一種遠程位移測量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種遠程位移測量系統(tǒng)及遠程位移測量方法，其中遠程位移傳感器包括光學(xué)鏡頭（1）、圖像傳感器（2）、核心控制功能單元（5）、處理存儲單元（6）、觸發(fā)控制單元（3）和遠程通訊單元（4）；其中核心控制功能單元（5）包括觸發(fā)信號檢測模塊、目標靶模板加載及規(guī)格化模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和目標圖像匹配檢測模塊（7）；本發(fā)明采用圖像傳感器獲取被測量目標上靶標的圖像，并通過圖像處理獲得橋梁的位移參數(shù)，具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單可靠、二維實時測量、測量量程大等特點，適用于長期、在線、多點測量。
【專利說明】一種遠程位移測量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于力學(xué)測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種可用于橋梁、大壩、結(jié)構(gòu)件等目標的位移和形變測量裝置，特別是一種遠程測量的位移傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]橋梁、大壩、結(jié)構(gòu)件等目標的變形主要包括靜態(tài)變形和動態(tài)變形，靜態(tài)變形是指地基下陷、傾斜和應(yīng)力松弛等變化很慢的變形，動態(tài)變形是指由于風(fēng)、溫度、地震及交通負載引起的短期變形，其參數(shù)監(jiān)測對于目標的安全評估分析具有重要的作用。世界上很多國家都投入了很大的人力物力，進行橋梁變形測量技術(shù)的研究。
[0003]傳統(tǒng)的橋梁變形檢測的儀器有百分表、千分表、加速計、水準儀、經(jīng)緯儀等。目前，這些儀器在橋梁驗收、定期檢測中仍然廣泛使用，但是需要專業(yè)技術(shù)人員，費時、費力，人為誤差大，遠遠不能實現(xiàn)在線、實時、自動、智能測量。近年來，信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展大大帶動了橋梁變形測量技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)了許多新技術(shù)和新方法，比如激光撓度法和GPS(GlobalPosition System)定位測量法。激光撓度儀能實現(xiàn)亞毫米的位移測量，但是量程僅能達到數(shù)十厘米，不能滿足跨距較大的用于橋梁大變形的測量，其垂直位移可達米級；GPS定位測量法可實現(xiàn)實時在線測量橋梁的大變形，但是其精度智能達到厘米級，且費用高昂，限制了其推廣應(yīng)用。
[0004]自從70年代末期固體圖像傳感器出現(xiàn)以來，國內(nèi)外有不少學(xué)者以CCD等圖像傳感器為媒介，將圖像處理技術(shù)用于橋梁、混凝土梁變形測量的研究。申請?zhí)枮?00820241096.0的中國專利“一種基于機器視覺的橋梁動位移測量裝置”公開了一種通過激光源和CCD結(jié)合測量大橋動態(tài)變形的測量裝置，通過在橋梁遠端用CCD記錄大橋變形過程中激光光束的位置變化，計算得到大橋的變形參數(shù)。目前這類位移傳感器存在的主要問題是:CCD圖像傳感器需要與準直激光器聯(lián)合使用，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出了基于圖像傳感器的高精度遠程位移傳感器及遠程位移測量方法，通過光學(xué)成像的方法，監(jiān)測橋梁等目標上的靶標點位置隨時間變化參數(shù)，并經(jīng)過分析計算得到目標的位移，具有二維實時測量、精度高、測量范圍大，價格相對低廉，很適合長期、在線、多點和自動測量。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容如下:
[0007]一種遠程位移測量系統(tǒng)，包括在被測量目標上設(shè)定的靶標和在遠距離處設(shè)置的遠程位移傳感器，遠程位移傳感器設(shè)置在變形可忽略的固定支點上；
[0008]遠程位移傳感器包括光學(xué)鏡頭、圖像傳感器、核心控制功能單元、處理存儲單元、觸發(fā)控制單元和遠程通訊單元；
[0009]光學(xué)鏡頭瞄準被測量目標上設(shè)置的靶標；
[0010]圖像傳感器為C⑶或CMOS傳感器，用于獲取被測量目標的圖像；[0011]觸發(fā)控制單元用于提供遠程位移傳感器所需的觸發(fā)信號；
[0012]遠程通訊單元與處理存儲單元聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送；
[0013]處理存儲單元與核心控制功能單元相聯(lián)，用于圖像數(shù)據(jù)的存儲和處理；
[0014]核心控制功能單元包括觸發(fā)信號檢測模塊、目標靶模板加載及規(guī)格化模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和目標圖像匹配檢測模塊；
[0015]目標靶模板加載及規(guī)格化模塊事先根據(jù)靶標的特征建立目標靶模板，并對目標靶模板進行縮放和旋轉(zhuǎn)處理，獲得匹配模板組數(shù)據(jù)，并將其存儲在處理存儲單元的Flash存儲器內(nèi)；當(dāng)觸發(fā)信號檢測模塊接收到觸發(fā)信號后，圖像采集模塊獲取圖像傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像灰度化及縮放模塊運行處理后，得到與靶標圖像相適應(yīng)的數(shù)據(jù)格式；在目標圖像匹配檢測模塊內(nèi)將靶標特征模板組數(shù)據(jù)與處理后的圖像傳感器數(shù)據(jù)進行匹配檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果計算出位移參數(shù)，最后由遠程通訊單元傳出。
[0016]上述遠程位移測量系統(tǒng)中，目標圖像匹配檢測模塊包括目標圖像粗略匹配單元、目標圖像精確匹配單元和結(jié)果判定單元，其中:目標圖像粗略匹配單元將圖像灰度化及縮放模塊處理后的圖像劃分為若干個區(qū)域，并將靶標模板組數(shù)據(jù)與圖像的各個子區(qū)域數(shù)據(jù)進行相關(guān)性計算，粗略判斷得到靶標圖像存在的熱點區(qū)域；目標圖像精確匹配單元將熱點區(qū)域內(nèi)圖像數(shù)據(jù)與靶標特征模板數(shù)據(jù)逐像素進行相關(guān)性計算，判斷得到靶標所在的圖像位置；結(jié)果判定單元處理獲取靶標的坐標信息，并計算得到靶標的位移值。
[0017]上述遠程位移測量系統(tǒng)中，靶標為目標對象上的一個特定圖案或連續(xù)工作的加電靶標。
[0018]上述遠程位移測量系統(tǒng)中，加電靶標為排成一定形狀的LED或LD燈帶。
[0019]上述遠程位移測量系統(tǒng)中，處理存儲單元包括Flash存儲器和32位ARM處理器。
[0020]上述遠程位移測量系統(tǒng)中，遠程通訊單元為無線GPRS系統(tǒng)或3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。
[0021]上述遠程位移測量系統(tǒng)中，光學(xué)鏡頭為變焦距鏡頭。
[0022]上述遠程位移測量系統(tǒng)中，核心控制功能單元由DSP構(gòu)建。
[0023]一種遠程位移的測量方法，包括以下步驟:
[0024][I]在被測量目標上安裝目標靶標；
[0025][2]圖像傳感器獲取靶標圖像，根據(jù)靶標的特征建立目標靶模板，并對目標靶模板進行縮放和旋轉(zhuǎn)處理，獲得匹配模板組數(shù)據(jù)，并將其存儲在處理存儲單元的Flash存儲器內(nèi)；
[0026][3]位移傳感器接收到觸發(fā)信號；
[0027][4]圖像數(shù)據(jù)采集模塊獲取圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)；
[0028][5]對圖像進行灰度化及縮放模塊運行處理后，得到與靶標圖像相適應(yīng)的數(shù)據(jù)格式；
[0029][6]將靶標特征模板組數(shù)據(jù)與處理后的圖像數(shù)據(jù)進行匹配檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果計算出位移參數(shù)；
[0030][7]將計算得到的位移參數(shù)由遠程通訊單元傳出。
[0031]上述遠程位移測量方法中，步驟[6]包括以下步驟:
[0032][6.1]將步驟[5]處理后的圖像劃分為若干個區(qū)域，并將每個子區(qū)域的數(shù)據(jù)逐一與靶標特征模板組數(shù)據(jù)進行相關(guān)性計算，判斷得到靶標圖像存在的熱點區(qū)域，并獲得與熱點區(qū)域圖像相匹配的圖像縮放率和旋轉(zhuǎn)角度；
[0033][6.2]將熱點區(qū)域內(nèi)圖像數(shù)據(jù)與靶標特征模板數(shù)據(jù)逐像素進行相關(guān)性計算，判斷得到靶標所在的圖像位置；
[0034][6.3]由靶標所在的圖像位置計算得到靶標的坐標信息，并計算得到靶標的位移值。
[0035]本發(fā)明具有的技術(shù)效果如下:
[0036]1、本發(fā)明采用圖像傳感器獲取被測量目標上靶標的圖像，并通過圖像處理獲得橋梁的位移參數(shù)，具有、結(jié)構(gòu)簡單可靠、二維實時測量、測量量程大等特點，適用于長期、在線、多點測量。
[0037]2、本發(fā)明設(shè)置有遠程通訊傳輸單元，可將測量的結(jié)果通過GPRS系統(tǒng)、3G無線網(wǎng)絡(luò)等無線傳輸系統(tǒng)或光纜等有線傳輸系統(tǒng)，傳輸至遠端的值班室，滿足了遠程無人值守全天候的野外工作要求。
[0038]3、本發(fā)明的核心控制功能單元采用嵌入式系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊可靠，方便應(yīng)用。
[0039]4、本發(fā)明的光學(xué)鏡頭采用變焦鏡頭，自適應(yīng)測量距離、測量范圍大，對測量目標具有良好的適應(yīng)性。
[0040]5、本發(fā)明的測量系統(tǒng)對靶標要求不高，系統(tǒng)可根據(jù)靶標生成不同縮放比及旋轉(zhuǎn)角度的目標靶模板組，獲取目標靶的距離、大小及位移信息；如果采用加電的LED或LD燈帶作為靶標，則可以實現(xiàn)24小時全天候的工作，并具有特征目標提取方便和準確度高的特點，測量精度也相應(yīng)提高。
[0041]6、本發(fā)明將靶標的特征目標提取后獲得不同縮放率和不同旋轉(zhuǎn)角度的目標模板組數(shù)據(jù)，預(yù)先放置在flash存儲器中，在測量中只需要讀取存儲器的特征目標模板組數(shù)據(jù)與圖像傳感器的數(shù)據(jù)進行逐個比對，大大提高了比對效率；同時在數(shù)據(jù)比對過程中，利用圖像相關(guān)性算法及粗略搜索及精確搜索相結(jié)合的策略有效提高了比對速率和準確度，最終提高了測量的時間分辨率和精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1為本發(fā)明遠程位移傳感器的原理示意圖；
[0043]圖2為利用本發(fā)明位移傳感器測量位移的流程；
[0044]圖3為本發(fā)明目標圖像粗略匹配和粗略搜索原理示意圖。
[0045]附圖標記如下:
[0046]I一光學(xué)鏡頭；2—圖像傳感器；3—觸發(fā)控制單元；4一遠程通訊單元；5—核心控制功能單元；6—處理存儲單元；7—目標圖像匹配檢測模塊；10—靶標；11 一靶標特征模板組；12—含有靶標的圖像。
【具體實施方式】
[0047]本發(fā)明的遠程位移測量系統(tǒng)包括在被測量目標上固定的靶標和在遠距離處設(shè)置的遠程位移傳感器，遠程位移傳感器設(shè)置在變形可忽略的固定支點上。
[0048]如圖1所示，本發(fā)明的遠程位移傳感器包括光學(xué)鏡頭1、圖像傳感器2、核心控制功能單元5、處理存儲單元6、觸發(fā)控制單元3和遠程通訊單元4。
[0049]光學(xué)鏡頭I瞄準被測量目標上設(shè)置的靶標，在應(yīng)用中可選變焦距的鏡頭，將不同距離、不同大小的目標成像至圖像傳感器上，這種工作方式對測量目標具有良好的適應(yīng)性，并具有測量范圍大的特點，其中圖像傳感器2為CCD或CMOS傳感器，用于實時獲取被測量目標的圖像。
[0050]本發(fā)明的靶標可以為目標對象上的一個特定圖案或連續(xù)工作的加電靶標。本裝置對靶標要求不高，如果采用加電的LED或LD燈帶作為靶標，則可以實現(xiàn)24小時全天候的工作，并具有特征目標提取方便和準確度高的特點，測量精度也相應(yīng)提高。
[0051]觸發(fā)控制單元3用于提供遠程位移傳感器所需的觸發(fā)信號，傳感器平時不工作，只有當(dāng)外界觸發(fā)信號到來時，位移傳感器才開始工作，減小了數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Α＿h程通訊單元4與處理存儲單元6聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送。
[0052]遠程通訊單元4可以為無線GPRS系統(tǒng)、3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊或光纜等有線傳輸系統(tǒng)，將測量結(jié)果傳輸至遠端的值班室，滿足了遠程無人值守全天候的野外工作要求。
[0053]處理存儲單元6包括Flash存儲器與32位ARM處理器，其與處理存儲單元6聯(lián)接，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的存儲和處理。
[0054]核心控制功能單元5是本發(fā)明的核心部分，包括觸發(fā)信號檢測模塊、靶標加載及特征提取模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和目標圖像匹配檢測模塊7。
[0055]其中靶標加載及特征提取模塊事先根據(jù)靶標的特征進行縮放、旋轉(zhuǎn)處理后，獲得不同縮放比例和不同旋轉(zhuǎn)角度的若干個匹配模板組數(shù)據(jù)，并將其存儲在處理存儲單元6的Flash存儲器內(nèi)供調(diào)用。
[0056]目標靶模板像素大小可以根據(jù)用戶需要進行自由設(shè)定，原則上，目標靶模板的大小和實際測量環(huán)境中標靶成像后的像素大小越接近，測量的準確度越高；模板可以縮放的數(shù)量與模板的像素大小有關(guān)，最小縮放后的模板像素不小于4個像素大小；模板的旋轉(zhuǎn)角度分度及支持最大旋轉(zhuǎn)角度也可以根據(jù)用戶需要設(shè)定，最小分度值為1°，最大支持±180。旋轉(zhuǎn)。Flash容量為IGB0
[0057]當(dāng)觸發(fā)信號檢測模塊接收到觸發(fā)信號后，圖像采集模塊獲取圖像傳感器數(shù)據(jù)，首先對圖像采集數(shù)據(jù)進行灰度化處理，把RGB圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成YUV格式數(shù)據(jù)，其中YUV格式數(shù)據(jù)中的Y值即為圖像的灰度值，其轉(zhuǎn)換公式如下:
[0058]Y=0.2989*R+0.5870*G+0.1140*B
[0059]經(jīng)過灰度化處理后，對圖片進行壓縮、分別得到1/2，1/4，1/8，……I/η大小的圖片組，n=2x，x=l，2，3，……。然后與模板組數(shù)據(jù)進行相關(guān)性匹配計算。相關(guān)性分析可以用來衡量兩幅圖片相似度標準，兩幅圖片的相似度越高，則其相關(guān)系數(shù)越大，相關(guān)性計算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種遠程位移測量系統(tǒng)，其特征在于:包括在被測量目標上設(shè)定的靶標和在遠距離固定支點處設(shè)置的遠程位移傳感器； 所述的遠程位移傳感器包括光學(xué)鏡頭(I)、圖像傳感器(2)、核心控制功能單元(5)、處理存儲單元(6)、觸發(fā)控制單元(3)和遠程通訊單元(4)； 所述的光學(xué)鏡頭(I)瞄準被測量目標上設(shè)置的靶標； 所述的圖像傳感器(2)為CCD或CMOS傳感器，用于獲取被測量目標的圖像； 所述的觸發(fā)控制單元(3)用于提供遠程位移傳感器所需的觸發(fā)信號； 所述的遠程通訊單元(4)與處理存儲單元(6)聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送； 所述的處理存儲單元(6)與核心控制功能單元(5)相聯(lián)，用于圖像數(shù)據(jù)的存儲和處理；所述的核心控制功能單元(5)包括觸發(fā)信號檢測模塊、目標靶模板加載及規(guī)格化模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和目標圖像匹配檢測模塊(7)； 所述目標靶模板加載及規(guī)格化模塊事先根據(jù)靶標的特征建立目標靶模板，并對目標靶模板進行縮放和旋轉(zhuǎn)處理，獲得匹配模板組數(shù)據(jù)，并將其存儲在處理存儲單元(6)的Flash存儲器內(nèi)；當(dāng)觸發(fā)信號檢測模塊接收到觸發(fā)信號后，圖像采集模塊獲取圖像傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像灰度化及縮放模塊運行處理后，得到與靶標圖像相適應(yīng)的數(shù)據(jù)格式；在目標圖像匹配檢測模塊(7)內(nèi)將靶標特征模板組數(shù)據(jù)與處理后的圖像傳感器數(shù)據(jù)進行匹配檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果計算出位移參數(shù)，最后由遠程通訊單元(4)傳出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的遠程位移測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的目標圖像匹配檢測模塊包括目標圖像粗略匹配單元、目標圖像精確匹配單元和結(jié)果判定單元；其中 所述的目標圖像粗略匹配單元將圖像灰度化及縮放模塊處理后的圖像劃分為若干個區(qū)域，并將靶標模板組數(shù)據(jù)與圖像的各個子區(qū)域數(shù)據(jù)進行相關(guān)性計算，粗略判斷得到靶標圖像存在的熱點區(qū)域； 所述的目標圖像精確匹配單元將熱點區(qū)域內(nèi)圖像數(shù)據(jù)與靶標特征模板數(shù)據(jù)逐像素進行相關(guān)性計算，判斷得到靶標所在的圖像位置； 所述的結(jié)果判定單元處理獲取靶標的坐標信息，并計算得到靶標的位移值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的遠程位移測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的靶標為目標對象上的一個特定圖案或連續(xù)工作的加電靶標。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的遠程位移測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的加電靶標為排成一定形狀的LED或LD燈帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠程位移測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的處理存儲單元(6)包括Flash存儲器和32位ARM處理器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠程位移測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的遠程通訊單元(4)為無線GPRS系統(tǒng)或3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠程位移測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的光學(xué)鏡頭(I)為變焦距鏡頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠程位移測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的核心控制功能單元(5)由DSP構(gòu)建。
9.一種利用權(quán)利要求1所述的遠程位移測量系統(tǒng)進行遠程位移的測量方法，其特征在于，包括以下步驟:[1]在被測量目標上安裝目標革巴標； [2]圖像傳感器獲取靶標圖像，根據(jù)靶標的特征建立目標靶模板，并對目標靶模板進行縮放和旋轉(zhuǎn)處理，獲得匹配模板組數(shù)據(jù)，并將其存儲在處理存儲單元(6)的Flash存儲器內(nèi)； [3]位移傳感器接收到觸發(fā)信號； [4]圖像數(shù)據(jù)采集模塊獲取圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)； [5]對圖像進行灰度化及縮放模塊運行處理后，得到與靶標圖像相適應(yīng)的數(shù)據(jù)格式； [6]將靶標特征模板組數(shù)據(jù)與處理后的圖像數(shù)據(jù)進行匹配檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果計算出位移參數(shù)； [7]將計算得到的位移參數(shù)由遠程通訊單元(4)傳出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的遠程位移測量方法，其特征在于，所述的步驟[6]包括以下步驟: [6.1]將步驟[5]處理后的圖像劃分為若干個區(qū)域，并將每個子區(qū)域的數(shù)據(jù)逐一與靶標特征模板組數(shù)據(jù)進行相關(guān)性計算，判斷得到靶標圖像存在的熱點區(qū)域，并獲得與熱點區(qū)域圖像相匹配的圖像縮放率和旋轉(zhuǎn)角度； [6.2]將熱點區(qū)域內(nèi)圖像數(shù)據(jù)與靶標特征模板數(shù)據(jù)逐像素進行相關(guān)性計算，判斷得到靶標所在的圖像位置信 息； [6.3]由靶標所在的圖像位置計算得到靶標的坐標信息，并與原始坐標比較，計算得到靶標的位移值。
【文檔編號】G01B11/02GK103940345SQ201410145757
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】高文武, 毛慶洲, 郭敏, 徐克強, 朱昌林 申請人:西安敏文電子科技有限公司