一种掌子面图像采集系统、方法及测算掌子面缺陷的方法

技术领域

本发明涉及隧道图像采集设备领域，更具体地，涉及一种掌子面图像采集系统、一种掌子面图像采集方法和一种测算掌子面缺陷的方法。

背景技术

掌子面的质量和完整性对隧道的安全和持久性至关重要，目前掌子面信息提取最常用的方法是人工素描的方法，人工素描方法依赖于人工操作和判断，受到绘图者的技术水平和主观意识的影响，可能导致不同绘图者之间的差异，以及绘制结果存在一定的误差。隧道掌子面通常较大且复杂，用人工素描方法进行信息提取需要耗费大量的时间和人力资源，尤其对于大规模的隧道工程来说，效率较低且对绘图者的人身安全有影响。随着图像处理技术、数字化技术和自动化方法的不断发展，隧道掌子面结构信息自动提取技术得到发展，并克服传统人工素描方法的一些局限性，该技术可以通过图像自动识别缺陷的分布和尺寸，最大程度节省了施工时间，保障了技术人员的人身安全。

如图1所示，标志块4是隧道掌子面图像识别系统中的一个重要组成部分，主要作用是提供一个已知尺寸的参考对象，可以用于计算掌子面中的裂缝、孔洞等缺陷的尺寸，具体的：目前通常是预先在掌子面面域2内贴敷上标志块4(或者标尺，标尺带有刻度，也可以作为参考对象)进行拍摄获得图像，然后通过摄像机5拍摄大于掌子面外轮廓3的图像，如图中成像范围1所示；然后根据标志块4的实际长度与图像中测量的标志块4的长度推算出比例尺，再根据图像上测量的缺陷尺寸和比例尺即可推算出缺陷的实际尺寸。

但这样做存在几个缺点：1、掌子面经常有碎石落下，贴标志块时存在安全隐患；2、掌子面表面凹凸不平，一般的材料很难平整的、较为牢靠的贴在掌子面上；3、相机离掌子面较远时拍摄的掌子面细节比较模糊，无法准确的测算掌子面上缺陷的尺寸，也就不能对缺陷进行准确的评估，在掌子面开挖后，这会对后续作业造成很多不利的影响。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种掌子面图像采集系统，用于解决需要人工贴取标志块，危险性高的技术问题。

本发明采取的技术方案是，一种掌子面图像采集系统，包括承载体，所述承载体上设有投射光源、标志物和拍摄机构，所述投射光源设在标志物的正后方，所述投射光源的光发射端朝向标志物，所述投射光源的光发射端与拍摄机构的光摄取端朝向同一方向。

标志物的投影面与拍摄机构的光摄取方向垂直，承载体可以是移动小车或三脚架等，标志物可以是标志块、标尺等，拍摄机构可以是摄像机、照相机等可以拍摄的设备，为了取得更为精确的测量数据，投射光源最好选用平行光源，平行光源即相对来说能产生较为平行光束的光源(不存在绝对的平行光源)，例如激光光源；通过控制投射光源打光将标志物投影到掌子面上，然后通过拍摄机构拍摄具有标志物投影的图像，再通过标志物实际尺寸与拍摄的图像上标志物投影的尺寸(可通过测量得出)计算出拍摄图像的比例尺，最后通过测量的图像上缺陷的尺寸以及得出的比例尺即可推算出实际缺陷的尺寸，这种方式无需人工在掌子面上贴敷、取卸标志物，能大幅节省贴取标志物所耗费的时间，能有效提高作业效率，降低作业的危险性。

进一步的，所述承载体上设有第一直线运动机构，所述第一直线运动机构上安装有第二直线运动机构，所述拍摄机构安装在第二直线运动机构上；所述第一直线运动机构用于驱动第二直线运动机构直线运动，所述第二直线运动机构用于驱动拍摄机构直线运动，所述第二直线运动机构的运动方向与拍摄机构的运动方向垂直。第一直线运动机构和第二直线运动机构可选用现有技术中的丝杠滑台、直线电机等能够做直线运动的机械结构，第一直线运动机构和第二直线运动机构相当于给拍摄机构提供了两个方向的坐标，能使拍摄机构在一个平面内任意运动，从而便于清晰的拍摄掌子面的局部图像，以用于拼接合成一张完整的、清晰的掌子面图像，这种双坐标定位的方式，自动化程度高更便于拍摄机构快速动作，且相较人工精确度高，如此，拍摄的掌子面局部图像在后期拼接时，不存在比例、倾斜度等的影响，便于后期图像的拼合。

进一步的，所述承载体上设有承载台，所述承载台上设有安装架和驱动机构一，所述安装架通过一水平轴枢接于承载台，所述投射光源、标志物均安装在安装架上，所述驱动机构一用于驱动安装架相对于承载台旋转。通过驱动机构一驱动安装架旋转，即可改变安装架上部、下部至掌子面的距离，从而使投射光源的光发射方向、拍摄机构的光摄取方向均垂直于掌子面，并使标志物平行于掌子面，从而保证数据测量的准确性，以确保掌子面面积测量的准确度，通过这种方式，使本方案能适用于掌子面上下向倾斜的情况，提高了本方案的适用性。

进一步的，所述承载体上设有驱动机构二，所述驱动机构二用于驱动承载台绕一竖直轴相对于承载体旋转。通过驱动机构二带动承载台旋转，即可改变安装架左端、右端至掌子面的距离，从而使投射光源的光发射方向、拍摄机构的光摄取方向均垂直于掌子面，并使标志物平行于掌子面，使本方案能适用于掌子面左右向倾斜的情况，提高了本方案的适用性。

进一步的，所述承载体上安装有升降调正平台，所述承载台安装在升降调正平台上，所述升降调正平台用于驱动承载台相对于承载体升降或绕一水平轴旋转。升降调正平台能进行高度和倾斜度调整，从而实现标志物与掌子面相对高度的调节以及标志物倾斜度的调节，以适用不同高度的掌子面以及适配不同倾斜度的地面，提高了本掌子面图像采集系统的适应性与实用性。

进一步的，所述承载体为履带车。履带车能进行原地旋转动作，能改变升降调正平台的倾斜度、方向，能适应不同方向倾斜的地面，适应性强。

一种掌子面图像采集方法，包括投射光源、标志物和拍摄机构，还包括以下步骤；

标定：所述投射光源发射光束将标志物投射到掌子面上形成标志物投影；

拍摄：通过改变拍摄机构位置拍摄若干含有标志物投影的图像；

合成：通过使每幅图像上的标志物投影重合的方式将若干含有标志物投影的图像拼接，形成掌子面局部图像或掌子面全貌图像。本方案中的“标定”步骤，是通过投射的方式直接在掌子面上形成投影，无需人工在掌子面上贴标志块，降低了工作人员的危险性，同时操作更为简洁，所用时间更短，提高了工作人员的作业效率；标志物还能起到很好的参考、定位作用，能有效提高图像合成的精准度和拍摄速度；通过这种方式合成的图像具有极高的清晰度，更便于后续对掌子面上缺陷的精确计算。

进一步的，所述标志物为镂空标志块，所述镂空标志块为镂空的矩形结构。矩形的标志块投影相当于一个已知尺寸参考点，不但更方便于精确计算掌子面上缺陷的尺寸，也更便于计算一些掌子面面积、缺陷面积等的参数；在此基础上，将其中间镂空形成镂空标志块，中间镂空的部分能提供的信息特征更多，后期拼合的时候，参考点更多，定位的更为精准。

进一步的，所述“拍摄”步骤具体为：拍摄机构通过改变位置分别拍摄“标志物投影位于右下角”、“标志物投影位于左下角”、“标志物投影位于右上角”、“标志物投影位于左上角”的四张图像。在拼接时，使四张图像上的标志物投影重合，即可拼接出完整清晰的图像。

一种根据掌子面图像采集方法测算掌子面缺陷的方法，包括如下步骤：

测量标志物的长度，并取1/2，记作d1；所述投射光源发射光束将标志物投射到一平面上，通过测量可得出：标志物距平面的距离，记作f；平面上标志物投影的长度，取1/2记作g；

将投射光源距标志物的距离记作r1，根据公式r1＝d1*f/(g-d1)即可得出r1的值；

通过“标定”、“拍摄”和“合成”步骤合成掌子面局部图像或掌子面全貌图像；

测量标志物距掌子面的距离，记作r2；

将掌子面上标志物投影长度一半的值记作d2；根据公式d2＝d1*(r1+r2)/r1即可得出d2的值；

测量合成的掌子面局部图像或掌子面全貌图像上标志物投影的长度，并取1/2记作d3，通过d2/d3即可得出图像的比例尺；

测量合成的掌子面局部图像或掌子面全貌图像上缺陷的尺寸，记作d4，通过d4*d2/d3即可得出掌子面上缺陷的实际尺寸。

这种方式，无需人工贴标志块，降低了作业风险，在实际使用时，通过测量标志块距离掌子面的距离即可推算出实际掌子面上缺陷的尺寸，从而能对缺陷进行准确的评估，更利于后续作业顺利的进行；且这种测算方式速度快，能进一步提高作业效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过控制投射光源打光将标志物投影到掌子面上，然后通过拍摄机构拍摄具有标志物投影的图像，再通过标志物实际尺寸与拍摄的图像上标志物投影的尺寸计算出拍摄图像的比例尺，最后通过测量的图像上缺陷的尺寸以及得出的比例尺即可推算出实际缺陷的尺寸，这种方式无需人工在掌子面上贴敷、取卸标志物，能大幅节省贴取标志物所耗费的时间，能有效提高作业效率，降低作业的危险性。

附图说明

图1为采集掌子面图像的现有技术示意图。

图2为本发明实施例一的整体结构示意图。

图3为本发明实施例一中投射光源的位置示意图。

图4为本发明实施例二中镂空标志块的结构示意图。

图5为本发明实施例二中拍摄四张含有标志物投影图像的示例图。

图6为本发明实施例三中向一平面投射标志物的示意图。

图7为本发明实施例三中向掌子面投射标志物的示意图。

图中：1、成像范围，2、掌子面面域，3、掌子面外轮廓，4、标志块，5、摄像机，6、承载体，7、投射光源，8、标志物，9、拍摄机构，10、承载台，11、安装架，12、驱动机构一，13、驱动机构二，14、测距传感器，15、升降调正平台，16、第一直线运动机构，17、第二直线运动机构，18、承载板，19、伸缩杆，20、电动推杆，21镂空标志块。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本方案的核心在于，公开了非破坏性方式采集掌子面图像的系统、方法，主要用于对掌子面的裂缝和损伤进行检测和量化分析，基于此，提供一种利用投影来计算实际裂缝尺寸的方法。

实施例一

如图2和3所示，一种掌子面图像采集系统，包括承载体6，承载体6上设有投射光源7、标志物8和拍摄机构9，投射光源7设在标志物8的正后方，投射光源7的光发射端朝向标志物8，投射光源7的光发射端与拍摄机构9的光摄取端朝向同一方向。

标志物8的投影面与拍摄机构9的光摄取方向垂直，承载体6可以是移动小车或三脚架等，标志物8可以是标志块4、标尺等，拍摄机构9可以是摄像机5、照相机等可以拍摄的设备，为了取得更为精确的测量数据，投射光源7最好选用平行光源，平行光源即相对来说能产生较为平行光束的光源(不存在绝对的平行光源)，例如激光光源；通过控制投射光源7打光将标志物8投影到掌子面上，然后通过拍摄机构9拍摄具有标志物8投影的图像，再通过标志物8实际尺寸与拍摄的图像上标志物8投影的尺寸(可通过测量得出)计算出拍摄图像的比例尺，最后通过测量的图像上缺陷的尺寸以及得出比例尺即可推算出实际缺陷的尺寸，这种方式无需人工在掌子面上贴敷、取卸标志物8，能大幅节省贴取标志物8所耗费的时间，能有效提高作业效率，降低作业的危险性；而且解决了现有技术中标志块4很难贴平整、贴牢靠的问题。

承载体6上设有第一直线运动机构16，第一直线运动机构16上安装有第二直线运动机构17，拍摄机构9安装在第二直线运动机构17上；第一直线运动机构16用于驱动第二直线运动机构17直线运动，第二直线运动机构17用于驱动拍摄机构9直线运动，第二直线运动机构17的运动方向与拍摄机构9的运动方向垂直；第一直线运动机构16和第二直线运动机构17可选用现有技术中的丝杠滑台、直线电机等能够做直线运动的机械结构，第一直线运动机构16和第二直线运动机构17相当于给拍摄机构9提供了两个方向的坐标，能使拍摄机构9在一个平面内任意运动，从而便于清晰的拍摄掌子面的局部图像，以用于拼接合成一张完整的、清晰的掌子面图像，这种双坐标定位的方式，自动化程度高更便于拍摄机构9快速动作，且相较人工精确度高，如此，拍摄的掌子面局部图像在后期拼接时，不存在比例、倾斜度等的影响，便于后期图像的拼合。

承载体6上设有承载台10，承载台10上设有安装架11和驱动机构一12，安装架11通过一水平轴枢接于承载台10，投射光源7、标志物8均安装在安装架11上，驱动机构一12用于驱动安装架11相对于承载台10旋转；通过驱动机构一12驱动安装架11旋转，即可改变安装架11上部、下部至掌子面的距离，从而使投射光源7的光发射方向、拍摄机构9的光摄取方向均垂直于掌子面，并使标志物8平行于掌子面，从而保证数据测量的准确性，以确保掌子面面积测量的准确度，通过这种方式，使本方案能适用于掌子面上下向倾斜的情况，提高了本方案的适用性。

承载体6上设有驱动机构二13，驱动机构二13用于驱动承载台10绕一竖直轴相对于承载体6旋转；通过驱动机构二13带动承载台10旋转，即可改变安装架11左端、右端至掌子面的距离，从而使投射光源7的光发射方向、拍摄机构9的光摄取方向均垂直于掌子面，并使标志物8平行于掌子面，使本方案能适用于掌子面左右向倾斜的情况，提高了本方案的适用性。

承载体6上安装有升降调正平台15，承载台10安装在升降调正平台15上，升降调正平台15用于驱动承载台10相对于承载体6升降或绕一水平轴旋转；升降调正平台15能进行高度和倾斜度调整，从而实现标志物8与掌子面相对高度的调节以及标志物8倾斜度的调节，以适用不同高度的掌子面以及适配不同倾斜度的地面，提高了本掌子面图像采集系统的适应性与实用性；升降调正平台15包括固定在承载体6上的伸缩杆19，活动连接在伸缩杆19顶端的承载板18，活动连接在承载体6上的两个电动推杆20，两个电动推杆20顶端均与承载板18活动连接，伸缩杆19设置在两个电动推杆20之间；当需要升降时，控制两个电动推杆20同时升降即可带动承载板18升降，同时伸缩杆19同步升降运动，承载板18带动承载台10升降，承载台10通过顶部的安装架11带动标志物8和拍摄机构9升降，从而实现高度调节；当需要调正时，通过控制一个电动推杆20升高，另一个电动推杆20下降，即可使承载板18发生倾斜，通过这种倾斜即可使承载板18抵消地面的倾斜度，通过升降调正平台15实现了高度以及倾斜度的调节，给本掌子面图像采集系统又新增了两个自由度，提高了本掌子面图像采集系统的灵活性与场景适应性。

承载体6为履带车；履带车能进行原地旋转动作，能改变升降调正平台15的倾斜度、方向，能适应不同方向倾斜的地面，适应性强。

本方案中，驱动机构一12、驱动机构二13可选用伺服电机、步进电机或者其它能带动安装架11、承载台10旋转的机构，属于本领域技术人员公知的技术，此处不再详述；此外，安装架11上安装有测距传感器14；测距传感器14主要用于测量标志块到掌子面的距离，从而无需人工测量，进一步提高了本方案的自动化程度。

使用说明，首先将本掌子面图像采集系统通过履带车移动到掌子面前合适的距离，之后控制两个电动推杆20同步一正一反升降，并同时配合履带车旋转，调节至承载台10水平，之后通过控制两个电动推杆20同时升降调节，使标志物8、拍摄机构9和投射光源7达到合适的高度，之后通过驱动机构一12驱动承载台10旋转、驱动机构二13驱动安装架11旋转，改变安装架11上部、下部、左端、右端至掌子面的距离，从而使投射光源7的光发射方向、拍摄机构9的光摄取方向均垂直于掌子面，并使标志物8平行于掌子面，之后通过控制投射光源7打光将标志物8投射到掌子面上，再通过测量的标志物8投影与图像上的标志物8投影之间的尺寸计算出标志物8投影与图像之间的比例尺，也即实际尺寸与图像尺寸之间的比例，最后通过图像上缺陷的尺寸以及比例尺计算出掌子上缺陷的实际尺寸即可。

实施例二

一种掌子面图像采集方法，包括投射光源7、标志物8和拍摄机构9，还包括以下步骤；

标定：投射光源7发射光束将标志物8投射到掌子面上形成标志物8投影；

拍摄：通过改变拍摄机构9位置拍摄若干含有标志物8投影的图像；

合成：通过使每幅图像上的标志物8投影重合的方式将若干含有标志物8投影的图像拼接，形成掌子面局部图像或掌子面全貌图像。

本方案中的“标定”步骤，是通过投射的方式直接在掌子面上形成投影，无需人工在掌子面上贴标志块4，降低了工作人员的危险性，同时操作更为简洁，所用时间更短，提高了工作人员的作业效率；标志物8还能起到很好的参考、定位作用，能有效提高图像合成的精准度和拍摄速度；通过这种方式合成的图像具有极高的清晰度，更便于后续对掌子面上缺陷的精确计算。

如图4所示，标志物8为镂空标志块21，镂空标志块21为镂空的矩形结构；也即图7所示，矩形的标志块4投影相当于一个已知尺寸参考点，不但更方便于精确计算掌子面上缺陷的尺寸，也更便于计算一些掌子面面积、缺陷面积等的参数；在此基础上，将其中间镂空形成镂空标志块21，中间镂空的部分能提供的信息特征更多，后期拼合的时候，参考点更多，定位的更为精准。

如图5所示，“拍摄”步骤具体为：拍摄机构9通过改变位置分别拍摄“标志物8投影位于右下角”、“标志物8投影位于左下角”、“标志物8投影位于右上角”、“标志物8投影位于左上角”的四张图像；“标志物8投影位于右下角”、“标志物8投影位于左下角”、“标志物8投影位于右上角”、“标志物8投影位于左上角”的四张图像分别对应图中的e1、e2、e3、e4中实线所示的部分，虚线部分为拼接后的图像；通过图中实线部分的位置，能更清楚的得知上述四张图像在拍摄时，拍摄的需要最后合成图像的哪个部分，在拼接时，使四张图像上的标志物8投影重合，即可拼接出完整清晰的图像(合成后的图如图4所示)，这种图像采集方法可以帮助工程师和技术人员及时监测掌子面的变化，有助于发现潜在的问题和安全隐患，并采取必要的防护措施，确保隧道施工的安全。

实施例三

一种用根据实施例二中掌子面图像采集系统方法测算掌子面缺陷的方法，其特征在于：包括如下步骤：

如图6所示，a为投射光源7，b为标志物8，i为平面上标志物8的投影；

测量标志物8的长度，并取1/2，记作d1；投射光源7发射光束将标志物8投射到一平面上，通过测量可得出：标志物8距平面的距离，记作f；平面上标志物8投影的长度，取1/2记作g；平面可以是白墙面、水泥墙面等；

将投射光源7距标志物8的距离记作r1，根据公式r1＝d1*f/(g-d1)即可得出r1的值；

通过“标定”、“拍摄”和“合成”步骤合成掌子面局部图像或掌子面全貌图像；

如图7所示，a为投射光源7，b为标志物8，c为掌子面上标志物8的投影；

测量标志物8距掌子面的距离，记作r2；

将掌子面上标志物8投影长度一半的值记作d2；根据公式d2＝d1*(r1+r2)/r1即可得出d2的值；

测量合成的掌子面局部图像或掌子面全貌图像上标志物8投影的长度，并取1/2记作d3，通过d2/d3即可得出图像的比例尺；

测量合成的掌子面局部图像或掌子面全貌图像上缺陷的尺寸，记作d4，通过d4*d2/d3即可得出掌子面上缺陷的实际尺寸。

这种方式，无需人工贴标志块4，降低了作业风险，在实际使用时，通过测量标志块4距离掌子面的距离即可推算出实际掌子面上缺陷的尺寸，从而能对缺陷进行准确的评估，更利于后续作业顺利的进行；且这种测算方式速度快，能进一步提高作业效率。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。