一種基於機器視覺的隧道病害快速調查系統及調查方法

2024-02-27 21:52:15

專利名稱：一種基於機器視覺的隧道病害快速調查系統及調查方法
技術領域：
本發明涉及隧道病害調查技術，尤其涉及一種基於機器視覺的隧道病害快速調查系統，應用於隧道病害的檢測。
背景技術：
近年來，我國已建成的各種公路、鐵路、水底和地鐵隧道不同程度地出現襯砌裂縫、變形以及滲漏水等病害。病害的存在會影響交通質量，威脅到隧道內行車安全，造成安全事故，亟需科學、有效的分析與研究方法，分析評估病害產生對襯砌結構安全和使用性能造成的影響，為病害治理方法與對策提供依據。防治隧道病害的前提是對隧道病害的種類、 分布和程度進行詳細而全面的調查，通過對病害的系統調查可以為隧道的健康診斷提供依據。目前我國對隧道的病害調查主要採用的是人工現場調查方法，這種方法需要調查人員在隧道內對隧道的健康狀況進行調查，包括對隧道裂縫、變形和滲漏水處的位置、長度、寬度和面積進行測量記錄，並對記錄的數據進行統計、歸類和存檔，最後根據一定的標準對隧道病害進行評價。這種人工調查的方法在作業時往往會影響隧道的正常運營、調查方法高耗而且低效、在調查過程中往往帶有很大的危險性、而且調查時的測量方法和讀取數據存在人為的主觀因素，數據的可靠性和完備性有限。對於裂縫的檢測和識別，現有的方法有雷射掃描法和圖像識別法。這兩種方法目前主要應用在公路路面的裂縫識別。雷射掃描法是通過雷射掃描器發出雷射掃描路面，然後光接收器以一定角度接收從路面發射回來的光，當被掃描的路面出現裂縫時，裂縫會使到達的雷射散射或者折射，光接收器接收的反射光的強度就會減少，因此可以根據光接收器輸出的反射光強度的變化，確定路面是否存在裂縫。這種方法的缺點是周圍的光線環境對檢測的精度影響大，在白天時雷射的反射會受到太陽光的影響，所以一般在夜間作業，給檢測人員帶來不便，並且在檢測過程中需要人工地進行裂縫的標註和評價，效率低下。而圖像識別法則是通過檢測車上的攝像機獲取路面的圖像並將圖像發送到計算機，由計算機對路面的圖像進行預處理，得到只含路面背景和裂縫的圖像，然後再利用相應的識別算法確定路面是否存在裂縫，以及對裂縫進行定位。這種方法的缺點是檢測的結果取決於圖像的成像質量和識別算法的可靠性，攝像機的成像需要高亮度的光照條件，成像容易受到檢測車的震動和速度的影響，而且需要人工對每一幅圖像進行標註和分類統計處理，所以無法實現對裂縫的全自動實時處理。

發明內容
本發明為克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基於機器視覺的隧道病害快速調查系統及調查方法，可以實現對隧道常見病害的定期快速調查，使調查過程安全快速、 全自動實時處理、且不影響隧道的正常運營。本發明是這樣實現的，一種基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統，其特徵在於，裝置於一調查承載車上，包括
機器視覺子系統，用於利用CCD攝像機對待調查對象一隧道表面進行採像，獲取待調查對象的圖像數據後傳輸至數據處理子系統；
雷射測距子系統，用於通過雷射測距方法測量機器視覺子系統採集的圖像的成像距
罔；
光電測速子系統，用於運用光電測速方法對調查承載車的行駛速度進行非接觸式測量，提供採集圖像在隧道中的對應坐標；
控制子系統，用於控制雷射測距子系統、光電測速子系統，接收並將雷射測距子系統、 光電測速子系統獲得的測量數據傳輸至數據處理子系統，同時觸發機器視覺子系統採集圖像傳輸至數據處理子系統；
數據處理子系統，用於調用控制子系統傳來的測量數據對機器視覺子系統獲取的圖像進行處理，進行災害快速識別統計；
電源子系統，用於統一為上述各個子系統提供工作所需穩定電壓。所述機器視覺子系統包括光學鏡頭、CXD面陣攝像機以及為所述CXD面陣攝像機成像提供光源的照明燈，還包括
圖像採集模塊，用於將所述CCD面陣攝像機採集的圖像信號轉換為數位訊號輸入到計算機進行處理；
圖像數據存儲與傳輸模塊，用於存儲計算機處理的圖像，並將圖像數據傳輸到數據處理子系統。所述調查承載車包括輪子和圓弧形車體，圓弧形車體外表面分布有機器視覺子系統、雷射測距子系統以及光電測速子系統，機器視覺子系統中包括亮度固定的照明燈，圓弧形車體內置有控制子系統、數據處理子系統和電源子系統。所述光電測速子系統安裝在調查承載車的圓弧形車體下方、與地面相對的位置處；所述照明燈、機器視覺子系統、雷射測距子系統每三個組成一組，在調查承載車的圓弧形車體表面的各個方向均勻分布。一種應用所述基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統的調查方法，其特徵是在於步驟流程如下
(1)、確定採集區域採集區域確定後，將調查承載車放置於採集區域所在的隧道內道路中央，並在開始檢測時使其沿道路中心線勻速前進；
(2)、信息採集由控制子系統向雷射測距子系統下發測距指令並接收測距數據上傳至數據處理子系統，並控制光電測速子系統測速，將通過測速而獲得採集的圖像的坐標定位數據進行格式轉換後打包上傳至數據處理子系統；同時產生觸發信號，觸發機器視覺子系統的CCD面陣攝像機採集圖像上傳到數據處理子系統；
(3)、數據儲存數據處理子系統將傳來的採集的上述測距數據、定位數據及圖像數據進行儲存；
(4)、數據分析數據處理子系統調用儲存的所述採集的測距、定位數據按預設程序對採集的圖像進行處理，進行災害快速識別、判斷及統計；
(5)、人工分析即由分析人員介入分析，剔除統計中的錯誤結果，並將最終結果進行統計、歸類和存檔。
所述(4)中數據處理子系統調用儲存的所述採集的測距、定位數據對採集的圖像進行處理，進行災害快速識別、分析判斷及統計的方法如下
首先，數據處理子系統調用儲存的測距數據、定位數據和圖像數據進行分析，對圖像進行展開、拼接處理；
其次，對隧道襯徹結構圖像進行分析識別、判斷及統計，獲得隧道裂縫、變形和滲漏水處位置、長度、寬度、面積以及襯砌侵限信息；
再次，由分析人員介入對所獲取的上述統計信息進行人工分析，剔除所獲取信息中的錯誤結果，以增強可靠性；
最後，由數據處理子系統將最終得到的分析結果進行統計、歸類和存檔。所述對隧道襯徹結構圖像進行分析識別方法包括運用灰度級校正、二值化處理、 二值圖像處理和圖像測量方法。本發明與現有技術相比，具有如下優點1、實現了對隧道常見病害的全自動實時的調查，調查過程不需要人工參與，克服了人工識別方法勞動強度大、工作效率低和調查結果主觀因素大的缺點，提高了調查工作效率、安全性和調查的準確性。2、調查的方法和過程簡單且易於實現，一次調查只需檢測承載車在待調查隧道行駛即可完成對該段隧道病害的調查，因此可實現隧道病害定期快速調查，大大降低調查成本和消耗。3、調查過程不影響隧道正常運營，提高了調查作業安全性，可對隧道進行長期監測調查，及時發現隧道存在的病害，並對病害進行自動的分類、病害程度評價和提供相應的
處理預案。機器視覺是用機器代替人眼來作各種測量和判斷，機器視覺系統是指通過圖像攝取裝置將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數位化信號；圖像處理系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特徵， 進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。機器視覺技術涉及到計算機、圖像處理、模式識別、人工智慧、信號處理、光學、機械等多個領域，是一種非接觸測量技術，對觀測與被觀測者都不會產生任何損傷，機器視覺系統的可靠性高，具有較寬的光譜響應範圍，例如使用人眼看不見的紅外測量，擴展了人眼的視覺範圍；機器視覺檢測系統可以長時間地作測量、 分析和識別，並且可以在惡劣環境下工作。


圖1是本發明實施例提供的基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統的結構示意圖。圖2是本發明實施例提供的機器視覺子系統的結構示意圖。圖3是本發明實施例提供的基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統的運用方法的流程圖。圖4是本發明實施例提供的數據處理子系統進行災害識別、判斷及統計的方法的流程圖。圖5是本發明實施例提供的基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統的設備布置示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖，對本發明進行進一步詳細說明。參見圖1，圖1示出了本發明實施例提供的基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統的結構。為了便於說明，僅示出了與本發明有關的部分，現結合該附圖，對本發明作詳細說明如下。所述的基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統包括一調查承載車，裝置於調查承載車上的機器視覺子系統、雷射測距子系統、光電測速子系統、控制子系統、數據處理子系統以及電源子系統。機器視覺子系統，基於機器視覺技術，利用C⑶攝像機對待調查對象一隧道表面進行採像，獲取待調查對象的圖像數據後傳輸至數據處理子系統。機器視覺技術是用機器代替人眼來作各種測量和判斷，指通過圖像攝取裝置將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用圖像處理系統根據圖像像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數位化信號後對這些信號進行各種運算來抽取目標的特徵進行處理。雷射測距子系統，用於通過雷射測距方法測量機器視覺子系統採集的圖像的成像距離；該雷射測距子系統，主要包括雷射發射模塊、雷射接收模塊和信號處理模塊，其測距方法採用脈衝雷射測距法，具有測距精度高、測程遠、抗幹擾能力強、不需要合作目標的特點；該雷射測距方法為本領域現有技術，本領域普通技術人員根據現有技術及上述說明即可得以實現雷射測距，此處不再進行詳述。光電測速子系統，用於運用光電測速方法對調查承載車的行駛速度進行非接觸式測量，提供採集圖像在隧道中的對應坐標。光電測速子系統在測量得調查承載車的實時行駛速度後，根據所測速度信息得到承載車的行駛距離即裡程，從而提供每一幅圖像在隧道中所對應的坐標，對該採集的圖像進行定位，其測量精度不受調查承載車上下顛簸的影響。以上所述的光電測速子系統，主要包括非接觸式光電測速傳感器、照明燈、跟蹤濾波器及相應的用於固定前述裝置的固定裝置；該光電測速方法為本光電測速領域的現有技術，該領域普通技術人員根據現有技術及上述說明即可得以實現光電測速目的，此處不再進行詳述。控制子系統，用於控制雷射測距子系統、光電測速子系統，接收並將雷射測距子系統、光電測速子系統獲得的測量數據傳輸至數據處理子系統，同時觸發機器視覺子系統採集圖像傳輸至數據處理子系統；包括為雷射測距子系統、光電測速子系統和機器視覺子系統提供各種控制信號，如同步觸發機器視覺子系統、向雷射測距子系統下達測距指令控制
信號等。數據處理子系統，用於調用控制子系統傳來的測量數據對機器視覺子系統獲取的圖像進行處理，進行災害快速識別統計；該子系統是上述相應子系統獲得圖像數據、測距數據和測速數據的處理中心，前述獲取的數據統一在該數據處理子系統中進行圖像的存取和預處理、圖像的模式識別、病害的分類和評價等工作。電源子系統，用於統一為上述各個子系統提供工作所需的穩定電壓。
所述的調查承載車用來承載系統的其他所有子系統並提供穩定的運動速度，可平穩地行使在隧道中，因此，調查承載車須使用抗震性能好的承載車，以提供穩定的行使速度，減少系統的抖動以獲得質量較高的隧道表面圖像，同時可以為電源子系統提供發電電源。參見圖2所示，該圖2示出了本發明提供的機器視覺子系統的結構，為了便於說明，僅示出了與本發明有關的部分。下面結合該附圖，對該機器視覺子系統說明如下。該機器視覺子系統包括光學鏡頭、CCD面陣攝像機、為CCD面陣攝像機成像提供光源的照明模塊、圖像採集模塊以及圖像數據存儲與傳輸模塊。光學鏡頭用於將成像目標聚焦在CCD圖像傳感器的光敏面上構成成像，CCD面陣攝像機用於提供快速、高像素及高解析度的成像，所述的照明模塊為CCD面陣攝像機成像提供所需要的光源，通過將照明光線投射在成像目標上，使CCD面陣攝像機的成像更加清晰；圖像採集模塊則將CCD面陣攝像機成像的圖像光信號轉換為數字圖像信號輸入到計算機進行處理；圖像數據存儲與傳輸模塊則將計算機處理後的圖像數據進行存儲，並將圖像數據傳輸到數據處理子系統進行處理，進行災害快速識別、統計。以上所述機器視覺子系統採集圖像的技術與為現有技術，不再詳述。參見圖3，該圖示出了運用本發明實施例提供的基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統的使用方法的流程；下面結合該附圖，對該使用方法流程說明如下一、確定採集區域採集區域確定後，將調查承載車放置於採集區域所在的隧道內道路中央，並在開始檢測時使其沿道路中心線勻速前進。二、信息採集由控制子系統向雷射測距子系統下發測距指令並接收測距數據上傳至數據處理子系統，並控制光電測速子系統測速，將通過測速而獲得採集的圖像的坐標定位數據進行格式轉換後打包上傳至數據處理子系統；同時產生觸發信號，觸發機器視覺子系統的CCD面陣攝像機採集圖像上傳到數據處理子系統。三、數據儲存數據處理子系統將傳來的採集的上述測距數據、定位數據及圖像數據進行儲存。四、數據分析數據處理子系統調用儲存的所述採集的測距、定位數據按預設程序對採集的圖像進行處理，進行災害快速識別、判斷及統計。五、人工分析即由分析人員介入分析，剔除統計中的錯誤結果，並將最終結果進行統計、歸類和存檔。參見圖4，該圖示出了本發明的數據處理子系統進行災害快速識別、判斷及統計的方法的流程。以下結合該附圖，對本發明所述的數據處理子系統的災害快速識別統計的方法作詳細說明如下。首先，數據處理子系統調用儲存的測距數據、定位數據和圖像數據進行分析，對圖像進行展開、拼接處理。其次，對隧道襯徹結構圖像進行分析識別、判斷及統計，獲得隧道裂縫、變形和滲漏水處位置、長度、寬度、面積以及襯砌侵限信息。分析識別方法包括運用灰度級校正、二值化處理、二值圖像處理和圖像測量等方法；本發明實施例所述灰度級校正、二值化處理、二值圖像處理和圖像測量方法均為現有技術，本領域普通技術人員根據上述描述均可利用本領域現有技術實現，並獲得隧道裂縫、變形和滲漏水處位置、長度、寬度、面積以及襯砌侵限信息。再次，由分析人員介入對所獲取的上述統計信息進行人工分析，剔除所獲取信息中的錯誤結果，以增強可靠性。最後，由數據處理子系統將最終得到的分析結果進行統計、歸類和存檔。5，[微軟用戶1]該圖示出了基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統的設備布置方法。以下結合附圖，對布置方法作一簡要說明。如圖5所示，所述調查承載車5包括輪子和圓弧形車體，圓弧形車體外表面分布有機器視覺子系統2、雷射測距子系統3以及光電測速子系統4，機器視覺子系統中包括亮度固定的照明燈1，圓弧形車體內置有控制子系統、數據處理子系統和電源子系統。所述光電測速子系統4安裝在調查承載車5的圓弧形車體下方、與地面相對的位置處；所述照明燈1、機器視覺子系統2、雷射測距子系統3每三個組成一組，在調查承載車 5的圓弧形車體表面的各個方向均勻分布。為了保證調查的全面性及準確性，該調查承載車 5的圓弧形體表面上應均勻安裝有多組照明燈1、機器視覺子系統2以及雷射測距子系統3。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統，其特徵在於，裝置於一調查承載車(5)上，包括機器視覺子系統，用於利用CCD攝像機對待調查對象一隧道表面進行採像，獲取待調查對象的圖像數據後傳輸至數據處理子系統；雷射測距子系統，用於通過雷射測距方法測量機器視覺子系統採集的圖像的成像距罔；光電測速子系統，用於運用光電測速方法對調查承載車的行駛速度進行非接觸式測量，提供採集圖像在隧道中的對應坐標；控制子系統，用於控制雷射測距子系統、光電測速子系統，接收並將雷射測距子系統、 光電測速子系統獲得的測量數據傳輸至數據處理子系統，同時觸發機器視覺子系統採集圖像傳輸至數據處理子系統；數據處理子系統，用於調用控制子系統傳來的測量數據對機器視覺子系統獲取的圖像進行處理，進行災害快速識別統計；電源子系統，用於統一為上述各個子系統提供工作所需穩定電壓。
2.根據權利要求1所述的一種基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統，其特徵是在於，所述機器視覺子系統包括光學鏡頭、CCD面陣攝像機以及為所述CCD面陣攝像機成像提供光源的照明燈，還包括圖像採集模塊，用於將所述CCD面陣攝像機採集的圖像信號轉換為數位訊號輸入到計算機進行處理；圖像數據存儲與傳輸模塊，用於存儲計算機處理的圖像，並將圖像數據傳輸到數據處理子系統。
3.根據權利要求2所述的一種基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統，其特徵是在於，所述調查承載車(5)包括輪子和圓弧形車體，圓弧形車體外表面分布有機器視覺子系統(2)、雷射測距子系統(3)以及光電測速子系統(4)，機器視覺子系統中包括亮度固定的照明燈(1)，圓弧形車體內置有控制子系統、數據處理子系統和電源子系統。
4.根據權利要求3所述的一種基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統，其特徵是在於，所述光電測速子系統(4)安裝在調查承載車(5)的圓弧形車體下方、與地面相對的位置處；所述照明燈(1)、機器視覺子系統(2)、雷射測距子系統(3)每三個組成一組，在調查承載車(5)的圓弧形車體表面的各個方向均勻分布。
5.一種應用權利要求1 一 4任意一項所述基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統的調查方法，其特徵是在於步驟流程如下(1)、確定採集區域採集區域確定後，將調查承載車放置於採集區域所在的隧道內道路中央，並在開始檢測時使其沿道路中心線勻速前進；(2)、信息採集由控制子系統向雷射測距子系統下發測距指令並接收測距數據上傳至數據處理子系統，並控制光電測速子系統測速，將通過測速而獲得採集的圖像的坐標定位數據進行格式轉換後打包上傳至數據處理子系統；同時產生觸發信號，觸發機器視覺子系統的CCD面陣攝像機採集圖像上傳到數據處理子系統；(3)、數據儲存數據處理子系統將傳來的採集的上述測距數據、定位數據及圖像數據進行儲存；(4)、數據分析數據處理子系統調用儲存的所述採集的測距、定位數據按預設程序對採集的圖像進行處理，進行災害快速識別、判斷及統計；(5)、人工分析即由分析人員介入分析，剔除統計中的錯誤結果，並將最終結果進行統計、歸類和存檔。
6.根據權利要求5所述的一種基於機器視覺技術的隧道病害快速調查方法，其特徵是在於所述(4)中數據處理子系統調用儲存的所述採集的測距、定位數據對採集的圖像進行處理，進行災害快速識別、分析判斷及統計的方法如下首先，數據處理子系統調用儲存的測距數據、定位數據和圖像數據進行分析，對圖像進行展開、拼接處理；其次，對隧道襯徹結構圖像進行分析識別、判斷及統計，獲得隧道裂縫、變形和滲漏水處位置、長度、寬度、面積以及襯砌侵限信息；再次，由分析人員介入對所獲取的上述統計信息進行人工分析，剔除所獲取信息中的錯誤結果，以增強可靠性；最後，由數據處理子系統將最終得到的分析結果進行統計、歸類和存檔。
7.根據權利要求6所述的一種基於機器視覺技術的隧道病害快速調查方法，其特徵是在於所述對隧道襯徹結構圖像進行分析識別方法包括運用灰度級校正、二值化處理、二值圖像處理和圖像測量方法。
全文摘要
本發明公開了一種基於機器視覺技術的隧道病害快速調查系統及調查方法，裝置於一調查承載車上，包括機器視覺子系統，用CCD攝像機獲取待調查對象圖像數據；雷射測距子系統，用雷射測距法測量機器視覺子系統採集的圖像的成像距離；光電測速子系統，用於提供採集圖像在隧道中的對應坐標；控制子系統，控制雷射測距及光電測速子系統，將該兩子系統獲得數據傳至數據處理子系統，觸發機器視覺子系統採集圖像傳至數據處理子系統；數據處理子系統，根據控制子系統傳來的數據處理機器視覺子系統獲取的圖像；電源子系統，為各子系統提供電壓。本發明可實現對隧道常見病害的定期快速調查，使調查過程安全快速、全自動實時處理、不影響隧道正常運營。
文檔編號G01C11/00GK102435173SQ201110281700
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月21日 優先權日2011年9月21日
發明者葉英, 張智明, 楊新銳 申請人:北京市市政工程研究院