圖像的中心點(diǎn)開(kāi)始檢索激 光投射點(diǎn)，對(duì)于方位角0上存在著若干個(gè)連續(xù)的激光投射的像素，選擇HIS顏色空間中的I 分量，即亮度值接近最高值的三個(gè)連續(xù)像素通過(guò)高斯近似方法來(lái)估算激光投射線的中心位 置；具體計(jì)算方法由公式（7)給出，
式中，f(i-l)、f(i)和f(i+l)分別為三個(gè)相鄰像素接近最高亮度值的亮度值，d為修 正值，i表示從圖像中心點(diǎn)開(kāi)始的第i個(gè)像素點(diǎn)；因此估算得到的激光投射線的中心位置為 (i+d)； Step3 :計(jì)算出該激光投射點(diǎn)的入射角ae，并根據(jù)隧道檢測(cè)車沿隧道縱向方向上的移 動(dòng)距離Zp計(jì)算出隧道檢測(cè)車沿隧道縱向方向上的移動(dòng)距離ZjP方位角0情況下 在隧道內(nèi)壁上的激光投射點(diǎn)到主動(dòng)式全景視覺(jué)傳感器的中心軸線之間的距離dfa，e);最后 用公式（8)計(jì)算該激光投射點(diǎn)的空間坐標(biāo)位置值；
式中，Zi為隧道檢測(cè)車沿隧道縱向方向上的移動(dòng)距離，H全景掃描光線到全方位視覺(jué)傳 感器的單視點(diǎn)〇m的直線距離，為沿隧道縱向方向上的位置ZjP方位角0情況 下在隧道內(nèi)壁上的激光投射點(diǎn)到主動(dòng)式全景視覺(jué)傳感器的中心軸線之間的距離，x，y，z分 別為激光投射點(diǎn)相對(duì)于以全方位視覺(jué)傳感器的單視點(diǎn)〇m的坐標(biāo)值，0為方位角； St印4 :改變方位角繼續(xù)檢索激光投射點(diǎn)，S卩P=e+AP，AP=1; Step5:判斷方位角0 = 360,如果成立，檢索結(jié)束；反之轉(zhuǎn)到Step2。
7. 如權(quán)利要求6所述的隧道全斷面高速動(dòng)態(tài)健康檢測(cè)方法，其特征在于，在構(gòu)建三維 模型時(shí)，根據(jù)隧道軸線繪制隧道縱向變形圖，提取軸線的方法是對(duì)分割后的隧道點(diǎn)云進(jìn)行 圓柱面擬合，圓柱面擬合算法的步驟如下： STEP1 :讀取全方位面激光信息解析及點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取單元處理后得到的沿隧道軸線方 向連續(xù)的若干個(gè)截面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，形成三維坐標(biāo)矩陣P= (X，Y，Z); STEP2 :選取有代表性的點(diǎn)云，形成三維坐標(biāo)矩陣P(1) = (X⑴，Y(1)，Z(1)); STEP3:以u(píng)(tl)= (X(1)，Y(1)，ji，0)為初始值，根據(jù)公式（9)、（10)、（11)進(jìn)行求解得到
式中，為擬合圓柱面的半徑，ei為隧道內(nèi)壁邊緣點(diǎn)云到中軸線間的距離； 約束條件
u= (x〇,y〇,A, (J))T 式中，為待求隧道中軸線上的一個(gè)固定點(diǎn)上的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)值，X為待求隧道 中軸線在X0Z平面的投影線與Z軸之間的夾角，小為待求隧道中軸線與X0Z平面之間的夾 角； STEP4:適當(dāng)增加點(diǎn)云數(shù)據(jù)，形成三維坐標(biāo)矩陣P(2)= (X(2)，Y(2)，Z(2)); STEP5 :以
為初始值，根據(jù)公式（9)、（10)、（11)進(jìn)行求解得到
STEP6 :令： Pi=(X⑵，y(2)，z(2))，
利用公式（12)計(jì)算ei;
式中：Pi= (x^y^Zi)為原始點(diǎn)云中任意一個(gè)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，c= (x^y^Zd)為圓柱面軸 線上的一個(gè)固定點(diǎn)坐標(biāo)，
.為圓柱面的軸線方向單位向量； STEP7 :刪除ei大于某個(gè)臨界值的點(diǎn)，形成三維坐標(biāo)矩陣P(3)=(X(3)，Y(3)，Z(3)); STEP8 :以
為初始值，根據(jù)公式（9)、（10)、（11)進(jìn)行求解得到
STEP9 :計(jì)算圓柱面軸線上的一個(gè)固定點(diǎn)的坐標(biāo)和軸線的方向向量：
上述計(jì)算中，圓柱面軸線就是隧道中軸線，Ul(i)為隧道中軸線上對(duì)應(yīng)于X坐標(biāo)在中軸 線提取過(guò)程中的逼近值，u2(i)為隧道中軸線上對(duì)應(yīng)于Y坐標(biāo)在中軸線提取過(guò)程中的逼近值， u3(i)為隧道中軸線在XOZ平面的投影線與Z軸之間的夾角X在中軸線的逼近值，u4w為隧 道中軸線與XOZ平面之間的夾角小在中軸線的逼近值，i為中軸線提取過(guò)程中的逼近計(jì)算 的次數(shù)。
8. 如權(quán)利要求4所述的隧道全斷面高速動(dòng)態(tài)健康檢測(cè)方法，其特征在于，在步驟5)中， 隧道中相同位置上的形變量的算法如下： STEP1 :導(dǎo)入用柱坐標(biāo)系表示的三維點(diǎn)云坐標(biāo)矩陣P*= (Z(es2)，fT，P*)，初始化處理，j=1; STEP2 :讀取第j節(jié)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用橢圓擬合算法EFA，將二維的隧道輪廓線點(diǎn)云擬 合成橢圓： (r，Pe) =EFA(r，P*) (14) STEP3 :以Pe)為準(zhǔn)線，平行Z軸的線段為母線，生成長(zhǎng)度為h(j)的橢圓柱面（此 處h(j) = 1000mm):
STEP4 :把橢圓柱面各點(diǎn)的徑向位移Pe-RWj)，e)作為變形量，生成三維的徑向位移云 圖；其中，P6用公式（14)計(jì)算得到，1?&%0)為首次測(cè)量的全隧道橫斷面時(shí)用公式（14)計(jì) 算得到的，在計(jì)算Pe-R&u)，e)時(shí)以h(j)和方位角3作為索引得到R&u)，e)J^RGB顏色空 間來(lái)講，將GB顏色分量設(shè)置為零，R分量從0?255對(duì)徑向位移正形變數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，對(duì)應(yīng) 于0?10mm的正形變；將RG顏色分量設(shè)置為零，G分量從0?255對(duì)徑向位移負(fù)形變數(shù)據(jù) 進(jìn)行映射，對(duì)應(yīng)于〇?-l〇mm的負(fù)形變。
9. 如權(quán)利要求8所述的隧道全斷面高速動(dòng)態(tài)健康檢測(cè)方法，其特征在于，將 全隧道的分段三維重構(gòu)結(jié)果進(jìn)行拼接；由于全隧道變形監(jiān)測(cè)時(shí)將整個(gè)隧道分割 成了若干個(gè)節(jié)，每個(gè)節(jié)的長(zhǎng)度為h(j);在隧道軸線提取單元處理中得到了第j節(jié) 隧道的中心坐標(biāo)C ,即隧道的中軸線上的某一點(diǎn)和方向向量
;針對(duì)隧道的狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用第j節(jié)隧道的中 心坐標(biāo)和法向量估算第j+1節(jié)隧道的中心坐標(biāo)，然后用第j+1節(jié)隧道的中心坐標(biāo)和法向量 估算第j+2節(jié)隧道的中心坐標(biāo)，以此類推完成全隧道的中軸線的拼接。
10. 如權(quán)利要求9所述的隧道全斷面高速動(dòng)態(tài)健康檢測(cè)方法，其特征在于，所述的方法 還包括對(duì)隧道的整體位移和沉降有量化的度量；作為隧道的整體位移和沉降主要反映在隧 道的中心軸線移位變形上，根據(jù)在隧道軸線提取單元處理中得到了第j節(jié)隧道的中心坐標(biāo) 和方向向量
；用第j節(jié)隧道的中心坐標(biāo)和法向 量估算第j+1節(jié)隧道的中心坐標(biāo)，…，然后用第j+1節(jié)隧道的中心坐標(biāo)和法向量估算第j+2 節(jié)隧道的中心坐標(biāo)：…"衣次計(jì)算得到了本次全隧道中軸線的各坐標(biāo)值？'!^"']'^'）； 位移監(jiān)測(cè)主要反映在X軸方向，沉降監(jiān)測(cè)主要反映在Y軸方向；用第j節(jié)隧道的中心坐標(biāo)的 基準(zhǔn)值PhU) (x，y，z)中的x與本次測(cè)量獲得的第j節(jié)隧道的中心坐標(biāo)P' Mj) (x'，y'，z'）中的x'比較，得到AXhU) =x' -x，AxhU)就是第j節(jié)隧道的位移偏移量；用第j節(jié)隧道的中心坐 標(biāo)的基準(zhǔn)值PhU) (x，y，z)中的y與本次測(cè)量獲得的第j節(jié)隧道的中心坐標(biāo)P' hU) (x'，y'，z'） 中的y'比較，得到AyhU)=y'-y，AyWj)就是第j節(jié)隧道的沉降偏移量；通過(guò)上述計(jì)算得 到全隧道中心軸線上每個(gè)節(jié)的移位變形；最后將每個(gè)節(jié)的移位變形A4@和Ay保存在 檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中；通過(guò)上述計(jì)算得到的是隧道縱斷面的相對(duì)位移和沉降數(shù)據(jù)量。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于主動(dòng)式全景視覺(jué)的隧道全斷面高速動(dòng)態(tài)健康檢測(cè)裝置，其硬件包括：隧道檢測(cè)車、主動(dòng)式全景視覺(jué)傳感器、RFID讀取器和處理器；系統(tǒng)軟件包括：全方位面激光信息解析及點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取單元、隧道中軸線提取單元、降噪及平差處理單元、三維建模及變形分析單元、全隧道各節(jié)橫斷面基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)、全隧道縱斷面拼接單元、位移監(jiān)測(cè)和沉降監(jiān)測(cè)單元、全隧道健康體檢結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)和隧道縱斷面變移量三維可視化單元；通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)壁激光掃描斷面切片圖像進(jìn)行機(jī)器視覺(jué)處理分析和識(shí)別隧道的橫向和縱向形變。本發(fā)明還提供了一種基于主動(dòng)式全景視覺(jué)的隧道全斷面高速動(dòng)態(tài)健康檢測(cè)方法，為地鐵和高鐵的隧道日常維護(hù)提供了有效的技術(shù)支撐。
【IPC分類】G01B11-16
【公開(kāi)號(hào)】CN104567708
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510005918
【發(fā)明人】湯一平, 陳麒, 胡克鋼, 周偉敏, 吳挺, 魯少輝, 韓旺明, 王偉羊, 韓國(guó)棟
【申請(qǐng)人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月6日