本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康檢測，涉及一種結(jié)構(gòu)檢測方法，特別是涉及一種基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、結(jié)構(gòu)的變形檢測是結(jié)構(gòu)健康檢測中的重要一環(huán)，對結(jié)構(gòu)在負(fù)荷狀態(tài)下力學(xué)行為的研究和預(yù)測是在對結(jié)構(gòu)變形精準(zhǔn)測量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。

2、目前，針對結(jié)構(gòu)變形的檢測已經(jīng)發(fā)展出許多成熟的方法，工程中常用的方法主要有：位移傳感器、激光位移傳感器、gps法、攝影測量等。

3、在上述方法中，位移傳感器方法為接觸式測量方法，需要提前在被測物體表面或內(nèi)部布設(shè)傳感器，準(zhǔn)備工作復(fù)雜，多數(shù)需要長時間的設(shè)備安裝調(diào)試，且受環(huán)境因素影響較大。

4、激光位移傳感器方法雖是一種非接觸式測量方法，但其測量精度受激光投射平面的斜率及反射率影響較大，且每次只能測量一個測點，僅得到一個方向上的位移信息。

5、gps法作為一種非接觸式測量技術(shù)，可獲得連續(xù)、實時的三維坐標(biāo)和速度信息，但在測量中同樣只能針對一個測點進(jìn)行測量，同時還存在轉(zhuǎn)場的問題。

6、攝影測量法是自上世紀(jì)六十年代發(fā)展起來的一種非接觸式光學(xué)測量方法，該方法由于能夠通過非接觸的方式，快速、精準(zhǔn)地獲得被測物體的全場位移、應(yīng)變信息，在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在攝影測量方法中，其中，雙目立體視覺測量正是一種基于人類雙眼視覺系統(tǒng)的仿生原理，通過分析視差來獲取物體三維幾何信息的方法。

7、在雙目視覺測量時，一般通過兩個攝像機(jī)從各自的角度同時采集被測物體的兩幅數(shù)字圖像，并基于視差原理即可恢復(fù)出被測物體的三維幾何信息，重建被測物體的三維形貌。隨著計算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，雙目立體視覺測量因其非接觸、高精度、操作簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、多點實時測量的優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)測量中發(fā)揮著越來越重要的作用，具有廣泛的適用性。

8、但是，在傳統(tǒng)的雙目立體視覺測量技術(shù)中，由于測量方法對系統(tǒng)光路設(shè)置均有一定限制或者光路設(shè)置復(fù)雜而導(dǎo)致在測量的過程中，尤其是對實際工程結(jié)構(gòu)位移的測量時，測量系統(tǒng)對兩相機(jī)的相對位置有一定的限制，從而使該測量方法對其測量的使用范圍有局限性，且普適性和靈活性較低；同時，測量時需要進(jìn)行多次坐標(biāo)變換和標(biāo)定才能獲得相關(guān)參數(shù)，計算量大，精度較低。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本技術(shù)的目的在于提供一種基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)在基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)的過程中，由于測量方法對系統(tǒng)光路設(shè)置均有一定限制或者光路設(shè)置復(fù)雜、對兩相機(jī)的相對位置有一定的限制而導(dǎo)致的測量的使用范圍有局限性，且普適性和靈活性較低；以及測量時計算量大，精度較低等問題。

2、為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，第一方面，本技術(shù)提供一種基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法，包括以下步驟：基于標(biāo)定板對雙目立體視覺攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲取所述標(biāo)定板在不同姿態(tài)下的標(biāo)定板圖像；所述雙目立體視覺攝像機(jī)包括左攝像機(jī)和右攝像機(jī)；基于雙目立體視覺攝像機(jī)采集目標(biāo)結(jié)構(gòu)圖像；基于所述標(biāo)定板圖像進(jìn)行標(biāo)定參數(shù)計算，并獲取所述標(biāo)定板與所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)面重合時的剛度轉(zhuǎn)換矩陣；其中，所述剛度轉(zhuǎn)換矩陣是將所述左攝像機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；基于所述剛度轉(zhuǎn)換矩陣對所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)圖像的測點進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以獲取所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)面坐標(biāo)系上的三維坐標(biāo)；基于所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)面坐標(biāo)系上的三維坐標(biāo)，計算所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的面內(nèi)位移和離面位移。

3、在第一方面的一種實現(xiàn)方式中，基于標(biāo)定板對雙目立體視覺攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲取所述標(biāo)定板在不同姿態(tài)下的標(biāo)定板圖像包括以下步驟：選取預(yù)設(shè)尺寸的2d棋盤格作為標(biāo)定板，針對每個姿態(tài)基于所述左攝像機(jī)和所述右攝像機(jī)同步采集多個標(biāo)定板圖像，并對所述多個標(biāo)定板圖像進(jìn)行圖像平均，以獲取該姿態(tài)下的標(biāo)定板圖像。

4、在第一方面的一種實現(xiàn)方式中，基于雙目立體視覺攝像機(jī)采集目標(biāo)結(jié)構(gòu)圖像包括以下步驟：基于所述左攝像機(jī)和所述右攝像機(jī)，同步采集若干目標(biāo)結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行圖像平均，以獲取平均后的目標(biāo)結(jié)構(gòu)圖像。

5、在第一方面的一種實現(xiàn)方式中，基于所述標(biāo)定板圖像進(jìn)行標(biāo)定參數(shù)計算，并獲取所述標(biāo)定板與所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)面重合時的剛度轉(zhuǎn)換矩陣包括以下步驟：采用matlab相機(jī)標(biāo)定工具獲取圖像平均后的標(biāo)定板圖像的標(biāo)定參數(shù)；其中，所述標(biāo)定參數(shù)包括：所述左攝像機(jī)和所述右攝像機(jī)的有效焦距、所述左攝像機(jī)和所述右攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的剛度轉(zhuǎn)換矩陣。

6、在第一方面的一種實現(xiàn)方式中，基于所述剛度轉(zhuǎn)換矩陣對所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)圖像的測點進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包括以下步驟：獲取所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)圖像的測點在左攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；基于所述剛度轉(zhuǎn)換矩陣將所述三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)結(jié)構(gòu)面坐標(biāo)系中。

7、在第一方面的一種實現(xiàn)方式中，根據(jù)以下公式獲取所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)圖像的測點在左攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)：

8、

9、其中，fl，fr表示左攝像機(jī)、右攝相機(jī)有效焦距；ri,ti表示左攝像機(jī)、右攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)平移矩陣中的元素；xl,yl表示測點在左攝像機(jī)拍攝圖像的圖像物理坐標(biāo)；xr,yr表示測點在右攝像機(jī)拍攝圖像的圖像物理坐標(biāo)；xp,yp,zp表示測點在左攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。

10、在第一方面的一種實現(xiàn)方式中，基于所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)面坐標(biāo)系上的三維坐標(biāo)，計算所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的面內(nèi)位移和離面位移包括以下步驟：

11、根據(jù)計算所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的面內(nèi)位移；

12、根據(jù)d離面i＝zi-z0計算所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的離面位移；

13、其中，(x0,y0,z0)表示t0時刻的測點p的三維坐標(biāo)；(xi,yi,zi)表示經(jīng)過結(jié)構(gòu)變形后的ti時刻的測點p的三維坐標(biāo)。

14、第二方面，本技術(shù)提供一種基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測系統(tǒng)，包括：系統(tǒng)標(biāo)定模塊，用于基于標(biāo)定板對雙目立體視覺攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲取所述標(biāo)定板在不同姿態(tài)下的標(biāo)定板圖像；所述雙目立體視覺攝像機(jī)包括對稱設(shè)置的左攝像機(jī)和右攝像機(jī)；圖像采集模塊，用于基于雙目立體視覺攝像機(jī)采集目標(biāo)結(jié)構(gòu)圖像；變形監(jiān)測模塊，用于基于所述標(biāo)定板圖像進(jìn)行標(biāo)定參數(shù)計算，并獲取所述標(biāo)定板與所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)面重合時的剛度轉(zhuǎn)換矩陣；其中，所述剛度轉(zhuǎn)換矩陣是將所述左攝像機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；基于所述剛度轉(zhuǎn)換矩陣對所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)圖像的測點進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以獲取所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)面坐標(biāo)系上的三維坐標(biāo)；基于所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)面坐標(biāo)系上的三維坐標(biāo)，計算所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的面內(nèi)位移和離面位移。

15、第三方面，本技術(shù)提供一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機(jī)程序，其特征在于，該程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)權(quán)利要求1至8任一項所述的基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法。

16、最后一方面，本技術(shù)提供一種基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測裝置，包括：處理器及存儲器。所述存儲器用于存儲計算機(jī)程序；所述處理器與所述存儲器相連，用于執(zhí)行所述存儲器存儲的計算機(jī)程序，以使所述基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測裝置執(zhí)行所述基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法。

17、如上所述，本發(fā)明的基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法及系統(tǒng)，具有以下有益效果：

18、(1)本技術(shù)提出的基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法通過調(diào)整所述2d棋盤格標(biāo)定板的空間位姿，僅需要對成像系統(tǒng)進(jìn)行一次雙目相機(jī)標(biāo)定，即可獲得基于待測結(jié)構(gòu)面上的世界坐標(biāo)系計算結(jié)構(gòu)三維坐標(biāo)所需的全部參數(shù)；以及該測量方法僅需通過一次坐標(biāo)變換，便可將傳統(tǒng)雙目視覺模型中位于左相機(jī)系的三維世界坐標(biāo)系，建立在待測結(jié)構(gòu)平面上，大大減少了計算量。

19、(2)本技術(shù)的基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法通過將世界坐標(biāo)系建立在待測結(jié)構(gòu)平面上并基于此進(jìn)行結(jié)構(gòu)位移測量，可使測量結(jié)果更易于理解，能更直觀地表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)表面的形貌特征和位移信息。

20、(3)本技術(shù)的基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法基于pc平臺的雙目立體視覺基于雙目視覺和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測系統(tǒng)對兩相機(jī)的相對位置不做要求，更具普適性、靈活性，也更加適用于對實際工程結(jié)構(gòu)位移的測量；可以實現(xiàn)較高的測量精度，且具有便攜性好、測距范圍遠(yuǎn)、無需主動照明、成本低的優(yōu)點。