本發(fā)明涉及小位移監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于不動(dòng)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離面內(nèi)小位移絕對(duì)監(jiān)測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著各種大型建筑結(jié)構(gòu)、體育場(chǎng)館、高速鐵路、高邊坡等工程的不斷增加，不同載荷作用下的結(jié)構(gòu)損傷以及破壞的幾率不斷增大。一旦發(fā)生構(gòu)件等破壞，嚴(yán)重的將會(huì)帶來結(jié)構(gòu)的垮塌，造成人員、財(cái)產(chǎn)的重大損失。近幾十年來，我國(guó)發(fā)生過多次房屋、橋梁垮塌、地鐵施工過程中的基坑垮塌、體育場(chǎng)館倒塌等事故，研究表明：絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)的垮塌很多是由于長(zhǎng)期使用過程中結(jié)構(gòu)的不斷老化、損傷、疲勞以及結(jié)構(gòu)載荷過大造成的，其在垮塌前就會(huì)出現(xiàn)較大的變形，這個(gè)變形是長(zhǎng)期累積的過程，并不是突然性的垮塌。如果能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行一個(gè)基本的評(píng)估，可以避免很多類似的事故發(fā)生。

結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)有很多種，大部分是基于人工的一種測(cè)量方法，盡管這些方法精度能夠滿足工程需要，但是長(zhǎng)期的人工監(jiān)測(cè)不僅需要大量的人力、財(cái)力，還需要有一定的技術(shù)人員才能完成。并且測(cè)量的周期非常的長(zhǎng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)載荷突然增大或者偏心載荷過大等情況出現(xiàn)時(shí)，就難以滿足工程需要。

數(shù)字圖像測(cè)量方法是一種基于圖像處理的新方法，現(xiàn)已發(fā)展較為成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用。但是現(xiàn)有的基于數(shù)字圖像的測(cè)量方法仍然存在一定的問題，例如在實(shí)際工程中，所應(yīng)用的攝像機(jī)光軸會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生微小的變形，而微小的變形在遠(yuǎn)距離外所產(chǎn)生的位移是非常大的，這就引入了較大的位移誤差；并且長(zhǎng)期使用由于設(shè)備老化、損壞等情況需要更換設(shè)備，更換后不能保證更換前后狀態(tài)一致，也就是說難以將新設(shè)備的光軸與之前對(duì)齊，這些都是基于數(shù)字圖像方法在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中出現(xiàn)的較為明顯的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于不動(dòng)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離面內(nèi)小位移絕對(duì)監(jiān)測(cè)裝置及方法，使得測(cè)量結(jié)果不依賴于攝像機(jī)的光軸系統(tǒng)，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性及精度。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提出的一種基于不動(dòng)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離面內(nèi)小位移絕對(duì)監(jiān)測(cè)裝置，包括圖像采集系統(tǒng)、圖像分析系統(tǒng)和不動(dòng)點(diǎn)標(biāo)志；圖像采集系統(tǒng)安裝在被測(cè)物體的待測(cè)點(diǎn)位置；不動(dòng)點(diǎn)標(biāo)志包括前后放置的第一標(biāo)志牌和第二標(biāo)志牌兩個(gè)標(biāo)志牌；第一標(biāo)志牌上面具有三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)為對(duì)角形狀，呈直角三角形分布；第二標(biāo)志牌上面具有四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)為對(duì)角形狀，呈矩形分布；第一標(biāo)志牌和第二標(biāo)志牌所在的平面相互平行；所述圖像采集系統(tǒng)包括攝像機(jī)，所述攝像機(jī)對(duì)第一標(biāo)志牌和第二標(biāo)志牌進(jìn)行圖像采集，并輸入至所述圖像分析系統(tǒng)；所述圖像分析系統(tǒng)根據(jù)第一標(biāo)志牌在第二標(biāo)志牌上的投影圖像的變化確定攝像機(jī)的移動(dòng)，以監(jiān)測(cè)被測(cè)物體的移動(dòng)。

本發(fā)明的進(jìn)一步方案中，第一標(biāo)志牌上的三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)刻在第一標(biāo)志牌上，第二標(biāo)志牌上的四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)刻在第二標(biāo)志牌上。

本發(fā)明的進(jìn)一步方案中，第一標(biāo)志牌處于同一水平線上的兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的水平間距小于第二標(biāo)志牌上與之對(duì)應(yīng)的兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的水平間距。

本發(fā)明相應(yīng)提出的一種基于不動(dòng)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離面內(nèi)小位移絕對(duì)監(jiān)測(cè)方法，采用上述基于不動(dòng)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離面內(nèi)小位移絕對(duì)監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：

A1、通過攝像機(jī)采集兩個(gè)標(biāo)志牌的圖像；

標(biāo)志牌的標(biāo)志點(diǎn)的像素坐標(biāo)為(X_i,j，Y_i,j),i表示標(biāo)志牌編號(hào)，j表示標(biāo)志牌上從左下角按照逆時(shí)針方向的標(biāo)志點(diǎn)編號(hào)；

A2、以標(biāo)志牌平面的法向?yàn)閦軸，水平方向?yàn)閤軸，豎向?yàn)閥軸，建立直角坐標(biāo)系；

標(biāo)志牌上的標(biāo)志點(diǎn)用pt_ij來表示，i表示標(biāo)志牌編號(hào)，j表示標(biāo)志牌上從左下角按照逆時(shí)針方向的標(biāo)志點(diǎn)編號(hào)；標(biāo)志點(diǎn)pt₁₂和pt₁₃的水平間距為H_1x，豎向間距為H_1y；標(biāo)志點(diǎn)pt₂₁和pt₂₂的水平間距為H_2x，標(biāo)志點(diǎn)pt₃₁和pt₃₂的豎向間距H_2y；其中H_2x＞H_1x；標(biāo)志點(diǎn)的平面坐標(biāo)為(x_i,j，y_i,j)；

A3、被測(cè)物體未發(fā)生移動(dòng)前，根據(jù)Lagrange插值多項(xiàng)式計(jì)算得到第一標(biāo)志牌上的標(biāo)志點(diǎn)在第二標(biāo)志牌上的投影坐標(biāo)：

標(biāo)志點(diǎn)pt₁₃和pt₁₁在第二標(biāo)志牌上的投影距離為：

根據(jù)幾何關(guān)系有：

其中L₁為攝像機(jī)到第一標(biāo)志牌的距離，L₂為兩個(gè)標(biāo)志牌的距離；由于L₂、H_1y、以及H_4y已知，因此可以計(jì)算出L₁；

A4、被測(cè)物體發(fā)生移動(dòng)后，根據(jù)Lagrange插值多項(xiàng)式計(jì)算得到第一標(biāo)志牌上的標(biāo)志點(diǎn)在第二標(biāo)志牌上的投影坐標(biāo)：

更新后的位移變化量為：

由于所測(cè)量是小位移，因此根據(jù)幾何關(guān)系近似有：

其中為攝像機(jī)第k次測(cè)量所得到的水平和豎向位移變化量。

本發(fā)明的進(jìn)一步方案中，還包括以下步驟；

A5、基于像素定位精度進(jìn)行精度分析；

采用亞像素定位，即定位精度至少可以達(dá)到0.1個(gè)像素，則則根據(jù)推導(dǎo)得到以下誤差分析公式：

其中和分別表示水平和豎向的測(cè)量誤差。

有益效果：本發(fā)明可使得測(cè)量結(jié)果不依賴于攝像機(jī)的光軸系統(tǒng)，對(duì)于工程長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中溫度的影響、更換設(shè)備、焦距調(diào)整等都不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性及精度，極大的滿足了工程實(shí)際需要。

附圖說明

圖1是實(shí)施例中不動(dòng)點(diǎn)標(biāo)志結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是對(duì)圖1進(jìn)行測(cè)量的原理圖。

圖3是被測(cè)物體發(fā)生移動(dòng)后圖2中攝像機(jī)相應(yīng)出現(xiàn)移動(dòng)的示意圖。

圖中：1－第一標(biāo)志牌，2－第二標(biāo)志牌，3－攝像機(jī)。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，下面將結(jié)合附圖以及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述。

實(shí)施例提出的一種基于不動(dòng)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離面內(nèi)小位移絕對(duì)監(jiān)測(cè)裝置及方法請(qǐng)參閱圖1至圖3。

一、監(jiān)測(cè)裝置

實(shí)施例提出的基于不動(dòng)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離面內(nèi)小位移絕對(duì)監(jiān)測(cè)裝置包括圖像采集系統(tǒng)、圖像分析系統(tǒng)和不動(dòng)點(diǎn)標(biāo)志；圖像采集系統(tǒng)安裝在被測(cè)物體的待測(cè)點(diǎn)位置；不動(dòng)點(diǎn)標(biāo)志包括前后放置的第一標(biāo)志牌1和第二標(biāo)志牌2兩個(gè)標(biāo)志牌；第一標(biāo)志牌1上面刻有三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)為對(duì)角形狀，呈直角三角形分布；第二標(biāo)志牌2上面刻有四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)為對(duì)角形狀，呈矩形分布；第一標(biāo)志牌1和第二標(biāo)志牌2所在的平面相互平行；所述圖像采集系統(tǒng)包括攝像機(jī)3，所述攝像機(jī)3對(duì)第一標(biāo)志牌1和第二標(biāo)志牌2進(jìn)行圖像采集，并輸入至所述圖像分析系統(tǒng)；所述圖像分析系統(tǒng)根據(jù)第一標(biāo)志牌1在第二標(biāo)志牌2上的投影圖像的變化確定攝像機(jī)3的移動(dòng)，以監(jiān)測(cè)被測(cè)物體的移動(dòng)。

此外，第一標(biāo)志牌1處于同一水平線上的兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的水平間距小于第二標(biāo)志牌2上與之對(duì)應(yīng)的兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的水平間距。

具體的，如圖1所示：標(biāo)志牌上的標(biāo)志點(diǎn)用pt_ij來表示，i表示標(biāo)志牌編號(hào)，j表示標(biāo)志牌上從左下角按照逆時(shí)針方向的標(biāo)志點(diǎn)編號(hào)；標(biāo)志點(diǎn)pt₁₂和pt₁₃的水平間距為H_1x，豎向間距為H_1y；標(biāo)志點(diǎn)pt₂₁和pt₂₂的水平間距為H_2x，標(biāo)志點(diǎn)pt₃₁和pt₃₂的豎向間距H_2y；其中H_2x＞H_1x；

二、監(jiān)測(cè)方法

同樣參閱圖1和圖2，實(shí)施例相應(yīng)提出的基于不動(dòng)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離面內(nèi)小位移絕對(duì)監(jiān)測(cè)方法主要介紹數(shù)據(jù)運(yùn)算及精度分析兩部分。監(jiān)測(cè)原理是：根據(jù)數(shù)字圖像測(cè)量原理，當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生移動(dòng)時(shí)，其采集到的圖像中兩個(gè)標(biāo)志牌上的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)之間的相互位置就會(huì)發(fā)生變化，由于距離較遠(yuǎn)，在垂直于標(biāo)志牌平面的方向上(即Z軸方向)運(yùn)動(dòng)是非常不敏感的，因此可以忽略此方向上的位移所產(chǎn)生的影響，使得測(cè)量結(jié)果不依賴攝像機(jī)的光軸系統(tǒng)，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性及精度。

1、數(shù)據(jù)運(yùn)算，具體包括以下步驟A1至A4：

A1、通過攝像機(jī)采集兩個(gè)標(biāo)志牌的圖像；

如圖2所示，當(dāng)裝置安裝完成后，可以通過攝像機(jī)3拍攝到兩個(gè)標(biāo)志牌的圖像。標(biāo)志點(diǎn)的像素坐標(biāo)為(X_i,j，Y_i,j),i表示標(biāo)志牌編號(hào)，j表示標(biāo)志牌上從左下角按照逆時(shí)針方向的標(biāo)志點(diǎn)編號(hào)；則第一標(biāo)志牌的三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的像素坐標(biāo)分別為：(X_1,1,Y_1,1)，(X_1,2,Y_1,2)，(X_1,3,Y_1,3)；第二標(biāo)志牌的四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的像素坐標(biāo)分別為：(X_2,1,Y_2,1)，(X_2,2,Y_2,2)，(X_2,3,Y_2,3)，(X_2,4,Y_2,4)；

A2、以標(biāo)志牌平面的法向?yàn)閦軸，水平方向?yàn)閤軸，豎向?yàn)閥軸，建立直角坐標(biāo)系；

標(biāo)志點(diǎn)的平面坐標(biāo)為(x_i,j，y_i,j)，i表示標(biāo)志牌編號(hào)，j表示標(biāo)志牌上從左下角按照逆時(shí)針方向的標(biāo)志點(diǎn)編號(hào)；

A3、被測(cè)物體未發(fā)生移動(dòng)前，根據(jù)Lagrange插值多項(xiàng)式可以計(jì)算得到第一標(biāo)志牌上的標(biāo)志點(diǎn)在第二標(biāo)志牌上的投影坐標(biāo)：

標(biāo)志點(diǎn)pt₁₃和pt₁₁在第二標(biāo)志牌上的投影距離為：

根據(jù)幾何關(guān)系有：

其中L₁為攝像機(jī)到第一標(biāo)志牌的距離，L₂為兩個(gè)標(biāo)志牌的距離；由于L₂、H_1y、以及H_4y已知，因此可以計(jì)算出L₁；

A4、被測(cè)物體發(fā)生移動(dòng)后，即攝像機(jī)3發(fā)生了平動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示；由于該方法不依賴于光軸的變化，因此成像系統(tǒng)只記錄了平動(dòng)位移的情況；根據(jù)Lagrange插值多項(xiàng)式可以計(jì)算得到第一標(biāo)志牌上的標(biāo)志點(diǎn)在第二標(biāo)志牌上的投影坐標(biāo)：

更新后的位移變化量為：

由于所測(cè)量是小位移，因此根據(jù)幾何關(guān)系近似有：

其中為攝像機(jī)第k次測(cè)量所得到的水平和豎向位移變化量(相對(duì)應(yīng)初始位置來說)。

2、精度分析，具體包括以下步驟A5：

A5、基于像素定位精度進(jìn)行精度分析；

采用亞像素定位，即定位精度至少可以達(dá)到0.1個(gè)像素，則則根據(jù)推導(dǎo)得到以下誤差分析公式：

其中和分別表示水平和豎向的測(cè)量誤差。

例如，第一標(biāo)志牌1和第二標(biāo)志牌2之間的距離為L(zhǎng)₂＝10厘米。標(biāo)志點(diǎn)之間的距離參數(shù)H_1x＝20mm，H_1y＝20mm，H_2x＝30mm，H_2y＝30mm，則根據(jù)上述公式計(jì)算在水平和豎向可以達(dá)到0.02mm的計(jì)算精度?？梢娡ㄟ^本實(shí)施例建立的基于不動(dòng)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離面內(nèi)小位移絕對(duì)測(cè)量能夠滿足工程精度需要。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。