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
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地質(zhì)工程、礦山工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于運(yùn)動(dòng)圖像的危巖 變形信息提取及報(bào)警方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 危巖體變形監(jiān)測(cè)工作貫穿防治工程實(shí)施前、中、后各階段，通過(guò)嚴(yán)密監(jiān)測(cè)危巖體變 形動(dòng)態(tài)，可以預(yù)測(cè)危巖體的穩(wěn)定性與變形發(fā)展趨勢(shì)、反饋防治施工設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工并檢驗(yàn)防 治效果起了重要的作用。目前，常采用的變形監(jiān)測(cè)手段包括三維激光掃描監(jiān)測(cè)、全站儀定點(diǎn) 變形監(jiān)測(cè)、局部裂縫變形監(jiān)測(cè)。三維激光掃描監(jiān)測(cè)精度高，能夠準(zhǔn)確并詳細(xì)了解整個(gè)危巖各 點(diǎn)變形發(fā)展趨勢(shì)，但由于激光掃描儀成本較高，不能夠用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；全站儀能夠準(zhǔn)確的了 解特定控制點(diǎn)的變形發(fā)展趨勢(shì)，但同樣由于成本較高，不能夠用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；局部裂縫變形 監(jiān)測(cè)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)特定裂縫的變形發(fā)展趨勢(shì)并預(yù)警，但其代表性較差，不能夠反應(yīng)整個(gè)危 巖體的變形發(fā)展趨勢(shì)。綜上所述，目前尚無(wú)一款能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)多點(diǎn)變形和預(yù)警的危巖變形 監(jiān)測(cè)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了克服上述技術(shù)缺陷而提供的一種基于運(yùn)動(dòng)圖像的危巖變形 信息提取及報(bào)警方法。智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前世界電子信息技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的前 沿。通過(guò)運(yùn)動(dòng)圖像處理技術(shù)，獲取危巖運(yùn)動(dòng)變形圖像，利用圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)相結(jié)合的 方法，模擬人的視覺(jué)功能，獲取危巖變形信息并實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)危巖變形特 征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，彌補(bǔ)已有方法成本高不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表性不強(qiáng)的不足，能 夠?yàn)楣こ痰刭|(zhì)、礦山工程等相關(guān)領(lǐng)域提供危巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與報(bào)警。
[0004] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0005] 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，其特征在于，本方法涉及的 硬件包括CCD傳感器攝像機(jī)、光敏傳感器、太陽(yáng)能電池板、鋰電池、無(wú)線傳輸設(shè)備、定位支撐 裝置和服務(wù)器。所述的CCD傳感器攝像機(jī)具有夜視、防水功能。所述的光敏傳感器能夠感 應(yīng)自然光強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)整CCD傳感器感光度和運(yùn)行模式。
[0006] 選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)并布設(shè)定位支撐裝置6,將帶有無(wú)線傳輸裝置5的CCD傳感器攝像機(jī)1 架設(shè)在定位支撐裝置6上，要求CCD傳感器攝像機(jī)1的鏡頭對(duì)準(zhǔn)危巖體7。太陽(yáng)能電池板 3吸收光能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在鋰電池4中，光敏傳感器2能夠感應(yīng)自然光強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)整 CCD傳感器1感光度和運(yùn)行模式。利用CCD傳感器攝像機(jī)1獲取視頻序列圖像，將圖像通過(guò) 無(wú)線傳輸裝置5上傳至服務(wù)器8。
[0007] 服務(wù)器8隨后對(duì)序列圖像進(jìn)行以下處理：
[0008] (1)降噪預(yù)處理，消除圖像噪點(diǎn)；
[0009] (2)檢測(cè)并消除陰影；
[0010] ⑶識(shí)別巖體和裂縫區(qū)域；
[0011] (4)利用幀間差分法對(duì)相鄰兩幀圖像進(jìn)行差值計(jì)算；
[0012] (5)通過(guò)對(duì)多次對(duì)差值進(jìn)行累加計(jì)算累計(jì)變形量和變形速率；
[0013] (6)利用設(shè)置的虛擬線圈k(x，y)和變形速率預(yù)警值Vmax進(jìn)行變形預(yù)警，當(dāng)危巖體 7變形進(jìn)入虛擬線圈或變形速率大于報(bào)警值時(shí)，服務(wù)器8自動(dòng)向工程人員發(fā)出報(bào)警。
[0014] 所述服務(wù)器8隨后對(duì)序列圖像進(jìn)行以下處理，該軟件計(jì)算部分各步驟詳述為：
[0015] (1)運(yùn)動(dòng)圖像是由一系列像素點(diǎn)值組成的集合（假設(shè)為N行M列），這些像素點(diǎn)的 值可以看作是二維函數(shù)f(x，y)，因此可以將一副數(shù)字圖像f(x，y)按照以下矩陣表示：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 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，其特征在于，本方法涉及的硬 件包括CCD傳感器攝像機(jī)、光敏傳感器、太陽(yáng)能電池板、鋰電池、無(wú)線傳輸設(shè)備、定位支撐裝 置和服務(wù)器，所述的CCD傳感器攝像機(jī)具有夜視、防水功能，所述的光敏傳感器能夠感應(yīng) 自然光強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)整CCD傳感器感光度和運(yùn)行模式； 選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)并布設(shè)定位支撐裝置6,將帶有無(wú)線傳輸裝置5的CCD傳感器攝像機(jī)1架 設(shè)在定位支撐裝置6上，要求CCD傳感器攝像機(jī)1的鏡頭對(duì)準(zhǔn)危巖體7,太陽(yáng)能電池板3吸 收光能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在鋰電池4中，光敏傳感器2能夠感應(yīng)自然光強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)整CCD 傳感器1感光度和運(yùn)行模式，利用CCD傳感器攝像機(jī)1獲取視頻序列圖像，將圖像通過(guò)無(wú) 線傳輸裝置5上傳至服務(wù)器8; 服務(wù)器8隨后對(duì)序列圖像進(jìn)行以下處理： (1) 降噪預(yù)處理，消除圖像噪點(diǎn)； (2) 檢測(cè)并消除陰影； (3) 識(shí)別巖體和裂縫區(qū)域； (4) 利用幀間差分法對(duì)相鄰兩幀圖像進(jìn)行差值計(jì)算； (5) 通過(guò)對(duì)多次對(duì)差值進(jìn)行累加計(jì)算累計(jì)變形量和變形速率； (6) 利用設(shè)置的虛擬線圈k(x，y)和變形速率預(yù)警值Vmax進(jìn)行變形預(yù)警，當(dāng)危巖體7變 形進(jìn)入虛擬線圈或變形速率大于報(bào)警值時(shí)，服務(wù)器8自動(dòng)向工程人員發(fā)出報(bào)警。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于運(yùn)動(dòng)圖像的危巖變形信息提取及報(bào)警方法，其特征 在于，所述服務(wù)器8隨后對(duì)序列圖像進(jìn)行以下處理，該軟件計(jì)算部分各步驟詳述為： (1) 運(yùn)動(dòng)圖像是由一系列像素點(diǎn)值組成的集合（假設(shè)為N行M列），這些像素點(diǎn)的值可 以看作是二維函數(shù)f(x，y)，因此可以將一副數(shù)字圖像f(x，y)按照以下矩陣表示：
式中：f(0, 0)表示圖像像素矩陣第O行第O列像素點(diǎn)值，以此類推。 (2) 為了消除光線過(guò)強(qiáng)或不足在CCD傳感器上產(chǎn)生的像素噪點(diǎn)，需首先對(duì)圖像進(jìn)行降 噪處理（式II)
式中表示確定為陰影；0表示非陰影；fH(x，y)為當(dāng)前幀色調(diào)值；Nmin為白色噪點(diǎn)色調(diào) 閾值，Nmax為黑色噪點(diǎn)色調(diào)閾值 (3) 為了光線陰影影響效應(yīng)，需首先選取一張圖像無(wú)陰影的標(biāo)準(zhǔn)圖像作為背景圖像，利 用HSV顏色空間檢測(cè)后期圖像陰影（式III)
式中：1表示確定為陰影；O表示非陰影；H、Hb分別為背景光強(qiáng)度修正系數(shù)和當(dāng)前幀環(huán) 境光強(qiáng)度修正系數(shù)，由光敏傳感器獲得；fv (X，y)為當(dāng)前幀灰度值；Bv (X，y)為背景灰度值； fs(x，y)為當(dāng)前幀飽和度值；BS(X, y)為背景飽和度值；fH(x, y)為當(dāng)前幀色調(diào)值；BH(x, y)為 背景色調(diào)值；α，β，Ts，Th為經(jīng)驗(yàn)閾值，根據(jù)實(shí)際情況確定 (4) 將陰影區(qū)域從圖像中刪除出去后，需要對(duì)巖體和裂縫進(jìn)行識(shí)別（式IV)。
式中：2表示確定為裂縫；1表示確定為巖體；O表示非巖體；fH(x，y)為當(dāng)前幀色調(diào)值； H為當(dāng)前幀環(huán)境光強(qiáng)度修正系數(shù)，由光敏傳感器獲得為裂縫色調(diào)最小、最 大閾值；，F(xiàn)iinra為巖體色調(diào)最小、最大閾值，根據(jù)實(shí)際情況確定 (5) 利用幀間差分法監(jiān)測(cè)危巖運(yùn)動(dòng)和裂縫變形，通過(guò)相鄰的兩幀圖像進(jìn)行相減（式V)， 去除靜止的物體，保留運(yùn)動(dòng)區(qū)域，該方法計(jì)算量小，不需要考慮背景緩變的影響，對(duì)背景的 變化不敏感： 4/；,, (x，= K (文，少)D，少)1 (V) 式中(U)、分別表示W(wǎng)1時(shí)刻圖像；4/;" (λ·，j)表示V1時(shí)刻圖像與tn時(shí)刻圖像差值 (6) 通過(guò)對(duì)多次幀間差值的累加，可以得到危巖體累計(jì)變形量（式VI)和變形速率（式 VII)
式中：AZJ1 (X, y)、4/,'3 (λ )，）、4/；3 (X，…44 (X，J，）表示 ^與 t。、七2與 t P 七3與 12··· tn 與V1時(shí)刻圖像差值；4〇,>〇表示t3」t n時(shí)刻的累計(jì)變形量；（x，>0表示t3」t n時(shí)刻的平均變形速率 (7) 設(shè)置虛擬線圈k(x，y)和變形速率預(yù)警值v_，用于變形預(yù)警：
式中：1表示報(bào)警；O表示不報(bào)警；k(x，y)為設(shè)置的虛擬線圈；Vmax表示預(yù)定變形速率報(bào) 警值，根據(jù)實(shí)際情況確定。
【專利摘要】本發(fā)明是基于運(yùn)動(dòng)圖像的危巖變形信息提取及報(bào)警方法，智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前世界電子信息技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的前沿。通過(guò)運(yùn)動(dòng)圖像處理技術(shù)，獲取危巖運(yùn)動(dòng)變形圖像，利用圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)相結(jié)合的方法，模擬人的視覺(jué)功能，獲取危巖變形信息并實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)危巖變形特征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，彌補(bǔ)已有方法成本高不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表性不強(qiáng)的不足，能夠?yàn)楣こ痰刭|(zhì)、礦山工程等相關(guān)領(lǐng)域提供危巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與報(bào)警。
【IPC分類】G08B21-10, G08B31-00, G06K9-00, H04N7-18
【公開(kāi)號(hào)】CN104853154
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510214600
【發(fā)明人】王建秀, 劉笑天, 殷堯, 吳林波
【申請(qǐng)人】同濟(jì)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年4月29日