專利名稱：一種盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫測量技術(shù)，尤其是涉及一種盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
高精度、高效率、數(shù)字化和自動化病害檢測模式，是實現(xiàn)高質(zhì)量盾構(gòu)隧道運營維護的前提。隨著檢測技術(shù)的進步，傳統(tǒng)的通過人眼目視或使用簡單的儀器如直尺、讀數(shù)放大鏡等來進行估測的管片接縫寬度測量方法，由于存在結(jié)果主觀性較大、精度和效率較低、且結(jié)果不易保存和管理等缺點，將逐漸被新的方法所代替。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和相機硬件質(zhì)量的不斷提升，數(shù)字圖像技術(shù)以其方便靈活、非接觸式數(shù)據(jù)獲取、圖像易于處理等特點迅速滲透到各個學(xué)科領(lǐng)域并取得了重大的開拓性成就。而基于數(shù)字圖像處理的照相測量技術(shù)業(yè)已深入到邊坡變形監(jiān)測、巖體碎石識別、隧道病害識別量測等土木工程領(lǐng)域中，并發(fā)揮著非接觸、高效、直觀和精確的優(yōu)勢。2004年，鄒軼群、侯貴倉、楊峰提出了一種基于數(shù)字圖像處理的表面裂紋檢測方法。同年，張娟，沙愛民，高懷鋼，孫朝云分析了基于數(shù)字圖像處理的路面裂縫識別與評價系統(tǒng)的工作原理。2005年，上海交通大學(xué)的田勝利對采用數(shù)字圖像技術(shù)觀測結(jié)構(gòu)變形的方法進行了深入的研究，并使用小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能手段對觀測結(jié)果進行了處理。 2006年，東南大學(xué)尹蘭、何小元利用了基于光測法基礎(chǔ)上的數(shù)字圖像處理技術(shù)對混凝土表面裂縫寬度特征進行了測量和分析。2008年，桑中順將紅外攝影技術(shù)引入隧道監(jiān)測，以解決施工中的隧道粉塵嚴(yán)重的問題并針對非量測相機鏡頭畸變較大的缺陷，研究了相機的快速標(biāo)定方法。2009年，周春霖使用數(shù)字圖像技術(shù)結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)巖體節(jié)理的識別和精細(xì)描述。2010年，葉康針對現(xiàn)有的公路隧道裂縫檢測方法的不足，提出了采用數(shù)字圖像技術(shù)進行裂縫特征無接觸的測量方法。雖然之前學(xué)者們對數(shù)字圖像技術(shù)在地下工程和隧道病害檢測領(lǐng)域做了較多研究， 但專門針對盾構(gòu)隧道管片接縫張開數(shù)字圖像檢測技術(shù)卻沒有人涉及到。此外，以上所研究的大多數(shù)方法主要是針對通過接觸式掃描或近距離拍攝所采集的放大圖像進行，并且假設(shè)所獲取的照片所受的干擾少，成像質(zhì)量高。而在實際盾構(gòu)隧道中，光線、遮擋、各種污漬刮痕都會對成像質(zhì)量照成嚴(yán)重影響，使得針對近照中理想寬大目標(biāo)對象的識別量測方法不適用，需尋找一種合適的新方法。因此，研究一種在盾構(gòu)隧道中能便捷、高效、準(zhǔn)確地測量管片接縫張開特征值的圖像檢測方法已成為提高盾構(gòu)隧道運營維護質(zhì)量的迫切需求之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低成本、快速便捷、高精度的盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法及裝置。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，具體步驟如下
(1)采用計算機視覺工具包HALCON標(biāo)定方法對相機進行標(biāo)定，獲取相機內(nèi)部參數(shù)；
(2)通過數(shù)碼相機采集管片接縫的圖像，并通過激光測距儀測定拍攝距離；
(3)將采集到得圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，在轉(zhuǎn)化后的灰度圖像上選擇需測量的感興趣區(qū)域(Region Of Interest，以下簡稱 ROI)；
(4)選擇合適的濾波參數(shù)，采用Gauss濾波器對(3)中選中的ROI區(qū)域圖像進行平滑；
(5)確定平滑后圖像的最大閾值和最小閾值，進行Carmy滯后閾值分割得到圖像中包括管片接縫邊緣在內(nèi)的亞像素線性特征；
(6)從步驟(5)中所得的亞像素線性特征中篩選出所需的亞像素管片接縫邊緣圖像 對于干擾較小的簡單圖像，可直接根據(jù)接縫邊緣圖像呈直線且貫穿ROI區(qū)域這一特點來獲得目標(biāo)接縫邊緣圖像；對于干擾較大的復(fù)雜圖像，可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法識別；
(7)根據(jù)步驟(6)中所得的兩條亞像素管片接縫邊緣圖像，采用法向垂直最小距離法分別計算最大寬度及平均寬度；
(8)根據(jù)預(yù)先確定相機內(nèi)參確定像素尺寸與實際尺寸之間的換算比例(mm/pixel)，并計算得到管片接縫的實際寬度。本發(fā)明中，步驟(1)操作方式如下
①選取大小合適的Halcon特制標(biāo)定板(有從2500 μ m到800mm的各種不同尺寸)。②將準(zhǔn)備好的標(biāo)定板張貼到有一定剛度的平板上，保證表面平滑。③拍攝1(Γ20張標(biāo)定板的圖像，拍攝過程需注意如下事項 在每張照片中整個標(biāo)定板必須保持全部可見；
拍攝過程中需變換標(biāo)定板的位置、朝向、距離；
標(biāo)定板需占盡量大的圖幅(至少1/4)以保證標(biāo)定點識別的精度；
在各次拍攝中標(biāo)定板盡量依次覆蓋整個圖像范圍，以獲取精確的相機內(nèi)參。④用Halcon標(biāo)定程序?qū)λ杉臉?biāo)定板圖像進行處理，獲取相機內(nèi)參。本發(fā)明中，步驟(3)的操作方法如下
①根據(jù)下式將整幅彩色圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖
其中 為彩色圖像中第 個像素點轉(zhuǎn)換后的灰度值，4為彩色圖像中第i個像素點紅
色通道的值；為彩色圖像中第i個像素點綠色通道的值；馬為彩色圖像中第f個像素點藍色通道的值；
②計算出每一點對應(yīng)的灰度值后即可生成彩色圖像對應(yīng)的灰度圖。③采用圓形窗口來選擇相應(yīng)的ROI區(qū)域，注意盡量是目標(biāo)接縫位于ROI區(qū)域中央。本發(fā)明中，步驟(4)的操作方法如下
根據(jù)下述二維高斯濾波函數(shù)對ROI區(qū)域進行平滑
2πσ
將上式分別對X , ^求偏導(dǎo)，得到兩個一維濾波器，
權(quán)利要求
1.一種盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特征在于具體步驟如下(1)采用計算機視覺工具包HALCON標(biāo)定方法對相機進行標(biāo)定，獲取相機內(nèi)部參數(shù)；(2)通過數(shù)碼相機采集管片接縫的圖像，并通過激光測距儀測定拍攝距離；(3)將采集到得圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，在轉(zhuǎn)化后的灰度圖像上選擇需測量的感興趣區(qū)域；(4)選擇合適的濾波參數(shù)，采用Gauss濾波器對步驟(3)中選中的ROI區(qū)域圖像進行平滑；(5)確定平滑后圖像的最大閾值和最小閾值，進行Carmy滯后閾值分割得到圖像中包括管片接縫邊緣在內(nèi)的亞像素線性特征；(6)從步驟(5)中所得的亞像素線性特征中篩選出所需的亞像素管片接縫邊緣圖像 對于干擾較小的簡單圖像，直接根據(jù)接縫邊緣圖像呈直線且貫穿ROI區(qū)域這一特點來獲得目標(biāo)接縫邊緣圖像；對于干擾較大的復(fù)雜圖像，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法識別；(7)根據(jù)步驟(6)中所得的兩條亞像素管片接縫邊緣圖像，采用法向垂直最小距離法分別計算最大寬度及平均寬度；(8)根據(jù)預(yù)先確定相機內(nèi)參確定像素尺寸與實際尺寸之間的換算比例，并計算得到管片接縫的實際寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特征在于，步驟(1)的操作方法如下①選取大小合適的Halcon特制標(biāo)定板；②將準(zhǔn)備好的標(biāo)定板張貼到有一定剛度的平板上，保證表面平滑；③拍攝1(Γ20張標(biāo)定板的圖像；④用Halcon標(biāo)定程序?qū)λ杉臉?biāo)定板圖像進行處理，獲取相機內(nèi)參。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特征在于，步驟(3)的操作方法如下①根據(jù)下式將整幅彩色圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特征在于，步驟(4)的操作方法如下根據(jù)下述二維高斯濾波函數(shù)對ROI區(qū)域進行平滑
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特征在于，步驟(5)的操作方法如下①根據(jù)下式計算每個像素點的梯度幅值和梯度方向
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特征在于，步驟(6)的操作方法如下①對于干擾較小的簡單圖像采用幾何特征篩選法來獲取目標(biāo)接縫邊緣特征由于接縫邊緣貫穿整個ROI區(qū)域且呈直線，故可根據(jù)長度特征來進行篩選，此處采用1. 5倍和2倍的 ROI區(qū)域半徑分別為上下閾值，長度在此閾值范圍內(nèi)的邊緣保留，其余的邊緣去除；②對于干擾較大的復(fù)雜圖像采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法來獲取目標(biāo)接縫邊緣特征(I)選擇典型的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其中隱層節(jié)點數(shù)按下式計算，
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量方法，其特征在于，步驟(7)的操作方法如下裂縫像素寬度計算采用最小距離法，具體為區(qū)分裂縫的上下邊緣，分別選中上邊緣的各點，采用最小距離法計算目標(biāo)裂縫的寬度；根據(jù)豎直方向上下邊緣點的坐標(biāo)，先從上邊緣首個點開始，用上邊緣點的坐標(biāo)分別與下邊緣的各坐標(biāo)點利用兩點間的距離公式計算，算得的最小值作為該點到下邊緣的距離，表示為
8.一種盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量裝置，其特征在于包括數(shù)碼相機(1)、 激光測距儀O)、連接螺桿C3)以及筆記本工作站，其中所述的數(shù)碼相機(1)通過連接螺桿( 固定于激光測距儀( 的上方，數(shù)碼相機(1)通過數(shù)據(jù)線( 與筆記本工作站(4) 連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開寬度的測量裝置，其特征在于，所述的數(shù)碼相機(1)采用sonyA550單反數(shù)碼相機，該數(shù)碼相機的鏡頭固定為18飛5_ 長度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)隧道襯砌接縫張開寬度的測量方法及裝置，具體步驟為采用計算機視覺工具包對相機進行標(biāo)定，通過數(shù)碼相機采集管片接縫的圖像，通過激光測距儀測定拍攝距離；將采集到得圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，選擇合適的濾波參數(shù)，采用Gauss濾波器對選中的ROI區(qū)域圖像進行平滑；確定平滑后圖像的最大閾值和最小閾值，進行Canny滯后閾值分割得到圖像中包括管片接縫邊緣在內(nèi)的亞像素線性特征；從亞像素線性特征中篩選出所需的亞像素管片接縫邊緣圖像根據(jù)所得的兩條亞像素管片接縫邊緣圖像，采用法向垂直最小距離法分別計算最大寬度及平均寬度；根據(jù)預(yù)先確定相機內(nèi)參確定像素尺寸與實際尺寸之間的換算比例，并計算得到管片接縫的實際寬度。本發(fā)明具有低成本、高精度、快速便捷等優(yōu)點。
文檔編號G06N3/08GK102297660SQ20111013120
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者朱合華, 李曉軍, 胡傳鵬 申請人:同濟大學(xué)