧道后，控制器可向伺服电机驱动器发出指令，驱动伺服电机带动旋转平台旋转，使弧形旋转支架旋转至与客车长度方向垂直；角位移传感器可将旋转平台的位置变化输出为脉冲信号，伺服电机驱动器产生的脉冲信号与角位移传感器输出的脉冲信号在比较器中进行比较，若两个脉冲信号相等，伺服电机停止工作；若不相等，旋转平台继续旋转至相等；客车行驶后光电编码器可发出脉冲信号给工控机，工控机对信号变换后经分频板分别得到触发CMOS面阵相机、LED频闪照明灯和图像采集卡的脉冲信号，当CMOS面阵相机接收到脉冲信号的上升沿开始触发，之后LED频闪照明灯接收脉冲信号的上升沿触发LED频闪照明灯，图像采集卡触发后获取CMOS面阵相机的图像信号，经过AD转换，可转换成图像处理系统能够识别的数字信号；图像处理系统可对图像进行中值滤波去噪、归一化和柱面投影，然后求取参考区和待拼接区中每个像素点的方向梯度幅值，计算参考区和待拼接区中各子区域内每个像素点的方向梯度幅值总和占整体监测区域每个像素点的梯度幅值总和的比重，对占比最大的子区域进行特征点提取，匹配得到两个最大子区域的匹配点对集合，剔出误匹配特征点，最后可消除参考区和待拼接区拼接处的拼接缝，完成一侧隧道衬砌的图像采集；对于另一侧隧道衬砌的图像采集可按相同过程进行，最终完成对隧道衬砌的图像采集。客车作为隧道检测车作业时，弧形旋转支架旋转至所需方向，无需突出车体，从而解决行车安全问题。图像采集完成后进行图像拼接工作，伺服电机驱动旋转平台，与驱动器和位置传感器形成闭环控制，定位精确，抗过载能力强，低速运行平稳，噪音低。
附图说明
图1为本发明所述图像采集装置的整体框架示意图。
图2为图1的内部示意图。
图3为本发明所述旋转平台的爆炸图。
图4为本发明所述弧形旋转支架示意图。
图5为本发明所述伺服电机的工作流程示意图。
图6为本发明所述的CMOS面阵相机安装位置示意图。
图7为本发明所述弧形旋转支架上CMOS面阵相机与LED频闪照明灯的排列方式示意图。
图8为本发明所述采集装置的图像采集流程图。
图9为本发明所述变焦镜头工作示意图。
图10为本发明所述景深变化时镜头调焦流程图。
图11为本发明所述图像拼接流程图。
图12为本发明传感器支架上激光传感器的安装角度示意图。
图13为本发明的旋转弧形支架右侧照明拍摄示意图。
图14为本发明的旋转弧形支架左侧照明拍摄示意图。
图中：发电机1，操作室2，弧形旋转支架3，底盘4，LED频闪照明灯5，CMOS面阵相机6，激光传感器7，旋转台面8，第一交叉滚子轴承11，第一齿轮12，第二交叉滚子轴承13，第二齿轮14，底座15，光电编码器16，分频板17，图像采集卡18和隧道衬砌表面19。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本实发明的内容做进一步说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种旋转式隧道衬砌的图像采集装置，如图1和图2所示，包括小型客车车体，以及旋转装置和图像采集系统。旋转装置包括弧形旋转支架3和旋转机构，旋转机构安装在小型客车车体的底盘4上，弧形旋转支架3固定在旋转机构上，可满足隧道内两车道的检测。小型客车车体内部包含有操作室2，操作室2放置有伺服电机驱动器、控制器和工控机柜，控制器的输出端与伺服电机驱动器的输入端连接，工控机柜里安装有工控机和用于控制CMOS面阵相机6、LED频闪照明灯5的同步控制电路。发电机1安装在支架上，支架安装在小型客车车体的底盘4上，紧靠着操作室2，不占用小型客车车体内部空间。汽车启动后，发动机通过传动带带动发电机1工作，发电机1的输出端通过电源线连接到工控机柜内的电源，电源上自带有工控机供电线，与工控机连接，从而为工控机提供电流，电源通过一条电源线连接到现有的同步控制电路的输入端，输出端则通过两条电源线分别连接到CMOS面阵相机和LED频闪照明灯的总线上为其提供电流，多个LED灯串联形成一个LED频闪照明灯5，多个LED频闪照明灯5并联连接在LED频闪照明灯的总线上，多个CMOS面阵相机6并联连接到CMOS面阵相机的总线上。小型客车车体较小，机动性强，保证操作空间的舒适性。
旋转机构包括旋转平台、伺服电机、伺服电机驱动器和位置传感器。旋转平台的结构如图3所示，包括底座15、第二交叉滚子轴承13、第一交叉滚子轴承11，大的第一齿轮12、小的第二齿轮14、旋转台面8。底座15包括一个圆形底板和焊接在该圆形底板上表面中心的第一圆环，第一圆环的中心与圆形底板的中心重合，第一圆环的直径小于圆形底板，圆形底板固定在底盘4上表面的中心位置处，圆形底板的中心与底盘4的中心重合。第二交叉滚子轴承13的外表面与第一圆环的内壁贴合设置，第一齿轮12中心的上表面和下表面对称焊接有第二圆环和第三圆环，第三圆环的外壁与第二交叉滚子轴承13的内表面贴合设置，第一交叉滚子轴承11套设在第二圆环的外壁上，旋转台面8包括一个圆形顶板和焊接在该圆形顶板下表面中心的第四圆环，第四圆环的中心与圆形顶板的中心重合，第四圆环的内壁贴合在第一交叉滚子轴承11的外表面上。伺服电机采用永磁式交流伺服电机，永磁式交流伺服电机位于底座15的一侧，通过一个支架固定在底盘4上，第二齿轮14安装在永磁式交流伺服电机的输出轴上，被永磁式交流伺服电机驱动。第一齿轮12和第二齿轮14啮合，被第二齿轮14驱动。如图5所示，操作室2中的控制器向伺服电机驱动器发出指令，驱动永磁式交流伺服电机开始工作，带动旋转平台旋转至所需位置。位置传感器采用角位移传感器，安装在旋转台面8的上表面，并与伺服电机驱动器形成闭环控制。角位移传感器的输出端与伺服电机驱动器的输出端共同连接到工控机中的比较器上，伺服电机驱动器产生脉冲信号，驱动永磁式交流伺服电机旋转，从而驱动第二齿轮14带动旋转机构旋转，角位移传感器将旋转平台的位置变化输出为脉冲信号，将伺服电机驱动器产生的脉冲信号与角位移传感器输出的脉冲信号在比较器中进行比较，若相等则说明旋转平台已经旋转至所需方向，此时控制器发出信号至伺服电机驱动器，停止伺服电机工作；若不相等，则控制器发出信号至伺服电机驱动器，驱动伺服电机带动旋转平台旋转，直至信号相等，再按相同的过程停止伺服电机工作。驱动器可以控制永磁式交流伺服电机的速度、位置和力矩。小型客车作为隧道检测车作业时，弧形旋转支架3跟随旋转机构一起旋转至所需方向，弧形旋转支架3无需突出车体，从而解决行车安全问题。
图像采集系统包括光电编码器、CMOS面阵相机6、支架、图像采集卡和照明系统组成，照明系统包括若干个LED频闪照明灯5组成的两列照明灯组，每个LED频闪照明灯5中LED灯成阵列分步，如图4所示，LED频闪照明灯5安装在第一支架上，第一支架固定在弧形旋转支架3上，且第一支架的上表面与弧形旋转支架3的弧面有5～8度倾角，能使LED频闪照明灯5所发出的光线与CMOS面阵相机6到隧道衬砌表面19的垂线夹角同样均为5～8度，使得左右两排照明区域重合，形成高亮度光面，第二支架上安装有CMOS面阵相机6。其中关于CMOS面阵相机6和照明系统做如下说明：照明系统所提供的照明时段等于CMOS面阵相机6捕获图像的时段，即CMOS面阵相机6的曝光时间。CMOS面阵相机6捕获图像的频率与照明系统提供照明的频率相同。照明系统安装固定在CMOS面阵相机6两侧，如图7所示，为CMOS面阵相机6提供光源，解决以往CMOS面阵相机7拍摄图像中存在的照明不足和照明不均匀问题。
CMOS面阵相机6采用500万像素高速面阵相机，镜头采用电动变焦镜头，其中的电机与镜头是一体的，CMOS面阵相机6的型号为MV-CA050-19GM，采用基于测量信息和数学模型进行直接控制，实现镜头的自动对焦，CMOS面阵相机6的曝光时间为10微秒。考虑到隧道表面为弧形，本发明采用28台CMOS面阵相机同时拍摄，每两台面阵相机相隔4.5～5.5度，以这种方式均匀安装在弧形旋转支架3上，如图6所示，分布在以隧道中心为圆心的同心圆上，分别采取等长的圆弧，相邻两台CMOS面阵相机拍摄的区域有一定的重合区域，以保证对衬砌图像的采集没有遗漏。
本发明的旋转式隧道衬砌图像采集装置的图像采集流程如图8所示。隧道检测车进入隧道后，旋转装置位于0度位置，检测隧道右侧衬砌图像，如图13所示，不需要旋转装置。隧道检测车开始行驶，安装在车轮轮轴上的光电编码器16被带动并发出脉冲信号通过信号线传递给工控机，工控机通过现有的信号控制器对信号进行变换后经过安装在工控机中的分频板17，分别得到触发CMOS面阵相机6、LED频闪照明灯5的脉冲信号及其触发图像采集卡18的脉冲信号，图像采集卡18安装在工控机槽口中并与工控机的输出端连接，当CMOS面阵相机6接收到脉冲信号的上升沿开始触发，但是由于CMOS面阵相机6接收到触发信号到开始拍照存在一定的延迟时间，因此需要设置一定的延时时间，之后LED频闪照明灯5接收脉冲信号的上升沿触发LED频闪照明灯5，从而实现CMOS面阵相机6和LED频闪照明灯5的同步工作，且延时时间是由CMOS面阵相机6的型号和实验确定的。图像采集卡18触发后，通过与CMOS面阵相机6相连接的视频线获取CMOS面阵相机6的图像信号，经过AD转换，转换成电脑能够识别，处理的数字信号，图像采集卡18将海量数据通过PCI总线直接传输到另外一个电脑中进行之后的图片处理。
第一支架旁可以均匀布置安装3～5个激光传感器，图4中第一支架旁均匀布置安装了三个激光传感器，每个激光传感器7与LED频闪照明灯5的一端贴合设置，每个激光传感器7与相应的CMOS面阵相机6位置相对，每个激光传感器7的输出端均与工控机的输入端连接，旋转装置位于0度位置时，3个激光传感器与隧道形成同心圆。如图12所示，其中的两个长方形为两个相邻的CMOS面阵相机6在隧道衬砌表面19上形成的区域，一个激光传感器7与左侧(即下方)长方形的垂直距离为H0，M为激光传感器7到右侧长方形中心的距离，H0和M所在的直线有一定的夹角，工控机的计算公式为：
A＝H0×tanα (2)
式中：A为CMOS面阵相机6的视野；H0为隧道口处激光传感器到隧道衬砌表面的垂直距离，通过计算平均值得到夹角的准确值。
根据CMOS面阵相机6的视野A、CMOS面阵相机6的尺寸大小a，工控机可算出CMOS面阵相机6的镜头到隧道衬砌表面19的最短直线距离H，计算公式如下：
景深的计算公式如下：
式中：ΔL为景深；ΔL1为前景深；ΔL2为后景深；f为镜头焦距，即初始焦距；F为镜头拍摄时的光圈值；δ为弥散圆直径；L为对焦距离。
当计算到镜头到隧道衬砌表面的最短直线H满足以下关系时，即在景深范围内拍照，用景深代替调焦，相机能清晰成像，隧检车继续向前行驶。
H0-ΔL1<H<H0+ΔL2 (5)
CMOS面阵相机6的镜头有基于图像处理技术的自动对焦功能，对焦结构简单。当超过自动对焦的焦距对应的景深范围时，会造成离焦模糊，不能清晰成像，工控机上现有的逻辑控制预警系统发出预警。由于CMOS面阵相机6自身的硬件限制，其光圈值和对焦距离限制，采用的是变焦镜头，根据镜头焦距和景深的对应关系：镜头焦距越长，景深越小；镜头焦距越短，景深越大。如图9所示，工控机的镜头控制器通过信号线驱动电机适当调整镜头焦距值，以至于能够清晰成像，继续行驶拍摄图像，如图10。
由于CMOS面阵相机的布置为弧形，进行图像拼接时会出现径向失真，透视畸变问题。因此图像拼接过程时，如图11，先对图像依次进行中值滤波去噪和归一化，其中参考图像为第一张图片或者与待拼接图像拼接的图像。
之后，采用柱面投影成像模型进行柱面投影，柱面投影是先对CMOS面阵相机的焦距进行估计，再将图像投影到以CMOS面阵相机焦距为半径的柱面上。假设CMOS面阵相机的坐标系为OXYZ，图像I上任意一个像素点的坐标为P(x,y)，相应地，投影到以CMOS面阵相机焦距为半径的柱面上的坐标表示为P1(x1,y1)，得到所有CMOS面阵相机拍摄的图像形成的柱面全景图，柱面投影成像模型是在透视成像模型基础上对Y(Z)坐标值进行球面投影，对Z(Y)坐标值保持不变的一种变换。经过柱面投影进行变换之后，柱面投影图可以直接展开成为一个矩形平面的图像，还可以利用其在计算机内的图像格式直接进行提取。
接着采用Robert边缘检测算子求取柱面全景图中参考区和待拼接区中每个像素点的方向梯度幅值，再对参考区和待拼接区进行分块，计算它们各子区域内每个像素点的方向梯度幅值总和占整体监测区域每个像素点的梯度幅值总和的比重，将占比最大的子区域用于后续的SURF配准。具体地，首先计算待检测区域每个像素点的方向梯度幅值G，计算公式如下：
式中：f(x,y)为图像像素点灰度值。
再对该区域进行分块，为了提高算法的准确性，采用200×150的区域尺寸对图像进行分块。
接着计算各子区域内每个像素点的方向梯度幅值总和占整体监测区域梯度幅值总和的比重，计算公式为：
式中：Di为第i个子区域的梯度幅值总和；D为整个垂直区域的梯度幅值总和；ηi则为每个子区域占比大小。
最后找出占比最大的子区域即
Dimax＝max{η1,η2.....ηi} (13)
使用SURF特征提取的方法对之前提到的最大子区域分别进行特征点提取，得到两个最大子区域对应的特征点集。
找出参考区最大子区域中任意一个特征点a与待拼接区最大子区域中欧氏距离最小和次最小的特征点b和特征点c，特征点a和特征点b的欧氏距离，特征点a和特征点c的欧氏距离分别为d1、d 2 。若比值d1/d2小于给定的阈值T(通常取0.6-0.8)时，即视为匹配成功，得到两个最大子区域的匹配点对集合，之后用RANSAC算法剔出误匹配特征点。RANSAC算法即随机采样一致性算法，不仅可以有效地剔除大量误匹配点，还可以得到鲁棒性更好的估计结果。
最后采用渐入渐出法消除因光照不均出现在参考区和待拼接区拼接处的拼接缝，得到拼接后的图像，依此过程完成后续图像的拼接，得到所需的图像。
当隧道一侧图像采集完以后，工作人员通过控制器控制伺服电机旋转装置，顺时针旋转180度，当旋转至180度以后，角位移传感器检测到旋转机构，控制器发出信号至伺服电机驱动器，停止伺服电机工作，如图14所示，再开始检测隧道另一侧的隧道衬砌图像采集，方法与0度时一样，之后客车开到需要检测的地方继续采集。
Claims (10)
1.一种旋转式隧道衬砌的图像采集装置，其特征在于，包括客车车体、旋转装置、图像采集系统和图像处理系统；
所述的旋转装置包括弧形旋转支架(3)、伺服电机驱动器和安装在客车车体的底盘(4)上的旋转机构，旋转机构包括旋转平台和伺服电机，伺服电机的输出端与旋转平台转动连接，弧形旋转支架(3)的下端固定在旋转平台上，旋转平台的上表面安装有角位移传感器，伺服电机驱动器的输入端与控制器的输出端连接，角位移传感器的输出端和伺服电机驱动器的输出端均连接在工控机的比较器中；
所述图像采集系统包括光电编码器(16)、图像采集卡(18)和CMOS面阵相机(6)和LED频闪照明灯(5)，光电编码器(16)固定在客车车体的车轮轮轴上，图像采集卡(18)安装在工控机中，若干个CMOS面阵相机(6)和若干个LED频闪照明灯(5)均沿弧形旋转支架(3)的圆周方向均匀固定，相邻两个CMOS面阵相机(6)的拍摄区域重叠设置，CMOS面阵相机(6)的两侧均布置有一组LED频闪照明灯(5)，工控机的输出端通过分频板(17)分别与图像采集卡(18)、每个CMOS面阵相机(6)和LED频闪照明灯(5)的输入端连接，图像采集卡(18)的输入端与每个CMOS面阵相机(6)的输出端连接，图像采集卡(18)的输出端与图像处理系统连接，图像处理系统用于将图像采集卡(18)获取的图片进行预处理后得到拼接后的图像。
2.根据权利要求1所述的旋转式隧道衬砌的图像采集装置，其特征在于，所述的客车车体中布置有操作室(2)，操作室(2)中放置有伺服电机驱动器、控制器和工控机柜，工控机柜中安装有工控机。
3.根据权利要求1所述的旋转式隧道衬砌的图像采集装置，其特征在于，还包括安装在底盘(4)上方的发电机(1)，客车车体中的发动机通过传动带与发电机(1)连接，发电机(1)的输出端连接在工控机柜内的电源中，所述电源与工控机连接。
4.根据权利要求1所述的旋转式隧道衬砌的图像采集装置，其特征在于，所述工控机中同步控制电路的输出端分别连接到CMOS面阵相机总线上和LED频闪照明灯总线上，若干个LED灯串联形成一个LED频闪照明灯(5)，若干个LED频闪照明灯(5)并联连接在LED频闪照明灯总线上，若干个CMOS面阵相机(6)并联连接到CMOS面阵相机总线上。
5.根据权利要求1所述的旋转式隧道衬砌的图像采集装置，其特征在于，所述的旋转平台包括底座(15)、第一交叉滚子轴承(11)、第二交叉滚子轴承(13)、第一齿轮(12)、第二齿轮(14)和旋转台面(8)；
所述的底座(15)包括圆形底板和固定在所述圆形底板上表面中心的第一圆环，第一圆环的中心与圆形底板的中心重合，第一圆环的直径小于圆形底板，圆形底板固定在底盘(4)上表面的中心，第二交叉滚子轴承(13)外表面与第一圆环内壁贴合，第一齿轮(12)中心的上表面和下表面对称固定有第二圆环和第三圆环，第三圆环的外壁与第二交叉滚子轴承(13)内表面贴合，第一交叉滚子轴承(11)套设在第二圆环的外壁上，旋转台面(8)包括圆形顶板和固定在所述圆形顶板下表面中心的第四圆环，第四圆环的内壁贴合在第一交叉滚子轴承(11)的外表面，伺服电机的输出端与第一齿轮(12)转动连接。
6.根据权利要求5所述的旋转式隧道衬砌的图像采集装置，其特征在于，所述的伺服电机位于底座(15)的一侧，伺服电机通过一个支架固定在底盘(4)上，第二齿轮(14)安装在伺服电机的输出轴上，第一齿轮(12)和第二齿轮(14)啮合设置。
7.根据权利要求1所述的旋转式隧道衬砌的图像采集装置，其特征在于，所述的弧形旋转支架(3)所对应圆环的圆心与待采集隧道所对应的圆心重合，LED频闪照明灯(5)均安装在第一支架上，CMOS面阵相机(6)均安装在第二支架上，第一支架和第二支架均固定在弧形旋转支架(3)上，CMOS面阵相机(6)两侧的LED频闪照明灯(5)所发出的光线与CMOS面阵相机(6)到隧道衬砌表面(19)的垂线夹角均为5～8度。
8.根据权利要求1所述的旋转式隧道衬砌的图像采集装置，其特征在于，还包括固定在弧形旋转支架(3)上的激光传感器(7)，激光传感器(7)为3～5个，每个激光传感器(7)与LED频闪照明灯(5)的一端贴合设置，每个激光传感器(7)与相应的CMOS面阵相机(6)位置相对，每个激光传感器(7)的输出端与工控机的输入端连接。
9.一种旋转式隧道衬砌的图像采集方法，其特征在于，基于权利要求1～8中任意一项所述的旋转式隧道衬砌的图像采集装置，包括如下步骤：
步骤1，客车进入隧道后，控制器向伺服电机驱动器发出指令，驱动伺服电机开始工作，带动旋转平台旋转，使弧形旋转支架(3)旋转至与客车长度方向垂直，角位移传感器将旋转平台的位置变化输出为脉冲信号，伺服电机驱动器产生的脉冲信号与角位移传感器输出的脉冲信号在比较器中进行比较，若所述的两个脉冲信号相等，控制器通过伺服电机驱动器，使伺服电机停止工作；若所述的两个脉冲信号不相等，控制器通过伺服电机驱动器驱动伺服电机带动旋转平台旋转，直至所述的两个脉冲信号相等，再按相同的过程停止伺服电机工作；
步骤2，客车开始行驶，光电编码器(16)发出脉冲信号给工控机，工控机对信号进行变换后经分频板(17)，分别得到触发CMOS面阵相机(6)、LED频闪照明灯(5)和图像采集卡(18)的脉冲信号，当CMOS面阵相机(6)接收到脉冲信号的上升沿开始触发，之后LED频闪照明灯(5)接收脉冲信号的上升沿触发LED频闪照明灯(5)，图像采集卡(18)触发后，获取CMOS面阵相机(6)的图像信号，经过AD转换，转换成图像处理系统能够识别的数字信号；
步骤3，图像处理系统依次对图像进行中值滤波去噪、归一化和柱面投影，然后求取所得柱面全景图中参考区和待拼接区中每个像素点的方向梯度幅值，计算参考区和待拼接区中各子区域内每个像素点的方向梯度幅值总和占整体监测区域每个像素点的梯度幅值总和的比重，对占比最大的子区域进行特征点提取，之后匹配得到两个最大子区域的匹配点对集合，剔出误匹配特征点，最后消除参考区和待拼接区拼接处的拼接缝，完成一侧隧道衬砌的图像采集；
步骤4，按照步骤1～步骤3的过程对另一侧隧道衬砌的图像进行采集，完成对隧道衬砌的图像采集。
10.根据权利要求9所述的旋转式隧道衬砌的图像采集方法，其特征在于，步骤2中，当工控机计算到CMOS面阵相机(6)镜头到隧道衬砌表面的最短直线H满足以下关系时，CMOS面阵相机(6)在景深范围内拍照：
H0-ΔL1<H<H0+ΔL2；
其中H0为隧道口处激光传感器到隧道衬砌表面的垂直距离，ΔL1为前景深，ΔL2为后景深，H按如下公式得到：
其中A为CMOS面阵相机(6)的视野，f为CMOS面阵相机(6)的镜头焦距，a为C MOS面阵相机(6)的尺寸大小，A按如下公式得到：
A＝H0×tanα，
其中的M通过如下过程得到：
两个相邻的CMOS面阵相机(6)在隧道衬砌表面(19)上形成两个相同形状的长方形区域，当激光传感器(7)位于其中一个长方形区域的中心时，激光传感器(7)距离另一个长方形区域的中心距离为Mi，M为所有激光传感器(7)对应的Mi的平均值。
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