基于紅外激光光源的遠(yuǎn)距離微小位移測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓偉 黃文浩 劉涌 高震宇

摘 要：本文以建筑物結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)為應(yīng)用背景，采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，精度高、非接觸，適時(shí)監(jiān)測(cè)，智能化，組網(wǎng)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控量測(cè)，開(kāi)發(fā)出一種遠(yuǎn)距離非接觸式多測(cè)量點(diǎn)的微小位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)三維微小位移測(cè)量方法進(jìn)行研究，廣泛應(yīng)用于建筑物形變量檢測(cè)，通過(guò)對(duì)比不同時(shí)間點(diǎn)的形變值和沉降值，累計(jì)產(chǎn)生的位移量曲線變化來(lái)判斷建筑物整體穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。本課題研究并提出的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的遠(yuǎn)距離微小位移檢測(cè)方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足，為實(shí)際工程問(wèn)題的解決提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：非接觸 微小位移 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）01（a）-0004-02

建筑物的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移信息是在建筑施工和使用中極其有價(jià)值的原始數(shù)據(jù)，對(duì)建筑物的安全保障、維護(hù)有著極其重要的意義。傳統(tǒng)的多種位移監(jiān)測(cè)方法多為人工測(cè)量方法，在實(shí)際中有很大的局限性。本文提出了一種基于計(jì)算機(jī)視頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離微小位移檢測(cè)方法。以建筑物建設(shè)過(guò)程和建設(shè)后的沉降監(jiān)測(cè)為應(yīng)用背景，開(kāi)發(fā)出了基于紅外激光光源的遠(yuǎn)距離非接觸式建筑物沉降和傾斜的微小位移測(cè)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)構(gòu)思

基于紅外激光光源的遠(yuǎn)距離微小位移測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

（1）實(shí)現(xiàn)視頻測(cè)量點(diǎn)的監(jiān)測(cè)位移收斂，在30m遠(yuǎn)的距離，測(cè)量點(diǎn)的面內(nèi)微小位移測(cè)量精度達(dá)到1mm。（2）數(shù)據(jù)處理、傳輸、曲線顯示和報(bào)警信息發(fā)布功能。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟

（1）標(biāo)志點(diǎn)的設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)精確的靶型標(biāo)志點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量標(biāo)識(shí)和標(biāo)定功能的統(tǒng)一。（2）研究光的變化對(duì)目標(biāo)物的影響：根據(jù)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的背景環(huán)境，設(shè)計(jì)能夠增強(qiáng)目標(biāo)物在圖片中效果的照明系統(tǒng)。（3）圖像處理與分析：對(duì)采集到的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理，分割、靶標(biāo)參數(shù)檢測(cè)，分析出目標(biāo)物的狀態(tài)。（4）用戶界面設(shè)計(jì)：開(kāi)發(fā)更加有效人機(jī)界面，從而使建筑物某處點(diǎn)面上某測(cè)點(diǎn)的變形量及變形速率得到直觀形象的展示。（5）傳感網(wǎng)絡(luò)搭建：建立檢測(cè)裝置和系統(tǒng)管理上位機(jī)之間的分布式通信。（6）建立數(shù)據(jù)庫(kù)：保存每個(gè)時(shí)間采集分析的變形量數(shù)據(jù)。

2 基于機(jī)器視覺(jué)的建筑物沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際需求，系統(tǒng)分為3個(gè)部分：?jiǎn)文恳曈X(jué)測(cè)量部分、信號(hào)傳輸部分和信號(hào)接收顯示部分，如圖1、圖2所示。

每個(gè)檢測(cè)站點(diǎn)分別由攝像機(jī)、三個(gè)環(huán)形標(biāo)志物、一套光源系統(tǒng)、一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)和一臺(tái)處理數(shù)據(jù)的PC機(jī)構(gòu)成一個(gè)節(jié)點(diǎn)的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)。標(biāo)志點(diǎn)布置在洞壁上待測(cè)位移處，攝像機(jī)的廣角鏡頭對(duì)準(zhǔn)自身前方5～10m處的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，每隔一定時(shí)間進(jìn)行拍攝。下位機(jī)處理攝像機(jī)拍攝的圖像，計(jì)算出標(biāo)志點(diǎn)的位置和不同時(shí)刻標(biāo)志點(diǎn)的偏移量，通過(guò)ZigBee傳輸給洞口的上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)每次傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、顯示，并通過(guò)對(duì)比設(shè)置好的警戒數(shù)值，判斷是否超出警戒線，若超出范圍則實(shí)現(xiàn)聲音和畫(huà)面同時(shí)報(bào)警。

2.1 單目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)

系統(tǒng)最重要的指標(biāo)是測(cè)量精度，即在10m遠(yuǎn)的距離，對(duì)靶標(biāo)位移的測(cè)量精度需要達(dá)到1mm。

從原理上說(shuō)，鏡頭焦距、被拍攝物體到鏡頭的距離和所需成像的大小等因素共同決定攝像機(jī)視場(chǎng)的大小，如圖3所示。

2.2 光源設(shè)計(jì)

由于隧道內(nèi)和施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境復(fù)雜多變，為了保證攝像機(jī)拍攝到穩(wěn)定清晰地圖像，設(shè)計(jì)一套安裝到攝像機(jī)鏡頭邊緣的同軸可見(jiàn)光照明系統(tǒng)，標(biāo)志點(diǎn)采用特殊的回光反射膜制成，基本能夠全反射回可見(jiàn)光，周?chē)矬w暗淡不清的情況下，標(biāo)志點(diǎn)在CCD上呈現(xiàn)出邊緣清晰的高亮白色圓環(huán)。

2.3 靶標(biāo)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求和單目視覺(jué)測(cè)量原理，靶標(biāo)的設(shè)計(jì)需要滿足如下要求：（1）靶標(biāo)要有足夠的亮度要求。（2）靶標(biāo)位于圖像中不同的位置時(shí)，需要對(duì)每一個(gè)位置都標(biāo)定出圖像尺寸和實(shí)際尺寸之間的比例關(guān)系。（3）靶標(biāo)代表了測(cè)量點(diǎn)的位置，因此靶標(biāo)形狀要滿足測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則。

基于上述原則，并兼顧實(shí)際應(yīng)用時(shí)操作的簡(jiǎn)便。本文靶標(biāo)設(shè)計(jì)成環(huán)形同心圓型的靶標(biāo)。該靶標(biāo)的設(shè)計(jì)兼具標(biāo)定功能和測(cè)量功能。

2.4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

軟件設(shè)計(jì)方案可以分為3個(gè)部分：圖像處理、界面顯示報(bào)警（系統(tǒng)管理）和數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)中，圖像處理的主要目的是對(duì)拍攝到的環(huán)形靶標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和目標(biāo)分割，計(jì)算出靶標(biāo)圓環(huán)中心位置的圖像坐標(biāo)，通過(guò)對(duì)比計(jì)時(shí)器設(shè)定的每一時(shí)刻的靶心坐標(biāo)，計(jì)算出靶心的位置變化量和位移速度，最終得到橫向和縱向的變形曲線。整體流程如圖4所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)際工程項(xiàng)目為研究背景，采用了計(jì)算機(jī)視覺(jué)及圖像處理的非接觸式、遠(yuǎn)距離微小位移監(jiān)測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了特殊的靶標(biāo)。將靶標(biāo)設(shè)置于隧洞壁帶測(cè)量點(diǎn)處，采用攝像機(jī)遠(yuǎn)距離拍攝多個(gè)靶標(biāo)，通過(guò)圖像處理與分析，計(jì)算出靶標(biāo)在不同時(shí)刻的偏移量，實(shí)現(xiàn)微小位移測(cè)量。以此視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)為核心，開(kāi)發(fā)了沉降與變形量測(cè)系統(tǒng)。本文對(duì)該系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，為遠(yuǎn)距離微小位移測(cè)量提出了解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡喜平.psd高精度位置測(cè)量系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32（2）：7-9.

[2] 蔡德聰.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[3] 裴先登，羅春，黃浩.PSD高精度位置測(cè)量系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32（2）：7-9.

[4] 袁紅星，干志興，賀安之.PSD非線性修正的算法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，1999，20（3）：271-274.

[5] 黃梅珍，唐九耀，陳任清，等.一維PSD的光電性能解析研究[J].電光與控制，2000，4（2）：55-59.