CN201110003251.1-用于土木工程结构表观缺陷评定的双CCD检测方法及系统-申请

用于土木工程结构表观缺陷评定的双CCD检测方法及系统

申请号：CN201110003251.1 申请日：2011.01.10

申请（专利权）人 哈尔滨工业大学

地址 黑龙江省哈尔滨市南岗区黄河路73号哈尔滨工业

发明（设计）人 单宝华

主分类 G01N21/88

公开（公告）号 CN102183524A 公开（公告）日 2011.09.14

代理机构 代理人

（19）中国人民共和国国家知识产权局

（12）发明专利申请

（10）申请公布号 CN102183524A （45）申请公布日 2011.09.14

（21）申请号 CN201110003251.1

（22）申请日 2011.01.10

（71）申请人 哈尔滨工业大学

地址 黑龙江省哈尔滨市南岗区黄河路73号哈尔滨工业大学二校区土木工程学院512室

（72）发明人 单宝华

（74）专利代理机构

代理人

（54）发明名称

用于土木工程结构表观缺陷评定的双CCD检测方法及系统

（57）摘要

用于土木工程结构表观缺陷评定的双CCD检测方法及其设备，方法包括如下方法：表观缺陷双CCD检测系统的结构配置方法、双CCD检测方法的特征点空间坐标计算方法、结构表观缺陷图像特征点的匹配方法和结构表观缺陷尺寸的评定方法。该检测系统由双CCD相机、支架、双路图像采集卡、计算机和表观缺陷检测评定软件组成，双CCD相机安装在支架上，双CCD相机通过导线连接到双路图像采集卡上，双路图像采集卡安装在计算机上，由评定软件控制系统实现结构表观缺陷图像的采集处理评定。本发明具有双CCD同步采集、图像显示存储、特征匹配、缺陷损伤评定以及提供检测报告的功能，并具有实时采集、快速处理的优点，适于工程结构现场测量。

权 利 要 求 书

1.一种用于土木工程结构表观缺陷评定的双CCD检测方法，其特征在于，方法如下：

(1)表观缺陷双CCD检测系统的结构配置方法：

为了从二维图像中获得结构表观缺陷特征点的空间坐标，双CCD相机需从不同位置获取包含结构表观缺陷特征点的两幅图像；将两个CCD相机从不同角度交叉摆放观测同一被测物体，首先要确定单个CCD相机的视角，然后针对工程应用的实际情况，设计两个CCD相机之间的基线距离B与夹角α，以获取最佳的公共视场，为获得实际检测中CCD相机的视角，需使CCD相机与一平面垂直，调整CCD相机与结构表面的距离，使图像清晰，且让CCD相机的光轴指向平面上的十字中心，且让CCD相机的光轴指向平面上的十字中心，在十字中心相互垂直的方向上，放置两个标尺，然后进行拍照，根据图像中的所能够拍摄到的标尺的距离，即可计算出CCD相机在水平方向和竖直方向上的视角，最后根据两个CCD相机的基线距离、摄像机与基线的夹角和摄像机的视角，就能够计算出双CCD检测系统的公共视场；

(2)双CCD检测方法的特征点空间坐标计算方法：

双CCD相机在同一时刻观看结构表面某特征点P，分别使用左右CCD相机获取P点的图像，它们的图像坐标分别为Pl＝(Xl，Yl)，Pr＝(Xr，Yr)，当两CCD相机的图像平面在同一个平面上，则特征点P的图像坐标的Y坐标相同，即Yleft＝Yright＝Y，由透视变换原理得到：

Xleft=fxczc]]>Xright=f(xc-B)zc]]>Y=fyczc]]> 则时差为：Disparity＝|Xleft-Xright|＝Xleft-Xright；

由此计算出结构表面特征点在双CCD检测系统坐标系下的空间坐标为：

xc=B·XlDisparityyc=B·YDisparityzc=B·fDisparity]]>

因此左CCD相机面上的任意一点只要能够在右CCD相机像面上找到对应的匹配点，即二者是空间同一点在左右CCD相机上的点，就能够根据双CCD相机的固有几何约束确定出结构表观缺陷特征点的空间坐标，此种方法是点对点的运算，图像上所有点只要存在匹配点，就能够参与上述运算，从而获取结构表观缺陷特征点的的空间坐标，因而测量效率较高；

(3)结构表观缺陷图像特征点的匹配方法：

表观缺陷图像特征点的匹配是通过图像匹配的方法，寻找出两幅图像中特征点之间相互的对应关系，从而确定出同一个特征点分别在两幅图像中的坐标，缺陷图像的特征匹配需要对两幅表观缺陷图像进行特征提取，可采用Harris角点提取算法、SUSAN角点提取算法或SIFT特征点提取算法；

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在获取图像的坐标时，采用交互识别和自动特征匹配两种方法，先通过自动匹配方法进行特征点的匹配，如匹配结果不能够达到要求，再使用交互识别的方法进行匹配，

在双CCD检测方法中，对应特征点的匹配主要是两幅图像中点、边缘或者区域等几何基元的相似程度，再由同一特征点分别投影到两幅图像中形成的对应点的图像坐标，就能够根据双CCD检测方法的数学模型计算出特征点的空间坐标；

(4)结构表观缺陷尺寸的评定方法：

在获取到结构表观缺陷特征点的空间坐标之后，缺陷的长度就可按空间中两点的距离求得，设空间中两点的坐标分别为P1(X1，Y1，Z1)，P2(X2，Y2，Z2)，则长度计算公式为：

L=(X1-X2)2+(Y1-Y2)2+(Z1-Z2)2]]>

缺陷的深度测量首先需要建立一个测量基准面，所求到的深度就是相对于此基准面的，这个基准面是空间的，利用三维空间中的特征点，根据空间平面的计算公式求得该空间平面，设空间中三个点的坐标分别为P1(X1，Y1，Z1)，P2(X2，Y2，Z2)，P3(X3，Y3，Z3)，则空间平面方程为：

[(Y1Z2+Y2Z3+Y3Z1)-(Y3Z2+Y2Z1+Y1Z3)]X +[(X1Z2+X2Z3+X3Z1)-(X2Z2+X2Z.+X1Z3)]Y +[(X1Y2+X2Y3+X3Y1)-(X3Y1+X2Y1+X3Y3)]Z

+[(X1Y2Z3+X2Y3Z1+X3Y1Z3)-(X3Y2Z1+X2Y1Z3+X1Y3Z2)]＝0 (Y1Z2+Y2Z3+Y3Z1)-(Y3Z2+Y2Z1+Y1Z3)＝A (X1Z2+X2Z3+X3Z1)-(X2Z2+X2Z.+X1Z3)＝B 令

(X1Y2+X2Y3+X3Y1)-(X3Y1+X2Y1+X3Y3)＝C

(X1Y2Z3+X2Y3Z1+X3Y1Z3)-(X3Y2Z1+X2Y1Z3+X1Y3Z2)＝D 则平面方程为AX+BY+CZ+D＝0，

设空间点的坐标为K(Xk，Yk，Zk)，则空间点到空间平面的距离为： d=|Aa+Bb+Cc-D|A2+B2+C2]]>

由此计算出结构表观缺陷的长度、宽度和深度信息，

因此只要获得了空间点在图像中的坐标，就能够计算出空间点的三维坐标，进而求得空间点的相对位置关系，也就完成了土木工程结构表观缺陷的损伤评定。

2.一种用于土木工程结构表观缺陷评定的双CCD检测系统，系统由双CCD相机、支架、双路图像采集卡、计算机和表观缺陷检测评定软件组成，其特征在于：双CCD相机安装在支架上，双CCD相机通过导线连接到双路图像采集卡上，双路图像采集卡安装在计算机上，由表观缺陷检测评定软件控制检测系

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统实现结构表观缺陷图像的采集处理评定；所述的双CCD相机型号性能相同，具有较高图像分辨率及自动增益控制和背景光自动补偿功能，且光学镜头尺寸与CCD传感器尺寸必须匹配，接口类型匹配，为百万像素级镜头。

3.根据权利要求2所述的一种用于土木工程结构表观缺陷评定的双CCD检测系统，其特征在于：所述的支架能安装两个CCD相机，其两侧对称且可同时向中心靠拢，能实现每个相机的水平及俯仰转动。

4.根据权利要求2所述的一种用于土木工程结构表观缺陷评定的双CCD检测系统，其特征在于：所述的双路图像采集卡为模拟采集卡或数字采集卡，接口类型为IEEE1394、千兆网卡或USB2.0。

5.根据权利要求2所述的一种用于土木工程结构表观缺陷评定的双CCD检测系统，其特征在于：所述表观缺陷检测评定软件由计算机控制实现双路图像同步采集、显示处理、特征匹配、损伤评定及交互识别的功能，根据表观缺陷评定算法测量结构的表观缺陷三维尺寸，并提供结构表观缺陷检测报告。

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