TWI526670B - 隧道變形之立體影像量測方法及其裝置 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種隧道變形之立體影像量測方法及其裝置，尤其是指一種利用簡易數位攝像機配合旋轉機座裝置進行隧道三維變形量測，藉以光學影像轉換3D點雲資料，以建置隧道三維尺寸資訊技術，達成隧道變形的監測為首要創作應用者。
按，隧道的三維尺寸可作為隧道變形的基準資料，以不同時期所得隧道的三維尺寸，進行襯砌結構位置比對就可分析隧道之變形量。而隧道變形主要係受到外力的變化而產生，這些外力來源主要來自於鬆動土壓、突發性崩壞、側向壓力、膨脹性土壓、承載力的不足和水壓等，其所造成之隧道變形行為。
前述影響因素對隧道襯砌造成的危害，可評定已完工之隧道的安全等級。隧道襯砌的變形量值，係安全評估的重要因子之一。工程上當襯砌變形速率大於一定值時，即需重點監視，或必需儘速予以處理。換言之，襯砌變形的監測，為隧道安全檢測作業的重要項目。
然而，隧道是一種狹長的空間，一般採用導線測量作為平面測量方法，然後以其所得導線點座標，配合在隧道內進行斷面測量，斷面測量應用於隧道變形量測的步驟如下：
（一）導線測量
1.控制點與導線點的選擇與佈設：在控制點的選擇部分，可為已知NE 座標與精度的點位或永久的固定點位。導線測量的控制點至少需要兩點，最理想的狀況是在隧道兩端各有兩個控制點。導線點的選擇與佈設，通常以相鄰的導線點間，必需能夠互相通視為依據，並將隧道兩端的控制點連接在一起。
2.進行導線測量：逐點進行導線點的測量，觀測上一導線點與下一導線點之間的夾角與距離。
3.計算導線點座標：經由平差計算後求得每一個導線點的座標。
（二）斷面測量
1.在斷面上佈設標點（反射貼片）：將標點佈設在欲求得斷面資料之處，作為測量照準標示之用。標點可用覘標、稜鏡、反射貼片或簡易記號用來標示。
2.在導線點上對標點進行測量：將儀器架設於導線點上，對未知點進行測量求得角度與距離資料。
3.計算每個標點的座標：利用角度與距離資料求得未知點的座標。
經由不同時間以相同方式進行尺寸量測，並將量測數據加以記錄，可以作為隧道變形比對依據。
而上述傳統隧道的施工測量及安全檢測多以全測站儀施測，並以隧道之斷面測量為主。由於傳統斷面測量的方法取樣數量有限，且取樣點的擷取仍需依賴經驗判斷。往往測量施工之品質的控制隨人員素質不定而無法掌握。常需加測斷面數據以彌補。但是施工測量所耗費之人力時間及經費卻因此大量增加，不符合經濟效益，且施測的成果優劣亦屬變數，可改進的空間非常大。而且倘若施工期間對於地質岩層分布與結構的紀錄不夠詳實，對於未來檢修、改建將造成不便。
緣是，發明人秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構再予以研究改良，提供一種隧道變形之立體影像量測方法及其裝置，特別提出以光學影像，轉換3D點雲資料，以建置隧道三維尺寸資訊技術達成改善上述的缺點，達到更佳實用價值性之目的者。
本發明之主要目的在於提供一種隧道變形之立體影像量測方法及其裝置，為一種利用簡易數位攝像機配合旋轉機座裝置進行隧道三維變形量測，藉以光學影像轉換3D點雲資料，以建置隧道三維尺寸資訊技術，達成隧道變形的監測為目的者。
本發明隧道變形之立體影像量測裝置之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：
其主要包含有一影像擷取組、一圖案投射組及一控制組，其中該影像擷取組為將一攝像機架設於一可垂直方向旋轉及水平方向旋轉的機座上，而該圖案投射組為將特徵投影部件投影至欲拍攝物件，以讓攝像機經旋轉調整各種拍攝角度，擷取不同角度數位影像，再經由控制組整合完成一立體影像的量測；藉此，
如上所述之隧道變形之立體影像量測裝置，其中該機座端面對應樞設一第一框體，該第一框體可相對機座作水平方向旋轉，再於該第一框體兩端對應樞組一第二框體，該第二框體用來固定攝像機，且於第一框體一端設有一軸桿，可控制第二框體相對第一框體呈垂直方向旋轉者。
如上所述之隧道變形之立體影像量測裝置，其中該控制組進一步包含一處理影像資料的處理器及一顯示影像量測結果的顯示單元者。
如上所述之隧道變形之立體影像量測裝置，其中該影像擷取組可調整的垂直方向旋轉角度為0~300∘之間者。
如上所述之隧道變形之立體影像量測裝置，其中該機座下方設有可調整高度的腳架者。
本發明隧道變形之立體影像量測方法主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：
其主要利用一影像擷取組架設在欲進行量測的隧道內，且位於一定點處，再透過一圖案投射組的光源直接將特徵投影部件投射於隧道襯砌上而顯示特徵圖案，續經調整影像擷取組水平與垂直方向旋轉的拍攝角度而進行區塊式擷取影像，且讓每一次擷取之影像與前次擷取之影像形成部分的重疊區域，之後，再將拍攝整體隧道之多重重疊影像，經一控制組整合分析，而能獲得三維立體影像與隧道變形量數據者。
如上所述之隧道變形之立體影像量測方法，其中每一影像與相鄰影像之定值重疊區域至少60%以上
如上所述之隧道變形之立體影像量測方法，其中該特徵投影部件可為由二組不同幾何圖形，依不同角度及數量所構成的特徵圖案者。
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：
首先，請參閱第一圖所示，為本發明之隧道變形之立體影像量測裝置整體示意圖，主要為運用於檢測隧道變形的量測裝置，該裝置包含有：
一影像擷取組（１），為由一攝像機（１１）對應架設於一可呈垂直方向旋轉及水平方向旋轉的機座（１２）上；進一步該機座（１２）端面對應樞設一第一框體（１２１），該第一框體（１２１）可相對機座作水平方向旋轉，再於該第一框體（１２１）兩端對應樞組一第二框體（１２２），該第二框體（１２２）用來固定攝像機（１１），且於第一框體（１２１）一端設有一軸桿（１２３），可控制第二框體（１２２）相對第一框體（１２１）呈垂直方向旋轉。
一圖案投射組（２），為設置在影像擷取組（１）一側，其係設有一特徵投影部件（２１），於特徵投影部件（２１）內設有一光源（２２），以藉由光源（２２）將特徵投影部件（２１）投射在待量測物件上；及
一控制組（３），為對應連結影像擷取組（１），用以接收控制影像擷取組（１）拍攝隧道上之特徵投影部件（２１）的影像資料，且經整合處理而顯示影像量測結果；進一步該控制組（３）包含一處理影像資料的處理器（３１）及一顯示影像量測結果的顯示單元（３２）者。
請參閱第二~六圖所示，為本發明步驟流程示意圖，當實際操作裝置進行隧道變形檢測時，所實施之步驟如下：
(S1)將影像擷取組（１）架設在隧道內的一定點處；
(S2)透過一設置在影像擷取組（１）一側之圖案投射組（２）的光源，直接將特徵投影部件（２１）投射於隧道襯砌上；
(S3)經由調整影像擷取組（１）水平與垂直方向旋轉的拍攝角度，以讓影像擷取組（１）之攝像機（１１）以區塊式擷取分佈在隧道襯砌上之特徵投影部件（２１）的影像，且每一次擷取之影像與前次擷取之影像有定值重疊區域，依此將隧道該定點處周圍所拍攝之多重重疊影像傳輸至一控制組（３）；
(S4)續將影像擷取組（１）位移架設在隧道內相鄰前一定點一定值距離的位置處，以形成下一定點，而此定點之左右距離與前一定點相同，之後，再重複(S2)~(S3)步驟；
(S5)續重複(S4)步驟至整個隧道拍攝完成；
(S6)將所拍攝之多重重疊影像經控制組（３）整合分析，而能獲得三維立體影像與隧道變形量數據者。
首先，請參閱第七圖所示，本發明採用圖案投射組（２）的光源（２２）直接將特徵投影部件（２１）投射於隧道襯砌上，其主要係因為傳統隧道襯砌表面因表層常塗佈油漆，而造成在嵌接影像時，會遇到識別性能下降問題。因此，達成立體分析的首要工作，主要是能提供足夠的特徵於隧道上，故利用圖案投射組（２）直接將特徵投影部件（２１）投射於隧道襯砌上，讓攝像機由相鄰的影像與相鄰的重疊影像間，可以辨識出相同的特徵點；相對地，為了建構隧道三維尺寸具有足夠的精確度，其特徵點的數目相對增多。
另外，在特徵投影部件（２１）上所顯示的特徵圖案（２１１），可由二組不同幾何圖形依不同角度及數量構成[舉例如圖式所表示之圓形及周邊的方形]，再經由可見光投射至隧道表面上。在特徵投影部件（２１）上只顯示代表性特徵投影部件（２１）型式，然而，不同組合可構成無限組透光圖案。使攝像機容易取得多個影像中對應點或特徵點，建構隧道點雲三維座標資料。
本發明利用控制組（３）從影像中計算出相機位置與隧道襯砌位置之間的關係，其控制組的建模流程，如第八圖所示。當開始S31執行時；先透過光源（２２）直接投射特徵投影部件（２１）於隧道襯砌上S32；進行擷取多重重疊影像S33，其處理之程序為沿著隧道擷取分段不同角度的影像，據實驗結果得知，每一影像與相鄰影像必需重疊至少60%以上；再由特徵偵測S34，做特徵點對應，找出對應之間的基礎矩陣，以建立圖像之間的匹配關係；從運動求得結構S35得到相機參數與三維點雲和相機內外部參數。內部參數包括鏡頭焦距、失真；外部參數如數位相機座標對於絕對座標的位置和方向；以多視角立體視覺S36，經由攝影機或數位相機所擷取到的影像，可利用運動求得結構不同角度的多幅圖像計算隧道三維資訊，通過圖像之間的特徵匹配或區域相似性匹配，建構隧道密集的三維點雲資料；重建隧道三維模型S37，以量測隧道整體尺寸；點雲資料處理S38，輸入控制點之點座標可求得隧道三維絕對座標；隧道三維尺寸比對S39，由已有不同時期隧道三維點雲資料進行，同位置比對，可分析得出隧道變形量；結束。
本發明之量測方法的輸入為沿著隧道分段，先引入特徵投影部件（２１），透過光源（２２）直接投射隧道投射不同形式特徵圖案於隧道襯砌上，並擷取不同角度的影像[如第四~六圖所示]。藉由從攝像機（１１）[包含設影機或數位相機]擷取，進行連續性不同方向角度之重疊影像擷取取得相鄰兩張擷取的影像。在此演算法首先通過單張圖像分析，得到一個局部隧道模型以及局部相機參數。然後以此具有特徵圖案引入一個基於有向圖的幾何，可以快速進行隧道襯砌圖像之間的匹配、排序，計算出一個分段隧道模型以及圖像的初始相機參數。在此初始相機參數及圖像連接關係，進行作為加速運動求得結構演算法，並得到三維稀疏點雲和相機內外部參數。
從實驗結果來看，本發明方法可避免，隧道襯砌因局部相似性引起的特徵匹配錯誤，而且極大地減少了運動求得結構的計算時間。之後，以上序列影像作為立體分析重建曲面方式，建構隧道三維點雲資料。最後進行座標糾正及點雲資料的雜訊濾除，數據分割，以量測隧道整體尺寸。
由量測經程式分析獲得之隧道表面之點雲資料，先經平滑化、去除雜訊，計算影像處理部分及點雲資料座標調整，顯示隧道斷面影像處理後之三維點雲資料。由以上處理後之點雲資料，再將此隧道表面沿隧道縱向等間距剖成斷面。由等間距剖斷面點雲資料設定隧道橫斷面，再根據隧道的三維尺寸作為隧道變形的基準資料。以不同時期所得隧道的三維尺寸，進行襯砌結構位置比對就可分析隧道之變形量，可配合在CAD軟體上以不同顏色顯示出隧道橫斷面，並計算其隧道之變形量。
然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
（１）‧‧‧影像擷取組
（１１）‧‧‧攝像機
（１２）‧‧‧機座
（１２１）‧‧‧第一框體
（１２２）‧‧‧第二框體
（１２３）‧‧‧軸桿
（１３）‧‧‧腳架
（２）‧‧‧圖案投射組
（２１）‧‧‧特徵投影部件
（２１１）‧‧‧特徵圖案
（２２）‧‧‧光源
（３）‧‧‧控制組
（３１）‧‧‧處理器
（３２）‧‧‧顯示單元
第一圖：本發明之裝置示意圖
第二圖：本發明之步驟流程示意圖
第三圖：本發明定影像擷取組位於隧道內示意圖
第四圖：本發明之影像擷取組拍攝圖案投射組示意圖一
第五圖：本發明之影像擷取組拍攝圖案投射組示意圖二
第六圖：本發明之影像擷取組位移下一定點示意圖
第七圖：本發明之特徵投影部件重疊狀態示意圖
第八圖：本發明控制組的建模流程示意圖
(1)‧‧‧影像擷取組
(11)‧‧‧攝像機
(12)‧‧‧機座
(121)‧‧‧第一框體
(122)‧‧‧第二框體
(123)‧‧‧軸桿
(13)‧‧‧腳架
(2)‧‧‧圖案投射組
(21)‧‧‧特徵投影部件
(211)‧‧‧特徵圖案
(22)‧‧‧光源
(3)‧‧‧控制組
(31)‧‧‧處理器
(32)‧‧‧顯示單元
Claims (7)
- 一種隧道變形之立體影像量測裝置，主要為運用於檢測隧道變形的量測裝置，該裝置包含有： 一影像擷取組，為由一攝像機對應架設於一可呈垂直方向旋轉及水平方向旋轉的機座上； 一圖案投射組，為設置在影像擷取組一側，其係設有一特徵投影部件，於特徵投影部件內設有一光源，以藉由光源將特徵投影部件投射在隧道襯砌上；及 一控制組，為對應連結影像擷取組，用以接收控制影像擷取組拍攝隧道上之特徵投影部件的影像資料，且經整合處理而顯示隧道影像及量測結果者。
- 如申請專利範圍第1項所述隧道變形之立體影像量測裝置，其中該機座端面對應樞設一第一框體，該第一框體可相對機座作水平方向旋轉，再於該第一框體兩端之間對應樞組一第二框體，該第二框體用來固定攝像機，且於第一框體一端設有一軸桿，可控制第二框體相對第一框體呈垂直方向旋轉者。
- 如申請專利範圍第2項所述隧道變形之立體影像量測裝置，其中該控制組進一步包含有處理影像資料的處理器及一顯示影像量測結果的顯示單元者。
- 如申請專利範圍第3項所述隧道變形之立體影像量測裝置，其中該影像擷取組可調整的垂直方向旋轉角度為0~300∘之間者。
- 一種隧道變形之立體影像量測方法，係包含有如申請專利範圍第1至4項中任意一項所述之裝置；其步驟如下： (S1)將影像擷取組架設在隧道內的一定點處； (S2)透過一設置在影像擷取組一側之圖案投射組的光源，直接將特徵投影部件投射於隧道襯砌上； (S3)經由調整影像擷取組水平與垂直方向旋轉的拍攝角度，以讓影像擷取組之攝像機以區塊式擷取分佈在隧道襯砌上之特徵投影部件的影像，且每一次擷取之影像與前次擷取之影像有定值重疊區域，依此將隧道該定點處周圍所拍攝之多重重疊影像傳輸至一控制組； (S4)續將影像擷取組位移架設在隧道內相鄰前一定點一定值距離的位置處，以形成下一定點，而此定點之左右距離與前一定點相同，之後，再重複(S2)~(S3)步驟； (S5)續重複(S4)步驟至整個隧道拍攝完成； (S6)將所拍攝之多重重疊影像經控制組整合分析，而能獲得三維立體影像與隧道變形量數據者。
- 如申請專利範圍第5項所述隧道變形之立體影像量測方法，其中每一影像與相鄰影像之定值重疊區域至少60%以上。
- 如申請專利範圍第5或6項所述隧道變形之立體影像量測方法，其中該特徵投影部件可為由二組不同幾何圖形，依不同角度及數量所構成的特徵圖案者。
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