CN115578455A - 混凝土结构室内预留洞口的定位方法 - Google Patents

混凝土结构室内预留洞口的定位方法 Download PDF

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CN115578455A CN202211273394.9A CN202211273394A CN115578455A CN 115578455 A CN115578455 A CN 115578455A CN 202211273394 A CN202211273394 A CN 202211273394A CN 115578455 A CN115578455 A CN 115578455A
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张琴
赵趯
潘志专
赵猛
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卢昱杰
王海松
刘博�
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Abstract

本发明涉及一种混凝土结构室内预留洞口的定位方法，包括：获取室内施工场地巡检视频，以及视频中每一帧图像对应的相机位姿信息；对每一帧图像的洞口进行目标检测，并对洞口进行框选标记；根据该相机位姿信息以及相应洞口的框选标记进行仿射变换，确定该框选标记的中心位置相对于相机的方位以及俯角；将该俯角大于17度的洞口设为竖向洞口，并筛选具有竖向洞口的图像；根据该相机位姿信息，分别确定具有竖向洞口的图像中的竖向洞口在三维世界中的三维坐标；根据该三维坐标确定相应该竖向洞口的三维位置信息。本发明解决了现有技术中混凝土结构中的竖向洞口具有安全隐患的技术问题。

Description

混凝土结构室内预留洞口的定位方法
技术领域
本发明涉及建筑施工领域，尤其涉及一种混凝土结构室内预留洞口的定位方法。
背景技术
施工现场主体结构施工时，在混凝土现浇结构施工完成、模板支架体系拆除完成后，已完成混凝土结构中会预留大量的竖向洞口，这些洞口如果未能采取防护措施，就会有导致高处坠落事故的风险。施工现场安全管理过程中，一般是通过现场管理人员现场专项巡视检查，安排工人设置好安全防护设施，确保现场无此类安全隐患。但是施工现场环境复杂，一方面现场管理人员检查难以面面俱到，另一方面已设置好的防护设施存在被破坏的可能，这都增加了项目的安全管理的风险。
发明内容
针对上述现有技术中存着的不足之处，本发明提供了一种混凝土结构室内预留洞口的定位方法，解决了现有技术中混凝土结构中的竖向洞口具有安全隐患的技术问题。
本发明公开了一种混凝土结构室内预留洞口的定位方法，包括：获取室内施工场地巡检视频，以及视频中每一帧图像对应的相机位姿信息；对每一帧图像的洞口进行目标检测，并对洞口进行框选标记；根据该相机位姿信息以及相应洞口的框选标记进行仿射变换，确定该框选标记的中心位置相对于相机的方位以及俯角；将该俯角大于17度的洞口设为竖向洞口，并筛选具有竖向洞口的图像；根据该相机位姿信息，分别确定具有竖向洞口的图像中的竖向洞口在三维世界中的三维坐标；根据该三维坐标确定相应该竖向洞口的三维位置信息。
本发明混凝土结构室内预留洞口的定位方法进一步改进在于，确定竖向洞口在三维世界中的三维坐标的步骤包括：
a)通过具有竖向洞口的图像、该竖向洞口位于该图像上的位置、与该图像对应的相机位姿信息，以及该竖向洞口相对于相机的方位信息，确定出竖向洞口的中心位置在三维空间中至该相机的直线的方程：
Figure BDA0003895564990000021
其中，(x0,y0,z0)为相机的三维坐标，(a,b,c)为洞口中心相对于相机的方向向量，n为大于0的任意值，大于0表明其方向为从相机至洞口，(x，y，z)为竖向洞口中心位置的三维坐标；
b)根据方程(1)，以及巡检楼层地面的在三维空间中的面方程Ax+By+Cz+D＝0(2)，确定洞口中心在三维空间中的三维坐标(x，y，z)为：
Figure BDA0003895564990000022
其中，A、B、C、D均为已知的参数；
c)重复上述步骤a)及步骤b)直至得到所有竖向洞口的三维空间中的三维坐标。
本发明混凝土结构室内预留洞口的定位方法进一步改进在于，根据该三维坐标确定相应该竖向洞口的三维位置信息的步骤包括：
d)将所有包含竖向洞口的图像中的同一竖向洞口的三维坐标进行基于密度的聚类，得到最终的三维坐标作为该竖向洞口的三维位置信息；
e)重复步骤d)，直至得到所有竖向洞口的三位位置信息。
本发明混凝土结构室内预留洞口的定位方法进一步改进在于，该相机位姿信息包括相机的位置坐标信息以及相机的角度姿态信息。
本发明混凝土结构室内预留洞口的定位方法进一步改进在于，对每一帧图像的洞口进行目标检测的方法，包括步骤：对获取的视频进行数字图像处理，检测视频中所有洞口并对应至每一帧图像；获取的每一帧图像进行数字图像处理，直接检测每一帧图像的洞口。
本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明通过对洞口的检测、分类和定位的方法，解决了现有技术中混凝土结构中的竖向洞口具有安全隐患的技术问题。本发明具有携带使用方便、检测定位精度高等特点，管理人员通过携带本设备，可在日常巡视过程中快速发现洞口隐患，有效提高现场安全管理水平。通过避免可能会出现的安全事故。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的混凝土结构室内预留洞口的定位方法的框架图。
图2为本发明的混凝土结构室内预留洞口的定位方法的利用仿射变换，确定洞口中相对于相机的方位以及俯角的示意图。
图3为本发明的混凝土结构室内预留洞口的定位方法的利用俯角，确定5米工作半径内的竖向洞口的示意图。
图4为本发明的混凝土结构室内预留洞口的定位方法的确定某一图像或某一帧中洞口中心空间坐标的示意图。
图5为本发明的混凝土结构室内预留洞口的定位方法的基于密度的聚类前的竖向洞口中心坐标的示意图。
图6为本发明的混凝土结构室内预留洞口的定位方法的基于密度的聚类后的竖向洞口中心坐标的示意图。
图7为本发明的混凝土结构室内预留洞口的定位方法的硬件架构图。
图8为本发明的混凝土结构室内预留洞口的定位方法的信息传递示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
如图1所示，本发明提供了混凝土结构室内预留洞口的定位方法，包括：获取室内施工场地巡检视频，以及视频中每一帧图像对应的相机位姿信息；对每一帧图像的洞口进行目标检测，并对洞口进行框选标记；根据该相机位姿信息以及相应洞口的框选标记进行仿射变换，确定该框选标记的中心位置相对于相机的方位以及俯角，如图2所示，图中，附图标记1为已知位姿的相机、附图标记2为图像或视频帧、附图标记3为图像或视频帧中的洞口中心、附图标记4为相机的俯角、附图标记5为通过防射变换确定的洞口中心的方位射线；将该俯角大于17度的洞口设为竖向洞口，并筛选具有竖向洞口的图像，如图3所示，图中，附图标记6为俯角为17度、附图标记7为竖向洞口、附图标记8为相机、附图标记R为竖向洞口检测半径5米、附图标记H为相机工作高度约为1.5米；根据该相机位姿信息，分别确定具有竖向洞口的图像中的竖向洞口在三维世界中的三维坐标；根据该三维坐标确定相应该竖向洞口的三维位置信息，并对信息进行输出。
在室内的施工场地中，除了竖直洞口，还有水平洞口，通过本方法可将水平洞口去除，而仅筛选出竖向洞口。本发明旨在解决施工现场危险洞口暴露风险问题，通过在日常巡检中携带此装置，快速准确地定位巡检人员未能发现的洞品危险洞品隐患，提高现场安全管理水平。该方法主要通过三个步骤实现：洞口的检测、洞口的筛选分类、洞口的定位。对于洞口的检测步骤，其中的洞口是非先验的，是完全通过目标检测算法获取的；洞口的分类步骤，其目的是将上一步检测的洞口分类为水平洞口和竖向洞口，因未防护的竖向洞口方构成危险洞口；对洞口定位步骤，其目的为将上一步识别并分类为竖向洞口的目标，在三维空间中准确定位，便于管理人员找到未防护的竖向洞口。本发明中洞口位置是未知的，是需要通过本方案中提出的方法和装置进行定位，且所需识别的对象是洞口本身，所监控的对象是建设项目内全体洞口，另外，本发明的方法需通过管理人员的日常巡视实现，摄像头是移动的，是动态的。本发明中使用的设备，为实现所提出功能，需综合使用目标检测、SLAM、机器学习等多种方法，以及本方案中提出的分类和定位算法。本方案使用的是移动的摄像头，以及移动的边缘计算设备，且摄像头内参是已知的，解决问题的流程为目标识别、分类、定位，本发明使用的设备获取的数据需深度处理，再综合使用目标检测、SLAM、机器学习等多种较复杂算法，以及方案中提出的分类和定位算法，才能实现最终的功能。
优选的，确定竖向洞口在三维世界中的三维坐标的步骤包括：
a)通过具有竖向洞口的图像、该竖向洞口位于该图像上的位置、与该图像对应的相机位姿信息，以及该竖向洞口相对于相机的方位信息，确定出竖向洞口的中心位置在三维空间中至该相机的直线的方程：
Figure BDA0003895564990000051
其中，(x0,y0,z0)为相机的三维坐标，(a,b,c)为洞口中心相对于相机的方向向量，n为大于0的任意值，大于0表明其方向为从相机至竖向洞口，(x，y，z)为竖向洞口中心位置的三维坐标；
b)根据方程(1)，以及巡检楼层地面的在三维空间中的面方程Ax+By+Cz+D＝0(2)，进行联立计算，现以计算y为例，联立过程如下：
Figure BDA0003895564990000052
Figure BDA0003895564990000053
Figure BDA0003895564990000054
Figure BDA0003895564990000055
Figure BDA0003895564990000056
Figure BDA0003895564990000057
Figure BDA0003895564990000058
同理可推算x与z的解析式，确定洞口中心在三维空间中的三维坐标(x，y，z)为：
Figure BDA0003895564990000059
其中，A、B、C、D均为已知的参数，此处设定面方程已知(某一楼或某一层的结构面或者建筑面的标高为已知数值)。如图4所示，图中，附图标记5为通过防射变换确定的洞口中心的方位射线、附图标记9为地面、附图标记10为通过防射变换确定的洞口中心的方位射线与地面的交点。
c)重复上述步骤a)及步骤b)直至得到所有竖向洞口的三维空间中的三维坐标。
优选地，根据所述三维坐标确定相应所述竖向洞口的三维位置信息的步骤包括：d)将所有包含竖向洞口的图像中的同一竖向洞口的三维坐标进行基于密度的聚类，得到最终的三维坐标作为所述竖向洞口的三维位置信息；e)重复步骤d)，直至得到所有竖向洞口的三位位置信息。上述基于密度的聚类方法，包括所有公开的基于密度的聚类方法，包括但不限于DBSCAN算法、OPTICS算法、DENCLUE算法等。具体如图5所示，图中示出了经过步骤a)及步骤b)操作后确定的洞口中心点位，附图标记9为地面；附图6示出了经过聚类操作后确定的洞口中心点位，附图标记9为地面。
优选的，所述相机位姿信息包括相机的位置坐标信息以及相机的角度姿态信息。上述视频与相机位姿信息，视频通过本装置的自带的相机获取，相机位姿信息通过相机自带的IMU获取。本装置包括固定单元、相机、边缘计算设备、数据传输设备、扬声器和电池组。边缘计算设备简单说就是一种小型的便携式的计算机，可进行简单计算，如英伟达公司生产的jetson nano；数据传输设备作用为向远端传输数据，包括4G/5G模块、USB通信单元等。
优选的，对每一帧图像的洞口进行目标检测的方法，包括步骤：对获取的视频进行数字图像处理，检测视频中所有洞口并对应至每一帧图像；获取的每一帧图像进行数字图像处理，直接检测每一帧图像的洞口。依照洞口目标检测模型选择视频前处理方法，所述处理方法包括但不限于图像压缩、噪声滤波、边缘提取、图像锐化等各类数字图像处理方法，其目标为使原始视频数据满足目标检测模型的要求；上述视频前处理过程，该前处理过程均通过本装置自带的边缘计算设备完成。所述洞口目标检测的对象包括视频，也包括通过任意取样方法选取的视频内任意帧图像；上述目标检测，通过目标检测模型实现；上述目标检测模型，通过各种类型的深度学习方法，对目标数据集训练实现。
如图7和图8所示，对上述所有洞口的三维坐标信息进行归集，并将归集的信息进行结构化处理，输出结构化数据；上述处理过程，其计算通过本装置内置的边缘计算设备完成，数据传输通过本装置内置的数据传输设备完成。
本发明应用于主体结构施工阶段，可有效降低施工现场内的高处坠落风险，避免高坠落事故发生；本发明通过对洞口的检测、分类和定位的方法，解决了现有技术中混凝土结构中的竖向洞口具有安全隐患的技术问题。本发明具有携带使用方便、检测定位精度高等特点，管理人员通过携带本设备，可在日常巡视过程中快速发现洞口隐患，有效提高现场安全管理水平。通过避免可能会出现的安全事故。本发明标准化程度高，组装方便，小巧便携，使用简单，学习成本低，便于在实际管理应用中推广。
本发明中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种混凝土结构室内预留洞口的定位方法，其特征在于，包括：
获取室内施工场地巡检视频，以及视频中每一帧图像对应的相机位姿信息；
对每一帧图像的洞口进行目标检测，并对洞口进行框选标记；
根据所述相机位姿信息以及相应洞口的框选标记进行仿射变换，确定所述框选标记的中心位置相对于相机的方位以及俯角；
将所述俯角大于17度的洞口设为竖向洞口，并筛选具有竖向洞口的图像；
根据所述相机位姿信息，分别确定具有竖向洞口的图像中的竖向洞口在三维世界中的三维坐标；
根据所述三维坐标确定相应所述竖向洞口的三维位置信息。
2.根据权利要求1所述的混凝土结构室内预留洞口的定位方法，其特征在于，确定竖向洞口在三维世界中的三维坐标的步骤包括：
a)通过具有竖向洞口的图像、所述竖向洞口位于所述图像上的位置、与所述图像对应的相机位姿信息，以及所述竖向洞口相对于相机的方位信息，确定出竖向洞口的中心位置在三维空间中至所述相机的直线的方程：
Figure FDA0003895564980000011
其中，(x0,y0,z0)为相机的三维坐标，(a,b,c)为洞口中心相对于相机的方向向量，n为大于0的任意值，大于0表明其方向为从相机至竖向洞口，(x，y，z)为竖向洞口中心位置的三维坐标；
b)根据方程(1)，以及巡检楼层地面的在三维空间中的面方程Ax+By+Cz+D＝0(2)，确定洞口中心在三维空间中的三维坐标(x，y，z)为：
Figure FDA0003895564980000012
其中，A、B、C、D均为已知的参数；
c)重复上述步骤a)及步骤b)直至得到所有竖向洞口的三维空间中的三维坐标。
3.根据权利要求1所述的混凝土结构室内预留洞口的定位方法，其特征在于，根据所述三维坐标确定相应所述竖向洞口的三维位置信息的步骤包括：
d)将所有包含竖向洞口的图像中的同一竖向洞口的三维坐标进行基于密度的聚类，得到最终的三维坐标作为所述竖向洞口的三维位置信息；
e)重复步骤d)，直至得到所有竖向洞口的三位位置信息。
4.根据权利要求1所述的混凝土结构室内预留洞口的定位方法，其特征在于，所述相机位姿信息包括相机的位置坐标信息以及相机的角度姿态信息。
5.根据权利要求1所述的混凝土结构室内预留洞口的定位方法，其特征在于，对每一帧图像的洞口进行目标检测的方法，包括步骤：对获取的视频进行数字图像处理，检测视频中所有洞口并对应至每一帧图像；获取的每一帧图像进行数字图像处理，直接检测每一帧图像的洞口。
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