[发明专利]基于结构光技术的野外泥石流运动测量系统及方法

说明书

所属领域  本发明涉及泥石流野外测量领域，特别涉及一种基于结构光技术与计算机视觉和图像处理技术相结合的野外泥石流运动测量系统及方法。

背景技术  泥石流运动测量通常是在野外进行的，但是由于泥石流发生的规律和运动的特征，存在着测量难度大，测量具有一定的危险性等问题，而且人工测量的方法多凭借测量人员的感觉，盲目性较大。

泥石流运动测量的研究已经有了较长的历史，但是与计算机视觉相结合的方法的应用却很有限。国内的清华大学曾经做过基于双目视觉的地形模拟可视三维化，日本电气协会也曾经采用时间、空间断面图像对泥石流的速度分布测量进行研究。但这些方法存在着匹配算法困难、适用对象固定、受自然环境影响较大等缺陷，而且测量系统复杂，不适合泥石流研究人员掌握。

发明内容  本发明的目的在于：研制一种基于结构光技术的野外泥石流运动测量系统及方法。将用投影装置发出的光线通过结构光栅投射到泥石流表面上，在泥石流表面形成结构光图像。通过摄像机采集到图像，再通过计算机视觉技术，获取图像的三维信息并对泥石流表面进行重建，最后利用运动模型获得泥石流运动信息。

本发明的技术方案是：一种基于结构光技术的野外泥石流运动测量系统，包括投影装置、图像采集装置、图像分析装置，特别是：

投影装置包括追光灯、结构光栅和光源、透镜、电源、三角架，追光灯的灯筒固定安装在三角架上，结构光栅根据空间结构光编码设计并固定置于追光灯灯筒的前部，结构光栅是一维光条形光栅或二维网格形光栅。

图像采集装置包括摄像机和其上置有的电源线、镜头、数据传输线及图像采集卡，数据传输线用于电连接摄像机和图像采集卡，摄像机固定置于易拍摄到泥石流沟道的视野宽阔位置，并调整焦距直到泥石流沟道图像清晰为止，利用标定板完成摄像机的标定，拍摄在夜间进行时，将调整镜头的光圈以增加曝光时间，增强图像亮度。

图像分析装置包括工控机和软件，工控机插有图像采集卡，将采集得到的泥石流结构光图像传输到工控机的存储器中，再通过工控机和软件对获取图像进行处理。

一种用于基于结构光技术的野外泥石流运动测量系统的方法，特别是该方法的流程为：

启动投影装置中的电源、预热、打开光源，调整灯筒位置和固定光栅；

将投影装置发出的光线通过结构光栅投影到泥石流表面，手动调节焦距使泥石流表面的结构光条清晰；

打开图像采集软件，启动摄像机进行泥石流结构光图像的采集，设定图像输出的时间片，产生一个分时采集的时间基准；

泥石流图像采集结束后，利用标定板和结构光图像进行结构光标定图像的采集；

图像分析装置利用计算机视觉和图像处理，首先完成摄像机标定和结构光的标定，然后结合标定的结果，获取泥石流结构光图像的表面三维信息和运动参数。

计算机视觉和图像处理涉及的算法包括滤波、去噪、边缘提取、结构光编码设计和识别、摄像机和结构光的标定、三维点云的获得和重构算法。

本发明的有益效果是：

本发明的发明要点是：一种基于结构光技术的野外泥石流运动测量系统，包括投影装置、图像采集装置、图像分析装置，其中投影装置中追光灯的灯筒固定安装在三角架上，结构光栅根据空间结构光编码设计并固定置于追光灯灯筒的前部，结构光栅是一维光条形光栅或二维网格形光栅；图像采集装置中的摄像机固定置于易拍摄到泥石流沟道的视野宽阔位置，利用标定板完成摄像机的标定；图像分析装置中的工控机插有图像采集卡，将采集得到的泥石流结构光图像传输到工控机的存储器中。

用于基于结构光技术的野外泥石流运动测量系统的方法，利用图像采集软件，启动摄像机进行泥石流结构光图像的采集，利用标定板和结构光图像进行结构光标定图像的采集；利用计算机视觉和图像处理，完成摄像机标定和结构光的标定，最后结合标定的结果，获取泥石流结构光图像的表面三维信息和运动参数。

计算机视觉和图像处理涉及的算法包括滤波、去噪、边缘提取、结构光编码设计和识别、摄像机和结构光的标定、三维点云的获得和重构算法。

相对于现有技术存在着算法复杂、适用对象固定、受自然环境影响较大且测量系统复杂，不适合泥石流研究人员掌握等不足之处，本发明的优点是：