專利名稱：基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運動測量系統(tǒng)及方法
所屬領(lǐng)域 本發(fā)明涉及泥石流野外測量領(lǐng)域，特別涉及一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)與計算機視覺和圖像處理技術(shù)相結(jié)合的野外泥石流運動測量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
泥石流運動測量通常是在野外進行的，但是由于泥石流發(fā)生的規(guī)律和運動的特征，存在著測量難度大，測量具有一定的危險性等問題，而且人工測量的方法多憑借測量人員的感覺，盲目性較大。
泥石流運動測量的研究已經(jīng)有了較長的歷史，但是與計算機視覺相結(jié)合的方法的應(yīng)用卻很有限。國內(nèi)的清華大學(xué)曾經(jīng)做過基于雙目視覺的地形模擬可視三維化，日本電氣協(xié)會也曾經(jīng)采用時間、空間斷面圖像對泥石流的速度分布測量進行研究。但這些方法存在著匹配算法困難、適用對象固定、受自然環(huán)境影響較大等缺陷，而且測量系統(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)的野外泥石流運動測量系統(tǒng)及方法。將用投影裝置發(fā)出的光線通過結(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。通過攝像機采集到圖像，再通過計算機視覺技術(shù)，獲取圖像的三維信息并對泥石流表面進行重建，最后利用運動模型獲得泥石流運動信息。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運動測量系統(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和圖像采集卡，攝像機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)定板完成攝像機的標(biāo)定，拍攝在夜間進行時，將調(diào)整鏡頭的光圈以增加曝光時間，增強圖像亮度。
圖像分析裝置包括工控機和軟件，工控機插有圖像采集卡，將采集得到的泥石流結(jié)構(gòu)光圖像傳輸?shù)焦た貦C的存儲器中，再通過工控機和軟件對獲取圖像進行處理。
一種用于基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運動測量系統(tǒng)的方法，特別是該方法的流程為啟動投影裝置中的電源、預(yù)熱、打開光源，調(diào)整燈筒位置和固定光柵；將投影裝置發(fā)出的光線通過結(jié)構(gòu)光柵投影到泥石流表面，手動調(diào)節(jié)焦距使泥石流表面的結(jié)構(gòu)光條清晰；打開圖像采集軟件，啟動攝像機進行泥石流結(jié)構(gòu)光圖像的采集，設(shè)定圖像輸出的時間片，產(chǎn)生一個分時采集的時間基準(zhǔn)；泥石流圖像采集結(jié)束后，利用標(biāo)定板和結(jié)構(gòu)光圖像進行結(jié)構(gòu)光標(biāo)定圖像的采集；圖像分析裝置利用計算機視覺和圖像處理，首先完成攝像機標(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動參數(shù)。
計算機視覺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)計和識別、攝像機和結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定、三維點云的獲得和重構(gòu)算法。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的發(fā)明要點是一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運動測量系統(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)定板完成攝像機的標(biāo)定；圖像分析裝置中的工控機插有圖像采集卡，將采集得到的泥石流結(jié)構(gòu)光圖像傳輸?shù)焦た貦C的存儲器中。
用于基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運動測量系統(tǒng)的方法，利用圖像采集軟件，啟動攝像機進行泥石流結(jié)構(gòu)光圖像的采集，利用標(biāo)定板和結(jié)構(gòu)光圖像進行結(jié)構(gòu)光標(biāo)定圖像的采集；利用計算機視覺和圖像處理，完成攝像機標(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動參數(shù)。
計算機視覺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)計和識別、攝像機和結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定、三維點云的獲得和重構(gòu)算法。
相對于現(xiàn)有技術(shù)存在著算法復(fù)雜、適用對象固定、受自然環(huán)境影響較大且測量系統(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)點是其一，一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運動測量系統(tǒng)，通過組合投影裝置、圖像采集裝置、圖像分析裝置形成了一個投影裝置的位置不需絕對固定，使用時靈活方便的系統(tǒng)。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡單，易于現(xiàn)場安裝。所用的結(jié)構(gòu)光柵的結(jié)構(gòu)光空間編碼方法簡單快捷，易于編程實現(xiàn)，只需要一次投影就可以獲得表面三維信息，系統(tǒng)采用非接觸的測量方式采集泥石流運動的圖像信息并得到三維運動信息，避免了人工測量的危險性。
其二，該系統(tǒng)只用一臺攝像機，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重建技術(shù)結(jié)合，既能完成實時采集，又能較大限度的獲得泥石流表面三維圖像信息；計算機視覺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)計和識別、攝像機和結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定、三維點云的獲得和重構(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。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對實施例作進一步說明圖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3和圖像采集卡6，攝像機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3的標(biāo)定，拍攝在夜間進行時，將調(diào)整鏡頭32的光圈以增加曝光時間，增強圖像亮度；圖像分析裝置包括工控機5和軟件，所述的工控機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C5的存儲器中，再通過工控機5和軟件對獲取圖像進行處理。
圖2是用于本發(fā)明系統(tǒng)方法的流程圖。圖2的方法流程是開始，固定結(jié)構(gòu)光柵2，打開投影裝置將結(jié)構(gòu)光投射到泥石流表面(步驟100)；而后打開圖像采集裝置(步驟101)，啟動采集軟件，采集結(jié)構(gòu)光表面圖像(102)，采集結(jié)構(gòu)光標(biāo)定圖像和攝像機標(biāo)定圖像(步驟103)，將采集到的圖像信號在工控機5的存儲器中保存下來(步驟104)，最后利用軟件對采集到的圖像進行處理，標(biāo)定結(jié)構(gòu)光和攝像機，得到結(jié)構(gòu)光圖像的三維表面并進行運動分析(步驟105)。
實施例開始，首先打開投影裝置，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，打開電源開關(guān)；預(yù)熱一分鐘左右，打開光源，調(diào)整燈筒位置，追光燈1為大功率舞臺燈，在夜間照射距離可達40米左右，適合遠(yuǎn)距離進行結(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；啟動圖像采集裝置，將安裝了鏡頭32的攝像機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面最清晰并且亮度適中；打開采集軟件，啟動攝像機3進行泥石流結(jié)構(gòu)光圖像的采集，將采集到的圖像文件存儲到工控機5的存儲器上，采集過程中，可以通過改變采集頻率調(diào)整采集速度，最快采集速度可達到每秒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)光圖像進行結(jié)構(gòu)光標(biāo)定圖像的采集拍攝。單獨利用標(biāo)定板完成攝像機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，進入圖像分析裝置，利用計算機視覺和圖像處理的方法，結(jié)合攝像機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動參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流運動測量系統(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(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(3)和圖像采集卡(6)，所述的攝像機(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(3)的標(biāo)定，拍攝在夜間進行時，將調(diào)整鏡頭(32)的光圈以增加曝光時間，增強圖像亮度；所述的圖像分析裝置包括工控機(5)和軟件，所述的工控機(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(5)的存儲器中，再通過工控機(5)和軟件對獲取圖像進行處理。
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)的野外泥石流運動測量系統(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)的野外泥石流運動測量系統(tǒng)的方法，其特征在于該方法的流程是啟動圖像投影裝置中的電源、預(yù)熱、打開光源，調(diào)整燈筒位置和固定光柵；將投影裝置發(fā)出的光線通過結(jié)構(gòu)光柵(2)投影到泥石流表面，手動調(diào)節(jié)焦距使泥石流表面的結(jié)構(gòu)光條清晰；打開圖像采集軟件，啟動攝像機(3)進行泥石流結(jié)構(gòu)光圖像的采集，設(shè)定圖像輸出的時間片，產(chǎn)生一個分時采集的時間基準(zhǔn)；泥石流圖像采集結(jié)束后，利用標(biāo)定板和結(jié)構(gòu)光圖像進行結(jié)構(gòu)光標(biāo)定圖像的采集；圖像分析裝置利用計算機視覺和圖像處理，首先完成攝像機(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動參數(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)的野外泥石流運動測量系統(tǒng)的方法，其特征在于所述的計算機視覺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)計和識別、攝像機(3)和結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定、三維點云的獲得和重構(gòu)算法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的野外泥石流測量系統(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、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和相關(guān)軟件，其作用是對圖像進行處理，獲得泥石流表面三維信息并進行運動分析。系統(tǒng)只用一臺攝像機，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重建技術(shù)結(jié)合，既可實時采集，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)實際需要進行改進，更具可靠性。本系統(tǒng)提高了泥石流測量的安全性、實用性和精確度。
文檔編號G01C11/36GK101059339SQ20071002190
公開日2007年10月24日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院