CN116124010A - 一种视觉位移测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提出的一种视觉位移测量系统及方法，该系统包括位移计算装置、设于变形影响区域的观测装置、四个设于相应基准点、且呈均匀分布的基准靶，其中：第一～四基准点均为相对不动点，处于变形影响区域之外；第一基准点与第二基准点呈水平分布，且处于同一水平线上；第三基准点与所述第四基准点呈垂直分布，且处于同一垂直线上；观测装置在观测过程中存在六向姿态变化，且与测量靶、第一～二基准靶位于同一水平线上，六向姿态变化包括三向平移、方位和俯仰变化、以及侧翻变化；位移计算装置连接到观测装置，用于获取观测结果，通过计算测量靶与基准靶之间的相对位移量，进一步修正观测装置自身的位移。该系统可以提高修正准确度。

Description

一种视觉位移测量系统及方法

技术领域

本申请涉及视觉位移测量技术领域，具体而言，涉及一种视觉位移测量系统及方法。

背景技术

位移是机械工程测试中经常测量的物理量，为了更好检测建筑物的安全性能，则需要对位移的变化进行有效监测。目前，在没有引入基准靶的情况下，需要保证相机(观测站)完全不动，由于其不符合实际的工程应用，因此，实际工程中通常会考虑引入基准靶，通过单个基准靶修正相机(观测站)由于自身的位移而产生的误差。但是，由于相机在观测的过程中，其存在多向运动，单个基准靶的设定并不能保证能够同时对多向的运动进行修正，存在修正准确度不高的问题。

发明内容

本申请实施例的目的在基于提供一种视觉位移测量系统及方法，可以提高修正准确度。

本申请实施例还提供了一种视觉位移测量系统，所述系统包括位移计算装置、设于变形影响区域的观测装置、四个设于相应基准点、且呈均匀分布的基准靶，其中：

第一～四基准点均为相对不动点，处于变形影响区域之外；

所述第一基准点与所述第二基准点呈水平分布，且处于同一水平线上；

所述第三基准点与所述第四基准点呈垂直分布，且处于同一垂直线上；

所述观测装置在观测过程中存在六向姿态变化，且与测量靶、第一～二基准靶位于同一水平线上，所述六向姿态变化包括三向平移、方位和俯仰变化、以及侧翻变化；

所述位移计算装置连接到观测装置，用于获取观测结果，通过计算测量靶与基准靶之间的相对位移量，进一步修正观测装置自身的位移。

本申请还提供了一种适用于上述系统的视觉位移测量方法，所述方法应用于所述位移计算装置，包括以下步骤：

S1、基于获取到的角点坐标，确定第三、四基准靶的侧翻变化信息，并基于两者之间的相对侧翻角度α、以及水平位移x₃、x₄，在已知第三、四基准靶之间的间隔距离l时，通过下述公式，对测量靶、以及其余各基准点的位移变化量进行一次修正：

S2、基于获取到的角点坐标，确定第二基准靶的方位和俯仰变化信息，在已知测量靶与观测装置之间的水平间隔距离L、以及第一、二基准靶与观测装置之间的水平间隔距离L₁、L₂时，在一次修正的基础上，通过下述公式，对测量靶、以及第一基准靶的位移变化量进行二次修正：

S3、在确定观测装置发生平移变化，测量靶与基准靶之间呈等距离移动时，基于第一基准靶位移变化量的二次修正结果x″₁、y″₁，通过下述公式，对测量靶的位移变化量进行最终修正：

x″′₀＝x″₀-x″₁、y″′₀＝y″₀-y″₁。

由上可知，本申请实施例提供的一种视觉位移测量系统及方法，考虑到观测装置自身设在变形影响区域内，导致观测过程中存在六向姿态变化，并进一步导致数据误差的情况，布置四个设于相应基准点、且呈均匀分布的基准靶，其中，基准靶将作为相对不动点、且设于变形影响区域之外，通过提供稳定、可靠的基准，为修正由于观测装置自身的姿态变化而导致的数据误差提供便利，达到提高修正精准度的效果。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种视觉位移测量系统的布置示意图；

图2为修正观测侧翻变化位移的原理示意图；

图3为相机成像的原理示意图；

图4为申请实施例提供的一种视觉位移测量方法的流程示意图；

图5为一实例中拍摄的实例示意图；

图6为一实例中最终得到的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1，图1是本申请一些实施例中的一种视觉位移测量系统的结构示意图，该系统包括位移计算装置、设于变形影响区域的观测装置、四个设于相应基准点、且呈均匀分布的基准靶，其中：

第一～四基准点均为相对不动点，处于变形影响区域之外。

具体的，第一～四基准点即为图1中示意的基准点1～基准点4。其中，各基准点为保证其位置固定不变，考虑将其设于变形影响区域之外。

所述第一基准点与所述第二基准点呈水平分布，且处于同一水平线上。

所述第三基准点与所述第四基准点呈垂直分布，且处于同一垂直线上。

所述观测装置在观测过程中存在六向姿态变化，且与测量靶、第一～二基准靶位于同一水平线上，所述六向姿态变化包括三向平移、方位和俯仰变化、以及侧翻变化。

具体的，测量靶设于图1中示意的监测点处，且测量靶与观测装置之间的间隔距离为L。当前实施例中，通过将监测点、观测装置(即图1中示意的相机图样)以及基准点1和基准点2设于同一水平线上，由此便于实施三向平移矫正、以及姿态变化矫正，提高矫正精准度。

所述位移计算装置连接到观测装置，用于获取观测结果，通过计算测量靶与基准靶之间的相对位移量，进一步修正观测装置自身的位移。

由上可知，本申请公开的一种视觉位移测量系统，考虑到观测装置自身设在变形影响区域内，导致观测过程中存在六向姿态变化，并进一步导致数据误差的情况，布置四个设于相应基准点、且呈均匀分布的基准靶，其中，基准靶将作为相对不动点、且设于变形影响区域之外，通过提供稳定、可靠的基准，为修正由于观测装置自身的姿态变化而导致的数据误差提供便利，达到提高修正精准度的效果。

在其中一个实施例中，所述观测装置包括图像采集设备，其中：所述图像采集设备，用于对可视范围内的测量靶进行拍摄，并将拍得的观测图像传输到所述位移计算装置，由位移计算装置基于获取到的观测图像，通过靶标检测和定位算法获得靶标空间上不同角点的坐标，并根据获取到的角点坐标，计算测量靶与基准靶之间的相对位移量。

具体的，图像采集设备可以为摄像头、摄像机、相机等带有拍照功能的设备。具体在实施的时候，当位移计算装置确定成功连接到观测装置时，将基于获取到的观测图像进行靶标检测和定位算法计算，以确定靶标空间上不同角点的坐标。

在其中一个实施例中，在确定靶标空间上不同角点的坐标时，可以采用模式识别方法和/或模板匹配方法进行处理，其中：

(1)模式识别的过程中，包括将图像信息抽象成模式信息，即抽取图像的特征，用语句结构来描述图像或部分图像，通过语句分析运算获得定位参数。其中，抽取的图像特征包括但不限于是几何特征(例如位置与方向、周长、面积等)以及形状特征(例如圆形度、多边形描述等)中的至少一种。

(2)模板匹配的过程中，包括用图像像素灰度和边缘灰度等特征来描述图像或部分图像，利用图像的相关特比，通过模板搜索、相关计算获得定位参数。

在采用模式识别方法和模板匹配方法进行处理时，可以结合两种方法分别求得的结果进行综合判断，以提高评估精准度。

需要说明的是，模式识别方法的优点包括压缩了图像信息量，井且易于分类，对图像变形和失真不敏感，但其缺点是语句结构十分复杂，判别准则不易建立，因而正确识别率很难做得高。模板匹配方法的优点包括描述图像和判别准则简单，其其缺点是计算量大，对图像变形和失真较敏感。

在其中一个实施例中，当所述观测装置沿x、y、z方向发生三向平移时，测量靶呈等距离移动，其中，设于第一基准点的第一基准靶用于三向平移矫正，设其水平位移和沉降分别为x₁、y₁，且其与观测装置之间的水平间隔距离为L₁。

在其中一个实施例中，当所述观测装置发生俯仰角、以及方位角姿态变化时，测量靶呈等像素移动，其中，设于第二基准点的第二基准靶用于姿态变化矫正，设其水平位移和沉降分别为x₂、y₂，且其与观测装置之间的水平间隔距离为L₂。

在其中一个实施例中，当观测装置发生侧翻姿态变化时，观测装置的侧翻角度与测量靶位移方向的偏移角度相同，其中，设于第三、四基准点的第三、四基准靶用于侧翻变化矫正，设其水平位移和沉降分别为x₃、y₃、x₄、y₄，且第三、四基准靶之间的间隔距离为l。

需要说明的是，在观测装置在完成布设工作后，该装置可能会由于处于变形影响区域中，不可避免的会发生姿态变化。

在其中一个实施例中，若观测装置的运动方式为六向(即三轴平移和三轴旋转)，那么当前实施例中，存在的六向姿态变化包括前后平移、左右平移、上下平移、俯仰变化、方位变化以及翻滚变化。而为了方便计算，前述的六向姿态变化又可进一步分为三组，即：一组包括三向的平移，一组包括方位和俯仰变化，最后一组包括翻滚变化。

基于上述实施例，若在只有测量靶、没有基准靶的应用场景中，则必须保证观测装置完全静止不动，以避免测量误差，而这在实际工程测量应用中是不存在的。因此，为解决上述问题，当前实施例中，将按需引入基准靶，通过基准靶修正测量误差。

需要说明的是，基准靶的作用是为了修正观测装置自身的位移而产生的误差。但由于单个基准靶无法做到同时对六向的运动进行修正。因此，当前实施例中将设置四个呈均匀分布的基准靶(分布方式可参考图1)，通过计算测量靶(即被测目标)与各基准靶之间的相对位移量，从而修正观测装置自身的位移，进一步解决因观测装置自身处于变形影响区域而带来的测量误差。

在其中一个实施例中，所述位移计算装置在基于获取到的角点坐标，计算测量靶与基准靶之间的相对位移量时，按照先修正侧翻变化、再修正方位和俯仰变化、最后再修正三轴平移变化的步骤执行。

在其中一个实施例中，所述位移计算装置计算测量靶与基准靶之间的相对位移量的具体实现为：

基于获取到的角点坐标，确定第三、四基准靶的侧翻变化信息，并基于两者之间的相对侧翻角度α、以及水平位移x₃、x₄，在已知第三、四基准靶之间的间隔距离l时，通过下述公式，对测量靶、以及其余各基准点的位移变化量进行一次修正：

具体的，请参考图2，上述cosα的计算原理可以基于图2进行理解。基于图2可知，在观测装置发生侧翻后，第三、四基准靶将从原先的a₀、b₀位置变化至a₁、b₁位置。其中，线段a₀b₀与a₁b₁之间的夹角为α(即相对侧翻角度)，基准点3(即第三基准靶所在的位置)的位移变化量为x₃、y₃，基准点4(即第四基准靶所在的位置)的位移变化量为x₄、y₄。当前实施例中，基于余弦定理，在已知上述各项参数之后，则有

后续，在基于前述公式求得cosα取值的情况下，针对其他基准点以及测量的位移变化量的一次修正，同样将结合余弦定理进行计算(具体参考上述公式，当前实施例不作过多说明)。

基于获取到的角点坐标，确定第二基准靶的方位和俯仰变化信息，在已知测量靶与观测装置之间的水平间隔距离L、以及第一、二基准靶与观测装置之间的水平间隔距离L₁、L₂时，在一次修正的基础上，通过下述公式，对测量靶、以及第一基准靶的位移变化量进行二次修正：

在确定观测装置发生平移变化，测量靶与基准靶之间呈等距离移动时，基于第一基准靶位移变化量的二次修正结果x″₁、y″₁，通过下述公式，对测量靶的位移变化量进行最终修正：

x″′₀＝x″₀-x″₁、y″′₀＝y″₀-y″₁。

上述实施例，考虑到原始的图像反应的是测量靶随时间变化而可能发生的像素位移量，假设将测量靶与观测装置之间的距离称为该标靶的测量距离，则基于相机成像原理，会进一步将像素位移量转换为实际位移量，即测量结果。

需要说明的是，相机成像原理具体可参考图3进行理解，其中，假设相机的像元尺寸为P，焦距为F，则在距离相机L距离位置的投影尺寸为D，四个参数的关系为：

由于同一个相机配置，P、F为固定值，则像元投影尺寸D与测量距离L呈正比。同样也表示，标靶的像素位移量与实际位移量的转换系数与距离有关。

请参考图4，本申请公开的一种适用于上述任一项所述的系统的视觉位移测量方法，该方法应用于所述位移计算装置，包括以下步骤：

步骤S1，基于获取到的角点坐标，确定第三、四基准靶的侧翻变化信息，并基于两者之间的相对侧翻角度α、以及水平位移x₃、x₄，在已知第三、四基准靶之间的间隔距离l时，通过下述公式，对测量靶、以及其余各基准点的位移变化量进行一次修正。

步骤S2，基于获取到的角点坐标，确定第二基准靶的方位和俯仰变化信息，在已知测量靶与观测装置之间的水平间隔距离L、以及第一、二基准靶与观测装置之间的水平间隔距离L₁、L₂时，在一次修正的基础上，通过下述公式，对测量靶、以及第一基准靶的位移变化量进行二次修正：

步骤S3，在确定观测装置发生平移变化，测量靶与基准靶之间呈等距离移动时，基于第一基准靶位移变化量的二次修正结果x″₁、y″₁，通过下述公式，对测量靶的位移变化量进行最终修正：

x″′₀＝x″₀-x″₁、y″′₀＝y″₀-y″₁。

上述视觉位移测量方法，考虑到观测装置自身设在变形影响区域内，导致观测过程中存在六向姿态变化，并进一步导致数据误差的情况，布置四个设于相应基准点、且呈均匀分布的基准靶，其中，基准靶将作为相对不动点、且设于变形影响区域之外，通过提供稳定、可靠的基准，为修正由于观测装置自身的姿态变化而导致的数据误差提供便利，达到提高修正精准度的效果。

在实际的案例中，本方案将考虑在某一室内环境中搭建测试环境，其中包括测点、基准靶1～4共计5个标靶，并按如下表1进行摆放，具体的，相机拍摄画面可参考图5：

表1

测点	2.69m
		基准点1	5.25m
基准点2	6.35m
		基准点3	6.78m
基准点4	6.75m

其中，在经过程序标定后，将进一步生成相应的标定文件。可以理解的是，标定文件中记载有所有测点与基准点的像素投影尺寸，其记录形式可以参考如下方式：

1-0.621536；

2-1.214002；

3-1.469421；

4-1.567039；

5-1.560200。

其中，上述1、2、3、4、5分别对应测点、基准点1、基准点2、基准点3、基准点4，各点的像素投影尺寸分布对应为0.621536mm/像素、1.214002mm/像素、1.469421mm/像素、1.567039mm/像素、1.560200mm/像素。

进一步的，根据上述各项系统实施例中提供的解决方案，当前应用中涵盖的步骤包括：

cos＝(760-4X+5X)/760；计算相机侧翻角度。

1X_1＝1X/cos；即修正测点水平位移侧翻。

1Y_1＝1Y/cos；即修正测点沉降侧翻。

2X_1＝2X/cos；即修正基准点1的水平位移。

2Y_1＝2Y/cos；即修正基准点1的沉降。

3X_1＝3X/cos；即修正基准点2的水平位移。

3Y_1＝3Y/cos；即修正基准点2的沉降。

1X_2＝1X_1-3X_1*0.41734230；即修正测点方位变化和俯仰变化的水平位移。

1Y_2＝1Y_1-3Y_1*0.41734230；即修正测点方位变化和俯仰变化的沉降。

2X_2＝2X_1-3X_1*0.81527943；即修正基准点1方位变化和俯仰变化的水平位移。

2Y_2＝2Y_1-3Y_1*0.81527943；即修正基准点1方位变化和俯仰变化的沉降。

位移平台X＝1X_2-2X_2；即修正测点平移的水平位移。

位移平台Y＝1Y_2-2Y_2；即修正测点平移的沉降。

进一步的，在基于上述步骤完成测量修正后，假设测点与基准点1～4的初始位移值均为0mm，而通过对相机进行人为随机制造各种姿态的变化后，测点与基准点1～4的位移值变为下表2以及图6所示，即：

表2

测点代号	测点名称	水平位移	沉降
				1	测点	39.42mm	2.30mm
2	基准点1	76.13mm	2.65mm
				3	基准点2	92.21mm	2.18mm
4	基准点3	97.99mm	2.78mm
				5	基准点4	97.95mm	1.61mm

基于图6中示意的结果，可以进一步确定经过最终的校正处理后，所得的水平位移和沉降结果分别为-0.03mm、0.50mm，均不足1mm，符合设计精度。由此可以得出的是，本系统能够有效解决由于相机所在的位置发生了变化引起的测量数据误差。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种视觉位移测量系统，其特征在于，所述系统包括位移计算装置、设于变形影响区域的观测装置、四个设于相应基准点、且呈均匀分布的基准靶，其中：

第一～四基准点均为相对不动点，处于变形影响区域之外；

所述第一基准点与所述第二基准点呈水平分布，且处于同一水平线上；

所述第三基准点与所述第四基准点呈垂直分布，且处于同一垂直线上；

所述观测装置在观测过程中存在六向姿态变化，且与测量靶、第一～二基准靶位于同一水平线上，所述六向姿态变化包括三向平移、方位和俯仰变化、以及侧翻变化；

所述位移计算装置连接到观测装置，用于获取观测结果，通过计算测量靶与基准靶之间的相对位移量，进一步修正观测装置自身的位移。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述观测装置包括图像采集设备，其中：

所述图像采集设备，用于对可视范围内的测量靶进行拍摄，并将拍得的观测图像传输到所述位移计算装置，由位移计算装置基于获取到的观测图像，通过靶标检测和定位算法获得靶标空间上不同角点的坐标，并根据获取到的角点坐标，计算测量靶与基准靶之间的相对位移量。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当所述观测装置沿x、y、z方向发生三向平移时，测量靶呈等距离移动，其中，设于第一基准点的第一基准靶用于三向平移矫正，设其水平位移和沉降分别为x₁、y₁，且其与观测装置之间的水平间隔距离为L₁。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，当所述观测装置发生俯仰角、以及方位角姿态变化时，测量靶呈等像素移动，其中，设于第二基准点的第二基准靶用于姿态变化矫正，设其水平位移和沉降分别为x₂、y₂，且其与观测装置之间的水平间隔距离为L₂。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，当观测装置发生侧翻姿态变化时，观测装置的侧翻角度与测量靶位移方向的偏移角度相同，其中，设于第三、四基准点的第三、四基准靶用于侧翻变化矫正，设其水平位移和沉降分别为x₃、y₃、x₄、y₄，且第三、四基准靶之间的间隔距离为l。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述位移计算装置在基于获取到的角点坐标，计算测量靶与基准靶之间的相对位移量时，按照先修正侧翻变化、再修正方位和俯仰变化、最后再修正三轴平移变化的步骤执行。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述位移计算装置计算测量靶与基准靶之间的相对位移量的具体实现为：

基于获取到的角点坐标，确定第三、四基准靶的侧翻变化信息，并基于两者之间的相对侧翻角度α、以及水平位移x₃、x₄，在已知第三、四基准靶之间的间隔距离l时，通过下述公式，对测量靶、以及其余各基准点的位移变化量进行一次修正：

基于获取到的角点坐标，确定第二基准靶的方位和俯仰变化信息，在已知测量靶与观测装置之间的水平间隔距离L、以及第一、二基准靶与观测装置之间的水平间隔距离L₁、L₂时，在一次修正的基础上，通过下述公式，对测量靶、以及第一基准靶的位移变化量进行二次修正：

在确定观测装置发生平移变化，测量靶与基准靶之间呈等距离移动时，基于第一基准靶位移变化量的二次修正结果x″₁、y″₁，通过下述公式，对测量靶的位移变化量进行最终修正：

x″′₀＝x″₀-x″₁、y″′₀＝y″₀-y″₁。

8.一种适用于权利要求1-7中任一项所述的系统的视觉位移测量方法，其特征在于，所述方法应用于所述位移计算装置，包括以下步骤：

S1、基于获取到的角点坐标，确定第三、四基准靶的侧翻变化信息，并基于两者之间的相对侧翻角度α、以及水平位移x₃、x₄，在已知第三、四基准靶之间的间隔距离l时，通过下述公式，对测量靶、以及其余各基准点的位移变化量进行一次修正：

S2、基于获取到的角点坐标，确定第二基准靶的方位和俯仰变化信息，在已知测量靶与观测装置之间的水平间隔距离L、以及第一、二基准靶与观测装置之间的水平间隔距离L₁、L₂时，在一次修正的基础上，通过下述公式，对测量靶、以及第一基准靶的位移变化量进行二次修正：

S3、在确定观测装置发生平移变化，测量靶与基准靶之间呈等距离移动时，基于第一基准靶位移变化量的二次修正结果x″₁、y″₁，通过下述公式，对测量靶的位移变化量进行最终修正：

x″′₀＝x″₀-x″₁、y″′₀＝y″₀-y″₁。

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