專利名稱：基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及方法
所屬領(lǐng)域 本發(fā)明涉及泥石流野外測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理技術(shù)相結(jié)合的野外泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量通常是在野外進(jìn)行的，但是由于泥石流發(fā)生的規(guī)律和運(yùn)動(dòng)的特征，存在著測(cè)量難度大，測(cè)量具有一定的危險(xiǎn)性等問(wèn)題，而且人工測(cè)量的方法多憑借測(cè)量人員的感覺(jué)，盲目性較大。
泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量的研究已經(jīng)有了較長(zhǎng)的歷史，但是與計(jì)算機(jī)視覺(jué)相結(jié)合的方法的應(yīng)用卻很有限。國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)曾經(jīng)做過(guò)基于雙目視覺(jué)的地形模擬可視三維化，日本電氣協(xié)會(huì)也曾經(jīng)采用時(shí)間、空間斷面圖像對(duì)泥石流的速度分布測(cè)量進(jìn)行研究。但這些方法存在著匹配算法困難、適用對(duì)象固定、受自然環(huán)境影響較大等缺陷，而且測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜，不適合泥石流研究人員掌握。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于研制一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及方法。將用投影裝置發(fā)出的光線通過(guò)結(jié)構(gòu)光柵投射到泥石流表面上，在泥石流表面形成結(jié)構(gòu)光圖像。通過(guò)攝像機(jī)采集到圖像，再通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，獲取圖像的三維信息并對(duì)泥石流表面進(jìn)行重建，最后利用運(yùn)動(dòng)模型獲得泥石流運(yùn)動(dòng)信息。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，包括投影裝置、圖像采集裝置、圖像分析裝置，特別是
投影裝置包括追光燈、結(jié)構(gòu)光柵和光源、透鏡、電源、三角架，追光燈的燈筒固定安裝在三角架上，結(jié)構(gòu)光柵根據(jù)空間結(jié)構(gòu)光編碼設(shè)計(jì)并固定置于追光燈燈筒的前部，結(jié)構(gòu)光柵是一維光條形光柵或二維網(wǎng)格形光柵。
圖像采集裝置包括攝像機(jī)和其上置有的電源線、鏡頭、數(shù)據(jù)傳輸線及圖像采集卡，數(shù)據(jù)傳輸線用于電連接攝像機(jī)和圖像采集卡，攝像機(jī)固定置于易拍攝到泥石流溝道的視野寬闊位置，并調(diào)整焦距直到泥石流溝道圖像清晰為止，利用標(biāo)定板完成攝像機(jī)的標(biāo)定，拍攝在夜間進(jìn)行時(shí)，將調(diào)整鏡頭的光圈以增加曝光時(shí)間，增強(qiáng)圖像亮度。
圖像分析裝置包括工控機(jī)和軟件，工控機(jī)插有圖像采集卡，將采集得到的泥石流結(jié)構(gòu)光圖像傳輸?shù)焦た貦C(jī)的存儲(chǔ)器中，再通過(guò)工控機(jī)和軟件對(duì)獲取圖像進(jìn)行處理。
一種用于基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的方法，特別是該方法的流程為啟動(dòng)投影裝置中的電源、預(yù)熱、打開(kāi)光源，調(diào)整燈筒位置和固定光柵；將投影裝置發(fā)出的光線通過(guò)結(jié)構(gòu)光柵投影到泥石流表面，手動(dòng)調(diào)節(jié)焦距使泥石流表面的結(jié)構(gòu)光條清晰；打開(kāi)圖像采集軟件，啟動(dòng)攝像機(jī)進(jìn)行泥石流結(jié)構(gòu)光圖像的采集，設(shè)定圖像輸出的時(shí)間片，產(chǎn)生一個(gè)分時(shí)采集的時(shí)間基準(zhǔn)；泥石流圖像采集結(jié)束后，利用標(biāo)定板和結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行結(jié)構(gòu)光標(biāo)定圖像的采集；圖像分析裝置利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理，首先完成攝像機(jī)標(biāo)定和結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定，然后結(jié)合標(biāo)定的結(jié)果，獲取泥石流結(jié)構(gòu)光圖像的表面三維信息和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理涉及的算法包括濾波、去噪、邊緣提取、結(jié)構(gòu)光編碼設(shè)計(jì)和識(shí)別、攝像機(jī)和結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定、三維點(diǎn)云的獲得和重構(gòu)算法。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的發(fā)明要點(diǎn)是一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，包括投影裝置、圖像采集裝置、圖像分析裝置，其中投影裝置中追光燈的燈筒固定安裝在三角架上，結(jié)構(gòu)光柵根據(jù)空間結(jié)構(gòu)光編碼設(shè)計(jì)并固定置于追光燈燈筒的前部，結(jié)構(gòu)光柵是一維光條形光柵或二維網(wǎng)格形光柵；圖像采集裝置中的攝像機(jī)固定置于易拍攝到泥石流溝道的視野寬闊位置，利用標(biāo)定板完成攝像機(jī)的標(biāo)定；圖像分析裝置中的工控機(jī)插有圖像采集卡，將采集得到的泥石流結(jié)構(gòu)光圖像傳輸?shù)焦た貦C(jī)的存儲(chǔ)器中。
用于基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的方法，利用圖像采集軟件，啟動(dòng)攝像機(jī)進(jìn)行泥石流結(jié)構(gòu)光圖像的采集，利用標(biāo)定板和結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行結(jié)構(gòu)光標(biāo)定圖像的采集；利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理，完成攝像機(jī)標(biāo)定和結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定，最后結(jié)合標(biāo)定的結(jié)果，獲取泥石流結(jié)構(gòu)光圖像的表面三維信息和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理涉及的算法包括濾波、去噪、邊緣提取、結(jié)構(gòu)光編碼設(shè)計(jì)和識(shí)別、攝像機(jī)和結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定、三維點(diǎn)云的獲得和重構(gòu)算法。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)存在著算法復(fù)雜、適用對(duì)象固定、受自然環(huán)境影響較大且測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜，不適合泥石流研究人員掌握等不足之處，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是其一，一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)組合投影裝置、圖像采集裝置、圖像分析裝置形成了一個(gè)投影裝置的位置不需絕對(duì)固定，使用時(shí)靈活方便的系統(tǒng)。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于現(xiàn)場(chǎng)安裝。所用的結(jié)構(gòu)光柵的結(jié)構(gòu)光空間編碼方法簡(jiǎn)單快捷，易于編程實(shí)現(xiàn)，只需要一次投影就可以獲得表面三維信息，系統(tǒng)采用非接觸的測(cè)量方式采集泥石流運(yùn)動(dòng)的圖像信息并得到三維運(yùn)動(dòng)信息，避免了人工測(cè)量的危險(xiǎn)性。
其二，該系統(tǒng)只用一臺(tái)攝像機(jī)，避免了雙目攝像系統(tǒng)的匹配算法的復(fù)雜性；將結(jié)構(gòu)光編碼方法與單目攝像機(jī)重建技術(shù)結(jié)合，既能完成實(shí)時(shí)采集，又能較大限度的獲得泥石流表面三維圖像信息；計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理涉及算法中的濾波、去噪、邊緣提取、結(jié)構(gòu)光編碼設(shè)計(jì)和識(shí)別、攝像機(jī)和結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定、三維點(diǎn)云的獲得和重構(gòu)算法有成熟的算法基礎(chǔ)，精確可靠。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是用于本發(fā)明系統(tǒng)方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1中，系統(tǒng)包括投影裝置、圖像采集裝置、圖像分析裝置。其中投影裝置包括追光燈1、結(jié)構(gòu)光柵2和光源、透鏡、電源、三角架，追光燈1的燈筒固定安裝在三角架上，結(jié)構(gòu)光柵2根據(jù)空間結(jié)構(gòu)光編碼設(shè)計(jì)并固定置于追光燈1燈筒的前部；圖像采集裝置包括攝像機(jī)3和其上置有的電源線31、鏡頭32、數(shù)據(jù)傳輸線4及圖像采集卡6，數(shù)據(jù)傳輸線4用于電連接攝像機(jī)3和圖像采集卡6，攝像機(jī)3固定置于易拍攝到泥石流溝道的視野寬闊位置，并調(diào)整焦距直到泥石流溝道圖像清晰為止，利用標(biāo)定板完成攝像機(jī)3的標(biāo)定，拍攝在夜間進(jìn)行時(shí)，將調(diào)整鏡頭32的光圈以增加曝光時(shí)間，增強(qiáng)圖像亮度；圖像分析裝置包括工控機(jī)5和軟件，所述的工控機(jī)5插有圖像采集卡6，將采集得到的泥石流結(jié)構(gòu)光圖像傳輸?shù)焦た貦C(jī)5的存儲(chǔ)器中，再通過(guò)工控機(jī)5和軟件對(duì)獲取圖像進(jìn)行處理。
圖2是用于本發(fā)明系統(tǒng)方法的流程圖。圖2的方法流程是開(kāi)始，固定結(jié)構(gòu)光柵2，打開(kāi)投影裝置將結(jié)構(gòu)光投射到泥石流表面(步驟100)；而后打開(kāi)圖像采集裝置(步驟101)，啟動(dòng)采集軟件，采集結(jié)構(gòu)光表面圖像(102)，采集結(jié)構(gòu)光標(biāo)定圖像和攝像機(jī)標(biāo)定圖像(步驟103)，將采集到的圖像信號(hào)在工控機(jī)5的存儲(chǔ)器中保存下來(lái)(步驟104)，最后利用軟件對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，標(biāo)定結(jié)構(gòu)光和攝像機(jī)，得到結(jié)構(gòu)光圖像的三維表面并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析(步驟105)。
實(shí)施例開(kāi)始，首先打開(kāi)投影裝置，將結(jié)構(gòu)光柵2插入追光燈1前面的槽中，將追光燈1燈筒安裝在三角架上，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)；預(yù)熱一分鐘左右，打開(kāi)光源，調(diào)整燈筒位置，追光燈1為大功率舞臺(tái)燈，在夜間照射距離可達(dá)40米左右，適合遠(yuǎn)距離進(jìn)行結(jié)構(gòu)光的投射，將結(jié)構(gòu)光投射到泥石流表面，手動(dòng)調(diào)節(jié)焦距使泥石流表面的結(jié)構(gòu)光條最清晰為止；啟動(dòng)圖像采集裝置，將安裝了鏡頭32的攝像機(jī)3固定在能拍攝到泥石流溝道的位置，并調(diào)節(jié)鏡頭32的焦距和光圈使圖像畫(huà)面最清晰并且亮度適中；打開(kāi)采集軟件，啟動(dòng)攝像機(jī)3進(jìn)行泥石流結(jié)構(gòu)光圖像的采集，將采集到的圖像文件存儲(chǔ)到工控機(jī)5的存儲(chǔ)器上，采集過(guò)程中，可以通過(guò)改變采集頻率調(diào)整采集速度，最快采集速度可達(dá)到每秒30幀左右；泥石流圖像采集結(jié)束后，利用標(biāo)定板和結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行結(jié)構(gòu)光標(biāo)定圖像的采集拍攝。單獨(dú)利用標(biāo)定板完成攝像機(jī)3的標(biāo)定圖像拍攝，圖像采集全部結(jié)束后，先關(guān)掉追光燈1的開(kāi)關(guān)，待冷卻燈筒一兩分鐘后關(guān)掉追光燈1的光源；在完成圖像采集后，進(jìn)入圖像分析裝置，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理的方法，結(jié)合攝像機(jī)3標(biāo)定和結(jié)構(gòu)光標(biāo)定的結(jié)果，獲取泥石流結(jié)構(gòu)光圖像的表面三維信息和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，包括投影裝置、圖像采集裝置、圖像分析裝置，其特征在于所述的投影裝置包括追光燈(1)、結(jié)構(gòu)光柵(2)和光源、透鏡、電源、三角架，所述的追光燈(1)的燈筒固定安裝在三角架上，所述的結(jié)構(gòu)光柵(2)根據(jù)空間結(jié)構(gòu)光編碼設(shè)計(jì)并固定置于追光燈(1)燈筒的前部；所述的圖像采集裝置包括攝像機(jī)(3)和其上置有的電源線(31)、鏡頭(32)、數(shù)據(jù)傳輸線(4)及圖像采集卡(6)，所述的數(shù)據(jù)傳輸線(4)用于電連接攝像機(jī)(3)和圖像采集卡(6)，所述的攝像機(jī)(3)固定置于易拍攝到泥石流溝道的視野寬闊位置，并調(diào)整焦距直到泥石流溝道圖像清晰為止，利用標(biāo)定板完成攝像機(jī)(3)的標(biāo)定，拍攝在夜間進(jìn)行時(shí)，將調(diào)整鏡頭(32)的光圈以增加曝光時(shí)間，增強(qiáng)圖像亮度；所述的圖像分析裝置包括工控機(jī)(5)和軟件，所述的工控機(jī)(5)插有圖像采集卡(6)，將采集得到的泥石流結(jié)構(gòu)光圖像傳輸?shù)焦た貦C(jī)(5)的存儲(chǔ)器中，再通過(guò)工控機(jī)(5)和軟件對(duì)獲取圖像進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的結(jié)構(gòu)光柵(2)是一維光條形光柵或二維網(wǎng)格形光柵。
3.一種用于基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的方法，其特征在于該方法的流程是啟動(dòng)圖像投影裝置中的電源、預(yù)熱、打開(kāi)光源，調(diào)整燈筒位置和固定光柵；將投影裝置發(fā)出的光線通過(guò)結(jié)構(gòu)光柵(2)投影到泥石流表面，手動(dòng)調(diào)節(jié)焦距使泥石流表面的結(jié)構(gòu)光條清晰；打開(kāi)圖像采集軟件，啟動(dòng)攝像機(jī)(3)進(jìn)行泥石流結(jié)構(gòu)光圖像的采集，設(shè)定圖像輸出的時(shí)間片，產(chǎn)生一個(gè)分時(shí)采集的時(shí)間基準(zhǔn)；泥石流圖像采集結(jié)束后，利用標(biāo)定板和結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行結(jié)構(gòu)光標(biāo)定圖像的采集；圖像分析裝置利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理，首先完成攝像機(jī)(3)標(biāo)定和結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定，然后結(jié)合標(biāo)定的結(jié)果，獲取泥石流結(jié)構(gòu)光圖像的表面三維信息和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的方法，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理涉及的算法包括濾波、去噪、邊緣提取、結(jié)構(gòu)光編碼設(shè)計(jì)和識(shí)別、攝像機(jī)(3)和結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定、三維點(diǎn)云的獲得和重構(gòu)算法。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流測(cè)量系統(tǒng)及方法。系統(tǒng)包括投影裝置、圖像采集裝置、圖像分析裝置。投影裝置有追光燈、結(jié)構(gòu)光柵，用于向泥石流表面投射結(jié)構(gòu)光；圖像采集裝置置有圖像采集卡、攝像機(jī)、鏡頭和數(shù)據(jù)傳輸線等，與圖像采集軟件共同作用采集所需圖像；圖像分析裝置指工控機(jī)和相關(guān)軟件，其作用是對(duì)圖像進(jìn)行處理，獲得泥石流表面三維信息并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。系統(tǒng)只用一臺(tái)攝像機(jī)，避免了雙目攝像系統(tǒng)的復(fù)雜性；將結(jié)構(gòu)光編碼方法與單目攝像機(jī)重建技術(shù)結(jié)合，既可實(shí)時(shí)采集，又較大限度的獲得表面三維信息；涉及算法在成熟算法的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行改進(jìn)，更具可靠性。本系統(tǒng)提高了泥石流測(cè)量的安全性、實(shí)用性和精確度。
文檔編號(hào)G01C11/36GK101059339SQ20071002190
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者鄭飛, 吳占偉, 孔斌, 王少平, 李碧春, 胡凱衡, 李建安, 何柯峰, 盧鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院