本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，尤其是涉及一種盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙視覺測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

近幾年來，伴隨著我國(guó)城市建設(shè)的高速發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)在城市地鐵隧道建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在盾構(gòu)施工中，由于盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)路線的曲率變化以及推進(jìn)油缸的伸出長(zhǎng)度不能時(shí)刻保持一致等原因，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)尾部盾殼內(nèi)壁與管片外徑之間的空間發(fā)生變化，這個(gè)空間就是盾尾間隙。盾尾間隙的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在推進(jìn)油缸3推進(jìn)過程中，管片2與盾構(gòu)機(jī)1內(nèi)壁之間的距離即為所述的盾尾間隙4。當(dāng)盾尾間隙變化量超過設(shè)計(jì)允許的變化范圍時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致盾尾與管片之間發(fā)生過渡擠壓而加速盾尾密封刷的磨損，破壞盾尾密封系統(tǒng)，甚至造成盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)軸線發(fā)生偏離，給施工帶來不便。

目前，盾構(gòu)中普遍采用的盾尾間隙測(cè)量系統(tǒng)有：vmt公司的slum系統(tǒng)，石川島公司的盾尾間隙測(cè)量系統(tǒng)和三菱公司的盾尾間隙測(cè)量系統(tǒng)。slum系統(tǒng)是vmt開發(fā)的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，被廣泛地安裝在海瑞克盾構(gòu)上。這套系統(tǒng)包括5個(gè)激光測(cè)量傳感器，分別安裝在拼裝機(jī)的固定位置上，移動(dòng)拼裝機(jī)到管片中指定的位置對(duì)拼裝好的管片的距離進(jìn)行測(cè)量，隨后拼裝機(jī)再次移動(dòng)，對(duì)盾尾的距離進(jìn)行測(cè)量，求取兩次測(cè)量的差值傳輸至sls-t導(dǎo)向系統(tǒng)中，本系統(tǒng)在海瑞克盾構(gòu)上普遍使用，但是由于其工作方式的限制，無法安裝在裝備盤式拼裝機(jī)的盾構(gòu)上。三菱公司的盾尾間隙測(cè)量系統(tǒng)是安裝在千斤頂?shù)装甯浇恢?，依靠氣閥組和傾角傳感器工作，可使用操作面板上的觸摸屏或便攜式操作箱進(jìn)行控制。該系統(tǒng)主要用于三菱地鐵盾構(gòu)，如上海地鐵公司的巧--18號(hào)6340mm土壓平衡盾構(gòu)和三菱6520mm雙圓土壓平衡盾構(gòu)等。但它的防護(hù)性較差，加之現(xiàn)場(chǎng)的工況條件惡劣，設(shè)備常會(huì)由于沾染到泥漿或是水之后發(fā)生故障而無法正常工作。石川島公司的盾尾間隙測(cè)量系統(tǒng)和三菱公司的系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、安裝位置、工作方式等方面基本相同，但是其測(cè)量裝置外形較大，給安裝和使用帶來較大的困難，且由于外形尺寸的限制該系統(tǒng)不適宜用于地鐵盾構(gòu)。

2011年夏翼在中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集中發(fā)表盾尾間隙測(cè)量系統(tǒng)的研究，文中提出一種盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙測(cè)量技術(shù)，創(chuàng)新型的運(yùn)用視覺技術(shù)對(duì)盾尾間隙進(jìn)行非接觸式的測(cè)量。其系統(tǒng)集間隙的測(cè)量與控制于一身，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與盾尾間隙智能分析。但是，此系統(tǒng)高度依賴in-sight5100視覺傳感器集成的in-sightexplorer軟件并且手工標(biāo)定盾尾的方式進(jìn)行盾尾間隙直接獲取，致使系統(tǒng)精度高度依賴于間隙邊緣提取的精度，由于需要經(jīng)過比例尺換算，邊緣檢測(cè)結(jié)果細(xì)微的不同經(jīng)過換算后都有可能會(huì)被放大，因此為系統(tǒng)引入了極大的誤差。

沈斌2007年在第三屆上海國(guó)際隧道工程研討會(huì)論文集發(fā)表題為盾構(gòu)法隧道盾尾同步注漿間隙測(cè)量與計(jì)算的文章，文中提出一種利用電子測(cè)距儀的進(jìn)行盾尾間隙測(cè)量的方法，其原理如下：測(cè)距儀安裝在盾構(gòu)機(jī)園切面中心，預(yù)先測(cè)量盾構(gòu)中心到盾構(gòu)機(jī)內(nèi)壁距離d，測(cè)距儀測(cè)量其所在中心位置到管片內(nèi)壁距離d，在管片寬度一致的情況下h，利用公式x＝d-d-h求解間隙寬度。此種方法可行的條件式管片內(nèi)壁是干凈的平滑的，但是實(shí)際管片是有注漿孔等狀況致使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。

張立彬在2013年發(fā)表的基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙測(cè)量系統(tǒng)的研究一文中提出的基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)借助視覺圖像處理庫opencv進(jìn)行構(gòu)建。其基本原理是：對(duì)于獲取到的進(jìn)行預(yù)處理，二值化后進(jìn)行hough變換，然后利用邊緣提取技術(shù)進(jìn)行邊緣提取統(tǒng)計(jì)計(jì)算獲取激光點(diǎn)中心位置x，對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行canny邊緣檢測(cè)，對(duì)于canny邊緣檢測(cè)后的圖像進(jìn)行邊緣提取，然后指向定位獲得管片上邊緣l，計(jì)算x與直線l之間的距離，最后計(jì)算間隙實(shí)際間距。此系統(tǒng)適用于場(chǎng)景極度簡(jiǎn)單的施工場(chǎng)景，但是實(shí)際的施工場(chǎng)景是非常復(fù)雜的，canny邊緣檢測(cè)并不能提取到管片的上邊緣，因此系統(tǒng)并無法投入到實(shí)際的應(yīng)用。

此外還有孫連，陸曉華在2013年發(fā)表的基于多點(diǎn)掃描距離檢測(cè)技術(shù)的盾尾間隙測(cè)量方法和裝置一文中提出了一種盾尾間隙測(cè)量方法，文中指出檢測(cè)裝置固定于盾構(gòu)的盾殼和主推千斤頂之上，該盾測(cè)量裝置主要包括有控制計(jì)算機(jī)、電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和激光測(cè)距儀。

李睿在2014年發(fā)表碩士文章：盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙測(cè)量系統(tǒng)研究中提出了一種利用傳感器進(jìn)行盾尾間隙測(cè)量的方法。其測(cè)量原理為：通過安裝在盾尾內(nèi)壁的數(shù)個(gè)傳感器對(duì)管片推出盾尾時(shí)裝置轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，在連接裝置長(zhǎng)度己知的前提下，根據(jù)連桿長(zhǎng)度及轉(zhuǎn)角度數(shù)測(cè)出盾尾間隙值。

然而上述這些方法需要的硬件設(shè)備較多，耗費(fèi)成本大，同時(shí)測(cè)量方法復(fù)雜，測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙視覺測(cè)量方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙視覺測(cè)量方法，該方法包括如下步驟：

(1)安裝攝像機(jī)，攝像頭距離盾構(gòu)機(jī)底部盾殼高度為h；

(2)攝像機(jī)拍攝盾構(gòu)機(jī)工作過程中原始圖像，該原始圖像中包含管片上邊緣和管片下邊緣，且管片下邊緣為盾尾間隙的上邊緣；

(3)以原始圖像中心點(diǎn)所在水平軸為分割線將該原始圖像劃分為第一子圖像和第二子圖像，其中，第一子圖像包括管片下邊緣，第二子圖像包括管片上邊緣；

(4)從第二子圖像中獲取管片上邊緣，計(jì)算得到管片上邊緣在原始圖像中距離原始圖像中心點(diǎn)的距離d2；

(5)根據(jù)設(shè)定的比例尺將d2轉(zhuǎn)換為實(shí)際高度h2；

(6)根據(jù)下式獲得盾尾間隙d：d＝h+h2-d3，其中，d3為管片實(shí)際高度。

步驟(5)后還包括檢測(cè)精度驗(yàn)證，具體為：

(a)從第一子圖像中獲取管片下邊緣，計(jì)算得到管片下邊緣在原始圖像中距離原始圖像中心點(diǎn)的距離d1；

(b)根據(jù)步驟(5)中的比例尺將d1轉(zhuǎn)換為實(shí)際高度h1；

(c)對(duì)h1和h2求和得到h，求取h與d3的誤差大小，若誤差在設(shè)定范圍內(nèi)則執(zhí)行步驟(6)，否則返回步驟(2)。

步驟(4)中獲取管片上邊緣具體通過下述方式獲得：采用canny邊緣檢測(cè)算法獲取第二子圖像中包含的邊緣信息并得到邊緣圖像，對(duì)邊緣圖像進(jìn)行投影處理生成水平方向邊緣像素統(tǒng)計(jì)數(shù)組，根據(jù)水平邊緣像素統(tǒng)計(jì)數(shù)組獲取管片上邊緣。

所述的步驟(a)具體為：

(a1)對(duì)第一子圖像進(jìn)行預(yù)處理；

(a2)對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行圖像二值化，分割出盾尾間隙和管片密封條；

(a3)對(duì)二值化處理后的圖像進(jìn)行雙峰結(jié)構(gòu)補(bǔ)充，在補(bǔ)充后的投影圖中尋找谷底坐標(biāo)，根據(jù)谷底坐標(biāo)去除管片密封條；

(a4)對(duì)步驟(a3)去除管片密封條后的圖像進(jìn)行模板匹配得到盾尾間隙附近圖像；

(a5)采用分割算法提取盾尾間隙，獲取管片下邊緣。

步驟(a1)中預(yù)處理包括灰度化處理、圖像增強(qiáng)處理以及通過對(duì)比度增強(qiáng)算法提高圖像中間隙與圖像其余部分對(duì)比度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明基于視覺方法獲取間隙寬度，利用間接方法求取間隙寬度，解決了部分常規(guī)的接觸式測(cè)量方法帶來的器件磨損，進(jìn)一步增加了非接觸式測(cè)量方法的種類，利用間接間隙獲取方式，規(guī)避了直接對(duì)間隙寬度的獲取，轉(zhuǎn)而求取攝像頭中心到管片上邊緣之間的距離，利用攝像頭的高度和管片高度固定，以及他們相互之間的關(guān)系求解間隙寬度，盡可能擴(kuò)大圖像中的測(cè)量對(duì)象的尺寸，縮小轉(zhuǎn)換誤差，相比于接觸式測(cè)量非接觸式測(cè)量減小硬件損耗，相比于直接測(cè)量，間接測(cè)量克服了利用圖像方法直接測(cè)量圖像間隙寬度再利用比例尺轉(zhuǎn)換到實(shí)際距離帶來的誤差擴(kuò)大；

(2)本發(fā)明通過求取圖像處理得到的管片高度與管片實(shí)際高度的誤差進(jìn)行檢測(cè)精度驗(yàn)證，當(dāng)檢測(cè)精度較低時(shí)需要重新進(jìn)行拍攝圖像把進(jìn)行盾尾間隙的測(cè)量，提高最終獲取的盾尾間隙結(jié)果的精確性；

(3)本發(fā)明管片上邊緣和管片下邊緣的檢測(cè)方法檢測(cè)精度高；

(4)本發(fā)明每一個(gè)測(cè)量位置只需一臺(tái)攝像機(jī)獲取圖像即可，無需其他硬件設(shè)備，耗費(fèi)成本較低，易于實(shí)現(xiàn)，且測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

附圖說明

圖1為盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙視覺測(cè)量方法的流程框圖；

圖3為本發(fā)明視覺測(cè)量方法中攝像機(jī)安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1為盾構(gòu)機(jī)，2為管片，3為推進(jìn)油缸，4為盾尾間隙，5為攝像機(jī)，6為盾構(gòu)機(jī)底部盾殼。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例

如圖2所示，一種盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙視覺測(cè)量方法，該方法包括如下步驟：

(1)安裝攝像機(jī)5，攝像頭距離盾構(gòu)機(jī)底部盾殼6高度為h；

(2)攝像機(jī)5拍攝盾構(gòu)機(jī)工作過程中原始圖像，該原始圖像中包含管片上邊緣和管片下邊緣，且管片下邊緣為盾尾間隙的上邊緣；

(3)以原始圖像中心點(diǎn)所在水平軸為分割線將該原始圖像劃分為第一子圖像和第二子圖像，其中，第一子圖像包括管片下邊緣，第二子圖像包括管片上邊緣；

(4)從第二子圖像中獲取管片上邊緣，計(jì)算得到管片上邊緣在原始圖像中距離原始圖像中心點(diǎn)的距離d2；

(5)根據(jù)設(shè)定的比例尺將d2轉(zhuǎn)換為實(shí)際高度h2；

(6)根據(jù)下式獲得盾尾間隙d：d＝h+h2-d3，其中，d3為管片實(shí)際高度，如圖3所示，攝像頭距離盾構(gòu)機(jī)底部盾殼6高度為h，從圖3很容易得到上述計(jì)算盾尾間隙d的計(jì)算公式。

步驟(5)后還包括檢測(cè)精度驗(yàn)證，具體為：

(a)從第一子圖像中獲取管片下邊緣，計(jì)算得到管片下邊緣在原始圖像中距離原始圖像中心點(diǎn)的距離d1；

(b)根據(jù)步驟(5)中的比例尺將d1轉(zhuǎn)換為實(shí)際高度h1；

(c)對(duì)h1和h2求和得到h，求取h與d3的誤差大小，若誤差在設(shè)定范圍內(nèi)則執(zhí)行步驟(6)，否則返回步驟(2)。

步驟(4)中獲取管片上邊緣具體通過下述方式獲得：采用canny邊緣檢測(cè)算法獲取第二子圖像中包含的邊緣信息并得到邊緣圖像，對(duì)邊緣圖像進(jìn)行投影處理生成水平方向邊緣像素統(tǒng)計(jì)數(shù)組，根據(jù)水平邊緣像素統(tǒng)計(jì)數(shù)組獲取管片上邊緣。

所述的步驟(a)具體為：

(a1)對(duì)第一子圖像進(jìn)行預(yù)處理，具體地，預(yù)處理包括灰度化處理、圖像增強(qiáng)處理以及通過對(duì)比度增強(qiáng)算法提高圖像中間隙與圖像其余部分對(duì)比度。對(duì)第一子圖像進(jìn)行灰度化處理以及圖像增強(qiáng)(imageenhancement)處理，去除圖像中包含的噪聲，隨后利用對(duì)比度增強(qiáng)算法(如histgramequalization)提高圖像中間隙與圖像其余部分對(duì)比度。

(a2)對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行圖像二值化，分割出盾尾間隙和管片密封條，具體地，通過對(duì)采集到的圖像進(jìn)行二值化處理，統(tǒng)計(jì)獲得多幅圖像二值化處理閾值的取值，確定出實(shí)際施工環(huán)境下二值化處理閾值取值范圍。利用二值化之后圖像的投影圖應(yīng)具有雙峰特點(diǎn)，在已經(jīng)確定的閾值范圍內(nèi)進(jìn)行遍歷，結(jié)合雙峰特點(diǎn)尋找能將間隙和管片密封條成功分割(呈現(xiàn)一定雙峰特點(diǎn))的閾值。利用搜索獲取的閾值進(jìn)行圖像二值化，分割出間隙和管片密封條。

(a3)對(duì)二值化處理后的圖像進(jìn)行雙峰結(jié)構(gòu)補(bǔ)充，在補(bǔ)充后的投影圖中尋找谷底坐標(biāo)，根據(jù)谷底坐標(biāo)去除管片密封條，具體地，步驟(a2)獲取的二值化圖像，對(duì)投影效果不佳(即雙峰結(jié)構(gòu)不佳)的投影圖像進(jìn)行雙峰結(jié)構(gòu)補(bǔ)充，在結(jié)構(gòu)補(bǔ)充后的投影圖中尋找谷底坐標(biāo)。根據(jù)谷底坐標(biāo)去除管片密封條，縮小圖像處理范圍，防止密封條對(duì)于后續(xù)模板匹配結(jié)果的干擾。

(a4)對(duì)步驟(a3)去除管片密封條后的圖像進(jìn)行模板匹配得到盾尾間隙附近圖像；

(a5)采用分割算法提取盾尾間隙，獲取管片下邊緣，分割算法如meanshift分割方法、測(cè)地線活動(dòng)輪廓模型、jseg、超像素分割等。