本發(fā)明涉及一種錨桿托盤載荷可視化數(shù)字成像方法，適用于井下及隧道錨桿受力的非接觸式測量法。
背景技術(shù)：
錨桿是采礦工程中應(yīng)用最廣泛的支護(hù)加固方式，錨桿載荷觀測的目的是分析巷道在服務(wù)期間錨桿的載荷變化情況，監(jiān)測錨桿工作狀態(tài)，可為調(diào)整和修改支護(hù)參數(shù)提供實測依據(jù)。而錨桿安裝于鉆孔中，處于密閉狀態(tài)，無法直接觀察其進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變，傳統(tǒng)的接觸式測量方法，如應(yīng)變片、光纖傳感器、位移傳感器等，存在功能單一、測量點少、數(shù)據(jù)有限，且理論計算誤差較大的缺點；而非接觸式視覺測量方法，以其快捷和方便性而發(fā)展迅速，正從傳統(tǒng)的標(biāo)志點坐標(biāo)視覺測量逐步發(fā)展到三維全場視覺測量。
只有測量錨桿三維全場的動態(tài)變形和應(yīng)變數(shù)據(jù)才能準(zhǔn)確揭示其動態(tài)性能，因此迫切需要在復(fù)雜工況下對其變形進(jìn)行三維全場準(zhǔn)確測量，為錨桿的相關(guān)研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)，而現(xiàn)有的基于接觸式的傳統(tǒng)的檢測方法因其自身存在的問題，不能很好的解決這一問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種錨桿托盤載荷可視化數(shù)字成像方法，不僅能快速實現(xiàn)三維變形和應(yīng)變測量，可得到全場位移、適用測試的對象范圍廣、對測量環(huán)境無特別要求。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
一種錨桿托盤載荷可視化數(shù)字成像方法，包括以下步驟：
第一步：在巷道墻面上安裝托盤，再將錨桿固定在托盤中心位置處，未施加預(yù)緊力時定義為變形前的托盤，施加預(yù)緊力后定義為變形后的托盤；
第二步：在錨桿托盤的中心軸上兩側(cè)分別布設(shè)第一攝像機(jī)和第二攝像機(jī)，在托盤和第一攝像機(jī)之間布設(shè)第一光源，托盤和第二攝像機(jī)之間布設(shè)第二光源；
第三步：采用雙目立體視覺原理和張正友平面標(biāo)定法進(jìn)行系統(tǒng)坐標(biāo)標(biāo)定；
第四步：第一光源、第二光源射向變形前的托盤，在托盤表面形成散斑圖像，使用第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)對形成散斑圖像的托盤進(jìn)行觀測，將散斑圖像中某一光點的像的平面坐標(biāo)進(jìn)行計算，得到變形前光點的三維坐標(biāo)；
第五步：對托盤施加預(yù)緊力，使得托盤發(fā)生變形，第一光源、第二光源射向變形后的錨桿托盤，在托盤表面形成散斑圖像，將變形前的散斑圖像與變形后的散斑圖像進(jìn)行匹配，根據(jù)最大相關(guān)系數(shù)確定兩幅散斑圖像的點對關(guān)系，從而找到第四步中托盤變形后光點的位置；
第六步：匹配完畢后，將變形后散斑圖像中光點的像的平面坐標(biāo)進(jìn)行計算，得出變形后光點的三維坐標(biāo)；
第七步：變形前的三維坐標(biāo)與變形后的三維坐標(biāo)之間的差值，即為托盤的全場三維位移；
第八步：在托盤變形后得出的參考圖像上，以待測點為中心設(shè)置參考子區(qū)，通過子區(qū)匹配的方式，尋找到其在參考圖像上相應(yīng)的目標(biāo)子區(qū)，目標(biāo)子區(qū)的中心位置即為待測點在該目標(biāo)圖像中的對應(yīng)位置；對于目標(biāo)子區(qū)內(nèi)各點的位移利用最小二乘擬合得到位移函數(shù)，將此函數(shù)作為目標(biāo)子區(qū)域中心點處的函數(shù)值，對該函數(shù)求導(dǎo)得到應(yīng)變值；
第九步：選擇另一目標(biāo)子區(qū)，重新按上述過程計算得到托盤變形后的應(yīng)變值，如此重復(fù)從而得到托盤全場應(yīng)變值；
第十步：通過對托盤變形前后三維空間數(shù)據(jù)的快速三維變形分析對比得到應(yīng)變場，結(jié)合托盤彎曲剛度得到應(yīng)力場，對應(yīng)力場反算積分即可得到錨桿的實時載荷；具體計算方法如下：
ω—撓度；
k—地基系數(shù)；
d—錨桿托盤彎曲剛度；
e—彈性模量；
μ—泊松比；
h—錨桿托盤厚度；
r—托板中心至所求點的距離；
q—集中載荷；
a—錨桿托盤半徑
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，在托盤的中心軸上兩側(cè)分別布設(shè)第一攝像機(jī)和第二攝像機(jī)，其中，第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)分別與中心軸呈45度角設(shè)置；
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，在托盤和第一攝像機(jī)之間布設(shè)第一光源，托盤和第二攝像機(jī)之間布設(shè)第二光源，其中，第一光源、第二光源分別與中心軸呈60度角設(shè)置，第一光源約在托盤與第一攝像機(jī)中間位置偏外15cm處，第二光源約在托盤與第二攝像機(jī)中間位置偏外15cm處；
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述的第一攝像機(jī)和第二攝像機(jī)均采用ccd相機(jī)；
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，參考圖片通過亞像素處理，其去噪采用小波變換方法進(jìn)行處理。
通過以上技術(shù)方案，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：
本發(fā)明較傳統(tǒng)的應(yīng)變片和位移傳感器、錨桿拉拔器和液壓枕，托盤載荷可視化數(shù)字成像技術(shù)使用簡單方便，首次應(yīng)用該技術(shù)在錨桿和托盤上，能快速實現(xiàn)三維變形和應(yīng)變測量；同時本發(fā)明不需要光學(xué)干涉條紋處理，具有光路相對簡單、非接觸、高精度、可得到全場位移、適用測試的對象范圍廣、對測量環(huán)境無特別要求等優(yōu)點。
附圖說明
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中：1為第一攝像機(jī)，2為第二攝像機(jī)，3為第一光源，4為第二光源，5為錨桿，6為托盤，7為控制計算機(jī)。
具體實施方式
現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。
如圖1所示，本發(fā)明包括以下技術(shù)特征：第一攝像機(jī)1，第二攝像機(jī)2，第一光源3，第二光源4，錨桿5，托盤6，控制計算機(jī)7。
本發(fā)明的一種錨桿托盤載荷可視化數(shù)字成像方法，包括以下步驟：
第一步：在巷道墻面上安裝托盤，再將錨桿固定在托盤中心位置處，未施加預(yù)緊力時定義為變形前的托盤，施加預(yù)緊力后定義為變形后的托盤；
第二步：在錨桿托盤的中心軸上兩側(cè)分別布設(shè)第一攝像機(jī)和第二攝像機(jī)，在托盤和第一攝像機(jī)之間布設(shè)第一光源，托盤和第二攝像機(jī)之間布設(shè)第二光源；
第三步：采用雙目立體視覺原理和張正友平面標(biāo)定法進(jìn)行系統(tǒng)坐標(biāo)標(biāo)定；
第四步：第一光源、第二光源射向變形前的托盤，在托盤表面形成散斑圖像，使用第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)對形成散斑圖像的托盤進(jìn)行觀測，將散斑圖像中某一光點的像的平面坐標(biāo)進(jìn)行計算，得到變形前光點的三維坐標(biāo)；
第五步：對托盤施加預(yù)緊力，使得托盤發(fā)生變形，第一光源、第二光源射向變形后的錨桿托盤，在托盤表面形成散斑圖像，將變形前的散斑圖像與變形后的散斑圖像進(jìn)行匹配，根據(jù)最大相關(guān)系數(shù)確定兩幅散斑圖像的點對關(guān)系，從而找到第四步中托盤變形后光點的位置；其中，用第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)系統(tǒng)記錄物體變形前的圖像i1和變形后的圖像i2，通過數(shù)字圖像相關(guān)算法，衡量i1與i2的匹配程度，確定物體變形前和變形后對應(yīng)的幾何點，進(jìn)行對比、匹配和計算。常用的相關(guān)系數(shù)公式為：
式中：i1(xi,yj)表示變形前子區(qū)a中某點(xi,yj)處的灰度值；i2(xi*,yj*)表示變形后子區(qū)b中某點(xi*,yj*)的灰度值；
第六步：匹配完畢后，將變形后散斑圖像中光點的像的平面坐標(biāo)進(jìn)行計算，得出變形后光點的三維坐標(biāo)；
第七步：變形前的三維坐標(biāo)與變形后的三維坐標(biāo)之間的差值，即為托盤的全場三維位移；
第八步：在托盤變形后得出的參考圖像上，以待測點為中心設(shè)置參考子區(qū)，通過子區(qū)匹配的方式，尋找到其在參考圖像上相應(yīng)的目標(biāo)子區(qū)，目標(biāo)子區(qū)的中心位置即為待測點在該目標(biāo)圖像中的對應(yīng)位置；對于目標(biāo)子區(qū)內(nèi)各點的位移利用最小二乘擬合得到位移函數(shù)，將此函數(shù)作為目標(biāo)子區(qū)域中心點處的函數(shù)值，對該函數(shù)求導(dǎo)得到應(yīng)變值；采用子區(qū)匹配和相關(guān)系數(shù)公式的方法，提高了匹配的速度和精度；
第九步：選擇另一目標(biāo)子區(qū)，重新按上述過程計算得到托盤變形后的應(yīng)變值，如此重復(fù)從而得到托盤全場應(yīng)變值；
第十步：通過對托盤變形前后三維空間數(shù)據(jù)的快速三維變形分析對比得到應(yīng)變場，結(jié)合托盤彎曲剛度得到應(yīng)力場，對應(yīng)力場反算積分即可得到錨桿的實時載荷；
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，在托盤的中心軸上兩側(cè)分別布設(shè)第一攝像機(jī)和第二攝像機(jī)，其中，第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)分別與中心軸呈45度角設(shè)置；
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，在托盤和第一攝像機(jī)之間布設(shè)第一光源，托盤和第二攝像機(jī)之間布設(shè)第二光源，其中，第一光源、第二光源分別與中心軸呈60度角設(shè)置，第一光源約在托盤與第一攝像機(jī)中間位置偏外15cm處，第二光源約在托盤與第二攝像機(jī)中間位置偏外15cm處；
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述的第一攝像機(jī)和第二攝像機(jī)均采用ccd相機(jī)；
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，參考圖片通過亞像素處理，其去噪采用小波變換方法進(jìn)行處理，提高了精度；
作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，步驟三中采用雙目立體視覺原理和張正友平面標(biāo)定法進(jìn)行系統(tǒng)坐標(biāo)標(biāo)定，具體標(biāo)定包括如下步驟：
第一步：建立平面網(wǎng)格狀的標(biāo)定模板，采用平面圓心標(biāo)定板或者平面黑白棋盤標(biāo)定板，標(biāo)定模板上的圓心位置或者黑白棋盤網(wǎng)格交義點就是標(biāo)定控制點，并將已知的標(biāo)定控制點的坐標(biāo)值定義為世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)值；
第二步：標(biāo)定模板建立后，從不同角度拍攝標(biāo)定模板，得到多幅不同角度的標(biāo)定模板圖像；
第三步：對標(biāo)定模板進(jìn)行圖像處理，得到各幅標(biāo)定圖像上標(biāo)定控制點的坐標(biāo)；
第四步：把標(biāo)定模板上標(biāo)定控制點的坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)代入第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)模型中，獲取第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)參數(shù)的解析解；
第五步：通過最小方差求出偏轉(zhuǎn)系數(shù)；
第六步：根據(jù)非線性規(guī)劃求出最終迭代結(jié)果，包括第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)。
數(shù)字散斑相關(guān)方法測量系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分由第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)、控制計算機(jī)組成，負(fù)責(zé)試件變形圖像的采集、保存等工作；軟件部分則是對采集到的散圖像進(jìn)行處理、獲得所需的變形信息。
圖像采集過程中，需要注意的是，
關(guān)于相機(jī)的架設(shè)：三維數(shù)字圖像相關(guān)法的圖像采集系統(tǒng)使用兩個ccd相機(jī)即第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)從不同角度對被測物聚焦成像，獲取變形前后被測物表面的數(shù)字圖像；在實際操作中，必須保證被測區(qū)域在變形運動過程中始終處于兩個相機(jī)的視場及景深范圍之內(nèi)。
關(guān)于相機(jī)的標(biāo)定：三維數(shù)字圖像相關(guān)法的標(biāo)定過程如下:首先使用兩個ccd相機(jī)同時拍攝標(biāo)定模板，對不同姿態(tài)的標(biāo)定模板成像，然后第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)各自進(jìn)行單相機(jī)標(biāo)定，最后進(jìn)行雙相機(jī)標(biāo)定。
圖像處理過程中，需要注意的是，
首先要對圖片進(jìn)行亞像素處理，第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)采集的數(shù)字圖像是像素點離散的，每個像素點在圖像坐標(biāo)系下，有著多達(dá)±1/2個像素的量化誤差，這種誤差是由ccd相機(jī)的硬件配置所決定的；此外ccd所采集圖像的像素尺寸及像素數(shù)量是有限的，因為像素對應(yīng)尺度的確定，所以極大限制了測量獲得的灰度信息的精度，本申請采用基于空域迭代的亞像素匹配算法提高測量精度，然后進(jìn)行圖像去噪，圖像去噪采用小波變換，主要過程是第一，通過檢測圖像小波模極大值點的奇異性來重建圖像；第二，通過對用小波變換系數(shù)的處理，在使用被處理后的系數(shù)重新構(gòu)建圖像；第三，使用多尺度小波系數(shù)之間的相關(guān)性對小波系數(shù)進(jìn)行處理后在進(jìn)行重建濾波。
基于小波變換去噪的主要思想是利用小波分析多尺度的特性，先對被噪聲污染的圖像進(jìn)行小波變換，再用閥值化對得到的小波系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，得到一個新的小波系數(shù)；然后其進(jìn)行反變換，最后得到去除噪聲后的圖像；最后是圖像匹配，圖像匹配的任務(wù)是尋找兩幅數(shù)字圖像中的對應(yīng)點，其精度直接關(guān)系到被測物形貌和變形測量的精度；匹配的基本過程如下：首先，在參考圖像上，通過人工指定的方式確定待測區(qū)域；然后，在待測區(qū)域內(nèi)，均勻劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格點即為待測點；最后，使用相關(guān)系數(shù)圖像匹配方法，計算得到所有待測點的在目標(biāo)中的對應(yīng)位置，完成圖像匹配任務(wù)。
數(shù)據(jù)處理過程中，需要注意的是，
采用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)對被測托盤表面的變形前后的多幅圖像進(jìn)行空間識別，計算得到三維坐標(biāo)，擬合建立托盤表面變形前后的三維模型，獲得托盤表面變形前后數(shù)據(jù)；通過對托盤變形前后三維空間數(shù)據(jù)的快速三維變形分析對比得到應(yīng)變場，結(jié)合托盤彎曲剛度得到應(yīng)力場，對應(yīng)力場反算積分即可得到錨桿的實時載荷。
本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本申請所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
本申請中所述的“和/或”的含義指的是各自單獨存在或兩者同時存在的情況均包括在內(nèi)。
本申請中所述的“連接”的含義可以是部件之間的直接連接也可以是部件間通過其它部件的間接連接。
以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。