本發(fā)明涉及變形監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及一種基于視覺測量的變形監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

變形監(jiān)測是使用專業(yè)的測量儀器與配套儀器對變形體的形狀、大小及位置變化進(jìn)行持續(xù)地觀測，其對測量精度和可靠性要求非常高。目前常用的大地測量變形監(jiān)測技術(shù)主要有全站儀、GNSS、水準(zhǔn)測量等，這些技術(shù)具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高；位移傳感器等變形監(jiān)測儀器需要在監(jiān)測結(jié)構(gòu)體上進(jìn)行安裝，施工難度較大。

視覺測量是一種非接觸式測量方法，具有簡便低廉的優(yōu)點(diǎn)。隨著數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，普通數(shù)碼相機(jī)的成像質(zhì)量越來越好，為利用視覺測量技術(shù)進(jìn)行精密測量提供了基礎(chǔ)。目前，利用視覺測量進(jìn)行變形監(jiān)測主要有兩種方式：一種是針對變形體的三維重建技術(shù)，該方式具有簡便靈活、可以反映目標(biāo)的整體形態(tài)及三維變形趨勢等優(yōu)點(diǎn)，是目前視覺變形監(jiān)測的主要方式之一，但是當(dāng)變形目標(biāo)表面紋理簡單、拍攝距離較遠(yuǎn)、拍攝角度過小時(shí)，三維重建精度會受到特征點(diǎn)數(shù)量不足、光線交會誤差過大等因素影響；當(dāng)變形目標(biāo)范圍較大或無穩(wěn)定參考點(diǎn)時(shí)，三維重建也難以提供合理、可靠的變形監(jiān)測成果。另一種是針對監(jiān)測目標(biāo)的視覺跟蹤技術(shù)，常用于二維位移監(jiān)測，根據(jù)觀測條件及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不同，又可分為室內(nèi)與室外測量兩類；其中室內(nèi)測量由于受光照、空氣濕度等的影響，如隧道、礦井等環(huán)境，因此更加注重對圖像的精細(xì)化處理，但是監(jiān)測距離普遍較短，無法應(yīng)用在大范圍、遠(yuǎn)距離的變形監(jiān)測中，因此常用于工業(yè)測量；室外測量主要針對大壩、橋梁和建筑物等變形體，需采用長焦鏡頭等設(shè)備，目前室外測量研究主要集中在高動態(tài)測量，例如利用筆記本電腦、攝像機(jī)、長焦鏡頭等設(shè)備，對大橋進(jìn)行實(shí)時(shí)二維位移變形監(jiān)測；利用攝像機(jī)對高層建筑的傾斜度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測等，都取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是這些應(yīng)用的監(jiān)測距離都沒有超過20m，而且監(jiān)測時(shí)間較短，忽視了長時(shí)間監(jiān)測時(shí)環(huán)境以及相機(jī)等設(shè)備對測量精度的影響；同時(shí)監(jiān)測點(diǎn)的識別完全基于標(biāo)志點(diǎn)灰度與幾何信息，而標(biāo)志點(diǎn)成像范圍太小會增加識別錯(cuò)誤率，這也間接地限制了監(jiān)測距離和監(jiān)測范圍。

隨著近年來圖像追蹤技術(shù)的發(fā)展，目標(biāo)追蹤與識別的可靠性和精度得到很大改善，這有望改變現(xiàn)有追蹤法測量技術(shù)的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種操作簡單、自動化程度高、成本低、精度高、數(shù)據(jù)處理簡單、效率高的基于視覺測量的變形檢測方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于視覺測量的變形監(jiān)測方法，包括以下步驟：

(1)設(shè)計(jì)變形監(jiān)測的標(biāo)志板，所述標(biāo)志板包括底板和設(shè)置在所述底板上的圓片，所述底板的顏色與圓片的顏色互為反差色，所述圓片的數(shù)量為4個(gè)，所述圓片的邊界不能相切或相交或重合，其中，兩個(gè)所述圓片的圓心連線為第一連線，剩余兩個(gè)所述圓片的圓心連線為第二連線，所述第一連線和第二連線垂直相交；

(2)將步驟(1)中所述標(biāo)志板固定在變形監(jiān)測的待測物上，使所述第一連線處于水平方向，用相機(jī)采集所述標(biāo)志板的初始圖像，將所述初始圖像定義為參考模板，用計(jì)算機(jī)從所述參考模板中提取標(biāo)志板的特征輪廓，所述標(biāo)志板上圓片的特征輪廓為橢圓形，并建立不同分辨率的特征輪廓模型；

(3)采集不同時(shí)間點(diǎn)的后續(xù)圖像，精確提取所述后續(xù)圖像上橢圓的中心坐標(biāo)，即為標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)；精確提取標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)的具體步驟為：

S1.將所述后續(xù)圖像與所述步驟(2)中建立的特征輪廓模型相匹配，得到所述標(biāo)志板的ROI并提取出來；

S2.利用各向異性擴(kuò)散對ROI進(jìn)行濾波；

S3.利用Canny邊緣檢測算子檢測ROI的邊緣；

S4.排除干擾，提取ROI的邊緣坐標(biāo)；

S5.將所述ROI邊緣坐標(biāo)代入橢圓的曲線擬合公式，計(jì)算得到橢圓的中心坐標(biāo)。

(4)根據(jù)步驟(3)中所述標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)在后續(xù)圖像中的變化，計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)在后續(xù)圖像中的位移，并對計(jì)算得到的位移進(jìn)行校正處理，得到標(biāo)志點(diǎn)的實(shí)際位移。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中第一連線與第二連線的長度相等。

優(yōu)選地，所述底板的顏色為白色，所述圓片的顏色為黑色。

優(yōu)選地，所述步驟S4中排除干擾具體為：

A1.剔除非閉合環(huán)，所述非閉合環(huán)為邊緣點(diǎn)集合的首尾像素點(diǎn)的距離超過1.5個(gè)像素的環(huán)；

A2.剔除非橢圓形的閉合環(huán)，所述非橢圓形的閉合環(huán)是指閉合區(qū)域的形狀因子大于橢圓的形狀因子的閉合環(huán)。

優(yōu)選地，所述步驟(4)中，分別以所述初始圖像和后續(xù)圖像的左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)繪制坐標(biāo)系，將所述后續(xù)圖像的標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)與初始圖像的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)求差，分別得到標(biāo)志點(diǎn)在豎直方向和在水平方向的向量；分別計(jì)算所述第一連線和第二連線在標(biāo)志板上的長度與在后續(xù)圖像上的長度的比值，計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)變換矩陣，最后計(jì)算校正后的標(biāo)志點(diǎn)位移，即可得到標(biāo)志點(diǎn)的實(shí)際位移。

優(yōu)選地，所述標(biāo)志點(diǎn)的實(shí)際位移計(jì)算公式為：

其中，SFX＝LX/S_x，SFY＝LY/S_y，LX和LY分別表示所述第一連線和第二連線在標(biāo)志板上的長度，S_x和S_y分別表示第一連線、第二連線在后續(xù)圖像上的長度；所述標(biāo)志點(diǎn)在豎直方向的向量為y＝[x₂ y₂]^T，水平方向的向量為x＝[x₁ y₁]^T；標(biāo)志點(diǎn)的變換矩陣為其中，

優(yōu)選地，所述后續(xù)圖像的采集方式為：用照相機(jī)在1s～2s內(nèi)連續(xù)采集3張～8張標(biāo)志板的圖像，分別精確提取每張圖像中標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，通過求平均值的方式獲取此時(shí)間點(diǎn)的最終標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)。

優(yōu)選地，當(dāng)照相機(jī)的視場范圍內(nèi)有靜止不動的區(qū)域時(shí)，利用圖像對齊技術(shù)對照相機(jī)的位姿偏移進(jìn)行校正。

優(yōu)選地，當(dāng)照相機(jī)的視場范圍內(nèi)缺乏靜止不動的區(qū)域時(shí)，采用建造觀測墩、加固相機(jī)機(jī)身與鏡頭、使用電子快門線、定焦鏡頭、拍照時(shí)使用反光板預(yù)升模式的方法，減少照相機(jī)的位姿偏移。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明的基于視覺測量的變形檢測方法，以大范圍、遠(yuǎn)距離的監(jiān)測環(huán)境應(yīng)用為目標(biāo)，利用圖像獲取設(shè)備獲取標(biāo)志板的圖像數(shù)據(jù)，以計(jì)算機(jī)視覺理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)監(jiān)測標(biāo)志點(diǎn)，對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終提取標(biāo)志點(diǎn)的高精度坐標(biāo)，對所監(jiān)測標(biāo)志點(diǎn)的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)探測與計(jì)算，同時(shí)針對視覺測量中的一些主要誤差進(jìn)行了有效地校正，該基于視覺測量的變形監(jiān)測方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明的基于視覺測量的變形檢測方法，操作簡單、自動化程度高，標(biāo)志板設(shè)計(jì)合理，將標(biāo)志板和圖像獲取設(shè)備分別固定在相應(yīng)的位置，之后不再需要人為干預(yù)，自動識別標(biāo)志點(diǎn)并計(jì)算位移；

(2)本發(fā)明的基于視覺測量的變形檢測方法，成本低，當(dāng)監(jiān)測距離在200m以內(nèi)時(shí)，相比其它監(jiān)測儀器成本降低；

(3)本發(fā)明的基于視覺測量的變形檢測方法，測量精度高，能夠精確地提取標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)的位移，監(jiān)測精度能夠達(dá)到毫米級別；

(4)本發(fā)明的基于視覺測量的變形檢測方法，數(shù)據(jù)均通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，處理簡單、效率高，數(shù)據(jù)獲取與處理同步，具有實(shí)時(shí)性。

進(jìn)一步地，步驟(1)中第一連線與第二連線的長度相等，使標(biāo)志點(diǎn)的位移計(jì)算精度更高。

進(jìn)一步地，分別得到標(biāo)志點(diǎn)在豎直方向和在水平方向的向量；分別計(jì)算所述第一連線和第二連線在標(biāo)志板上的長度與在后續(xù)圖像上的長度的比值，計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)變換矩陣，最后計(jì)算校正后的標(biāo)志點(diǎn)位移，即可得到標(biāo)志點(diǎn)的實(shí)際位移，解決了空間目標(biāo)到像平面的投影將不可避免地發(fā)生畸變，使圖像上標(biāo)志點(diǎn)的位移與實(shí)際位移產(chǎn)生偏差的問題，從而反映真實(shí)的位移數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，在同一時(shí)間點(diǎn)，用照相機(jī)在1s～2s內(nèi)連續(xù)采集3張～8張標(biāo)志板的圖像，分別精確提取每張圖像中標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，通過求平均值的方式獲取此時(shí)間點(diǎn)的最終標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)，有效地削弱了氣象條件改變引起的誤差，提高了位移的探測精度。

進(jìn)一步地，利用圖像對齊技術(shù)對照相機(jī)的位姿偏移進(jìn)行校正，有效地削弱了由于照相機(jī)震動而引起的測量誤差。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的基于視覺測量的變形監(jiān)測方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的基于視覺測量的變形監(jiān)測方法的圓片排布圖；

圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的基于視覺測量的變形監(jiān)測方法的精確提取標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)的流程圖；

圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的基于視覺測量的變形監(jiān)測方法的圖像實(shí)際位移示意圖；

圖5是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的校正前后的變形監(jiān)測模擬實(shí)驗(yàn)標(biāo)志點(diǎn)位移趨勢與誤差統(tǒng)計(jì)圖；

圖6是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的基于視覺測量的變形監(jiān)測方法的標(biāo)志點(diǎn)位移趨勢圖；

圖7是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的基于視覺測量的變形監(jiān)測方法的變形監(jiān)測模擬實(shí)驗(yàn)標(biāo)志點(diǎn)位移趨勢與誤差統(tǒng)計(jì)圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明可以根據(jù)權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。

參見圖1，本實(shí)施例的基于視覺測量的變形監(jiān)測方法，包括以下步驟：

(1)設(shè)計(jì)變形監(jiān)測的標(biāo)志板，標(biāo)志板為白色的底板和設(shè)置在底板上的四個(gè)黑色的圓片，圓片的邊界不能相切或相交或重合，其中兩個(gè)圓片的圓心連線為第一連線，剩余兩個(gè)圓片的圓心連線為第二連線，第一連線與第二連線垂直相交。設(shè)計(jì)原理如下：

設(shè)標(biāo)志點(diǎn)水平移動了ΔX，定位精度是m_x，位移精度是m_Δx，則定位精度與位移精度的關(guān)系為：

位移精度受相機(jī)曝光時(shí)間、光電轉(zhuǎn)換效率、入射輻射頻率、光照度、標(biāo)志點(diǎn)邊界長度等因素的影響，根據(jù)上式(a)，可以將位移誤差公式表示為：

其中，m_Q為相機(jī)光感應(yīng)誤差，當(dāng)相機(jī)確定時(shí)，曝光時(shí)間、光電轉(zhuǎn)換效率、入射輻射頻率都為常數(shù)，統(tǒng)一將其表示為M，ΔE＝E_vz-E_vb，E_vz為標(biāo)志面光照度，E_vb為標(biāo)志背景光照度，則ΔE為標(biāo)志點(diǎn)的光照度反差，l表示圓片邊緣在橫向和縱向的投影長度，Δx·ctgθ為常數(shù)，通過分析該公式，得到以下結(jié)論：位移探測誤差受標(biāo)志點(diǎn)光照度反差的影響，反差越大，精度越高；位移探測誤差還受到標(biāo)志板上圓片邊緣的投影長度的影響，投影長度越長，精度越高。

因此，考慮所使用的黑白相機(jī)噪點(diǎn)少、景物邊緣清晰的成像特點(diǎn)，將標(biāo)志板顏色確定為反差較為明顯且容易識別的黑色與白色，即底板為白色，圓片為黑色，在此基礎(chǔ)上，盡可能增加標(biāo)志板上圓片邊緣的投影長度，如第一連線與第二連線的長度相等，此時(shí)四個(gè)圓心除第一連線和第二連線之外的四條連線，組成一個(gè)正方形，并且四個(gè)圓片的直徑相同，設(shè)計(jì)標(biāo)志板如圖2所示。試驗(yàn)中，標(biāo)志板的大小，主要取決于相機(jī)的成像質(zhì)量、監(jiān)測距離、規(guī)定的監(jiān)測精度等。

(2)將步驟(1)中設(shè)計(jì)的標(biāo)志板固定在變形監(jiān)測的待測物上，使第一連線處于水平方向，用相機(jī)采集所述標(biāo)志板的初始圖像，將初始圖像定義為參考模板，用計(jì)算機(jī)從參考模板中提取標(biāo)志板的特征輪廓，標(biāo)志板上圓片的特征輪廓為橢圓形，并建立不同分辨率的特征輪廓模型。

其中，圖像采集分為兩種方式：將圖像保存在相機(jī)的緩存中，使用完畢后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦進(jìn)行處理；或者利用USB、1394、Gige、BNC、camera link等相機(jī)接口，通過編寫數(shù)據(jù)采集程序，直接把圖像數(shù)據(jù)從相機(jī)傳輸?shù)诫娔X上進(jìn)行處理。

基于標(biāo)志板形狀匹配與KCF(Kernelized Correlation Filter)的多目標(biāo)追蹤，首先確定標(biāo)志板的參考匹配模板，從參考模板中提取標(biāo)志板的特征輪廓，并建立不同分辨率的輪廓金字塔模型。

(3)采集不同時(shí)間點(diǎn)的后續(xù)圖像，精確提取后續(xù)圖像上橢圓的中心坐標(biāo)，即為標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)。具體步驟為：

S1.將后續(xù)圖像與步驟(2)中建立的特征輪廓模型相匹配，得到標(biāo)志板的ROI并提取出來，如圖3a所示；

S2.利用各向異性擴(kuò)散(Anisotropic Diffusion)對ROI進(jìn)行濾波，它是一種針對灰度圖像的濾波方法，其特點(diǎn)是可以有效的降低圖像噪聲，同時(shí)又不會去除一些顯著部分，如圖像邊緣。設(shè)灰度圖像像素矩陣為u，則濾波公式可以表示為：

對提取到的ROI進(jìn)行處理，結(jié)果如圖3b所示。

S3.利用Canny邊緣檢測算子檢測ROI的邊緣，如圖3c所示；

S4.排除干擾，提取標(biāo)志板的邊緣坐標(biāo)，具體步驟為：

A1.剔除非閉合環(huán)，所述非閉合環(huán)為邊緣點(diǎn)集合的首尾像素點(diǎn)的距離超過1.5個(gè)像素的環(huán)；

A2.剔除非橢圓形的閉合環(huán)，所述非橢圓形的閉合環(huán)是指閉合區(qū)域的形狀因子大于橢圓的形狀因子的閉合環(huán)。

在提取到的圖像邊緣中，不僅僅包含橢圓邊緣，同時(shí)還包含一些多余邊緣，因此需要對邊緣做進(jìn)一步的處理，準(zhǔn)確地提取橢圓邊緣?？紤]橢圓邊緣特征，首先剔除非閉合環(huán)，如果邊緣點(diǎn)集合的首尾像素點(diǎn)的距離超過1.5個(gè)像素，則認(rèn)為不是閉合環(huán)并予以剔除。但是這樣仍無法剔除一些閉合但不是橢圓的邊緣，因此，結(jié)合圓形特征，計(jì)算圓形形狀因子：

其中，F(xiàn)為閉合區(qū)域的面積，max為閉合區(qū)域中心點(diǎn)距離邊緣點(diǎn)的最大值，C為形狀因子，當(dāng)C的值越接近1時(shí)，閉合區(qū)域的形狀越接近圓形。本發(fā)明中，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測中相機(jī)拍攝角度及標(biāo)志板圓片成像，設(shè)置合適的閾值(例如0.6)，最終選擇出目標(biāo)橢圓。如圖3d所示。

S5.將ROI邊緣坐標(biāo)代入橢圓的曲線擬合公式，計(jì)算得到橢圓的中心坐標(biāo)。

本實(shí)施例使用最小二乘曲線擬合方法尋找標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，利用橢圓公式逼近圓特征。在平面坐標(biāo)系中，橢圓公式為：

f(α,X)＝Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0 (e)

通過求目標(biāo)函數(shù)的最小值來確定各個(gè)系數(shù)，再由極值原理，必有由此可得一個(gè)線性方程組，求取各系數(shù)的值。最后，通過以下公式求取橢圓的中心坐標(biāo)，即標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)：

(4)計(jì)算圖像中標(biāo)志點(diǎn)的實(shí)際位移：

在實(shí)際監(jiān)測中，相機(jī)對標(biāo)志點(diǎn)可能不是正直攝影，因此空間目標(biāo)到像平面的投影將不可避免地發(fā)生畸變，使圖像上標(biāo)志點(diǎn)的位移與實(shí)際位移產(chǎn)生偏差，從而無法正確反映真實(shí)位移。針對該問題，要對計(jì)算得到的位移進(jìn)行校正處理。

如圖4所示，LX和LY分別為標(biāo)志點(diǎn)水平和豎直方向圓心的距離，單位為mm。以采集到的圖像左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，繪制坐標(biāo)系，將提取的四個(gè)圓心分別記為A、B、C、D，坐標(biāo)單位為像素。處理流程為：每提取一次圓心時(shí)，就將四個(gè)圓心坐標(biāo)與初始坐標(biāo)求差，得到水平方向位移量mx與豎直方向位移量my；計(jì)算BD方向向量x＝[x₁ y₁]^T和AC方向向量y＝[x₂ y₂]^T；計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)BD和AC方向圓心距離在圖像上的長度，記為Sx和Sy，單位為像素；計(jì)算比例系數(shù)SFX＝LX/Sx，SFY＝LY/Sy；利用式(g)計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)變換矩陣：

其中，利用式(h)計(jì)算校正后的標(biāo)志點(diǎn)位移dx、dy。

另外，相機(jī)在長時(shí)間監(jiān)測過程中成像質(zhì)量與位姿會受到外界環(huán)境變化與自身因素的影響，由此產(chǎn)生的測量誤差會影響變形監(jiān)測的精度，因此，需要對監(jiān)測過程中的誤差來源進(jìn)行分析并加以改正。

一方面是氣象誤差與改正。

光線在空氣中傳播時(shí)會受到大氣溫度、氣壓、大氣成分變化(特別是二氧化碳濃度變化)、密度、大氣濕度等客觀條件的影響，光線畸變會導(dǎo)致標(biāo)志板上的圓片形狀發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)提取不正確，影響位移探測的精度。由于氣象條件改變引起的誤差具有隨機(jī)性，目前還沒有一個(gè)有效的誤差改正模型。

針對變形監(jiān)測的實(shí)際情況，可以將相機(jī)設(shè)置為連拍模式，在1s～2s的時(shí)間段內(nèi)連續(xù)拍攝3張～8張圖像。在這一時(shí)間段內(nèi)，可以認(rèn)為待測物是靜止不動的，通過對連續(xù)拍攝的圖像提取到的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)求平均的方式獲取最終的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)，可以有效地削弱氣象條件改變引起的誤差。

另一方面是相機(jī)震動對精度的影響及改正。

相機(jī)在長時(shí)間拍照過程中，位姿并不能保證絕對不變，會受到外界環(huán)境，如風(fēng)力作用、地面沉降等因素的影響，還受到相機(jī)自身反光板和快門機(jī)械運(yùn)動的影響。當(dāng)監(jiān)測距離較遠(yuǎn)時(shí)，即便是輕微的振動，也會產(chǎn)生較大的測量誤差。通過測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)監(jiān)測距離為75m時(shí)，相機(jī)姿態(tài)改變引起的誤差在2mm～5mm，當(dāng)監(jiān)測距離為100m時(shí)，引起的誤差超過10mm。

圖像對齊(Image alignment)是一種基于像素灰度值的匹配技術(shù)，可以從具有一定程度重疊的兩幅圖像中發(fā)現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系，被廣泛的應(yīng)用于視頻穩(wěn)定和圖像拼接中。一般情況下，由相機(jī)位姿的輕微變化產(chǎn)生的圖像偏移在2到5個(gè)像素之間，因此，圖像的仿射變換與相似性變換引起的誤差可以忽略不計(jì)，主要考慮二維偏移引起的誤差，平面內(nèi)圖像的位移可以表示為：

x′＝[I t]x^～ (i)

其中，I是(2×2)的單位矩陣，t表示相對于x′的位移量，x^～是形如(x,y,1)的齊次坐標(biāo)或二維投影坐標(biāo)。

利用圖像對齊技術(shù)對相機(jī)位姿偏移改正的前提是相機(jī)視場范圍內(nèi)有一塊靜止不動的區(qū)域。在數(shù)據(jù)處理的過程中，通過對圖像序列中該靜止區(qū)域的匹配，可以找到任意兩幅圖像之間的偏差，由于該區(qū)域被認(rèn)為是靜止不動的，則計(jì)算得到的偏差即為相機(jī)位姿偏移引起的測量誤差。

但是在實(shí)際測量中經(jīng)常會受到樹木遮擋、陰影變化和其它不可控因素的影響，又或者相機(jī)視場范圍內(nèi)缺乏靜止不動的區(qū)域，上述算法就很難對相機(jī)姿態(tài)的偏移進(jìn)行校正。所以，當(dāng)視場范圍內(nèi)缺乏穩(wěn)定可靠的靜止區(qū)域時(shí)，可以通過采用建造觀測墩、加固相機(jī)機(jī)身與鏡頭、使用電子快門線、定焦鏡頭、拍照時(shí)使用反光板預(yù)升模式等措施，最大可能地削弱相機(jī)位姿改變引起的誤差。

通過模擬實(shí)驗(yàn)，對相機(jī)姿態(tài)校正效果及測量精度進(jìn)行檢驗(yàn)。分別在相距90m的兩臺腳架上安置單反相機(jī)與可移動式基座，基座上固定標(biāo)志板，設(shè)定相機(jī)每隔五分鐘拍攝一次，在每次拍攝間隔水平移動基座20mm。

對獲取的影像序列做兩次處理，第一次不做改正；第二次利用圖像對齊技術(shù)進(jìn)行改正，選取影像中某固定矩形區(qū)域作為匹配區(qū)域，計(jì)算每兩幅影像某固定矩形區(qū)域偏差，由于認(rèn)為某固定矩形區(qū)域是靜止不動的，則計(jì)算得到的偏差即為相機(jī)位姿改變引起的誤差，在測量結(jié)果中減去計(jì)算得到的偏差，最終得到改正后的位移測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差如圖5所示，左邊一列為改正前與改正后的位移測量結(jié)果，右邊一列為改正前與改正后測量誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖中可以看到，改正前最大測量誤差達(dá)到3mm，但改正后測量誤差一直穩(wěn)定在1mm以內(nèi)。

變形監(jiān)測模擬實(shí)驗(yàn)使用的單反相機(jī)為佳能600d，設(shè)置拍攝圖像大小為5184×3456，有效像素1800萬，成像色彩為黑白，使用鏡頭焦距為135mm，同時(shí)使用電子快門線控制相機(jī)的拍攝。標(biāo)志板為：正方形的白色底板，正方形的邊長為30cm，四個(gè)圓片的直徑相同，均為10cm，第一連線LX的距離等于第二連線LY的距離。實(shí)驗(yàn)場地選為兩棟大樓，在其中一棟大樓樓頂放置三腳架，三腳架上安放單反相機(jī)底座，利用螺絲將相機(jī)固定在底座上；在另一棟大樓樓頂距離相機(jī)為75m的墻面上粘貼紙質(zhì)標(biāo)志板，用于靜態(tài)測量實(shí)驗(yàn)；在距離相機(jī)為100m的位置擺放腳架，腳架安置在可移動式的基座上，在腳架上固定標(biāo)志板，用于模擬變形監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。

(1)首先進(jìn)行為期四天的靜態(tài)測量實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測距離為75m，監(jiān)測時(shí)間為9∶00～17∶00，相機(jī)拍攝間隔為6分鐘，每次連續(xù)拍攝8張圖像，利用位移監(jiān)測軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。位移變化趨勢如圖6所示，將四天的測量結(jié)果一一列舉，橫坐標(biāo)為影像序列，單位為張，縱坐標(biāo)為測量位移結(jié)果，單位為毫米，從四天的測量結(jié)果可以看出，測量誤差一直穩(wěn)定在1mm以內(nèi)。

(2)進(jìn)行為期3天的動態(tài)測量實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測距離為100m，設(shè)置相機(jī)拍攝間隔為8分鐘，每次連續(xù)拍攝8張圖像，在拍攝過程中，調(diào)整可移動式基座，使標(biāo)志板水平移動10mm，總共移動兩次，對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，位移趨勢與測量誤差統(tǒng)計(jì)如圖7所示，左邊一列為位移測量結(jié)果，右邊一列為測量誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖中可以看到，三天的測量誤差一直穩(wěn)定在2mm以內(nèi)。

通過實(shí)際測量可以發(fā)現(xiàn)基于視覺測量的變形監(jiān)測方法在遠(yuǎn)距離、長時(shí)間監(jiān)測中可以達(dá)到毫米級別的監(jiān)測精度，當(dāng)監(jiān)測距離為75m時(shí)，監(jiān)測誤差在1mm以內(nèi)；當(dāng)監(jiān)測距離為100m時(shí)，監(jiān)測誤差在2mm以內(nèi)。

本發(fā)明主要針對遠(yuǎn)距離、長時(shí)間變形監(jiān)測的應(yīng)用，提出了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的二維位移變形監(jiān)測方法，目前國內(nèi)外主要將二維位移監(jiān)測應(yīng)用于建筑物的高動態(tài)測量，例如Jong Jae Lee和Masanobu Shinozuka利用筆記本電腦、攝像機(jī)、長焦鏡頭等設(shè)備，對大橋進(jìn)行了實(shí)時(shí)二維位移變形監(jiān)測，但是監(jiān)測距離僅為20m，應(yīng)用范圍較小；國內(nèi)學(xué)者秦良忠等人將其應(yīng)用于建筑物高動態(tài)測量，監(jiān)測距離可以達(dá)到100m，雖然監(jiān)測精度能夠達(dá)到毫米級，但是測量時(shí)間只有幾百秒，沒有考慮在長時(shí)間監(jiān)測時(shí)環(huán)境以及相機(jī)自身對測量精度的影響。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。