[发明专利]一种基于立体视觉的挠度测量系统及方法

权利要求书

1.一种基于立体视觉的挠度测量系统，其特征在于，包括图像采集模块(1)、测距测角模块(2)、控制模块(3)、数据处理模块(4)；其中，所述图像采集模块(1)和测距测角模块(2)均与控制模块(3)连接，所述图像采集模块(1)、测距测角模块(2)以及控制模块(3)均与数据处理模块(4)连接；所述控制模块(3)控制图像采集模块(1)和测距测角模块(2)分别进行数据采集，所述图像采集模块(1)和测距测角模块(2)分别将采集到的数据实时传输给数据处理模块(4)，所述数据处理模块(4)结合采集到的数据进行实时动态分析并显示被测目标点的挠度值；

所述图像采集模块(1)包括相机(11)、镜头(12)、图像采集卡(13)；

所述测距测角模块(2)包括激光测距仪(21)、方位角模块(22)、俯仰角模块(23)、工业三角架(24)；所述激光测距仪(21)设置在所述俯仰角模块(23)上方，所述方位角模块(22)设置于所述工业三角架(24)上，所述俯仰角模块(23)连接在所述方位角模块(22)上，所述相机(11)设置于所述俯仰角模块(23)上；所述的激光测距仪(21)用于测量两相机(11)的基线距离以及各被测目标点与相机靶面的距离；所述方位角模块(22)包括方位电机、方位轴和圆光栅，方位电机驱动方位角模块(22)转动调整相机(11)的方位角，方位轴上的圆光栅用于实时测量相机(11)的方位角；所述俯仰角模块(23)包括俯仰电机、俯仰轴、圆光栅以及电子倾角传感器，俯仰电机驱动俯仰角模块(23)转动调整相机(11)的俯仰角，俯仰轴上的圆光栅用于实时测量相机(11)的俯仰角，电子倾角传感器与俯仰角模块(23)刚性连接并实时获取相机(11)的翻滚角；

所述图像采集模块(1)和测距测角模块(2)构成双测量站，每个测量站采用相同的设计和配置；所述双测量站安装在平稳地面且视野范围内无遮挡处，所述双测量站与被测结构的距离为1～500m；

所述基于立体视觉的挠度测量系统的测量方法，包括：

1)布置双测量站；

根据被测目标点的测量条件，选择相应的镜头，将双测量站从不同角度交叉摆放，通过调整双测量站之间的距离和角度使得所有被测目标点均能在两相机采集的图像中显现；再调整方位角模块和俯仰角模块，使得两相机的初始方位角和初始俯仰角归零，控制方位角模块转动使得两相机严格对视，获得两相机的基线距离L，再控制方位角模块反向转动使得两相机回归初始位置；最后控制方位角模块转动使得两相机朝向被测目标方向，通过方位轴上的圆光栅分别获得两相机的方位角，再控制俯仰角模块转动使得两相机能精准地对准被测目标，通过俯仰轴上的圆光栅分别获得两相机的俯仰角，通过电子倾角传感器分别获得两相机的翻滚角；

2)相机标定；

首先采用张正友标定方法确定两相机的内部参数K_l、K_r，内部参数包括主点坐标(u₀,v₀)^T，等效焦距f_x、f_y；根据对极几何原理确定立体视觉的基础矩阵F_lr；依据基础矩阵约束关系求解立体视觉的本质矩阵E_lr；通过圆光栅和电子倾角传感器分别提供的方位角、俯仰角和翻滚角计算获得两相机之间的旋转矩阵R，由本质矩阵E_lr＝[t]_×R和旋转矩阵R得到带有比例系数的平移向量t，则两相机之间的平移向量为最后利用光束平差法优化两相机的内部参数K_l、K_r和外部参数R、T；

3)图像同步采集；

控制模块同时向两相机发送触发信号，两相机根据设置的采样频率同步实时采集图像；本系统提供线缆和无线两种同步形式；

4)图像增强处理；

为了消除由于野外阳光的变化造成图像严重偏暗或偏亮的影响，采用基于连续均值量化变换的算法对两相机采集到的图像进行增强处理；为了去除雾霾造成图像不清晰的影响，采用基于多尺度Retinex算法对两相机采集到的图像进行增强处理；

5)空间坐标计算

对同一时刻两相机采集到的两幅图像进行增强处理后，提取被测点在两幅图像中的像素坐标(u_l,v_l)、(u_r,v_r)，根据像相机标定建立的像素坐标到三维空间坐标的对应关系：

利用最小二乘法求解被测点的三维空间坐标(X,Y,Z)；

6)挠度值的计算；

若t时刻被测点的空间坐标为(X_t,Y_t,Z_t)，在t+1时刻被测点的空间坐标为(X_t+1,Y_t+1,Z_t+1)，则该时间间隔下被测点的挠度值为：

d＝Z_t+1-Z_t

通过计算不同时刻下的挠度值得到各被测点的挠度曲线。