單目視覺(jué)位移在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙塵衍，徐亞明，張　濤

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079)

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單目視覺(jué)位移在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙塵衍1,2，徐亞明1,2，張濤1,2

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079)

摘要：系統(tǒng)采用紅外LED燈作為觀測(cè)目標(biāo)，在相機(jī)感光元件前加裝紅外濾光片，以實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè)目標(biāo)的準(zhǔn)二值影像獲取。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了影像上觀測(cè)目標(biāo)的高精度提取。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)5 m遠(yuǎn)處目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精度優(yōu)于1 mm。

關(guān)鍵詞：紅外LED燈；全天候；數(shù)字圖像處理；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)具有實(shí)時(shí)性好、非接觸測(cè)量及數(shù)據(jù)采集、處理自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)[1]。常見(jiàn)的視覺(jué)測(cè)量方法主要有單目視覺(jué)測(cè)量、雙目視覺(jué)測(cè)量、結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量等[2]。結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量受到光源的限制應(yīng)用范圍較小，且標(biāo)定困難。雙目視覺(jué)測(cè)量受到測(cè)量設(shè)備視場(chǎng)范圍的限制，測(cè)量范圍較小，應(yīng)用并不廣泛。單目視覺(jué)測(cè)量使用單臺(tái)相機(jī)即可確定觀測(cè)目標(biāo)的相對(duì)位置、姿態(tài)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相機(jī)標(biāo)定方便。單目視覺(jué)測(cè)量基于攝像機(jī)數(shù)學(xué)模型建立空間目標(biāo)特征點(diǎn)與圖像特征點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)投影變換關(guān)系，從而確定目標(biāo)特征點(diǎn)的位置信息，目前在航空航天、機(jī)器人導(dǎo)航、工業(yè)檢測(cè)等方面有著廣泛的應(yīng)用[3]。

本文應(yīng)用單目視覺(jué)測(cè)量技術(shù)確定觀測(cè)目標(biāo)的二維位移，重點(diǎn)研究觀測(cè)目標(biāo)的設(shè)計(jì)、相機(jī)改裝、相機(jī)標(biāo)定技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。

一、觀測(cè)目標(biāo)設(shè)計(jì)及相機(jī)改裝

工業(yè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般要求受周?chē)h(huán)境變化的影響小、數(shù)據(jù)處理速度快等，基于單目視覺(jué)原理的位移監(jiān)測(cè)需要從影像上提取目標(biāo)信息，自然光條件下的影像質(zhì)量受制于周?chē)饩€強(qiáng)度，且目標(biāo)影像淹沒(méi)在背景影像中，后續(xù)的圖像處理復(fù)雜。為了使后續(xù)的圖像處理能快速而準(zhǔn)確地測(cè)定觀測(cè)目標(biāo)的幾何位置，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了觀測(cè)目標(biāo)，并對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行了改裝，得到了被測(cè)目標(biāo)的清晰而突出的“準(zhǔn)二值影像”。

1. 觀測(cè)目標(biāo)設(shè)計(jì)

觀測(cè)目標(biāo)的設(shè)計(jì)主要考慮到以下兩個(gè)指標(biāo)：

1) 滿足室外全天候工作需要，不受環(huán)境光線影響。

2) 便于后續(xù)圖像處理順利進(jìn)行特征提取。

綜合以上兩點(diǎn)，采用紅外LED燈作為觀測(cè)目標(biāo)，功率1 W，波長(zhǎng)850 nm，發(fā)光角度120°，為了增加冗余度并且起到初步確定影像比例尺的作用，在基座上安置了兩個(gè)相同的紅外LED燈，兩燈間隔50 mm。如圖1所示。

圖1　觀測(cè)目標(biāo)

選用低功率、大發(fā)光角度圓形紅外LED燈作為特征點(diǎn)的主要原因?yàn)椋?/p>

1) 易于同自然光照射下的其他物體區(qū)分開(kāi)。

2) 控制發(fā)熱量，保證使用壽命。

3) 發(fā)光角度大，有效擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍。

將紅外LED燈安裝在面板上，使用鋁合金外殼對(duì)其進(jìn)行密封，以達(dá)到防水防塵防腐蝕的目的，同時(shí)便于觀測(cè)目標(biāo)的安裝與固定。

2. 相機(jī)改裝

系統(tǒng)選用130萬(wàn)像素、分辨率為1280×720像素的槍型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)作為影像獲取單元，保證了成像的清晰度。相機(jī)鏡頭可進(jìn)行替換，可根據(jù)觀測(cè)距離的遠(yuǎn)近選用不同焦距的鏡頭，以控制獲取影像的比例尺。

為了得到“準(zhǔn)二值影像”，方便后續(xù)圖像處理，在相機(jī)感光元件前加裝了紅外濾光片，如圖2所示。

圖2　改裝后的相機(jī)

二、相機(jī)標(biāo)定技術(shù)

1. 相機(jī)鏡頭畸變改正

槍型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)選配的是普通鏡頭，畸變差大，致使像點(diǎn)偏離其理想位置，嚴(yán)重影響像點(diǎn)的坐標(biāo)質(zhì)量。獲取了目標(biāo)點(diǎn)的像方坐標(biāo)之后必須進(jìn)行畸變參數(shù)的校正，以獲取其真實(shí)位置。

選用高精度的棋盤(pán)格網(wǎng)作為檢校板，從各個(gè)方向獲取棋盤(pán)圖像并確保棋盤(pán)格圖像能遍布相機(jī)整個(gè)畫(huà)幅，以確保為求解這些圖像相對(duì)于相機(jī)的位置和相機(jī)的內(nèi)參數(shù)提供足夠的信息，一般應(yīng)使有效圖像多于20幅。

棋盤(pán)格圖像拍攝完畢后使用Matlab自帶的Camera Calibrator程序進(jìn)行像機(jī)內(nèi)參數(shù)和畸變參數(shù)的計(jì)算，最后通過(guò)以下公式解算得到像點(diǎn)經(jīng)畸變改正后的坐標(biāo)

(1)

式中，(x,y)為像點(diǎn)未經(jīng)畸變改正的原始位置；

(xcorrected，ycorrected)為像點(diǎn)經(jīng)校正后的新位置；k1、k2、k3為徑向畸變參數(shù)；p1、p2為切向畸變參數(shù)；r為向徑值[4]。在之后的操作中使用到的像點(diǎn)坐標(biāo)均為經(jīng)過(guò)畸變改正的坐標(biāo)。

2. 仿射變換參數(shù)的確定

獲取了影像上的像點(diǎn)坐標(biāo)之后，需要通過(guò)仿射變換將其轉(zhuǎn)化為物方空間的二維坐標(biāo)。仿射變換的數(shù)學(xué)模型為

(2)

式中，a0、a1、a2、b0、b1、b2為仿射變換參數(shù)；(X,Y)為物方點(diǎn)坐標(biāo)。

為了確定仿射變換參數(shù)，以尺寸為500mm×500mm的鋼板作為標(biāo)定板，在標(biāo)定板上安置5個(gè)紅外LED燈，如圖3所示。標(biāo)定板上5個(gè)紅外LED燈的中心位置坐標(biāo)已精確確定。

圖3　標(biāo)定板

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將標(biāo)定板安放在觀測(cè)目標(biāo)處的位移平面內(nèi)，通過(guò)攝像機(jī)獲取標(biāo)定板的影像，從影像上提取5個(gè)紅外LED燈的像方坐標(biāo)，根據(jù)仿射變換公式解求仿射變換參數(shù)，作為后續(xù)將像點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為物方坐標(biāo)的變化參數(shù)。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)分為采集端和控制端兩部分，二者之間通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性。

(1) 采集端

采集端的任務(wù)是自動(dòng)采集觀測(cè)目標(biāo)的清晰影像，并實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行圖像處理，以得到觀測(cè)目標(biāo)的位置信息。

單臺(tái)相機(jī)與觀測(cè)目標(biāo)構(gòu)成采集子系統(tǒng)，觀測(cè)目標(biāo)安置在需要進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位上，相機(jī)安置在穩(wěn)定位置。采集端的控制箱與需要控制的采集子系統(tǒng)之間的距離不宜過(guò)遠(yuǎn)?？刂葡渲谐惭b交換機(jī)、電源外，再配備一臺(tái)UPS電源，防止斷電導(dǎo)致采集子系統(tǒng)停止工作。

(2) 控制端

控制端的任務(wù)是向采集端發(fā)送指令，控制采集端的采樣間隔，獲取各個(gè)采集子系統(tǒng)的影像，并進(jìn)行圖像處理得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)目標(biāo)的物方坐標(biāo)信息，以對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移情況進(jìn)行分析。

主交換機(jī)匯集采集端控制箱的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器。

服務(wù)器上運(yùn)行數(shù)據(jù)采集處理軟件，控制采集端進(jìn)行圖像自動(dòng)采集、分析并完成觀測(cè)目標(biāo)位置的自動(dòng)測(cè)量，數(shù)據(jù)處理結(jié)果自動(dòng)入庫(kù)。

2. 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)使用VisualStudio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)，界面部分使用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，圖像處理算法使用C++語(yǔ)言與OpenCV計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，并使用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行管理。

軟件系統(tǒng)主要功能如圖5所示。

圖5　軟件系統(tǒng)主要功能

3. 作業(yè)流程

首先由服務(wù)器向相機(jī)發(fā)送抓圖指令，獲取相機(jī)返回的圖像并暫存在服務(wù)器內(nèi)存中；再對(duì)圖像進(jìn)行處理，獲取觀測(cè)目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置；最后將每次獲取的觀測(cè)目標(biāo)坐標(biāo)與之前的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到觀測(cè)目標(biāo)的位移情況。

圖像處理流程如圖6所示。

圖6　圓心定位處理流程

首先載入圖像，將其顏色空間從RGB轉(zhuǎn)換為GRAY，即轉(zhuǎn)換為灰度圖像，再基于Canny算子進(jìn)行目標(biāo)邊緣檢測(cè)。

利用Canny算子從圖像中檢索邊緣輪廓點(diǎn)，并將邊緣點(diǎn)像素坐標(biāo)存儲(chǔ)到邊緣輪廓序列中。若一個(gè)邊緣輪廓序列中的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)大于6，則對(duì)橢圓進(jìn)行擬合。

擬合出的橢圓可能不僅包含觀測(cè)目標(biāo)特征，還包含其他噪聲干擾，因此需要對(duì)目標(biāo)特征進(jìn)行約束。對(duì)橢圓的寬度和高度設(shè)置閾值進(jìn)行限定，查找出有效的觀測(cè)目標(biāo)輪廓。

擬合出正確的觀測(cè)目標(biāo)輪廓后對(duì)圓心采用最小二乘法作最佳擬合，進(jìn)行圓心定位。觀測(cè)目標(biāo)原始圖像及最后得到的邊緣檢測(cè)和圓心擬合圖像如圖7、圖8所示。

圖7　特征點(diǎn)原始圖像

每次測(cè)量依次抓取10張相片，相當(dāng)于10次重復(fù)觀測(cè)。對(duì)提取到的兩個(gè)圓心間的物方距離計(jì)算測(cè)量中誤差，判斷圖像處理結(jié)果是否合格。

圖8　邊緣檢測(cè)、圓心擬合圖像

四、精度測(cè)試

為了對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行評(píng)定，在室外搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。將觀測(cè)目標(biāo)安置在由高精度步進(jìn)機(jī)控制的移動(dòng)檢測(cè)臺(tái)上，在正對(duì)觀測(cè)目標(biāo)5m遠(yuǎn)且穩(wěn)定處安置相機(jī)，選擇焦距為25mm的鏡頭并進(jìn)行鏡頭畸變改正、仿射變換參數(shù)確定等操作。

檢測(cè)臺(tái)分別由初始位置向左、向右各移動(dòng)10、50、100mm，將移動(dòng)量作為理論值，在每個(gè)位置采集圖像并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測(cè)量所得結(jié)果與檢測(cè)臺(tái)的移動(dòng)量進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

表1　精度評(píng)定測(cè)試結(jié)果

表1中X方向代表水平方向，Y方向代表豎直方向。從測(cè)量值與檢測(cè)臺(tái)移動(dòng)量的差值可以看出，點(diǎn)位測(cè)量誤差均在1mm以內(nèi)。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文利用單目視覺(jué)測(cè)量原理設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了位移在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研制了適合全天候、復(fù)雜背景環(huán)境下使用的觀測(cè)目標(biāo)， 在相機(jī)的感光元件前安置紅外濾

光片，保證了采集的影像為準(zhǔn)二值影像，極大地方便了后續(xù)圖像處理。

系統(tǒng)具有投入成本低、硬件平臺(tái)搭建簡(jiǎn)單、監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量擴(kuò)展方便、圖像處理效率高等特點(diǎn)，可實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)位的位移情況，能應(yīng)用于工程和工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行二維位移在線監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目中。

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Design and Implementation of Monocular Visual On-line Displacement Monitoring System

ZHAO Chenyan,XU Yaming,ZHANG Tao

收稿日期：2016-04-06； 修回日期： 2016-04-14

作者簡(jiǎn)介：趙塵衍(1990—)，男，碩士生，研究方向?yàn)榫芄こ虦y(cè)量。E-mail：4716355@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)06-0121-04

引文格式： 趙塵衍，徐亞明，張濤. 單目視覺(jué)位移在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(6)：121-124.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0206.