CN203100677U - 一种碎石几何特征采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碎石几何特征采集系统。本实用新型利用平面镜组和摄像机获取碎石的真实几何特征，结合三维重建技术得到碎石三维模型，用于碎石颗粒几何特征和级配特征的获取。系统主体结构包括反光镜面组、摄像机和计算机。通过拍摄位于两块镜面中间的碎石块以及镜中反射图像得到图片，通过数据线传输进入计算机后通过三维重建的算法得到碎石颗粒的几何特征并建立三维模型。本实用新型可以得到碎石的几何特征数据，可以还原颗粒的真实形状克服了传统筛分试验只确定最小粒径的缺点，可以满足碎石粒度分析的精度要求，可以建立模型结合离散元软件分析技术进行多种受力变形分析。

Description

一种碎石几何特征采集系统

技术领域

本实用新型涉及几何特征采集系统，尤其是涉及一种碎石几何特征采集系统。

背景技术

随着我国高速铁路建设事业的快速发展，提高路基施工质量，适应铁路跨越式发展，已显得十分重要，而客运专线的出现，更加对传统铁路的设计、施工和养护维修提出了全新的挑战。铁路路基是铁路工程的重要组成部分，其作为土工构筑物，主要由基床表层、基床底层和基床以下路堤组成，路基的沉降也主要是这几部分沉降的叠加产生。级配碎石层作为轨道结构的直接基础，其颗粒运动重组而引起的类塑性变形和由此产生的路基沉降就亟待研究。国内外实践表明，不良级配碎石层导致的轨道变形是良好级配碎石层的几倍，而且其差距随列车速度的提高有进一步拉大的趋势。碎石颗粒的尺寸和形状分布将决定着它们的使用性能，对碎石颗粒测试在铁路和公路等交通设施领域己经成为一种不可缺少的检测技术。为了掌握碎石的级配，目前一般采用传统的筛分方法，其缺点主要有噪音大，粉尘污染严重，同时耗时耗力，测试精度不高，所获取的数据较为粗糙。有很多学者致力于路基沉降的理论和试验研究，而对铁路路基级配碎石在列车荷载作用下的受力重组及其长期沉降的研究大多局限于三轴试验和经验取值。在铁路路基的分析中也不能考虑到碎石的离散性和本身的几何形状特征，所以分析结果与实际的测试数据相差很大。

发明内容

为了克服传统碎石级配筛分试验费力、耗时、噪声和粉尘污染大的问题，本实用新型提供了一种碎石几何特征采集系统，用于级配碎石的五视图成像，配合三维重建技术还原颗粒形状，用于碎石颗粒三维几何特征和级配特征的获取，并可结合离散元软件分析基床级配碎石在交通荷载作用下的受力重组及其长期沉降分析。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型在带延伸臂的三脚架的一端延伸臂上安装水平置物平台，带延伸臂的三脚架的另一端延伸臂上安装水平向微调支架，水平向微调支架上安装摄像机，在水平置物平台上安放固定支架，固定支架与由两块镜面组成的镜面组垂直安装在一起，镜面组的两块平面镜之间采用铰链方式连接，将待测碎石置于水平置物平台及两镜面对称轴上，距离两镜面5-10cm处，在待测碎石正上方安装LED光源，摄像机通过数据线和计算机相连接。

一种碎石几何特征采集系统的采集方法：

1）利用镜面反射成像原理，使用镜面组的两块平面镜获得待测碎石的多个面的图像；

2）使用摄像机将待测碎石及其在镜面中的四个反射像拍摄在同一张照片内；

3）将照片通过数据线导入计算机；

4）在计算机内利用图像处理程序依次完成图像的预处理、图像分割、基于轮廓线的三维重建从而得到三维模型。

所述三维模型在同一张照片上得到同一碎石的五个不同角度的图像信息。

本实用新型与背景技术相比具有的有益效果是：

(1)利用镜面反射仅需一台摄像机便可得到碎石的多角度视图，设备简便易行，对场地要求小。

(2)可精确地对碎石的多个方向进行摄像，得到的边缘检测图像就可以过滤掉伪边缘情况；

(3)结合三维重建技术就可以理想地还原颗粒形状，从而克服传统筛分试验只确定最小粒径的缺点，满足碎石粒度分析的精度要求；

(4)还原颗粒形状后，结合离散元软件等分析技术，可进行基床级配碎石在交通荷载作用下的受力重组及其长期沉降分析。

附图说明

图1是碎石几何特征采集系统总体分布图。

图2是镜面反射成像的光学路径平面示意图。

图3是镜面反射成像的光学路径立体示意图。

图中：1-水平置物平台、2-计算机、3-数据线、4-水平向微调支架、5-摄像机、6-待测碎石、7-电源线、8-镜面组、9-LED光源、10-竖向微调支架、11-带延伸臂的三脚架系统、12-电源、13-固定支架。

具体实施方式

下面结合附图本发做进一步说明。

如图1所示，本实用新型采用带延伸臂的三脚架11，将三脚架11选平整地面安装，在延伸臂一端以三点铰接方式安装水平置物台1，水平置物台1配有可更换的深浅两种颜色的面板，对浅色碎石进行图像采集时使用深色面板，对深色碎石进行图像采集是应更换为浅色面板，保证置物台1颜色与待测碎石6有较大反差。在延伸臂的另一端安装水平向微调支架4，将由两块平面镜用铰链连接而成的镜面组8以镜面垂直于置物台的形式安置在水平置物台上。将固定支架13与镜面组8组装用以固定镜面，调整镜面间角度使两镜面夹角位为72°左右。将待测碎石6放置在水平置物台上镜面组之间的对称轴上距镜面5-10cm处，具体距离的选择要根据同一批需要采集信息的碎石块粒径来确定，距镜面距离应不小于其最小粒径的1.5倍，若石块体积过大应当适当采用更大的镜面以保证能完整得到石块的4个反射像。在确定待测碎石6摆放位置后在此位置做标记，同一批进行图像采集的碎石应都放在这一位置进行图像采集。调整竖向微调支架10的高度是光源位置高于镜面组10cm左右，在支架的水平伸长臂上安装LED光源9，根据镜面组8位置调整光源位置使光源处于待测碎石正上方，连接LED光源的电源线7至电源12。将摄像机5安装到水平向微调支架4上，调整支架高度使得摄像机5高度高于水平置物台10-30cm，对高度的要求应满足在调整摄像机5镜头对准镜面组8后调整焦距可以使摄像机5恰好能拍摄到镜面组中碎石的4个成像及碎石本身并尽量使画面中没有其他杂物的图像。用数据线3将摄像机5与计算机2进行连接，然后进行摄像。每当采集一批待测碎石的几何特征图像信息后都要将标准件放在这批碎石摄像时的放置点拍摄从而进行标定，并进行三维模型重建得到其体积，标准件的真实体积与其建模所得体积的比值设为比例系数，通过此比例系数修正该批待测碎石的模型体积，就可以还原真实的几何尺寸了。然后将摄像所得图片程序进行运算，得到输出文件包含其三维模型文件和其全部点的数据文件，可根据具体要求输出各项几何参数。

碎石几何特征采集系统由图像采集方法为：

如图2、图3所示，S为拍摄的石块，M1为镜面组中的1号镜，M2为2号镜，M1’和M2’分别为M1和M2的几何延长线，S1是S在1号镜中的反射像，S2是S在2号镜中的反射像，S12是S1在2号镜中的反射像，S21是S2在1号镜中的反射像，M12为1号镜底边在2号镜中的反射像，M21为2号镜底边在1号镜中的反射像。图2中为光学路径几何关系的平面示意图，其中由S到S1、 S到S2、S1到S12、S2到S21之间的连线代表其光线通过的路径。图3为镜面反射图像立体效果的示意图，展现了当摄像机向斜下方对待测碎石及其4个镜中反射像进行拍摄时的效果。

使用摄像机5对待测碎石6及其在镜面组8中形成的4个反射像同时进行摄像形成一张图像后将所得图像通过数据线3传输进入计算机2中采用基于Matlab和C++编程语言所编写的程序进行图像处理，其过程为：

1）通过图片格式转换将所拍照片转为灰度图像；

2）对所得灰度图像进行阈值过滤的图像分割从而获得碎石轮廓图形；

3）将所得轮廓图转化为二值图像并计算得出碎石图像的5个轮廓线；

4）通过碎石轮廓图像之间的几何关系遵循核线原理逆运算得到5个视图的拍摄角度并计算焦距从而逆运算得到拍摄点的位置；

5）将多个轮廓线在各自的拍摄点进行反投影运算在三维空间内形成多个圆锥体并通过程序计算得到反投影的交叉轮廓上的点集；

6）根据这个点集，采用匹配算法将两两相邻三维平面上的轮廓点进行连接重构物体的表面，通过这个过程可以将待测碎石进行三维模型重建后在由计算机2输出。

Claims (1)

1.一种碎石几何特征采集系统，其特征在于： 在带延伸臂的三脚架（11）的一端延伸臂上安装水平置物平台（1），带延伸臂的三脚架（11）的另一端延伸臂上安装水平向微调支架（4），水平向微调支架（4）上安装摄像机（5），在水平置物平台（1）上安放固定支架（13），固定支架（13）与由两块镜面组成的镜面组（8）垂直安装在一起，镜面组的两块平面镜之间采用铰链方式连接，将待测碎石（6）置于两镜面对称轴上距离两镜面5-10cm的水平置物平台（1）上，在待测碎石（6）正上方安装LED光源（9），摄像机（5）通过数据线（3）和计算机（2）相连接。

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