[發明專利]一種基于圖像識別的山塘堤壩位移監測方法

在審

• 申請號: 202011409045.6
• 申請日: 2020-12-04
• 公開（公告）號: CN112508982A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 楊承奐;趙文一;江子君;宋杰;胡輝
• 申請（專利權）人: 杭州魯爾物聯科技有限公司
• 主分類號: G06T7/13
• 分類號: G06T7/13;G06T7/136;G06T7/73;G06T5/00;G06F17/16
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務所有限公司 33109
• 代理人: 尉偉敏

1.一種基于圖像識別的山塘堤壩位移監測方法，其特征在于，

包括以下步驟：

A)在山塘堤壩上布設標靶，建立初始大地坐標，測量并記錄標靶坐標；

B)在山塘堤壩附近安裝攝像頭，調整攝像頭視角使其拍攝到標靶；

C)采集圖像，根據標靶坐標計算圖像坐標；

D)周期性采集圖像，識別并計算標靶中心的坐標；

E)生成標靶中心的時位曲線，將標靶中心的時位曲線作為山塘堤壩的位移曲線。

2.根據權利要求1所述的一種基于圖像識別的山塘堤壩位移監測方法，其特征在于，

所述標靶上具有二維碼，所述二維碼為黑白色，中步驟D)中，識別出周期性采集的圖像中的二維碼，作為山塘的標記。

3.根據權利要求2所述的一種基于圖像識別的山塘堤壩位移監測方法，其特征在于，

步驟D)中，識別二維碼的方法包括：

D11)圖像分割：變換圖像透視視角，獲得正視圖，使用自適應閾值法對圖像進行二值化處理；

D12)輪廓提取與濾波：提取二值化后圖像的輪廓，通過多邊形逼近提取出矩形輪廓，將非四邊形輪廓去除；

D13)標靶編碼提?。鹤R別每個輪廓，根據輪廓內的顏色為每個輪廓分配數值0或1；

D14)標靶識別：將圖像連續三次旋轉90°，獲得四個方向的標靶，將標靶的所有數據位按順序連接為一個二進制整數，若四個方向的標靶中任一個與預設標靶的編碼匹配，則認為找到目標，將匹配的編碼作為當前二維碼的編碼。

4.根據權利要求2或3所述的一種基于圖像識別的山塘堤壩位移監測方法，其特征在于，

步驟C)中，根據標靶坐標計算圖像坐標的方法包括：

C1)檢測圖像中標靶的四個頂點及其中心點，以所述中心點為原點建立標靶坐標系，獲得標靶的四個頂點在標靶坐標系的坐標值；

C2)以標靶的四個頂點為特征點，結合圖像構建PnP問題，通過解算PnP問題獲得攝像頭的坐標。

5.根據權利要求4所述的一種基于圖像識別的山塘堤壩位移監測方法，其特征在于，

步驟C2)中，構建PnP問題并解算PnP的方法包括：

C21)圖像坐標系記為c，標靶坐標系記為m，兩者之間的齊次變換表示為：

表示齊次變換矩陣；

C22)建立參考坐標系：

取標靶平面上的3個已知坐標點P_i,i∈[1,3]，P_i在標靶坐標系中的位置為P_i(x_mi,y_mi,z_mi)，點P_i在圖像坐標系下的坐標為(u_i,v_i)，P₁的圖像坐標u₁最小，將其作為參考坐標系的原點O_r，P₂的u₂最大，將原點O_r到P₂的連線作為X_r軸，P₃在X_r軸上的投影點為P₃′，Y_r軸方向為P₃′指向P₃的方向，Z_r軸方向滿足右手定則，完成參考坐標系的建立；

C23)根據步驟C22)中參考坐標系的建立方法，根據標靶中一點P_i在標靶坐標系下的位置(x_mi,y_mi,z_mi)，能夠得到參考坐標系在標靶坐標系中的位姿以及P_i在參考坐標系下的位置P_ri＝(x_ri,y_ri,0)，取標靶平面上的4個已知坐標點P_i,i∈[1,4]，由P_i的圖像坐標(u_i,v_i)，根據針孔攝像頭模型，將點P_i在攝像頭系下的坐標進行焦距歸一化，得到

將P_ri的坐標代入式(1)得：

由式(2)得：

將式(3)代入式(2)得

已知點個數為n時，式(5)的所有方程組展開為2n個方程，將這些方程改寫為矩陣形式

A₁H₁+A₂H₂＝0#(6)

式中：

其中：A₁是2n×3矩陣，A₂是2n×6矩陣，顯然，H₁就是向量因此

式(6)作為求解式(6)的約束條件；

C24)構造如式(8)所示的目標函數，從而將式(6)轉化為最優化問題，即在任意λ條件下保持目標函數F最小，

F＝‖A₁H₁+A₂H₂‖²+λ(1-‖H₁‖²)#(8)

其中，H₁和H₂的解由式(9)和式(10)給出，其中H₁為矩陣B的最小特征值所對應的特征向量，

其中：

利用H₁和H₂的最優解，得到攝像頭相對于參考系的位姿變換的前兩列和

C25)攝像頭相對于標靶坐標系的位姿變換由下式計算：

式中：是標靶坐標系在參考系中的位姿，由參考系在標靶坐標系中的位姿矩陣獲得，

C26)對于標靶平面上的4個已知坐標點P_i,i∈[1,4]，A₁是8×3矩陣，A₂是8×6矩陣，式(6)中有8個未知數，具有8個方程，能夠求解H₁和H₂，至此，求得圖像坐標系與標靶坐標系之間的旋轉矩陣和平移矩陣