基于紅外激光光源的遠距離微小位移測試系統設計

韓偉 黃文浩 劉涌 高震宇

摘 要：本文以建筑物結構沉降監測為應用背景，采用計算機視覺測量技術，精度高、非接觸，適時監測，智能化，組網傳輸，實現遠程監控量測，開發出一種遠距離非接觸式多測量點的微小位移監測系統，對三維微小位移測量方法進行研究，廣泛應用于建筑物形變量檢測，通過對比不同時間點的形變值和沉降值，累計產生的位移量曲線變化來判斷建筑物整體穩定的變化趨勢。本課題研究并提出的基于計算機視覺的遠距離微小位移檢測方法，彌補了傳統檢測方法的不足，為實際工程問題的解決提供了一種新的思路。

關鍵詞：非接觸 微小位移 監測系統

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（a）-0004-02

建筑物的結構動態位移信息是在建筑施工和使用中極其有價值的原始數據，對建筑物的安全保障、維護有著極其重要的意義。傳統的多種位移監測方法多為人工測量方法，在實際中有很大的局限性。本文提出了一種基于計算機視頻技術的遠距離微小位移檢測方法。以建筑物建設過程和建設后的沉降監測為應用背景，開發出了基于紅外激光光源的遠距離非接觸式建筑物沉降和傾斜的微小位移測量監測系統。

1 設計構思

基于紅外激光光源的遠距離微小位移測試系統設計如下。

1.1 系統設計要求

（1）實現視頻測量點的監測位移收斂，在30m遠的距離，測量點的面內微小位移測量精度達到1mm。（2）數據處理、傳輸、曲線顯示和報警信息發布功能。

1.2 系統設計內容和步驟

（1）標志點的設計：設計精確的靶型標志點，實現測量標識和標定功能的統一。（2）研究光的變化對目標物的影響：根據檢測現場復雜的背景環境，設計能夠增強目標物在圖片中效果的照明系統。（3）圖像處理與分析：對采集到的圖像進行圖像預處理，分割、靶標參數檢測，分析出目標物的狀態。（4）用戶界面設計：開發更加有效人機界面，從而使建筑物某處點面上某測點的變形量及變形速率得到直觀形象的展示。（5）傳感網絡搭建：建立檢測裝置和系統管理上位機之間的分布式通信。（6）建立數據庫：保存每個時間采集分析的變形量數據。

2 基于機器視覺的建筑物沉降監測系統

根據實際需求，系統分為3個部分：單目視覺測量部分、信號傳輸部分和信號接收顯示部分，如圖1、圖2所示。

每個檢測站點分別由攝像機、三個環形標志物、一套光源系統、一個ZigBee節點和一臺處理數據的PC機構成一個節點的視覺測量系統。標志點布置在洞壁上待測位移處，攝像機的廣角鏡頭對準自身前方5～10m處的各個標志點，每隔一定時間進行拍攝。下位機處理攝像機拍攝的圖像，計算出標志點的位置和不同時刻標志點的偏移量，通過ZigBee傳輸給洞口的上位機，上位機對每次傳輸來的數據進行存儲、分析、顯示，并通過對比設置好的警戒數值，判斷是否超出警戒線，若超出范圍則實現聲音和畫面同時報警。

2.1 單目視覺測量系統

系統最重要的指標是測量精度，即在10m遠的距離，對靶標位移的測量精度需要達到1mm。

從原理上說，鏡頭焦距、被拍攝物體到鏡頭的距離和所需成像的大小等因素共同決定攝像機視場的大小，如圖3所示。

2.2 光源設計

由于隧道內和施工現場的環境復雜多變，為了保證攝像機拍攝到穩定清晰地圖像，設計一套安裝到攝像機鏡頭邊緣的同軸可見光照明系統，標志點采用特殊的回光反射膜制成，基本能夠全反射回可見光，周圍物體暗淡不清的情況下，標志點在CCD上呈現出邊緣清晰的高亮白色圓環。

2.3 靶標設計

根據需求和單目視覺測量原理，靶標的設計需要滿足如下要求：（1）靶標要有足夠的亮度要求。（2）靶標位于圖像中不同的位置時，需要對每一個位置都標定出圖像尺寸和實際尺寸之間的比例關系。（3）靶標代表了測量點的位置，因此靶標形狀要滿足測量標志點的設計原則。

基于上述原則，并兼顧實際應用時操作的簡便。本文靶標設計成環形同心圓型的靶標。該靶標的設計兼具標定功能和測量功能。

2.4 系統軟件結構

軟件設計方案可以分為3個部分：圖像處理、界面顯示報警（系統管理）和數據傳輸。在系統中，圖像處理的主要目的是對拍攝到的環形靶標進行識別和目標分割，計算出靶標圓環中心位置的圖像坐標，通過對比計時器設定的每一時刻的靶心坐標，計算出靶心的位置變化量和位移速度，最終得到橫向和縱向的變形曲線。整體流程如圖4所示。

3 結語

本文以實際工程項目為研究背景，采用了計算機視覺及圖像處理的非接觸式、遠距離微小位移監測技術，設計了特殊的靶標。將靶標設置于隧洞壁帶測量點處，采用攝像機遠距離拍攝多個靶標，通過圖像處理與分析，計算出靶標在不同時刻的偏移量，實現微小位移測量。以此視覺測量系統為核心，開發了沉降與變形量測系統。本文對該系統的各項關鍵技術進行了詳細闡述，為遠距離微小位移測量提出了解決方案。

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