本發(fā)明屬于隧道監(jiān)測(cè)，具體涉及一種隧道靶標(biāo)識(shí)別中心定位方法。

背景技術(shù)：

1、在隧道施工及竣工后需長(zhǎng)期觀測(cè)隧道支護(hù)面的變形和地面的沉降，以保證人員安全及隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而，傳統(tǒng)的全站儀使用方法存在需要安裝反射棱鏡、容易出現(xiàn)人為誤差以及監(jiān)測(cè)頻率不足等問題。激光測(cè)量技術(shù)又因設(shè)備昂貴而無法大量布置，也存在監(jiān)測(cè)頻率不足，成本過高的問題。單目相機(jī)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，使得隧道變形監(jiān)測(cè)可以極低的成本布設(shè)攝像機(jī)和多點(diǎn)觀測(cè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷的在線觀測(cè)。

2、隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，單目相機(jī)的目標(biāo)檢測(cè)和測(cè)量技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域開始發(fā)揮重要作用，特別是無人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等方面不可或缺。近年來，由于其具有低成本、簡(jiǎn)便性、結(jié)構(gòu)緊湊、多目標(biāo)檢測(cè)、高精度等優(yōu)勢(shì)，單目視覺測(cè)量也逐步開始應(yīng)用在隧道日常變形監(jiān)測(cè)中，該技術(shù)的核心關(guān)鍵在于靶標(biāo)中心的精確定位算法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題提出一種隧道靶標(biāo)識(shí)別中心定位方法，本發(fā)明方法能實(shí)現(xiàn)5hz左右的目標(biāo)檢測(cè)能力，極大的提高了實(shí)時(shí)性，具有高速高精度的特點(diǎn)，又減少了測(cè)量對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備的要求，使得該系統(tǒng)可廣范發(fā)應(yīng)用于隧道變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種隧道靶標(biāo)識(shí)別中心定位方法，按照以下步驟進(jìn)行：

3、步驟1)對(duì)單目相機(jī)采集到的單幀數(shù)據(jù)做畸變校正和裁剪；

4、步驟2)對(duì)裁切的靶標(biāo)圖案使用自適應(yīng)canny算子提取邊緣像素f(x，y)，以邊緣梯度值為基礎(chǔ)，擬合亞像素邊緣點(diǎn)，公式為：

5、

6、f(x)＝x+xmin×dx

7、f(y)＝y(tǒng)+xmin×dy

8、其中，dx和dy分別為當(dāng)前點(diǎn)的梯度方向值取{0,1}，g(a)、g(b)、g(c)分為a、b、c三點(diǎn)處梯度值；

9、步驟3)對(duì)上述結(jié)果，使用8鄰域法進(jìn)行邊界搜索，并在角點(diǎn)及拐點(diǎn)處打斷，形成新的搜索線段，最終完成所有邊緣線的有向鏈接；

10、步驟4)剔除生成弧段中的短弧段、直線弧段、無效弧段；

11、步驟5)將步驟4)后存留的較大弧段進(jìn)行有效弧段聚合，對(duì)弧段數(shù)據(jù)以弧長(zhǎng)排序，從大到小分別擬合橢圓，得到擬合橢圓數(shù)據(jù)，使用約束策略提取屬于目標(biāo)圓的有效弧段；

12、步驟6)提取有效弧段后，采用最小二乘法擬合目標(biāo)橢圓，對(duì)擬合的橢圓方程進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，判斷點(diǎn)是否在橢圓邊上，剔除無效點(diǎn)后使用剩余點(diǎn)再次迭代擬合橢圓，得到的橢圓中心即為精確的標(biāo)靶圓中心坐標(biāo)。

13、進(jìn)一步的，所述步驟3)中角點(diǎn)和拐點(diǎn)的定義為：

14、角點(diǎn)：如果相鄰兩點(diǎn)連線的角度差大于給定閾值t＝90°，|θ1-θ2|＞t則為角點(diǎn)；

15、拐點(diǎn)：令θ＝5，以θ為步距將邊緣點(diǎn)提取為連續(xù)短弧段，計(jì)算每一節(jié)弧段的凹凸性，當(dāng)凹凸性發(fā)生變化時(shí)即變化處為拐點(diǎn)。

16、進(jìn)一步的，所述步驟4)中短弧段、直線弧段、無效弧段的定位為：

17、短弧段判斷閾值取t＝25，將li<t的弧段剔除；

18、直線弧段、無效弧段：

19、定義弧段的兩端點(diǎn)為m(x1,y2)和n(x1,y2)，然后在弧段的中點(diǎn)做平行于兩端點(diǎn)的直線，然后從兩端點(diǎn)向該直線做垂線，兩個(gè)垂點(diǎn)分別為p(x3,y3)和q(x4,y4)，四個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的矩形，短邊為mq，長(zhǎng)邊為mn，定義設(shè)定閾值tl＝0.05，則有當(dāng)μ<tl時(shí)，定義為直線弧段、無效弧段，剔除該弧段。

20、進(jìn)一步的，所述步驟5)中的約束策略采用以下四種約束策略：

21、a、面積約束

22、如果兩個(gè)橢圓弧段擬合的橢圓是同一個(gè)聚類，則有兩個(gè)橢圓面積之比為以大弧段為基礎(chǔ)弧度，剔除面積較小的弧段；

23、b、中心點(diǎn)距離約束

24、如果兩個(gè)橢圓弧段擬合的橢圓是同一個(gè)聚類，則有兩個(gè)橢圓中心的距離小于0.1×s，s取橢圓長(zhǎng)軸a的長(zhǎng)度；

25、c、外接四邊形位置約束

26、如果兩個(gè)橢圓弧段擬合的橢圓是同一個(gè)聚類，則有外接四邊形必相交，以大弧段為基礎(chǔ)弧度，剔除不相交的小弧段；

27、d、擬合橢圓扁率約束；

28、靶標(biāo)在安裝過程中往往靶標(biāo)面不平行于成像面，因而目標(biāo)圓在成像時(shí)由于透視差而變?yōu)闄E圓，該橢圓扁率與靶標(biāo)面與平行面夾角α大小成正比。

29、進(jìn)一步的，所述步驟6)中點(diǎn)是否在橢圓上的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：

30、取|f(xi,yi)|＜0.1的點(diǎn)為有效點(diǎn)；

31、

32、

33、上述公式中ρ為橢圓中心線與x軸夾角，a為橢圓長(zhǎng)軸和b為橢圓短軸；

34、統(tǒng)計(jì)有效點(diǎn)與總點(diǎn)比值如果tp<0.8，則剔除無效點(diǎn)后使用剩余點(diǎn)再次迭代擬合橢圓直到tp>0.8為止，得到的橢圓中心即為精確的標(biāo)靶圓中心坐標(biāo)。

35、進(jìn)一步的，本方法還包括步驟7)結(jié)果驗(yàn)證：在標(biāo)靶圓中心坐標(biāo)處取半徑20像素的圓形窗口，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方式驗(yàn)證中心坐標(biāo)準(zhǔn)確性，如果上述結(jié)果坐標(biāo)確為靶標(biāo)中心則黑白三角區(qū)域統(tǒng)計(jì)的灰度重心將與結(jié)果坐標(biāo)重合，距離誤差小于閾值1像素，以此驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確性。

36、進(jìn)一步的，步驟7)中窗口圓f(u,v)中灰度重心s(x0,y0)的計(jì)算方式為：

37、

38、

39、式中w(u,v)為權(quán)值，(u,v)∈窗口圓f(u,v)。

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提供該特定靶標(biāo)亞像素級(jí)中心坐標(biāo)的矢量特征定位算法和統(tǒng)計(jì)特征驗(yàn)證算法，以保證測(cè)量結(jié)果的唯一性和可靠性。本發(fā)明算法能實(shí)現(xiàn)5hz左右的目標(biāo)檢測(cè)能力，極大的提高了實(shí)時(shí)性，具有高速高精度的特點(diǎn)，又減少了測(cè)量對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備的要求，使得該系統(tǒng)可廣范發(fā)應(yīng)用于隧道變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)。

技術(shù)特征：

1.一種隧道靶標(biāo)識(shí)別中心定位方法，其特征在于：按照以下步驟進(jìn)行：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道靶標(biāo)識(shí)別中心定位方法，其特征在于：所述步驟3)中角點(diǎn)和拐點(diǎn)的定義為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道靶標(biāo)識(shí)別中心定位方法，其特征在于：所述步驟4)中短弧段、直線弧段、無效弧段的定位為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種隧道靶標(biāo)識(shí)別中心定位方法，其特征在于：所述步驟5)中的約束策略采用以下四種約束策略：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種隧道靶標(biāo)識(shí)別中心定位方法，其特征在于：所述步驟6)中點(diǎn)是否在橢圓上的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種隧道靶標(biāo)識(shí)別中心定位方法，其特征在于：還包括步驟7)結(jié)果驗(yàn)證：在標(biāo)靶圓中心坐標(biāo)處取半徑20像素的圓形窗口，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方式驗(yàn)證中心坐標(biāo)準(zhǔn)確性，如果上述結(jié)果坐標(biāo)確為靶標(biāo)中心則黑白三角區(qū)域統(tǒng)計(jì)的灰度重心將與結(jié)果坐標(biāo)重合，距離誤差小于閾值1像素，以此驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確性。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種隧道靶標(biāo)識(shí)別中心定位方法，其特征在于：步驟7)中窗口圓f(u,v)中灰度重心s(x0,y0)的計(jì)算方式為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明一種隧道靶標(biāo)識(shí)別中心定位方法，屬于隧道監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明通過對(duì)單幀數(shù)據(jù)使用自適應(yīng)canny算子提取邊緣像素，擬合亞像素邊緣點(diǎn)，然后使用8鄰域法進(jìn)行邊界搜索，并在角點(diǎn)及拐點(diǎn)處打斷，形成新的搜索線段，完成所有邊緣線的有向鏈接；剔除生成弧段中的短弧段、直線弧段以及無效弧段，對(duì)存留的較大弧段進(jìn)行弧段聚合，得到擬合橢圓數(shù)據(jù)，使用約束策略提取屬于目標(biāo)圓的有效弧段；提取有效弧段后，采用最小二乘法擬合目標(biāo)橢圓，對(duì)擬合的橢圓方程進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，判斷點(diǎn)是否在橢圓邊上，剔除無效點(diǎn)后使用剩余點(diǎn)再次迭代擬合橢圓，得到的橢圓中心即為精確的標(biāo)靶圓中心坐標(biāo)。本發(fā)明算法能實(shí)現(xiàn)5hz左右的目標(biāo)檢測(cè)能力，極大的提高了實(shí)時(shí)性，具有高速高精度的特點(diǎn)，又減少了測(cè)量對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備的要求，使得該系統(tǒng)可廣范發(fā)應(yīng)用于隧道變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)。

技術(shù)研發(fā)人員：齊家彬,崔曉,劉藝,楊祝華,王洪戰(zhàn),武艷軍,趙華,張偉,蘭江,黃碧勇,劉尚煒,王昊宇,陳寶
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17