本發(fā)明涉及煤炭開采礦區(qū)井架變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其是涉及一種導(dǎo)軌單目立體視覺的礦區(qū)井架變形監(jiān)測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

煤炭礦區(qū)井架按材料分為鋼制井架和鋼筋混凝土井架(本專利以塔型井架為例)，由于井架的自重過大，在使用過程中的附加荷載、地下水位的升降、地下水對(duì)井架基礎(chǔ)的侵蝕等因素都可能導(dǎo)致井架的傾斜與變形。無論塔型井架主體發(fā)生傾斜或天輪發(fā)生傾斜(水平偏移和垂直偏移分別造成橫向偏擺和縱向偏擺)都可能導(dǎo)致提升用鋼絲繩脫落，從而導(dǎo)致罐籠墜落井底，造成人員傷亡和設(shè)備損傷。因此，如何開展井架及天輪變形監(jiān)測(cè)是煤礦安全生產(chǎn)中一項(xiàng)十分重要的工作。

目前，礦區(qū)井架變形監(jiān)測(cè)手段主要有位移傳感器、全站儀、測(cè)量機(jī)器人、三維激光掃描儀和gps等。其中，位移傳感器需提前埋設(shè)(中國(guó)發(fā)明專利文件cn02138850.4，一種礦山井架安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法及裝置)，且單點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性低；傳統(tǒng)全站儀自動(dòng)化程度低，且不滿足非接觸式危險(xiǎn)區(qū)變形監(jiān)測(cè)要求；測(cè)量機(jī)器人和三維激光掃描技術(shù)自動(dòng)化程度較高但成本昂貴；gps具有全天候自動(dòng)化程度高但衛(wèi)星信號(hào)受礦區(qū)井架遮擋嚴(yán)重。因此，近景攝影測(cè)量和立體視覺技術(shù)以非接觸性、測(cè)量精度高、可連續(xù)測(cè)量、測(cè)量瞬時(shí)完成等特點(diǎn)被逐步應(yīng)用于三維重建等領(lǐng)域。

按照視覺攝像頭個(gè)數(shù)，主要分為單目視覺，雙目及多目視覺。單目視覺裝置要求簡(jiǎn)單，但缺乏深度信息難以進(jìn)行三維重建；雙目及多目視覺三維重建精度高，但存在裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高以及立體標(biāo)定魯棒性難保證等不足。例如，中國(guó)發(fā)明專利文件《一種基于多目視覺的橋梁三維變形監(jiān)測(cè)方法》(專利號(hào)cn201110038782.4)，必須對(duì)多個(gè)視覺攝像頭進(jìn)行立體標(biāo)定，且要求多個(gè)視覺攝像頭位姿關(guān)系保持不變，結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高且不便于外業(yè)攜帶。中國(guó)發(fā)明專利文件《基于視覺的物體傾斜位移沉降變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》(專利號(hào)cn201220358005.8)、《一種基于運(yùn)動(dòng)圖像的危巖變形信息提取及報(bào)警方法》(專利號(hào)cn201510214600.2)，采用單目視覺幀間差分原理獲取變形信息，無法進(jìn)行三維重建且變形信息提取受限于光照影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提出了一種導(dǎo)軌單目立體視覺的礦區(qū)井架變形監(jiān)測(cè)裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶并能夠快速地完成立體視覺三維重建和變形量估計(jì)。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的的基本思路是：

(1)ce平面標(biāo)定方法求解內(nèi)外方位元素和畸變模型參數(shù)。

ce平面標(biāo)定法的標(biāo)定裝置為三個(gè)等長(zhǎng)基準(zhǔn)尺組成的正三角形標(biāo)定板并固定在三腳架上。建立世界坐標(biāo)系：三角形標(biāo)定板中平放基準(zhǔn)尺左端為原點(diǎn)，平放基準(zhǔn)尺右端指向?yàn)閤軸正向，標(biāo)定板平面內(nèi)與x軸垂直向上方向?yàn)閥軸，三角形標(biāo)定板上共有12個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，自原點(diǎn)起始標(biāo)志點(diǎn)依次編號(hào)1,2，……，12，同一基準(zhǔn)尺相鄰標(biāo)志點(diǎn)間隔為δl，各標(biāo)志點(diǎn)的世界坐標(biāo)分別為：(0,0)，(δl,0)，(2δl,0)，(3δl,0)，(4δl,0)，

本專利基于該標(biāo)定裝置提出了一種二維共線條件方程(collinearityequations)和平面標(biāo)定板相結(jié)合的快捷標(biāo)定方法(簡(jiǎn)稱ce平面標(biāo)定方法)。基于平面標(biāo)定板建立世界坐標(biāo)系或物方坐標(biāo)系，獲得的標(biāo)志點(diǎn)世界坐標(biāo)或物方坐標(biāo)記為(x,y)，獲得的平面標(biāo)定板上標(biāo)志點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)記為(x,y)。設(shè)圖像畸變量為(δx,δy)，內(nèi)方位元素記為(x0,y0,-f)，外方位元素包括攝站物方坐標(biāo)xs,ys,zs和姿態(tài)矩陣元素a1,b1,c1,a2,b2,c2,a3,b3,c3。顧及姿態(tài)矩陣元素滿足，c1＝a2b3-a3b2，c2＝a3b1-a1b3，c3＝a1b2-a2b1，引入攝站物方坐標(biāo)的姿態(tài)矩陣變換坐標(biāo)γ1＝-(a1xs+b1ys+c1zs)，γ2＝-(a2xs+b2ys+c2zs)，γ3＝-(a3xs+b3ys+c3zs)，則基于共線條件方程(z＝0)建立關(guān)于內(nèi)方位元素(x0,y0,-f)和新的外方位元素a1,b1,a2,b2,a3,b3,γ1,γ2,γ3及畸變(δx,δy)的ce平面標(biāo)定方法，基本原理如下

求解上述方程中涉及的內(nèi)外方位元素畸變模型參數(shù)，采用兩步法進(jìn)行估計(jì)，步驟一和步驟二的具體思路和方法分別如下：

步驟一：在不考慮畸變量的情況下，設(shè)內(nèi)方位元素(x0,y0,-f)初值已知，將二維共線條件方程式(1)等式兩端同時(shí)乘以a3x+b3y+γ3，則可建立關(guān)于外方位元素的誤差方程，同時(shí)顧及式(2)姿態(tài)矩陣的正交性約束，利用約束最小二乘平差估計(jì)外方位元素的近似值；

步驟二：則進(jìn)一步考慮畸變量的情況，考慮徑向畸變和切向畸變，利用獲得外方位元素作為初值，基于二維共線條件方程式(1)，建立關(guān)于內(nèi)方位元素(x0,y0,-f)和新的外方位元素a1,b1,a2,b2,a3,b3,γ1,γ2,γ3及畸變(δx,δy)，同時(shí)考慮式(2)姿態(tài)矩陣的正交性約束，利用約束最小二乘平差求解出內(nèi)外方位元素和畸變模型參數(shù)。

應(yīng)用該方法進(jìn)行標(biāo)定可知，對(duì)于單張圖像，標(biāo)定的像點(diǎn)對(duì)為m，則利用該方法可列2m+3個(gè)方程，待求參數(shù)為12(不含畸變)，需要5對(duì)像點(diǎn)即可完成標(biāo)定；若考慮徑向和切向3參數(shù)畸變模型，待求參數(shù)為15，則需要6對(duì)像點(diǎn)完成標(biāo)定工作；對(duì)于n張圖像、m個(gè)標(biāo)定像點(diǎn)對(duì)/圖像(顧及移動(dòng)標(biāo)定板或移動(dòng)攝像站位置拍攝，即考慮外方位元素變化、其他參數(shù)不變)，可列(2m+3)n個(gè)方程，不含畸變時(shí)的待求參數(shù)為3+9n、含畸變時(shí)的待求參數(shù)為6+9n。因此，當(dāng)n＝4時(shí)，m≥2(不含畸變)、m≥3(含畸變)。

(2)虛擬立體視覺礦區(qū)井架變形監(jiān)測(cè)

基于導(dǎo)軌的單目立體視覺變形監(jiān)測(cè)裝置(簡(jiǎn)稱虛擬立體視覺變形監(jiān)測(cè)裝置)，由帶刻度尺的水平滑軌、滑塊及高速工業(yè)相機(jī)構(gòu)成?；壈仓迷谌_架上，滑塊上安裝云臺(tái)，高速工業(yè)相機(jī)安裝在云臺(tái)上，通過控制滑塊可使高速相機(jī)在滑軌上自由滑動(dòng)。滑塊底部安有指針，指向滑道的刻度讀數(shù)，通過圖像識(shí)別讀取滑塊底部的指針在刻度上的讀數(shù)。

本專利基于該變形監(jiān)測(cè)裝置提出了一種快速三維重建和變形估計(jì)方法。設(shè)高速相機(jī)導(dǎo)軌刻度由小到大方向?yàn)閤軸正向，垂直于導(dǎo)軌平面朝下方為y軸正向，z軸與x軸、y軸滿足右手準(zhǔn)則，建立以高速相機(jī)位于導(dǎo)軌零刻度時(shí)的透鏡中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的變形監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系，則待測(cè)點(diǎn)或標(biāo)志點(diǎn)p的三維坐標(biāo)記為將高速相機(jī)拍攝第i張圖像時(shí)的導(dǎo)軌刻度記為tⁱ(i＝1,2,3…n)，同名標(biāo)志點(diǎn)p的像平面坐標(biāo)記為(xⁱ,yⁱ)。由此，利用高速相機(jī)在拍攝第i-1張和第i張圖像時(shí)的導(dǎo)軌刻度t^i-1,tⁱ和同名標(biāo)志點(diǎn)像點(diǎn)坐標(biāo)(x^i-1,y^i-1),(xⁱ,yⁱ)，同時(shí)顧及高速相機(jī)沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)姿態(tài)矩陣不變，可得虛擬立體視覺三維重建原理如下

礦區(qū)井架結(jié)構(gòu)的虛擬立體視覺變形監(jiān)測(cè)方法包括兩個(gè)步驟：虛擬立體視覺三維重建和礦區(qū)井架變形監(jiān)測(cè)。

步驟一：基于導(dǎo)軌的單目立體視覺三維重建。

(a)控制高速相機(jī)在滑軌上從左到右運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中拍攝n張圖像，滑塊底部指針初始指向零刻度，在不同位置時(shí)的刻度讀數(shù)記為tⁱ(i＝1,2,3…n)；

(b)高速相機(jī)在第i-1，i，i+1張圖像中的同名點(diǎn)p的像平面坐標(biāo)分為(x^i-1,y^i-1)，(xⁱ,yⁱ)和(xⁱ⁺¹,yⁱ⁺¹)。根據(jù)本專利的三維重建方法列立誤差方程和

(c)基于高速相機(jī)拍攝的第i-1，i，i+1張共3張圖像，可聯(lián)立兩個(gè)誤差方程，推導(dǎo)lⁱ-,lⁱ⁺的聯(lián)合權(quán)陣p，利用加權(quán)最小二乘估計(jì)方法可得標(biāo)志點(diǎn)p的三維坐標(biāo)

步驟二：礦區(qū)井架變形監(jiān)測(cè)。

礦區(qū)(塔型)井架變形(單繩天輪)監(jiān)測(cè)包括礦區(qū)井架傾斜監(jiān)測(cè)和天輪偏擺監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系的建立：在站心坐標(biāo)系下由全站儀獲取控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其中以提升滾筒指向天輪的鋼絲平面投影為y方向，以天輪天頂方向?yàn)閔方向，由右手準(zhǔn)則確定x方向。礦區(qū)井架傾斜監(jiān)測(cè)方案：在井架的各支柱(塔型井架有四個(gè)支柱)上分別布設(shè)三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記為在井架各方向(前后左右)均布設(shè)三個(gè)控制點(diǎn)，記為ci(i＝1,2,…12)?？刂泣c(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)均布設(shè)標(biāo)靶，其坐標(biāo)分別采用下標(biāo)control和monitor進(jìn)行區(qū)分。視覺變形監(jiān)測(cè)井架時(shí)，設(shè)站兩次以上以保證完整地監(jiān)測(cè)到四個(gè)支柱。天輪偏擺監(jiān)測(cè)方案：在井架的正前方設(shè)站，方便觀測(cè)天輪和提升滾筒的鋼絲，通過直線檢測(cè)分別得到連接天輪和滾筒的鋼絲對(duì)應(yīng)的直線l，進(jìn)而計(jì)算橫擺角和縱擺角。

(a)不同監(jiān)測(cè)時(shí)期，重復(fù)步驟二，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)mi(i＝1,2,…12)、控制點(diǎn)ci(i＝1,2,…12)、直線l的兩個(gè)端點(diǎn)p、q進(jìn)行虛擬立體視覺三維重建，可得控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，記為和j指變形監(jiān)測(cè)的期號(hào)，i指變形監(jiān)測(cè)的點(diǎn)號(hào)，以及直線l端點(diǎn)的坐標(biāo)和

(b)以第一期控制點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)，將后續(xù)不同期獲得控制點(diǎn)轉(zhuǎn)至第一期坐標(biāo)基準(zhǔn)，第j次監(jiān)測(cè)相對(duì)于第1次監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)分別記為r^j(旋轉(zhuǎn)矩陣)和d^j(平移向量)，則礦區(qū)井架上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的第j期的站心坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的傾斜量為

(c)利用第j次監(jiān)測(cè)相對(duì)于第1次監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)分別記為r^j(旋轉(zhuǎn)矩陣)和d^j(平移向量)，得到天輪架上連接天輪和滾筒的鋼絲對(duì)應(yīng)的直線l的兩個(gè)端點(diǎn)p和q的站心坐標(biāo)，分別計(jì)算天輪的水平偏移(天輪(鋼絲)橫擺角)和垂直偏移(天輪(鋼絲)縱擺角)。

應(yīng)用步驟一進(jìn)行虛擬立體視覺三維重建時(shí)，對(duì)于有同名標(biāo)志點(diǎn)的連續(xù)3張圖像(第i-1，i，i+1張)，利用該思路可列8個(gè)方程，待求參數(shù)為3。顯然，方程數(shù)為(圖像張數(shù)-1)的4倍，增加圖像張數(shù)可有效增加多余觀測(cè)進(jìn)而提高三維重建精度。完成虛擬立體視覺的三維重建后，按步驟二則可進(jìn)行變形估計(jì)。而且，不同期監(jiān)測(cè)過程中不需要固定攝站，便于變形監(jiān)測(cè)移動(dòng)作業(yè)。綜上，在視野可見范圍內(nèi)，具有同名標(biāo)志點(diǎn)的圖像張數(shù)越多，則標(biāo)志點(diǎn)三維重建以及變形估計(jì)精度越高。

基于上述原理和思路，本發(fā)明提出的導(dǎo)軌單目立體視覺礦區(qū)井架變形監(jiān)測(cè)方法，分為三部分：ce平面標(biāo)定、虛擬立體視覺和變形監(jiān)測(cè)。

步驟一、ce平面標(biāo)定法標(biāo)定內(nèi)外方位元素和畸變模型參數(shù)。

1、ce平面標(biāo)定法的標(biāo)定裝置為三個(gè)等長(zhǎng)基準(zhǔn)尺組成的正三角形標(biāo)定板并固定在三腳架上。建立世界坐標(biāo)系：三角形標(biāo)定板中平放基準(zhǔn)尺左端為原點(diǎn)，平放基準(zhǔn)尺右端指向?yàn)閤軸正向，標(biāo)定板平面內(nèi)與x軸垂直向上方向?yàn)閥軸，三角形標(biāo)定板上共有12個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，自原點(diǎn)起始標(biāo)志點(diǎn)依次編號(hào)1,2，……，12，同一基準(zhǔn)尺相鄰標(biāo)志點(diǎn)間隔為δl，各標(biāo)志點(diǎn)的世界坐標(biāo)分別為：(0,0)，(δl,0)，(2δl,0)，(3δl,0)，(4δl,0)，

2、ce平面標(biāo)定法標(biāo)定內(nèi)外方位元素和畸變模型參數(shù)：

(a)標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別

通過對(duì)高速相機(jī)拍攝的標(biāo)定板圖像進(jìn)行灰度化、二值化、邊緣提取，利用邊緣點(diǎn)的一系列像素坐標(biāo)(xe,ye)來擬合橢圓，橢圓可以用圓錐曲線方程的代數(shù)形式表示

其中：a、b、c、d、e、f是方程系數(shù)

從而計(jì)算出圖像中橢圓的中心位置(x,y)，即為上述12個(gè)平面標(biāo)定板標(biāo)志點(diǎn)的物方坐標(biāo)(x,y)一一對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)；

(b)取圖像中心坐標(biāo)為像主點(diǎn)(x0,y0)的初值、畸變量(δx,δy)初值為零、高速相機(jī)鏡頭出廠標(biāo)稱值為焦距f的初值，建立a1,b1,c1,a2,b2,c2,a3,b3,c3和xs,ys,zs為外方位元素的誤差方程

式中，γ1＝-(a1xs+b1ys+c1zs)，

γ2＝-(a2xs+b2ys+c2zs)，

γ3＝-(a3xs+b3ys+c3zs)，

(c)根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣的單位正交性，建立以下約束方程

(d)通過約束最小二乘平差可估計(jì)外方位元素a1,b1,c1,a2,b2,c2,a3,b3,c3和xs,ys,zs；

(e)進(jìn)一步考慮徑向畸變和切向畸變3參數(shù)模型，利用獲得外方位元素作為初值，進(jìn)行內(nèi)外方位元素優(yōu)化估計(jì)，建立誤差方程為

式中，k1為徑向畸變系數(shù)，p1,p2為切向畸變系數(shù)，a＝a3x+b3y+γ3；

(f)根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣的單位正交性，建立以下約束方程

(g)通過約束最小二乘平差可以求解出畸變系數(shù)k1,p1,p2，內(nèi)方位元素(x0,y0)和f，外方位元素a1,b1,c1,a2,b2,c2,a3,b3,c3和xs,ys,zs。對(duì)于單張圖像標(biāo)定，至少需要(2n-12>0)6個(gè)點(diǎn)完成含畸變參數(shù)的內(nèi)外方位元素標(biāo)定。

步驟二、虛擬立體視覺三維重建

(a)控制高速相機(jī)在滑塊上從左到右在帶零刻度的滑軌上勻速滑動(dòng)，高速相機(jī)初始位置滑塊底部指針指向零刻度，間隔時(shí)間t進(jìn)行一次拍攝，直到滑塊滑到滑道最右端，完成本次虛擬立體視覺監(jiān)測(cè)過程。

(b)通過圖像識(shí)別出每張圖像中滑塊底部指針指向滑軌刻度的讀數(shù)ti(i＝1,2,3…n)。

(c)對(duì)拍攝到的n張圖像，特征提取并匹配標(biāo)志點(diǎn)，其中連續(xù)三張圖圖像中有同名點(diǎn)p，(x^i-1,y^i-1)，(xⁱ,yⁱ)和(xⁱ⁺¹,yⁱ⁺¹)分別為點(diǎn)p在第i-1張，第i張，第i+1張圖像中的像點(diǎn)坐標(biāo)，可由此列出誤差方程

式中，

(d)在利用i-1，i，i+1連續(xù)三張圖像時(shí)，顧及tⁱ使用2次導(dǎo)致的相關(guān)性，推導(dǎo)出l^i-,lⁱ⁺的聯(lián)合權(quán)陣為p，利用加權(quán)最小二乘估計(jì)方法可得標(biāo)志點(diǎn)p的三維坐標(biāo)

步驟三、礦區(qū)塔型井架變形監(jiān)測(cè)

礦區(qū)(塔型)井架變形(單繩天輪)監(jiān)測(cè)包括礦區(qū)井架傾斜監(jiān)測(cè)和天輪偏擺監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系的建立：在站心坐標(biāo)系下由全站儀獲取控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其中以提升滾筒指向天輪的鋼絲平面投影為y方向，以天輪天頂方向?yàn)閔方向，由右手準(zhǔn)則確定x方向。礦區(qū)井架傾斜監(jiān)測(cè)方案：在井架的各支柱(塔型井架有四個(gè)支柱)上分別布設(shè)三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記為在井架各方向(前后左右)均布設(shè)三個(gè)控制點(diǎn)，記為ci(i＝1,2,…12)。控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)均布設(shè)標(biāo)靶，其坐標(biāo)分別采用下標(biāo)control和monitor進(jìn)行區(qū)分。視覺變形監(jiān)測(cè)井架時(shí)，設(shè)站兩次以上以保證完整地監(jiān)測(cè)到四個(gè)支柱。天輪偏擺監(jiān)測(cè)方案：在井架的正前方設(shè)站，方便觀測(cè)天輪和提升滾筒的鋼絲，通過直線檢測(cè)分別得到連接天輪和滾筒的鋼絲對(duì)應(yīng)的直線l，進(jìn)而計(jì)算橫擺角和縱擺角。

(a)不同監(jiān)測(cè)時(shí)期重復(fù)步驟二，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)mi(i＝1,2,…12)、控制點(diǎn)ci(i＝1,2,…12)、直線l的兩個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行虛擬立體視覺三維重建，可得控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，記為和j指變形監(jiān)測(cè)的期號(hào)，i指變形監(jiān)測(cè)的點(diǎn)號(hào)。以及直線端點(diǎn)的坐標(biāo)和

(b)以第1期控制點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)，將后續(xù)不同期獲得控制點(diǎn)轉(zhuǎn)至第一期坐標(biāo)基準(zhǔn)，記第1期和第j期控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)集和其中，n為控制點(diǎn)數(shù)目。記重心坐標(biāo)分別為和對(duì)應(yīng)的去重心化后的新三維坐標(biāo)集記為和計(jì)算并構(gòu)造4×4矩陣k

式中，tr(m)指矩陣的跡，

i3指3階單位矩陣，

δ＝[m23-m32m31-m13m12-m21]。

(c)計(jì)算矩陣k的特征值以及特征向量，其中最大特征值相對(duì)應(yīng)的特征向量即為單位四元數(shù)q＝(q0q1q2q3)^t，從而得到旋轉(zhuǎn)矩陣

(d)根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣和同期監(jiān)測(cè)點(diǎn)重心坐標(biāo)計(jì)算平移向量

(e)礦區(qū)井架上監(jiān)測(cè)點(diǎn)mi在第j期的三維坐標(biāo)為

(f)第j期監(jiān)測(cè)時(shí)的礦區(qū)塔型井架中立架的傾斜率(垂直偏差的距離除以高度)

(g)天輪(鋼絲)水平偏移采用橫擺角來表示。

(h)天輪(鋼絲)垂直偏移采用縱擺角來表示。

本發(fā)明方法與傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)基于平面標(biāo)定板的ce平面標(biāo)定法，直接估計(jì)內(nèi)外方位元素和畸變系數(shù)而無需泰勒級(jí)數(shù)線性化展開，而且單張以上圖像即可完成標(biāo)定工作；

2)導(dǎo)軌單目虛擬立體視覺三維重建，無復(fù)雜的常規(guī)雙目或多目立體標(biāo)定工作，三維重建自動(dòng)化程度高。

3)與常規(guī)接觸式變形監(jiān)測(cè)方法相比，本專利基于導(dǎo)軌單目立體視覺監(jiān)測(cè)方法、具有非接觸式、成本低、面監(jiān)測(cè)特點(diǎn)。此外，通過控制點(diǎn)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換便于靈活設(shè)置導(dǎo)軌拍攝站點(diǎn)，并有效地增加拍攝視野，快速完成礦區(qū)井架變形監(jiān)測(cè)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明導(dǎo)軌單目立體視覺礦區(qū)井架變形監(jiān)測(cè)流程圖。

圖2是標(biāo)定裝置立體示意圖。

圖3是標(biāo)定板及物方坐標(biāo)系示意圖。

圖4是虛擬立體視覺變形監(jiān)測(cè)裝置示意圖。

其中：1是滑軌支撐腳；2是刻度尺；3是滑塊；4是高速工業(yè)相機(jī)；5是平面鏡；6是云臺(tái)；7是指針；8是滑道；9是控制線；10是電動(dòng)控制器。

圖5虛擬立體視覺變形監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系示意圖。

圖6礦區(qū)塔型井架(單繩天輪)示意圖。

其中：a圖為正視圖，b圖為側(cè)視圖，61是立架；62是斜架；63是天輪架。

圖7礦區(qū)塔型井架傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)示意圖。

圖8天輪偏擺監(jiān)測(cè)示意圖。

其中：a圖是正視圖，b圖是俯視圖，81是天輪；82是滾筒；83是罐籠；84是鋼絲繩；85是地面。

圖9是標(biāo)靶示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

礦區(qū)塔型井架(單繩天輪)是礦井工程關(guān)鍵性的工程構(gòu)筑物，通常由立架，斜架和天輪架三個(gè)主要部分組成。如圖6所示，其中，61為立架；62為斜架；63為天輪架。本發(fā)明提出的一種導(dǎo)軌單目立體視覺變形監(jiān)測(cè)裝置及方法，技術(shù)流程如圖1所示。具體實(shí)施方法分為三部分：ce平面標(biāo)定、虛擬立體視覺和變形監(jiān)測(cè)。

(1)高速相機(jī)ce平面標(biāo)定

ce平面標(biāo)定法的標(biāo)定裝置如圖2所示，包括：21標(biāo)志點(diǎn)、22基準(zhǔn)尺、23三腳架。標(biāo)定時(shí)，將圖4所示的三個(gè)等長(zhǎng)基準(zhǔn)尺組件兩端互相鏈接在一起，圖3所示標(biāo)志點(diǎn)組件通過螺栓安裝在基準(zhǔn)尺上，組成正三角形標(biāo)定板并固定在三腳架上，組成如圖2所示快捷標(biāo)定裝置。標(biāo)定板上標(biāo)志點(diǎn)編號(hào)及世界坐標(biāo)系如圖3、圖5所示：三角形標(biāo)定板中平放基線尺左端為原點(diǎn)，平放基線尺右端指向?yàn)閤軸正向，標(biāo)定板平面內(nèi)與x軸垂直向上方向?yàn)閥軸，共有12個(gè)標(biāo)志點(diǎn)(同一基線尺相鄰標(biāo)志點(diǎn)間隔為δl)。按標(biāo)志點(diǎn)編號(hào)等，其平面標(biāo)定板物方坐標(biāo)或世界坐標(biāo)分別為(0,0)，(δl,0)，(2δl,0),(3δl,0)，(4δl,0)，

基于平面標(biāo)定板的ce平面標(biāo)定法，步驟如下：

(a)標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別。通過對(duì)高速相機(jī)拍攝的平面標(biāo)定板圖像進(jìn)行灰度化、二值化、邊緣提取，利用邊緣點(diǎn)的一系列像素坐標(biāo)(xe,ye)來擬合橢圓，橢圓可以用圓錐曲線方程的代數(shù)形式表示

從而計(jì)算出圖像中橢圓的中心位置(x,y)，即為上述12個(gè)平面標(biāo)定板標(biāo)志點(diǎn)的物方坐標(biāo)(x,y)一一對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)；

(b)取圖像中心坐標(biāo)為像主點(diǎn)(x0,y0)的初值、畸變量(δx,δy)初值為零、高速相機(jī)鏡頭出廠標(biāo)稱值為焦距f的初值，建立a1,b1,c1,a2,b2,c2,a3,b3,c3和xs,ys,zs為外方位元素的誤差方程

式中，γ1＝-(a1xs+b1ys+c1zs)，

γ2＝-(a2xs+b2ys+c2zs)，

γ3＝-(a3xs+b3ys+c3zs)，

(c)根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣的單位正交性，建立以下約束方程

(d)通過約束最小二乘平差可估計(jì)外方位元素a1,b1,c1,a2,b2,c2,a3,b3,c3和xs,ys,zs；

(e)進(jìn)一步考慮徑向畸變和切向畸變3參數(shù)模型，利用獲得外方位元素作為初值，進(jìn)行內(nèi)外方位元素優(yōu)化估計(jì)，建立誤差方程為

式中，k1為徑向畸變系數(shù)，p1,p2為切向畸變系數(shù)，a＝a3x+b3y+γ3；

(f)根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣的單位正交性，建立以下約束方程

(g)通過約束最小二乘平差可以求解出畸變系數(shù)k1,p1,p2，內(nèi)方位元素(x0,y0)和f，外方位元素a1,b1,c1,a2,b2,c2,a3,b3,c3和xs,ys,zs。對(duì)于單張圖像標(biāo)定，至少需要(2n-12>0)6個(gè)點(diǎn)完成含畸變參數(shù)的內(nèi)外方位元素標(biāo)定。

(2)虛擬立體視覺三維重建

礦區(qū)(塔型)井架變形(單繩天輪)監(jiān)測(cè)包括礦區(qū)井架傾斜監(jiān)測(cè)和天輪偏擺監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系的建立：在站心坐標(biāo)系下由全站儀獲取控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其中以提升滾筒指向天輪的鋼絲平面投影為y方向，以天輪天頂方向?yàn)閔方向，由右手準(zhǔn)則確定x方向。礦區(qū)井架傾斜監(jiān)測(cè)方案如圖7所示：在井架的各支柱(塔型井架有四個(gè)支柱)上分別布設(shè)三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記為mi(i＝1,2,…12)，在井架各方向(前后左右)均布設(shè)三個(gè)控制點(diǎn)，記為ci(i＝1,2,…12)?？刂泣c(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)均布設(shè)標(biāo)靶，如圖9所示，其坐標(biāo)分別采用下標(biāo)control和monitor進(jìn)行區(qū)分。視覺變形監(jiān)測(cè)井架時(shí)，設(shè)站兩次以上以保證完整地監(jiān)測(cè)到四個(gè)支柱。天輪偏擺監(jiān)測(cè)方案如圖8所示：在井架的正前方設(shè)站，方便觀測(cè)天輪和提升滾筒的鋼絲，通過直線檢測(cè)分別得到連接天輪和滾筒的鋼絲對(duì)應(yīng)的直線l，進(jìn)而計(jì)算橫擺角α和縱擺角β。

(a)控制高速相機(jī)從左到右在電動(dòng)滑軌上自由滑動(dòng)，初始位置滑塊底部指針指向零刻度，間隔時(shí)間t進(jìn)行一次拍攝，直到滑塊滑到滑道最右端，完成本次虛擬立體視覺監(jiān)測(cè)過程；

(b)通過圖像識(shí)別出每張圖像中滑塊底部指針指向刻度盤的讀數(shù)ti(i＝1,2,3…n)；

(c)通過canny邊緣檢測(cè)算子提取天輪輪廓，采用hough變換檢測(cè)輪廓中的直線算子，找出天輪架上連接天輪和滾筒的鋼絲對(duì)應(yīng)的直線l及其端點(diǎn)p和q的像素坐標(biāo)；

(d)對(duì)拍攝到的n張圖像，特征提取并匹配標(biāo)志點(diǎn)，其中連續(xù)三張圖圖像中有標(biāo)志點(diǎn)，(x^i-1,y^i-1)，(xⁱ,yⁱ)和(xⁱ⁺¹,yⁱ⁺¹)分別為標(biāo)志點(diǎn)在第i-1張，第i張，第i+1張圖像中的像點(diǎn)坐標(biāo)，可由此列出誤差方程

式中，

(e)在利用i-1，i，i+1連續(xù)三張圖像時(shí)，顧及tⁱ使用2次導(dǎo)致的相關(guān)性，推導(dǎo)出l^i-,lⁱ⁺的聯(lián)合權(quán)陣為p，利用加權(quán)最小二乘估計(jì)方法可得標(biāo)志點(diǎn)p的三維坐標(biāo)

(3)礦區(qū)井架變形監(jiān)測(cè)

(a)不同監(jiān)測(cè)時(shí)期，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)mi(i＝1,2,…12)、控制點(diǎn)ci(i＝1,2,…12)、直線l的兩個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行虛擬立體視覺三維重建，可得控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，記為和j指變形監(jiān)測(cè)的期號(hào)，i指變形監(jiān)測(cè)的點(diǎn)號(hào)，以及直線端點(diǎn)的三維坐標(biāo)和

(b)以第1期控制點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)，將后續(xù)不同期獲得控制點(diǎn)轉(zhuǎn)至第一期坐標(biāo)基準(zhǔn)，記第1期和第j期控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)集和其中，n為控制點(diǎn)數(shù)目。記重心坐標(biāo)分別為和對(duì)應(yīng)的去重心化后的新三維坐標(biāo)集記為和計(jì)算并構(gòu)造4×4矩陣k

式中，tr(m)指矩陣的跡，

i3指3階單位矩陣，

δ＝[m23-m32m31-m13m12-m21]，

(c)計(jì)算矩陣k的特征值以及特征向量，其中最大特征值相對(duì)應(yīng)的特征向量即為單位四元數(shù)q＝(q0q1q2q3)^t，從而得到旋轉(zhuǎn)矩陣

(d)根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣和同期監(jiān)測(cè)點(diǎn)重心坐標(biāo)計(jì)算平移向量

(e)礦區(qū)井架上監(jiān)測(cè)點(diǎn)mi在第j期的站心坐標(biāo)為

(f)第j期監(jiān)測(cè)時(shí)的礦區(qū)塔型井架中四個(gè)立架的傾斜率(垂直偏差的距離除以高度)為

式中，n＝1,2,3,4表示井架的四個(gè)支柱，j表示觀測(cè)時(shí)期，

n＝1時(shí)，a＝1,b＝2,c＝3；n＝2時(shí)，a＝4,b＝5,c＝6；

n＝3時(shí)，a＝7,b＝8,c＝9；n＝4時(shí)，a＝10,b＝11,c＝12；

(g)天輪架上連接天輪和滾筒的鋼絲對(duì)應(yīng)的直線l，對(duì)應(yīng)的端點(diǎn)p和q的站心坐標(biāo)為

(h)天輪(鋼絲)水平偏移計(jì)算橫擺角

(i)天輪(鋼絲)垂直偏移計(jì)算縱擺角