純機器視覺盾尾間隙自動檢測裝置示范應用技術研究

黃志剛（上海資爾自動化科技有限公司，上海 201108）

盾尾間隙信息是盾構掘進和管片拼裝糾偏決策的重要依據之一。目前隧道施工主要采用人工測量盾尾間隙。

盾尾間隙自動檢測裝置現有技術的缺陷是尚未解決盾構施工惡劣工況環境的適應性難題。上海市北橫通道盾構采用引進 15.56 m 泥水氣壓平衡盾構施工，盾構選用超聲波原理的盾尾間隙自動檢測裝置，在施工過程中由于傳感器發射端與接收端之間受盾尾油脂和注漿漿液污染逐步失效。

“純機器視覺盾尾間隙自動檢測裝置研制和應用”課題是以上海北橫通道為示范的應用工程。本文重點分析在示范應用中發現和解決所研制裝置的環境適應性關鍵技術。

1 盾尾間隙檢測裝置工程應用技術方案

選用定焦網絡攝像機并將其安裝在盾構千斤頂根部圓環結構上，鏡頭視場為千斤頂之間管片的中部，網線連接攝像機與工控機。采用成熟視覺軟件的控件辨識管片特征點并實現圖數轉換。

1.1 純視覺盾尾間隙檢測裝置的技術特點

（1）用定焦鏡頭檢測垂直于鏡頭運動的管片邊界特征點，運動范圍距離鏡頭 600～2 700 mm。由視覺軟件工具實現對圖像上管片邊界特征點的顯著性檢測。

（2）專利《機器視覺無參照物的盾尾間隙自動檢測方法》建立以攝像機 CCD（電荷耦合元件，此處特指圖片）為基準的坐標系，至少可由一個管片邊界特征點在坐標系上的位置計算所測位置的盾尾間隙的數值。

（3）專利《機器視覺盾尾間隙檢測圖像網格特征點可靠性過濾方法》構建管片邊界特征點網格矩陣，可規避各類光學影像干涉因素篩選有效特征點。

（4）專利《機器視覺盾尾間隙檢測自動跟蹤管片有效邊界特征點方法》建立視覺自動跟蹤管片邊界特征點模型，以適應攝像機視場角安裝的偏差。

1.2 現場工程應用解決的技術難點

（1）用定焦鏡頭采集大范圍物距變化的管片圖像具有經濟性，便于推廣。但在一環推進前和推進結束后關鍵位置的管片特征邊界圖像易虛化，增加了圖數分析的難度。

（2）盾尾間隙自動檢測裝置應用現場的工況環境比較惡劣，機器視覺原圖上管片水跡、背光、陰影、光斑等因素嚴重影響后續圖像處理的正確性。

（3）現場攝像機安裝調試的平面角、高程角、旋轉角的誤差直接影響大范圍物距變化圖像檢測的正確性。

（4）依據以 CCD 坐標系為基準的視覺檢測方案，若攝像機視角位置發生偏移，則必須重新標定。

1.3 現場工程應用針對性技術措施

（1）優化視覺圖像質量，包括采取提高圖像分辨率和圖像對比度的具體技術措施。

（2）優化現場標定方法。

（3）開發現場標定軟件工具程序，簡化標定大量數據計算工作量。

（4）制訂現場標定工藝，規范標定操作流程，便于現場標定操作。

2 優化視覺圖像質量

2.1 優化圖像分辨率

機器視覺檢測盾尾間隙裝置選用網絡攝像機發送畫面命令，計算機獲得當前視頻幀流的圖片，保存在本地存儲器中。由于網絡攝像機輸出圖片默認為 JPEG 格式，在分辨率1 280×720 模式下的位深僅有 8 位，因此圖像分辨率受到制約。

采取網絡相機輸出為 BMP 格式的優化技術措施，使圖片的位深達到 24 位，提高了圖像的分辨率，改善了后續圖數處理的靈敏度和質量。

2.2 優化圖像對比度

通常采用線性變換或者直方圖均衡化調整對比度，但圖像全部高對比度未必有助于后續的視覺處理算法。根據機器視覺盾尾間隙檢測具體圖像的實際情況，采用局部倍增自適應對比度的調節方法。

設x(a,b) 是圖像中某點的灰度值，局部區域的定義為：以 (a,b) 為中心，窗口大小為 (2n+1)2的區域，n為整數。局部的平均值mx(a,b) 按式（1）計算，局部標準方差(a,b)按式（2）計算。

式中：k—片的水平像素點；

l—圖片的垂直像素點。

定義f(a,b) 表示x(a,b) 對應的增強的像素值，計算表示為式（3）。

式中：G(a,b)—像素增益函數。

在保持整張圖片總體結構不變的情況下，在特征區域增強對比度，而在非特征區域弱化對比度，達到倍增對比度的調整效果，有效避免圖像的干擾因素。

通過對機器視覺盾尾間隙檢測圖像進行對比度局部增強，明顯改善了原圖的質量，如圖 1～8 所示?？梢娫鰪娏斯芷瑘D像邊界位置的顯著性檢測判別效果。

圖1 管片水跡

圖2 背光場景

圖3 陰影

圖4 光斑

圖5 過濾水漬

圖6 過濾背光

圖7 弱化陰影

圖8 過濾光斑

3 優化現場標定參數

3.1 標定參數的數組形式

采用數組形式為管片視圖中的每個邊界特征點各設置一套專用標定參數，可有效降低攝像機安裝位置的視場角誤差和鏡頭曲面畸變等因數的檢測誤差。

上海北橫通道盾構安裝了 7 套純機器視覺盾尾間隙自動檢測裝置。定義三維數組下標變量：i為攝像機號，j為邊界特征點號，k為特征點的高層號。攝像機號i=1～7；邊界特征點號j=1～3，j=1 為管片左邊界、j=2 為防水膠條的右可視邊、j=3 為管片右邊界；高層號k=1～7，在視圖管片由上到下排序，用于標定時在管片視圖中添加輔助直線。

3.2 垂直運動管片特征點像素與距離雙曲線系數

（1）人工標定同層二特征點之間的像素值。對于任意i號攝像機，在人工標定時確認視圖同一高層特征點之間的像素和，用公式表示為式（4）～式（7）。

4 開發現場標定軟件工具程序

純機器視覺盾尾間隙檢測裝置是以攝像機的 CCD 坐標系為基準的。盾構機內狹小空間較難確保人工安裝調試攝像機位置和視場角的準確性。通過開發現場標定軟件自動補償位置偏差可以簡化人工標定工作量，尤其是攝像機受機械擾動影響視場角偏置后可重新快速標定。

工程示范應用的技術優化成果是開發現場標定軟件工具程序的基礎。攝像機標定的動態零點系數、攝像機傾角系數、雙曲線位置系數模塊功能關系如圖 9 所示。

圖9 現場標定功能模塊

現場標定數據輸入操作界面主要分上、左、下 3 個區域。上部選項功能定義：基本數據是遠距離和近距離標定時相關數據，Cognex 相關的選項可對標尺高度和寬度、灰度值、對比度增益等做設置。左側數據區行的定義：管片左、右、膠條 3 條邊的上、中、下共 9 個信息。數據區列的定義：攝像機號。下部操作功能定義: 讀取 Excel 文件、錄入數據、保存數據。為方便錄入，相關數據在 Excel 表格中，輸入完成后導入進程序。

5 制訂現場標定工藝

舉例說明制訂的純機器視覺盾尾間隙檢測裝置現場標定工藝。

2019 年 5 月 30 日在北橫通道東線 1326 環對所研制的盾尾間隙檢測裝置實施參數標定。

（1）在管片上噴涂標記。以頂部 1 號攝像機為例，在管片的圖像視場中部噴涂標記，以便人工辨識近距離和遠距離的圖像上被標記的像素位置，用于計算所需的標定參數。

（2）人工標定精測。根據北橫通道盾構施工實際工況，人工標定近點管片物距為 854～945 mm，遠點管片物距為2 565～2 703 mm。計算機自動記錄標定時的千斤頂距離和視場圖像。BOSCH GLM-40 手持式激光測距儀綁扎在直角尺上。直角尺卡在管片內徑使檢測儀器對準盾構內徑。精測工藝要求：激光與盾構內徑垂直，每個測點測 5 次取平均值，作為標定實測盾尾間隙的參考基準。

（3）標定圖像人工預處理。近距離和遠距離標定圖像人工預處理。在標定位置的管片中部噴涂標記。

（4）記錄人工預處理信息。在管片上噴涂的標記為基準添加輔助線至特征邊，以獲得特征點像素位置Py[i,j,k]0、Px[i,j,k]0。j=1 為管片左邊、j=2 為膠條邊、j=3 為右邊的序列；k為 1～7 高程序列。

以 2 號攝像機在1326環標定為例，人工在圖像上讀取特征點在 CCD 坐標系上像素的位置值為 （Py[i,j,k]、Px[i,j,k]）。近距離數據記錄如表 1 所示，遠距離數據記錄如表 2 所示。

表1 近距離標定特征點像素位置

表2 遠距離標定特征點像素位置

（5）自動計算導入的數據。將人工分析記錄的數據輸入到現場標定輸入操作界面。按“保存數據”鍵，標定程序自動獲得標定參數結果。

6 工程應用效果

2017 年 4 月在上海北橫通道工程中盾構完成基于視覺技術的盾尾間隙檢測裝置的安裝調試工作，并利用現場工況環境實際情況不斷開展工程應用技術攻關，使所研發的盾尾間隙檢測裝置逐步符合實際工況環境。

6.1 盾構間隙自動檢測裝置的穩定性

在北橫通道東線隧道穿越地鐵 7 號線停機階段進行盾構間隙自動檢測裝置的穩定性分析。數據取自盾尾間隙自動檢測裝置自 2019 年 6 月 13 日～17 日（盾構連續停機 96 h以上工況狀態）的輸出數據。取 1 號、2 號、5 號、6 號、7 號攝像機盾尾間隙檢測值，20 min 采集一次，共 250 組數據。對每個攝像機盾尾間隙輸出進行最大值、最小值、極值、平均值、均方值計算，分析結果如表 3 所示。

表3 檢測裝置的穩定性測試數據分析

機器采樣數據的統計分析結果表明，盾尾間隙自動檢測裝置性能穩定。

6.2 盾構間隙自動檢測裝置數據的正確性

在東線 1 398～2 000 環之間抽取 6 環進行人工精測，人工精測結果與機器實測記錄數據對比。樣本數據分析結果如表 4～7 所示。

表4 盾構左上側檢測裝置數據分析 mm

表5 盾構右上側檢測裝置數據分析 mm

表6 盾構左下側檢測裝置數據分析 mm

表7 盾構右下側檢測裝置數據分析 mm

統計數據分析結果表明，盾尾間隙自動檢測裝置樣本數據的檢測精度優于項目考核要求的 4.00 mm 技術指標，符合工程實際應用需求。

7 結 語

本項目工程應用實施技術優化的成果有以下幾個方面。

（1）優化視覺圖像質量的效果。改善了圖像分辨率、增強了圖像特征信息對比度，提高了機器視覺原圖的抗干擾性，為機器視覺盾尾間隙裝置的環境適應性提供了原圖質量保證。

（2）優化現場標定方法的特點。通過軟件修正參數以簡化人工標定工作量，尤其是攝像機受環境影響后可快速實施參數標定。

（3）開發現場標定功能程序的效果。提高了現場標定繁瑣計算的工作效率。

（4）制定現場標定工藝的作用。規范了盾尾間隙裝置現場標定的工序工藝。

本文總結的快速標定方法，為定期標定純機器視覺盾尾間隙檢測裝置的精度提供了一種技術保障措施。期望在擴大應用過程中進一步完善該裝置環境適應性的技術性能。