基于照相機(jī)圖像處理技術(shù)的水槽三維地形測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于照相機(jī)圖像處理技術(shù)的水槽三維地形測量裝置及基于該裝置的測量方法，該系統(tǒng)至少包括兩臺拍照裝置和兩個激光發(fā)射裝置，以及激光發(fā)射裝置的勻速移動裝置；該方法拍照裝置通過無線遙控的方式拍攝水槽泥沙床面照片。然后將拍攝的照片或錄制影像拷入計(jì)算機(jī)中，用圖像處理軟件和計(jì)算程序計(jì)算獲得三維床面地形。本發(fā)明不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)用，而且獲得的三維地形可靠性與精度高，另外，本發(fā)明通過視頻模式測量床面二維地形隨時間變化；本發(fā)明是非接觸式測量地形，不會干擾水流泥沙運(yùn)動；本發(fā)明還可測量中低泥沙濃度的河床地形，而且不需要暫停實(shí)驗(yàn)。
【專利說明】
基于照相機(jī)圖像處理技術(shù)的水槽三維地形測量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及水利工程、環(huán)境工程和海洋工程實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行環(huán)境泥沙實(shí)驗(yàn)的水槽三維地形測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在推移質(zhì)輸移、河床演變、海岸泥沙輸移、泥石流運(yùn)動等實(shí)驗(yàn)研究中，需要精確地測量實(shí)驗(yàn)水槽內(nèi)的水下三維地形變化。目前，測量水槽內(nèi)三維地形變化的方法眾多，可采用單點(diǎn)測針法、光電反射式、阻抗式地形儀、跟蹤式地形儀、超聲地形儀、激光掃描儀等。
[0003]單點(diǎn)測針通過測針標(biāo)尺讀數(shù)測量床面高程，方法簡單易操作，但是效率低，費(fèi)人力，不實(shí)時，而且動水條件下判定渾濁床面較難。斷面地形的測針排提供可控制的自動測量裝置(白玉川和許棟，專利申請?zhí)?00910228046)，這種改進(jìn)方法顯著提高效率，但是三維地形的精度仍受制于測針排列間距和測針判讀，空間分辨率不夠。
[0004]類似的改進(jìn)方法，如光強(qiáng)度測試儀測量水沙界面地形也是單點(diǎn)測量，且人工讀數(shù)，效率低(初新杰等的實(shí)用新型專利:一種用于實(shí)驗(yàn)室的水沙界面地形測量裝置)。曲兆松的發(fā)明專利(專利申請?zhí)?00710062775)利用CCD攝像機(jī)錄制水下地形，應(yīng)用三維數(shù)字重構(gòu)水下三維水波模型，提高了測量效率，但圖像灰度受地形高低等因素影響，而且需要通過大量的率定工作以提高測量的可靠性和精度。光電反射式地形儀，測量精度較高，但是接觸式測量，測量時會干擾局部地形，不易控制(唐洪武等，1995)。
[0005]阻抗式地形儀利用電阻式探頭在不同介質(zhì)中電阻值的變化測量床面高程，測量精度達(dá)± 1mm，但依賴于探頭的構(gòu)造形狀，而且也屬于接觸式測量，易干擾泥沙床面(陳誠等，2009)，類似的跟蹤式地形儀是對阻抗式地形儀的改進(jìn)，也有同樣的可靠性問題(王雅麗和李旺興，2006)。利用水下超聲波的地形測量設(shè)備(李先華等，發(fā)明專利:水下數(shù)字地形模型的聲納遙感數(shù)字圖像的地形變換方法，王振先等，發(fā)明專利:實(shí)驗(yàn)室用水下超聲地形測量儀)，這類無接觸式測量，測量速度快，精度高，但制作成本高，易受外界干擾信號影響。
[0006]激光掃描儀是最新的地形測量技術(shù)，利用發(fā)射和接收脈沖式激光原理，以大量空間點(diǎn)重建被測物體顏色和三維地形，可大范圍高精度地測量，但購買這樣的設(shè)備，價(jià)格昂貴，數(shù)據(jù)處理工作量很大且復(fù)雜(陳誠等，2009)。采用第二代聲學(xué)多普勒流速儀(Vectrino+ )也可以用于實(shí)驗(yàn)水槽的地形測量，只是其測量精度、環(huán)境噪音和測量范圍需要進(jìn)一步提高(郭榮等，2012)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于為了解決實(shí)驗(yàn)水槽的三維地形自動測量的效率低，造價(jià)高，精度低，可靠性低等問題，提供一種運(yùn)用照相機(jī)和激光技術(shù)的簡單、可靠、快速測量水槽三維地形裝置。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明是這樣一種基于照相機(jī)和激光技術(shù)的水槽三維地形測量系統(tǒng)，它至少包括兩臺拍照裝置和兩個激光發(fā)射裝置，并包括激光發(fā)射裝置的勻速移動裝置;拍照裝置通過無線遙控的方式拍攝水槽床面照片。其中，兩個激光發(fā)射裝置在水槽上方等距相向移動。
[0009]兩臺拍照裝置優(yōu)選為照相機(jī)，每臺照相機(jī)設(shè)有至少一個無線遙控器，每臺照相機(jī)固定于一個掛籃中，兩個掛籃分別位于水槽上方兩側(cè)，每個掛籃各固定在一個連接鋼桿上。
[0010]激光發(fā)射裝置為激光器，兩個激光器從水槽上方向水槽縱向發(fā)射紅色激光線。優(yōu)選的，該系統(tǒng)還設(shè)有用于校核激光器的水位位置的水準(zhǔn)儀和標(biāo)示激光器移動距離的毫米刻度尺。
[0011]進(jìn)一步的，激光器通過滾輪攜帶進(jìn)行橫向均勻移動，滾輪安置于水平卡槽(8)內(nèi)。水平卡槽和連接鋼桿均固定安置在位于水槽上方的水平鋼架上。水平鋼架通過一根垂直懸桿懸掛于水槽上方，垂直懸桿上方通過活動鋼鉸鉸接在一根水平鋼梁上，水平鋼梁固定設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室頂部。
[0012]基于該系統(tǒng)的水槽三維地形測量方法包括如下步驟:
步驟1:將水平鋼架固定在水槽上方某個位置后，固定并調(diào)節(jié)照相機(jī)，設(shè)定一個激光器在水槽中間，設(shè)定另一個激光器在水槽另一側(cè)，固定并打開激光器；
步驟2:按下照相機(jī)的無線遙控器，拍攝第I組自然光照片，關(guān)閉室內(nèi)燈光，拍攝第2組照片;
步驟3:然后向相向方向，水平移動兩個激光器一定距離，再拍攝第3組照片，繼續(xù)相向移動兩個激光器相等間距，繼續(xù)拍攝第4組照片，如此這樣直至兩個激光器靠近，拍攝最后一組照片；
步驟4:移動水平鋼架至下一個水槽，繼續(xù)前面相同的操作，直至完成整個水槽的拍照工作；
步驟5:取下照相機(jī)的存儲卡，拷入計(jì)算機(jī)中，用軟件和程序計(jì)算出三維地形。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要有以下方面:本發(fā)明經(jīng)濟(jì)實(shí)用，造價(jià)低，兩臺照相機(jī)，兩個激光器，加上鋼架制作，滾輪，卡槽，連接鋼桿等，總制作成本并不高。而且本發(fā)明獲得的三維地形可靠性高，水平和垂向精度由照相機(jī)最大分辨率決定，幾何精度可達(dá)0.3mm，橫向分辨度由激光器移動間距決定，受激光線寬度決定，可達(dá)3_。另外，本發(fā)明通過視頻模式測量床面二維地形隨時間變化;本發(fā)明是非接觸式測量地形，不會干擾水流泥沙運(yùn)動;本發(fā)明還可測量中低泥沙濃度的河床地形，而且不需要暫停實(shí)驗(yàn)。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的內(nèi)部剖面圖；
圖2是本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)圖。
[0015]附圖標(biāo)記說明:1_沙床，2-激光線，3-自由水面，4-水槽壁面，5-激光器，6-水準(zhǔn)儀，7-毫米刻度尺，8-水平卡槽，9-掛籃，10-照相機(jī)，11-水平鋼梁，12-活動鋼鉸，13-無線遙控器，14-連接鋼桿，15-水平鋼架，16-滾輪，17-水平連接桿。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0017]本發(fā)明的這種水槽三維地形測量系統(tǒng)的主要用途在于測量如圖1和圖2所示的實(shí)驗(yàn)室沙床水槽的地形，從圖1中我們能夠看到，該實(shí)驗(yàn)室水槽底部為由泥沙堆積而成的沙床I，水槽中的水淹沒沙場1，使自由水面3高出沙床I的頂部許多。本發(fā)明的這種水槽三維地形測量系統(tǒng)設(shè)置于水槽的上方，并不與水槽本身及水槽中的沙床I直接接觸，而是通過向水槽中的自由水面3下方的沙床I發(fā)射激光線2的方式進(jìn)行地形測量。因此，本發(fā)明的技術(shù)方案主要是基于照相機(jī)和激光技術(shù)，該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)部件組成包括照相機(jī)10(優(yōu)選Nikon7200)、儲存卡、無線遙控器13、激光器5、水準(zhǔn)儀6、滾輪16及水平卡槽8、水平鋼架15、毫米刻度尺7、垂直懸桿、相機(jī)掛籃9等。
[0018]下面結(jié)合圖1和圖2分別說明各個部件的設(shè)置及在本發(fā)明的系統(tǒng)中的用途。
[0019]照相機(jī)10:主要用于拍攝床面照片，其設(shè)置在水槽壁面4兩側(cè)上方，通過掛籃9固定。
[0020]儲存卡:插入照相機(jī)10，用于存取照片。
[0021]無線遙控器13:用來無線控制照相機(jī)10拍照。
[0022 ]激光器5:固定于水槽上方向水槽縱向發(fā)射紅色激光線。
[0023]水準(zhǔn)儀6:用于校核激光器5的水位位置。
[0024]滾輪16及水平卡槽8:滾輪16用于攜帶激光器5橫向均勻移動，滾輪16安置于水平卡槽8內(nèi)，一個激光器5對應(yīng)兩個滾輪16，兩個滾輪16分別位于激光器5兩側(cè)的水平卡槽8中，兩個滾輪16之間通過一根水平連接桿17進(jìn)行連接，激光器5設(shè)置在水平連接桿17上。
[0025]水平鋼架15:用于固定安置激光器5、滾輪16及水平卡槽8、照相機(jī)10。
[0026]垂直懸桿:用于在水槽上方懸掛水平鋼架15。
[0027]掛籃9:用于安置照相機(jī)10，設(shè)置在連接鋼桿14上，連接鋼桿14固定連接在水平鋼架15上。
[0028]如圖1所示，部件整體運(yùn)行時是這樣實(shí)施的:水平鋼架15固定在水槽上方某個位置后，固定并調(diào)節(jié)照相機(jī)10，設(shè)定一個激光器5在水槽中間，設(shè)定另一個激光器5在水槽另一偵U，固定并打開激光器5。按下照相機(jī)10的無線遙控器13，拍攝第I組自然光照片，關(guān)閉室內(nèi)燈光，拍攝第2組照片。然后向相向方向，水平移動兩個激光器5—定距離(如I厘米)，再拍攝第3組照片，繼續(xù)相向移動兩個激光器5相等間距，繼續(xù)拍攝第4組照片，如此這樣直至兩個激光器5靠近，拍攝最后一組照片，即完成水槽縱向長度2米范圍三維地形拍照工作。移動水平鋼架15至下一個水槽，繼續(xù)前面相同的操作，直至完成整個水槽的拍照工作。最后，取下照相機(jī)10的存儲卡，拷入計(jì)算機(jī)中，用軟件和程序計(jì)算出三維地形。
[0029]具體實(shí)施方法包括率定、拍照和數(shù)據(jù)后處理等三大步驟，下面分別詳細(xì)說明:
步驟1:率定操作步驟如下:
步驟1.1:在水平鋼架15和照相機(jī)10相對于水槽玻璃的軸線方向，用黑色簽字筆在玻璃外壁面標(biāo)記一個豎向垂直線，并標(biāo)記已知高度和長度的記號。沿水槽方向第2米標(biāo)記相同的記號。同時，在水槽水平方向放置已知高度和長度的鋁塊。
[0030]步驟1.2:安置2個照相:10，使其位置水平且中心線與水槽的玻璃壁面上垂直標(biāo)記線重合。同時保證兩個照相機(jī)10完全相同的參數(shù)設(shè)置。
[0031 ]步驟1.3:對應(yīng)每個鋁塊，通過調(diào)節(jié)照相機(jī):I的不同焦距，拍照，從而獲得一個鋁塊高度與琉璃外壁面標(biāo)記線的線性相關(guān)關(guān)系。
[0032]步驟1.4:沿水槽橫向水平移動鋁塊一定距離(Icm)，繼續(xù)步驟:1.3，獲得一系列線性相關(guān)關(guān)系。
[0033]步驟1.5:取出存儲卡，拷出照片后，運(yùn)用Photoshop軟件剪切和糾正照片，分別讀取玻璃外壁面的標(biāo)記高度和長度的像素值，和已知高度和長度的鋁塊的像素值。
[0034]步驟1.6:分別建立標(biāo)記的高度和長度與鋁塊的高度與長度的線性相關(guān)關(guān)系。
[0035]步驟1.7:將整個線性相關(guān)關(guān)系函數(shù)寫入程序，完成這個率定工作。
[0036]步驟2:拍照操作步驟如下:
步驟2.1:從水槽一端移動水平鋼架15，固定在水槽上方某個固定位置，這個位置正對水槽壁面4的垂直線。
[0037]步驟2.2:固定照相機(jī)10在掛籃9上，打開并調(diào)節(jié)照相機(jī)10與水槽壁面4水平且照相機(jī)10軸線與水槽壁面4的垂直線重合。
[0038]步驟2.3:固定一個激光器5在水槽中間，固定另一個激光器5在水槽另一側(cè)，同時打開激光器5。
[0039]步驟2.4:按下照相機(jī)10的無線控制器13，拍攝第I組自然光照片。關(guān)閉室內(nèi)燈光，拍攝第2組照片。
[0040]步驟2.5:然后以相以方向，水平移動每個激光:5—定距離(如I厘米)，再拍攝第3組照片，繼續(xù)相向移動兩個激光器5相等間距，繼續(xù)拍攝第4組照片，如此這樣直至兩個激光器5靠近，拍攝最后一組照片，即完成水槽縱向長度2米范圍三維地形拍照工作。
[0041]步驟2.6:移動水平鋼:15至下一個水槽，繼續(xù)前面相同的操作，直至完成整個水槽的拍照工作。
[0042]步驟3:數(shù)據(jù)后處理操作步驟如下:
步驟3.1:取下存儲卡，將全部照片拷入計(jì)算機(jī)中。
[0043]步驟3.2:運(yùn)用Photoshop裁剪和糾正第I張自然光照片，同時運(yùn)用批處理命令處理全部照片。運(yùn)用第I張自然光照片，讀出玻璃外壁面的標(biāo)記線的長度和高度的像素值。
[0044]步驟3.3:運(yùn)用已編寫好的圖像處理程序計(jì)算2條激光線所在二維坐標(biāo)(長度和高度)。
[0045]步驟3.4:將水槽床面的橫向每條激光線的物理坐標(biāo)拼在一起，即組成床面三維地形，此三維地形的高度和長度精度受照相機(jī)的分辨率決定，精度可達(dá)0.3mm，水槽橫向分辨率受激光器橫向移動的間距決定，由于激光線的寬度約為3mm，因此三維地形的橫向最大分辨率可達(dá)3mm。同時，為了減少工作量，可以增加橫向間距，如5cm和I cm水平間距。
[0046]實(shí)施例1:本發(fā)明的這種產(chǎn)品使用時，操作簡單易行，具體實(shí)施步驟如下:
步驟(I):圖1中先放整個水平鋼架15在水槽中心線上方用活動鋼鉸12固定于水平鋼梁11上；
步驟(2):通過水準(zhǔn)儀6調(diào)節(jié)活動鋼架15達(dá)到水平；
步驟(3):固定2個激光器5在水平鋼架15中間位置，固定2個照相機(jī)10在掛藍(lán)9中，并調(diào)節(jié)照相機(jī)10達(dá)到水平并與水槽玻璃外壁面垂線標(biāo)記線重合；
步驟(4):保持水槽水面無明顯波動，打開照相機(jī)10，通過滾輪16在卡槽8中移動，調(diào)節(jié)激光器5橫向位置，分別固定兩個激光器5到水槽兩側(cè)邊緣；
步驟(5):運(yùn)用無線遙控器13拍一組白光照片，一組較黑暗環(huán)境(不影響激光線)照片； 步驟(6):水平方向上分別相向移動兩個激光器5某個固定距離(Icm)，再依步驟(5)拍照兩組；
步驟(7):繼續(xù)水平移動激光器5，依步驟(6)拍照兩組，直至兩個激光器5貼近為止，此時完成全部拍照工作；
步驟(8):如果水槽寬度為30cm，激光器5水平間距為lcm，則只需要移動15次即可完成三維地形拍照工作。因?yàn)樵诳ú蹆?nèi)水平移動滾輪，非常簡便，位置固定后，按下無線遙控器13，即完成一組，15組白照片加上15組激光線照片，熟練掌握后，15分鐘即可完成2米長的全部拍照工作。沿水槽縱向水平移動整個水平鋼架15至下一個2米測量范圍，重復(fù)步驟(5)-
(7)，直至完成整個水槽地形測量。如果水槽泥沙床面是平整床面或二維地形，只需要在水槽橫向1/4，1/2和3/4拍照3組照片高程數(shù)據(jù)取平均即可。
[0047]本發(fā)明采用左右兩個照相機(jī)，還有一個重要優(yōu)點(diǎn)在于如果床面地形起伏很大，三維性很強(qiáng)，一側(cè)照相機(jī)10看不見另一側(cè)的激光線2(被沙床I地形遮擋)，而這一側(cè)的照相機(jī)10可以看見。兩臺照相機(jī)10具有互補(bǔ)作用，既可彌衩激光線2遮擋問題，又可以將兩個照相機(jī)10計(jì)算出來的地形，取平均值，還可以彼此驗(yàn)證測量精度。
[0048]本發(fā)明可以在只要水面無明顯波動條件下，不必停止實(shí)驗(yàn)，實(shí)時測量三維地形;本發(fā)明可以在泥沙濃度允許激光穿透的條件下，實(shí)時測量三維地形，即只要泥沙濃度不影響照相機(jī)10拍到激光線2。
[0049]本發(fā)明的這種水槽三維地形測量系統(tǒng)還可從以下幾個方面進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn):
(1)為了測量水槽某段地形隨時間變化，可以在水平鋼架15上增加若干排激光器5，照相機(jī)10可以開啟錄制視頻模式，再將視頻依時間步長解譯成照片，進(jìn)行后處理分析；
(2)為了不移動整個水平鋼架15，激光器5和照相機(jī)10，可以在水槽縱向增加幾組相同設(shè)計(jì)的水平鋼架15，激光器5和照相機(jī)10，運(yùn)用無線搖控器13同時拍照，即可完成整個水槽地形拍照；
(3)如果在水平鋼架15上方的水平鋼梁11上安裝水平滑輪勻速運(yùn)動系統(tǒng)，即可以通過開啟錄制視頻模式，在水平鋼架15沿水槽縱向緩慢均勻移動過程中完成整個水槽二維地形測量。
[0050](4)如果床面是二維地形，則只需要在一側(cè)設(shè)置一臺照相機(jī)15即可完成二維地形測量。
[0051]當(dāng)然，以上只是本發(fā)明的具體應(yīng)用范例，本發(fā)明還有其他的實(shí)施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明所要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于照相機(jī)圖像處理技術(shù)的水槽三維地形測量系統(tǒng)，其特征在于:它至少包括兩臺拍照裝置和兩個激光發(fā)射裝置，并包括激光發(fā)射裝置的勻速移動裝置;拍照裝置通過無線遙控的方式拍攝水槽床面照片。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于照相機(jī)和激光技術(shù)的水槽三維地形測量系統(tǒng)，其特征在于:兩個激光發(fā)射裝置在水槽上方等距相向移動。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于照相機(jī)和激光技術(shù)的水槽三維地形測量系統(tǒng)，其特征在于:所述兩臺拍照裝置為照相機(jī)(10)，每臺照相機(jī)(10)設(shè)有至少一個無線遙控器(13)，每臺照相機(jī)(10)固定于一個掛籃(9)中，兩個掛籃(9)分別位于水槽上方兩側(cè)，每個掛籃(9)各固定在一個連接鋼桿(14)上。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于照相機(jī)和激光技術(shù)的水槽三維地形測量系統(tǒng)，其特征在于:所述激光發(fā)射裝置為激光器(5)，兩個激光器(5)從水槽上方向水槽縱向發(fā)射紅色激光線(2)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于照相機(jī)和激光技術(shù)的水槽三維地形測量系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)還設(shè)有用于校核激光器(5)的水位位置的水準(zhǔn)儀(6)。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于照相機(jī)和激光技術(shù)的水槽三維地形測量系統(tǒng)，其特征在于:所述激光器(5)通過滾輪(16)攜帶進(jìn)行橫向均勻移動，滾輪(16)安置于水平卡槽(8)內(nèi)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于照相機(jī)和激光技術(shù)的水槽三維地形測量系統(tǒng)，其特征在于:所述水平卡槽(8)和連接鋼桿(14)均固定安置在位于水槽上方的水平鋼架(15)上。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于照相機(jī)和激光技術(shù)的水槽三維地形測量系統(tǒng)，其特征在于:所述水平鋼架(15 )通過一根垂直懸桿懸掛于水槽上方，垂直懸桿上方通過活動鋼鉸(12)鉸接在一根水平鋼梁(11)上。9.一種基于權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)的水槽三維地形測量方法，其特征在于該方法包括如下步驟: 步驟1:將水平鋼架(15)固定在水槽上方某個位置后，固定并調(diào)節(jié)照相機(jī)(10)，設(shè)定一個激光器(5)在水槽中間，設(shè)定另一個激光器(5)在水槽另一側(cè)，固定并打開激光器(5); 步驟2:按下照相機(jī)(10)的無線遙控器(13)，拍攝第I組自然光照片，關(guān)閉室內(nèi)燈光，拍攝第2組照片； 步驟3:然后向相向方向，水平移動兩個激光器(5)—定距離，再拍攝第3組照片，繼續(xù)相向移動兩個激光器(5)相等間距，繼續(xù)拍攝第4組照片，如此這樣直至兩個激光器(5)靠近，拍攝最后一組照片； 步驟4:移動水平鋼架(15)至下一個水槽，繼續(xù)前面相同的操作，直至完成整個水槽的拍照工作； 步驟5:取下照相機(jī)(10)的存儲卡，拷入計(jì)算機(jī)中，用圖像處理軟件和自編程序計(jì)算出三維地形。
【文檔編號】G01C11/00GK105865421SQ201610210402
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】李志威, 胡世雄, 李忠武, 胡旭躍, 陳宏 , 常留紅, 聶小寶, 余關(guān)龍, 吳新宇
【申請人】長沙理工大學(xué)