基于雙目立體視覺的隧道圍巖形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710046）

0 引 言

在隧道工程建設(shè)過程中，巖體原有平衡被破壞導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)力重新分布[1]，常出現(xiàn)坍塌、冒頂、突水突泥、巖土斷裂、形變等地質(zhì)災(zāi)害。其中，圍巖形變因其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、危害程度大、整治費(fèi)用高成為隧道建設(shè)安全最艱難的挑戰(zhàn)之一?，F(xiàn)有的隧道圍巖形變測(cè)量方法主要有隧道圍巖形變現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法，可以分為接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量?jī)煞N，接觸式測(cè)量方法如精密水準(zhǔn)儀、鋼尺收斂計(jì)、巴塞特收斂系統(tǒng)[2]，測(cè)量?jī)x器需要與側(cè)面接觸，對(duì)施工造成一定影響，并且測(cè)量精度受人工讀數(shù)影響嚴(yán)重。非接觸測(cè)量方式以全站儀測(cè)量、三維激光掃描測(cè)量[3-6]為主，測(cè)量精度較高，但儀器在使用過程中仍需人工調(diào)試與操作，且價(jià)格昂貴，測(cè)量數(shù)據(jù)需進(jìn)行復(fù)雜處理，無法實(shí)時(shí)直觀反映圍巖形變。因此，本文提出了基于雙目立體視覺的隧道圍巖形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。雙目立體視覺是一種模擬人眼的計(jì)算機(jī)視覺，它根據(jù)左右攝像頭的相對(duì)位置計(jì)算出物體的體積、距離等信息[7]，近年來被廣泛應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域，如橋梁裂縫、物體距離、位姿測(cè)量等。基于雙目立體視覺的隧道圍巖形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)隧道圍巖圖像實(shí)時(shí)采集與傳輸，通過灰度化、特征點(diǎn)識(shí)別、三維計(jì)算等圖像處理算法可以從圖像獲取的二維平面信息中恢復(fù)形變的三維信息，具有非接觸性、連續(xù)性、高精度性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于雙目立體視覺的隧道圍巖形變測(cè)量系統(tǒng)由圖像采集模塊、圖像傳輸模塊、圖像處理及可視化模塊、數(shù)據(jù)管理模塊以及智能預(yù)警模塊組成，每個(gè)模塊的主要功能如下。

（1）圖像采集模塊：在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處固定工業(yè)雙目相機(jī)，定時(shí)對(duì)待測(cè)隧道圍巖面進(jìn)行圖像采集。

（2）圖像傳輸模塊：利用無線網(wǎng)橋等設(shè)備實(shí)現(xiàn)隧道圍巖圖像高質(zhì)量、實(shí)時(shí)傳輸以及控制指令等信息傳輸。

（3）圖像處理模塊：利用灰度化、高斯濾波等圖像處理算法對(duì)隧道圍巖特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別并獲取其三維坐標(biāo)，基于雙目立體視覺原理計(jì)算得到特征點(diǎn)三維坐標(biāo)。

（4）數(shù)據(jù)管理及可視化模塊：系統(tǒng)根據(jù)每次采集獲取的特征點(diǎn)計(jì)算特征點(diǎn)在三維坐標(biāo)軸上變化的速度及加速度、角度等信息，并進(jìn)行顯示與存儲(chǔ)。此外，用戶可查看隧道圍巖圖像及歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（5）智能預(yù)警模塊：當(dāng)形變量超過設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)可及時(shí)、遠(yuǎn)程發(fā)送預(yù)警信息。

2 隧道圍巖形變計(jì)算

在使用雙目相機(jī)采集與傳輸隧道圍巖圖像的過程中，受隧道惡劣施工環(huán)境、傳輸方式與距離等因素影響，隧道圍巖圖像質(zhì)量較低，表現(xiàn)為圖像模糊、亮度不均勻及多種噪聲污染，因此必須對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。采用加權(quán)平均值法[8]將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖，選用7×7的高斯卷積核[9]遍歷圖像去除噪聲污染，利用Hough算法[10]對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別與定位，獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)二維圖像坐標(biāo)。

雙目立體視覺通過左右2個(gè)相機(jī)不同角度的成像獲取物體三維信息[11]。單個(gè)相機(jī)成像遵循小孔成像模型原理，成像涉及4個(gè)坐標(biāo)系，分別為像素坐標(biāo)系(o,u,v)、圖像坐標(biāo)系(o,x,y)、相機(jī)坐標(biāo)系(OC,XC,YC,ZC)、世界坐標(biāo)系(OW,XW,YW,ZW)，相機(jī)成像模型與各坐標(biāo)系之間的關(guān)系[7]如圖1所示。

圖1 小孔成像模型（坐標(biāo)系關(guān)系）

在圖像處理中獲取的標(biāo)識(shí)物中心坐標(biāo)(u,v)位于像素坐標(biāo)系，像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系見式（1）：

式中，M代表雙目相機(jī)內(nèi)參矩陣與外參矩陣乘積。

通過對(duì)雙目相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行處理，可獲得同一點(diǎn)在左右兩張圖像上的像素坐標(biāo)。由成像模型可知，解式（2）方程可得到該點(diǎn)的三維坐標(biāo)：

持續(xù)采集隧道圍巖圖像，形變量可由式（3）計(jì)算得到：

式中，i表示圖像采集時(shí)刻，i+1表示圖像下一采集時(shí)刻。

3 系統(tǒng)運(yùn)行

基于雙目立體視覺的隧道圍巖形變監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)應(yīng)用展示界面如圖2所示。主界面主要包括三部分，分別為監(jiān)測(cè)設(shè)備所采集的隧道圍巖圖像展示部分、圍巖形變數(shù)據(jù)展示部分及用戶操作部分。在圖2左側(cè)上方，展示了最近一次采集到的圍巖圖像，下方展示了隧道圍巖特征點(diǎn)相對(duì)于原始位置在二維平面與三維平面的相對(duì)變化圖。圖2右側(cè)上方展示了用戶信息，右側(cè)下方展示了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上形變數(shù)據(jù)情況，使用者可通過選擇日期及時(shí)間查看歷史數(shù)據(jù)，如監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)及每個(gè)點(diǎn)的平均形變量。

圖2 隧道圍巖形變監(jiān)測(cè)主界面

4 結(jié) 語

本文提出了基于雙目立體視覺的隧道圍巖形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過設(shè)置雙目相機(jī)對(duì)隧道圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖像進(jìn)行采集，利用無線網(wǎng)橋模塊將采集到的高質(zhì)量圖像傳輸?shù)教幚碇行模锰卣鼽c(diǎn)識(shí)別、高斯濾波、三維坐標(biāo)計(jì)算等圖像處理算法獲取形變相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行展示，當(dāng)形變量達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，將自動(dòng)發(fā)送消息預(yù)警，實(shí)現(xiàn)隧道圍巖形變遠(yuǎn)距離、非接觸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。