本發(fā)明涉及一種基于光柵投影雙目成像技術(shù)的盾構(gòu)渣土體積實(shí)時(shí)測(cè)量方法，屬于機(jī)器視覺和工程機(jī)械領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

地鐵日趨成為人們出行必不可少的交通工具，應(yīng)用區(qū)域越來越廣，伴隨地鐵建造的同時(shí)，盾構(gòu)過程中渣土的測(cè)量也顯得日趨重要，在正常盾構(gòu)條件下渣土的理論出土量如果與實(shí)際出土量有差，則可以猜測(cè)盾構(gòu)遇到不良的土層狀態(tài)，這對(duì)施工安全具有重要意義。盾構(gòu)過程中的渣土量記錄的傳統(tǒng)方法主要采用的是人工計(jì)量，該方法工作量大且無法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)量。光柵投影是通過將光柵條紋投影到被測(cè)物體表面，利用兩個(gè)攝像機(jī)采集帶有光柵條紋的被測(cè)物體，變形條紋反映了被測(cè)物體的三維信息，通過分析光柵條紋的變化，重建被測(cè)物體的三維模型，進(jìn)行三維信息測(cè)量?；谝陨显翜y(cè)量實(shí)際問題和光柵投影特點(diǎn)，本發(fā)明提出一種基于光柵投影雙目成像技術(shù)的盾構(gòu)渣土體積測(cè)量方法，利用光柵投影雙目成像技術(shù)對(duì)盾構(gòu)渣土體積進(jìn)行測(cè)量，該方法測(cè)量方便速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于光柵投影雙目成像技術(shù)的盾構(gòu)渣土體積實(shí)時(shí)測(cè)量方法，可以測(cè)量盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)過程中產(chǎn)生渣土量體積的方法和裝置。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：一種基于光柵投影雙目成像技術(shù)的盾構(gòu)渣土體積實(shí)時(shí)測(cè)量方法，其特征在于包含以下步驟

(1)利用激光投影儀投射具有一定編碼的結(jié)構(gòu)光全面覆蓋渣土車土斗車廂；

(2)通過平面標(biāo)定和立體標(biāo)定法對(duì)兩臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；

(3)標(biāo)定完成以后，采用雙目攝像機(jī)對(duì)光柵圖像進(jìn)行采集，得到光柵圖片；

(4)利用四步相移法進(jìn)行光柵圖片相位展開，獲取絕對(duì)相位；

(5)利用基于算法組合的改進(jìn)算法SUORB進(jìn)行特征點(diǎn)匹配；

(6)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，完成三維重建，模擬出渣土車土斗車廂三維形貌；

(7)采用快速體積計(jì)算法計(jì)算出渣土車土斗車廂裝載前的體積；

(8)依次重復(fù)上述1-7步驟計(jì)算渣土車土斗車廂裝載后的體積，減去裝載前的體積即為要測(cè)量的盾構(gòu)渣土體積。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明采用一種基于光柵投影雙目成像技術(shù)的盾構(gòu)渣土體積實(shí)時(shí)測(cè)量方法，采用投射具有一定編碼方案的結(jié)構(gòu)光，提高了測(cè)量效率，減少了檢測(cè)時(shí)間。釆用高分辨率的光柵條紋解出的橫豎絕對(duì)相位值差作為相似度度量，而不是灰度值度量，從而降低了匹配模糊性，提高了系統(tǒng)分辨率。雙目結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)三維重建是基于左右攝像機(jī)的相位匹配，與投影儀的位置無關(guān)，因此而無需進(jìn)行投影儀攝像機(jī)標(biāo)定，只需要常規(guī)的雙目相機(jī)標(biāo)定，從而使得測(cè)量系統(tǒng)具有更大的靈活性和可操作性。能夠有效克服現(xiàn)有技術(shù)中人工計(jì)算渣土體積費(fèi)時(shí)費(fèi)力、實(shí)時(shí)性差、測(cè)量結(jié)果不精確等問題，提高了測(cè)量效率，減少了檢測(cè)時(shí)間，省時(shí)省力，最重要一點(diǎn)具有實(shí)時(shí)性。而且本發(fā)明全程自動(dòng)化，機(jī)器設(shè)備運(yùn)行工作，使得工人們不用在惡劣環(huán)境下進(jìn)行工作。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法裝置圖。

圖中：1-參考平面、2-渣土車、3-攝像機(jī)A、4-投影儀、5-攝像機(jī)B、6-計(jì)算機(jī)。

圖2是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況條件確定的光柵投影形狀，光柵投影全面覆蓋渣土車土斗車廂。

圖3是本發(fā)明方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的說明，但本發(fā)明的實(shí)際方法并不僅限于下述的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

盾構(gòu)機(jī)不斷向前掘進(jìn)，開挖的渣土進(jìn)入土壓倉，土壓倉后側(cè)通過一個(gè)螺旋排土器裝置以同樣的速率把土壓倉內(nèi)的土排除，然后通過傳送皮帶裝入渣土車，渣土車裝上渣土后的體積與渣土車裝載之前的體積差即為要測(cè)量的渣土體積。

本發(fā)明裝置如圖1所示，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)6，一個(gè)激光投影儀4，雙目攝像機(jī)3和5組成，參考平面1(渣土車土斗車廂內(nèi)底面)安裝位置如圖1所示，激光投影儀4和雙目攝像機(jī)3和5均位于渣土車2土斗車廂正上方，激光投影儀4投射具有一定編碼的結(jié)構(gòu)光全面覆蓋渣土車土斗車廂，結(jié)構(gòu)光形狀如圖2所示，雙目攝像機(jī)3和5互成角度，能更好地采集渣土車土斗車廂光柵投影信息，然后將采集到的光柵圖像投射到渣土車的土斗車廂內(nèi)，得到的光柵圖像通過計(jì)算機(jī)6進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，點(diǎn)云預(yù)處理和三維重建模擬出渣土車土斗車廂三維形貌，通過快速體積計(jì)算法計(jì)算出渣土車土斗車廂裝載前的體積，重復(fù)上面過程計(jì)算出渣土車土斗車廂裝載后的體積，后者與前者之差即為要測(cè)的盾構(gòu)渣土量。

本發(fā)明具體工作流程圖如圖3所示：

1、結(jié)構(gòu)光投影。本發(fā)明采取投影具有一定編碼的結(jié)構(gòu)光，利用結(jié)構(gòu)光進(jìn)行三維體積測(cè)量具有非接觸性、高精度、高可靠性。本發(fā)明采取基于彩色編碼的直接編碼方式對(duì)結(jié)構(gòu)光進(jìn)行編碼，這種編碼方法具有很高的分辨率，因其通常使用彩色圖案，引入各種色彩或者使彩色值周期性出現(xiàn)。直接編碼方法適用于靜態(tài)場(chǎng)景的測(cè)量，并且在顏色單一的物體測(cè)量中表現(xiàn)良好，本發(fā)明工況下渣土體積的測(cè)量即為靜止?fàn)顟B(tài)下的測(cè)量，而且渣土顏色種類比較少。直接編碼方法不需要按順序投射多幅編碼圖案，提高了測(cè)量效率，減少了檢測(cè)時(shí)間，其他編碼方法對(duì)待測(cè)物體的輪廓表面的梯度變化十分敏感，直接編碼方法則無此限制。此外，直接編碼方法對(duì)待測(cè)物體表面色彩有所要求，即表面顏色是中性或者灰色的，渣土顏色符合色彩要求，所以采取基于彩色編碼的直接編碼方式對(duì)結(jié)構(gòu)光進(jìn)行編碼。由激光投影儀將經(jīng)過編碼的多條結(jié)構(gòu)光投射到渣土車土斗車廂上，這些光條組成面投到渣土車土斗車廂表面。投射模式為豎直條紋，渣土車土斗車廂內(nèi)表面因?yàn)橛性習(xí)霈F(xiàn)凹凸變化，原本等間距的豎直條紋，經(jīng)過渣土調(diào)制，變成扭曲條紋，扭曲的條紋包含著渣土車土斗車廂內(nèi)渣土的高度信息。

2、雙目攝像機(jī)標(biāo)定及光柵圖像采集。三維物體的還原的關(guān)鍵步驟就是攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定。很大程度上，攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的準(zhǔn)確程度直接決定著三維重建效果的好壞。單攝像機(jī)標(biāo)定是為了得到相機(jī)的焦距、中記、偏移和畸變參數(shù)，對(duì)單個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定是立體標(biāo)定的前提。本發(fā)明中首先利用平面標(biāo)定法對(duì)單個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定，然后利用立體標(biāo)定法對(duì)兩臺(tái)攝像機(jī)之間的立體關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。

在計(jì)算機(jī)視覺中，平面的單應(yīng)性是指從一個(gè)平面到另一個(gè)平面的投影映射。一個(gè)二維平面上的點(diǎn)到攝像機(jī)上的映射就是平面單應(yīng)性的一個(gè)示例。單個(gè)攝像機(jī)標(biāo)定具體方法如下：采用齊次坐標(biāo)，描述點(diǎn)P和成像設(shè)備上的點(diǎn)p，有點(diǎn)點(diǎn)則用單應(yīng)性表示為：

其中,s是一個(gè)常量，表示縮放尺度比例。單應(yīng)性矩陣H包括兩部分:用于定位觀察的物體平面的物理變換和使用攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣的投影。由以上公式完成一個(gè)二維平面上的點(diǎn)到攝像機(jī)上的映射，完成單個(gè)攝像機(jī)標(biāo)定。

雙目攝像機(jī)立體標(biāo)定過程采用如下公式：

P_l＝R^T(P_r-T) (2)

其中，世界坐標(biāo)系下物點(diǎn)在右攝像機(jī)坐標(biāo)系下的觀測(cè)坐標(biāo)為P_r，世界坐標(biāo)系下物點(diǎn)在左攝像機(jī)坐標(biāo)系下的觀測(cè)坐標(biāo)為P_l，T為從左攝像機(jī)坐標(biāo)系到右攝像機(jī)坐標(biāo)系的平移向量，R為旋轉(zhuǎn)矩陣。

3、標(biāo)定完成以后，采用雙目攝像機(jī)對(duì)光柵圖像進(jìn)行采集，得到光柵圖片。

4、獲取絕對(duì)相位。本發(fā)明采用四步相移法對(duì)光柵圖片進(jìn)行相位展開，由以下公式計(jì)算出絕對(duì)相位：

φ_a(x,y)＝φ(x,y)-φ₀ (3)

其中，為由四幅光柵圖像計(jì)算出光柵圖像的相位主值，φ₀是假設(shè)計(jì)算機(jī)生成的條紋圖案的初始相位為0，而由攝像機(jī)捕獲的圖片計(jì)算得到的相對(duì)相位。

絕對(duì)相位標(biāo)識(shí)特征明顯，對(duì)比度較強(qiáng)，便于提取，而且其形式不受限制，滿足不同的應(yīng)用需求，

5、在獲取絕對(duì)相位之后，利用基于算法組合的改進(jìn)算法SUORB進(jìn)行特征點(diǎn)匹配。ORB算法在特征點(diǎn)匹配基本沒有尺度不變性，與SURF理論算法相結(jié)合，提出基于算法組合的改進(jìn)算法SUORB。

首先生成多尺度空間，并在多尺度空間里檢測(cè)穩(wěn)定的極值點(diǎn)，以便提取出的特征點(diǎn)具有尺度不變信息；然后使用ORB描述符來描述特征點(diǎn)，生成旋轉(zhuǎn)不變性的二進(jìn)制描述符，最后實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)匹配，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)。具體過程方法如下所示：

由SURF算法檢測(cè)極值點(diǎn)公式：

det(H_approx)＝D_xxD_yy-(wD_xy)² (4)

其中D_xx、D_yy、D_xy分別代表高斯函數(shù)在(x,y)處的二階偏導(dǎo)數(shù)；w為權(quán)重系數(shù)。

利用非極大值抑制的方法，確定出特征點(diǎn)。再由ORB算法利用BRIEF二進(jìn)制碼串的形式描述特征點(diǎn)。τ準(zhǔn)則公式如下：

p點(diǎn)在x方向上的像素灰度值，記為p(x)。p點(diǎn)在y方向上的像素灰度值，記為p(y)。

6、對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成三維重建。本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)高斯濾波對(duì)散亂點(diǎn)云去噪，采用直接簡(jiǎn)化方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，借助某些鄰域結(jié)構(gòu)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的鄰域信息，在鄰域范圍內(nèi)進(jìn)行局部簡(jiǎn)化，該方法思路簡(jiǎn)單，計(jì)算運(yùn)行速度快。采用基于Delaunay三角剖分的四面體剖分法對(duì)對(duì)散亂點(diǎn)云的凸包進(jìn)行四面體剖分，然后基于最小二乘平面計(jì)算得到各散亂點(diǎn)的法向量，利用四面體頂點(diǎn)的法向量是否和四面體外接球相交來剔除體外四面體，處理后得到精確四面體結(jié)構(gòu)。由以下公式求得法向量：

其中V_x,V_y,V_z,分別為測(cè)點(diǎn)V在x,y,z方向上值，測(cè)點(diǎn)V的k近鄰S＝{p_i|i＝1,2,...k}，p_ix,p_iy,p_iz分別為k鄰近點(diǎn)p_i在x,y,z方向上值，協(xié)方差矩陣CVM的最小特征值即為測(cè)點(diǎn)處的法向量。

7、基于點(diǎn)云的快速體積計(jì)算。由上述步驟可知計(jì)算各四面體的體積之和就可以計(jì)算出渣土車裝載之前的體積。本發(fā)明采用行列式法計(jì)算，對(duì)于四面體頂點(diǎn)A(x₀,y₀,z₀)，B(x₁,y₁,z₁)，C(x₂,y₂,z₂)，D(x₃,y₃,z₃)可得四面體體積V：

8、依次重復(fù)以上(1-7)步驟計(jì)算出渣土車裝載之后的體積，減去裝載前渣土車體積即為要測(cè)的盾構(gòu)渣土體積。

上述具體實(shí)施方式用來解釋本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。