基于双目相机的无标靶岩石表面变形场观测装置与方法

1.本发明属于岩石力学与工程领域，涉及变形场监测方法，更具体涉及一种基于双目相机的无标靶岩石表面变形场观测装置与方法。


背景技术：

2.由于岩石在动静载等诸多外在因素影响作用下，岩石会产生局部变形场，进而发展成为岩石的损伤和破坏，在矿山、隧道等工程建设中导致岩体发生岩爆、冒落等灾害，给人民的生命财产造成损失，而岩石表面变形场的观测，可通过识别局部变形场判断岩石的损伤和破坏位置及程度信息，对于工程中灾害发生有较好的预警作用。目前对于岩石表面场的观测需要对岩石表面相关部位进行标靶（例如通过喷涂散斑等），从而对岩石表面标靶进行识别，以此得到岩石表面相关部位空间位置的变化，进而测算得到岩石表面变形场。这类方法在观测过程中需要对岩石表面进行标靶，且精度存在一定的限制，难以适用于岩石表面的微小变形。因此，需要重新设计一种基于双目相机的无标靶岩石表面变形场观测装置与方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于双目相机的无标靶岩石表面变形场观测装置与方法，本发明提高了岩石表面变形场观测的准确性、简便性。
4.具体的技术方案为：基于双目相机的无标靶岩石表面变形场观测装置，包括：被观测岩石、左深目相机、右深目相机；所述的被观测岩石是待观测岩石表面变形场的岩石；左深目相机、右深目相机分别位于被观测岩石的待观测岩石表面左右方；左深目相机、右深目相机分别通过信号电缆与信号存储与处理模块连接。
5.所述的基于双目相机的无标靶岩石表面变形场观测装置的观测方法，具体步骤如下：步骤一，通过所述的装置获取不同时刻的岩石表面图像影像。
6.步骤二，对所述的装置获得的同一时刻岩石表面左图像、右图像进行处理分析配准。
7.步骤三，获得同一时刻岩石表面不同位置处高程结果。
8.步骤四，生成天然粗糙起伏散斑。
9.步骤五，获得任一时刻岩石表面变形场及其演化过程。
10.具体步骤如下：步骤一，通过所述的装置获取不同时刻的岩石表面图像影像。通过左深目相机、右深目相机对被观测岩石的待观测岩石表面，获取观测时间内不同时刻的高精度图像，即左图像、右图像。
11.步骤二，对所述的装置获得的同一时刻岩石表面左图像、右图像进行处理分析配准。对左图像、右图像进行畸变处理，将图像从透视不等边四边形处理为矩形，并且保证两者处于同一比例下；将左图像、右图像进行滤波，获取滤波后的图像；求得滤波后左图像、右图像的每个像素的rgb通道值和rgb直方图；将滤波后的左图像、右图像进行重叠同时固定左图像、移动右图像，设定右相机图像距离左相机的距离为d；计算不同距离d下的rgb颜色直方图平均差异，选取平均差异值最小的距离d为最优距离db，从而得到获得配准后的图像，处理后左图像、右图像的交叉区域即为重点观测区域。
12.步骤三，获得同一时刻岩石表面不同位置处高程结果。左深目相机、右深目相机的焦距均为f；左深目相机的光轴为左相机光轴，其在左图像的映射点为左相机基准点；右深目相机的光轴为右相机光轴，其在右图像的映射点为右相机基准点；左相机光轴与右相机光轴的距离为；左右图像配准点在左图像的映射点为左映射点，其相对于左相机基准点的坐标为；左右图像配准点在右图像的映射点为右映射点，其相对于右相机基准点的坐标为；左右图像配准点的空间坐标为x,y，其中x,y表示不同位置，z表示高程。
13.根据三角定位原理和高程计算公式获得岩石表面不同位置处所述高程；所述高程计算公式包括：；；左映射点，其左映射点的坐标和右映射点的坐标可依照映射点坐标计算公式获得；所述映射点坐标计算公式包括：；；；其中为所述左右相机图像单位毫米所包含的像素数目，是左深目相机中图像内左映射点距离左相机基准点的横纵像素数，是右深目相机中图像内右映射点距离右相机基准点的横向像素数，表示正负符号，当位于基准点左下方时取值为负一，当位于基准点右上方时取值为正一。
14.步骤四，生成天然粗糙起伏散斑。依据通过所述装置获取的岩石表面高程等高线图像，划分为多个四边形栅格网络，所述四边形栅格网络中单个栅格内科通过起伏趋势计算公式拟合获得起伏趋势面，所述的起伏趋势面计算公式包括：
其中，和为起伏趋势面的平面系数。
15.通过所述装置获取的岩石表面高程等高线图像和所述四边形栅格网络内每一栅格起伏趋势面，采用天然粗糙起伏计算公式计算岩石表面天然粗糙起伏，所述天然粗糙起伏计算公式包括：其中为岩石表面某像素点处天然粗糙起伏度。
16.根据所述的岩石表面天然粗糙起伏度，选择合理的起伏度阈值并对岩石表面天然粗糙起伏度结果进行二值化，即超过起伏度阈值的设定为黑色，低于起伏度阈值的设定为白色，从而获得通过所述方法处理获得的天然粗糙起伏散斑。
17.所述合理的起伏度阈值可通过在岩石表面天然粗糙起伏度最低值和最高值范围内等分，计算每一等分点的散斑自相干系数，比较计算得到的每一等分点的散斑自相干系数并取最大值所对应的起伏度量值，从而获得合理的起伏度阈值。
18.步骤五，获得任一时刻岩石表面变形场及其演化过程。在第0时刻图像中选择某像素点的参考子域，同时在第1时刻图像中搜索每一个可能的子集，通过相关系数计算公式同时计算其相关系数，相关系数最大或者最小的设定为变形后子域；通过比较变形后子域和参考子域的一阶形状特征变换，计算得到某像素点在第1时刻的变形值；依照同样的方法可计算岩石表面某一像素点每一时刻与前一时刻相对应的变形值。
19.所述第0时刻图像，第1时刻图像等为根据采样频率确定的微小时间间隔上的岩石表面天然粗糙起伏散斑图。
20.所述相关系数计算公式包括：其中为相关系数，是变形后子域第像素点的光强度，是参考子域第像素点的光强度，是变形后子域的像素点个数，是变形后子域所有像素点的平均光强度，是参考子域所有像素点的平均光强度，是变形后子域所有像素点的光强度的标准差，是参考子域所有像素点的光强度的标准差。
21.所述某一时刻岩石表面变形场可通过计算所有岩石表面所有像素点的变形值来获得。对于某一时刻t，所述的任一时刻岩石表面变形场可按照变形场交替累加公式计算，所述变形场交替累加公式包括：
所述的任一时刻岩石表面变形场演化过程为任一时刻时间之前的岩石表面变形场变化。
22.本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：1、简便性：该观测装置与方法可以省去现场标靶等步骤，使装置的安装更简便；2、精度高：双目深度相机具有高精度，精度达到亚毫米级，可以对岩石表面的微小变形进行识别；3、智能化：观测装置安装后可以对岩石表面场进行自动识别，自动观测到岩石表面的时空变化，特别重大工程的建设中。
附图说明
23.图1为本发明装置的整体结构示意图；图2为本发明观测方法的工作流程示意图；图3为本发明装置测定岩石表面不同位置处高程的原理示意图；图4为本发明装置获取天然粗糙起伏散斑的原理示意图；图5为本发明装置获取岩石表面变形的原理示意图；图中：被观测岩石1；待观测岩石表面2；左深目相机3；右深目相机4；信号电缆5；信号存储与处理模块6；左右图像配准点7；左图像8；右图像9；左映射点10；右映射点11；左相机基准点12；右相机基准点13；左相机光轴14；右相机光轴15；通过所述装置获取的岩石表面高程等高线图像16；通过所述方法处理获得的天然粗糙起伏散斑17；参考子域18；变形后子域19。
具体实施方式
24.为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
25.本发明提供了一种基于双目相机的无标靶岩石表面变形场观测装置，实现无标靶岩石表面变形场的观测。所述的基于双目相机的无标靶岩石表面变形场观测装置，如图1所示；包括：被观测岩石1是待观测岩石表面变形场的岩石；待观测岩石表面2是被观测岩石1面向左深目相机3、右深目相机4的一面；左深目相机3位于被观测岩石1左前方，正对待观测岩石表面2，观测角度略微倾斜向右，通过信号电缆5与信号存储与处理模块6连接；右深目相机4位于被观测岩石1右前方，正对待观测岩石表面2，观测角度略微倾斜向左，通过信号电缆5与信号存储与处理模块6连接；信号电缆5连接左深目相机3、右深目相机4与信号存储与处理模块6；信号存储与处理模块6通过信号电缆5与左深目相机3、右深目相机4连接。
26.如图2所示，所述的基于双目相机的无标靶岩石表面变形场观测装置工作流程如
下：1）双目深度相机即左深目相机3、右深目相机4对岩石表面进行精确观测，得到岩石表面不同时刻图像，即左图像8、右图像9；2）双目深度相机得到不同时刻图像后对同一时刻左右两相机图像进行处理分析配准；3）依据同一时刻左右双目深度相机配比结果，获得同一时刻岩石表面不同位置处高程结果；4）依照同一时刻岩石表面不同位置处高程结果，生成天然粗糙起伏散斑；5）根据时间间隔较短的相邻两时刻天然粗糙起伏散斑结果，以前一时刻散斑图为参照标准，依据相关性分析计算后一时刻岩石表面变形场，前后交替计算所有时刻获得岩石表面变形场演化过程。
27.所述的无标靶岩石表面变形场观测方法，具体步骤如下：步骤一，通过所述的装置获取不同时刻的岩石表面图像影像。通过左深目相机3、右深目相机4对被观测岩石1的待观测岩石表面2，获取观测时间内不同时刻的高精度图像，即左图像8、右图像9。
28.步骤二，对所述的装置获得的同一时刻岩石表面左图像8、右图像9进行处理分析配准。如图2所示，对左图像8、右图像9进行畸变处理，将图像从透视不等边四边形处理为矩形，并且保证两者处于同一比例下；将左图像8、右图像9进行滤波，获取滤波后的图像；求得滤波后左图像8、右图像9的每个像素的rgb通道值和rgb直方图；将滤波后的左图像8、右图像9进行重叠同时固定左图像8、移动右图像9，设定右相机图像距离左相机的距离为d；计算不同距离d下的rgb颜色直方图平均差异，选取平均差异值最小的距离d为最优距离db，从而得到获得配准后的图像，处理后左图像8、右图像9的交叉区域即为重点观测区域。
29.步骤三，通过所述的方法获得同一时刻岩石表面不同位置处高程结果。如图2所示，左深目相机3、右深目相机4的焦距均为f；左深目相机3的光轴为左相机光轴14，其在左图像8的映射点为左相机基准点12；右深目相机4的光轴为右相机光轴15，其在右图像9的映射点为右相机基准点13；左相机光轴14与右相机光轴15的距离为；左右图像配准点7在左图像8的映射点为左映射点10，其相对于左相机基准点12的坐标为；左右图像配准点7在右图像9的映射点为右映射点11，其相对于右相机基准点13的坐标为；左右图像配准点7的空间坐标为
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,,
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，其中x,y表示不同位置，z表示高程。
30.如图3所示，根据三角定位原理和高程计算公式获得岩石表面不同位置处所述高程；所述高程计算公式包括：；；左映射点10，其左映射点10的坐标和右映射点11的坐标可依照映射点坐标计算公式获得；所述映射点坐标计算公式包括：
；；；其中为所述左右相机图像单位毫米所包含的像素数目，是左深目相机（3）中图像内左映射点10距离左相机基准点12的横纵像素数，是右深目相机4中图像内右映射点11距离右相机基准点13的横向像素数，表示正负符号，当位于基准点左下方时取值为负一，当位于基准点右上方时取值为正一。
31.步骤四，生成天然粗糙起伏散斑。如图4所示，依据通过所述装置获取的岩石表面高程等高线图像16，划分为多个四边形栅格网络，所述四边形栅格网络中单个栅格内科通过起伏趋势计算公式拟合获得起伏趋势面，所述的起伏趋势面计算公式包括：其中，和为起伏趋势面的平面系数。
32.通过通过所述装置获取的岩石表面高程等高线图像16和所述四边形栅格网络内每一栅格起伏趋势面，采用天然粗糙起伏计算公式计算岩石表面天然粗糙起伏，所述天然粗糙起伏计算公式包括：其中为岩石表面某像素点处天然粗糙起伏度。
33.根据所述的岩石表面天然粗糙起伏度，选择合理的起伏度阈值并对岩石表面天然粗糙起伏度结果进行二值化，即超过起伏度阈值的设定为黑色，低于起伏度阈值的设定为白色，从而获得通过所述方法处理获得的天然粗糙起伏散斑17，如图4所示。
34.所述合理的起伏度阈值可通过在岩石表面天然粗糙起伏度最低值和最高值范围内等分，计算每一等分点的散斑自相干系数，比较计算得到的每一等分点的散斑自相干系数并取最大值所对应的起伏度量值，从而获得合理的起伏度阈值。
35.步骤五，获得任一时刻岩石表面变形场及其演化过程。如图5所示，在第0时刻图像中选择某像素点的参考子域18，同时在第1时刻图像中搜索每一个可能的子集，通过相关系数计算公式同时计算其相关系数，相关系数最大或者最小的设定为变形后子域19；通过比较变形后子域19和参考子域18的一阶形状特征变换，计算得到某像素点在第1时刻的变形值；依照同样的方法可计算岩石表面某一像素点每一时刻与前一时刻相对应的变形值。
36.所述第0时刻图像，第1时刻图像等为根据采样频率确定的微小时间间隔上的岩石表面天然粗糙起伏散斑图。
37.所述相关系数计算公式包括：
其中为相关系数，是变形后子域19第像素点的光强度，是参考子域18第像素点的光强度，是变形后子域的像素点个数，是变形后子域19所有像素点的平均光强度，是参考子域18所有像素点的平均光强度，是变形后子域19所有像素点的光强度的标准差，是参考子域18所有像素点的光强度的标准差。
38.所述某一时刻岩石表面变形场可通过计算所有岩石表面所有像素点的变形值来获得。如图5所示，对于某一时刻t，所述的任一时刻岩石表面变形场可按照变形场交替累加公式计算，所述变形场交替累加公式包括：所述的任一时刻岩石表面变形场演化过程为任一时刻时间之前的岩石表面变形场变化。