专利名称：用于离心机模型试验的土体图像实时采集方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种离心机模型试验的土体图像实时采集方法和系统，属于岩土工程试验和 测量技术领域。
技术背景土工离心模型试验是岩土工程中广泛应用的研究手段之一，其试验和测量技术近年来得 到广泛重视。然而，传统的离心模型试验中的位移测量存在着工作量大、测量精度较低、测 量点有限、对模型扰动大等缺陷。非接触的位移测量技术通过电子摄像设备获取模型在加载过程中的位移图像，通过相关 性分析的原理，可以获得边坡表面任意时刻的位移场。很大程度上克服了上述的问题，成为 众多土工离心模型试验室研究和开发的重点。在这种测量分析手段的使用中，图像的精度成 为直接影响分析结果准确性的重要因素。但是目前的测量设备，或者使用照相技术，在离心 机内安置数码照相机，只能采集间断的图片，无法连续捕捉破坏过程(White DJ, TakeWA， Bolton M D. Soil deformation measurement using particle image velocimetry(PIV) and photogra腿etry. Geotechnique, 2003， 53(7) :619-631.);或者通过滑环将低速摄像头采集 到的图像传输到离心机外控制室内存储，受到滑环对传输速率的限制，图像的分辨率往往较 小，且图像在通过高速转动的滑环时受其内强电磁场的影响，图像质量受干扰严重，很难用 于分析处理(张嘎，牟太平，张建民.基于图像分析的土坡离心模型试验变形场测量.岩土 工程学报，2007， 29 (1): 94-97.)。 发明内容本发明的目的是提供一种用于离心机模型试验的土体图像实时采集方法和系统，可以在 离心模型试验过程中克服离心机高速转动时滑环内强电磁场的干扰，快速获得大量高质量照 片，并能实时保存大容量图像系列的数据，从而有效提高测量精度。本发明的技术方案如下一种用于离心机模型试验的土体图像实时采集方法，其特征在于该方法按如下步骤进行:1) 在离心机转臂上安置一台计算机，将硬盘从机箱中取出，单独固定在离心机的转轴 上；在计算机主板的插槽上安装图像采集卡，高速摄像头安装在离心机挂斗的一个侧面，两 者通过数据线相连；2) 选用一侧为有机玻璃的模型箱制备土工模型，在有机玻璃一侧土体表面均匀铺设与 土体颜色反差大的色粒；3 )土工模型制备完成后将模型箱吊装入离心机挂斗中，有机玻璃一侧对着高速摄像头，
开动离心机进行试验，高速摄像头采集到的电信号转化为数字信号，并实时地存入所述计算 机内存中，再将内存中的信息转存入所述计算机硬盘中；4)利用网线交叉线，穿过离心机滑环在计算机和离心机外控制室内的控制机间建立起 局域网，实现离心机运行过程中在控制室内对计算机的操作，同时将高速摄像头拍摄到的画 面映射到控制机的显示器上。本发明提供的一种实施上述方法的用于离心机模型试验的土体图像实时采集系统，其特征 在于该系统包括1) 采集子系统该子系统包括一个高速摄像头和一块图像采集卡，用于在实验过程中采 集图像；所述的高速摄像头固定在离心机挂斗一侧；2) 存储子系统该子系统包括一台固定在离心机转臂上的计算机，该计算机的硬盘固定 在离心机转轴中心；所述的图像采集卡固定在所述计算机的插槽内，将所述的高速摄像头采 集到的电信号转化为数字信号，并实时地存入所述计算机内存中，再将内存中的信息转存入 所述计算机硬盘中；3) 通讯子系统该子系统包括一台布置在控制室内的控制机，利用网线交叉线穿过滑环， 在计算机和控制机之间建立局域网，实现离心机运行过程中在控制室内对计算机的操作，同 时将高速摄像头拍摄到的画面映射到控制机的显示器上；4) 辅助子系统该子系统包括一套土工模型制样设备及一套离心机照明设备。 本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的效果①在离心机内完成图像的采集和存储，规避了滑环内强电磁场的干扰，保证了所采集图像的质量；②通过优化硬盘在离心 机内的布设位置实现了离心机运行过程中计算机的正常工作；在内存中开辟出一块独立的空 间，保证了采集到的数据存储的安全性。③通过离心机滑环在离心机内数据计算机和离心机 外控制室内控制计算机之间建立起小型局域网，从而克服了离心机高速转动时滑环内强电磁 场的干扰，有效地实现了对图像采集和处理的远程控制和离心机内摄像头采集到的图像在控 制室内的实时显示。④通过在土体表面嵌入颜色颗粒等方法提高图像的灰度差异。
图1为本发明提供的用于离心机模型试验的土体图像实时采集系统的布置示意图。 图2为用于离心机模型试验的土体图像实时采集系统的原理及工作流程示意图。 图3为局域网网线连接方式示意图。图中l-高速摄像头；2-离心机转臂；3-离心机转轴；4-离心机挂斗；5-模型箱；6_ 计算机；7-硬盘；8-制备；9-光信号；lO-电信号；ll-数字信号；12_图像文件；13_位移矢量；14-分析结果；15-指令；16-画面；17-指令；18-计算机；19-控制机；20-局域网；21-采集子系统；22-存储子系统；23-通讯子系统；24_辅助子系统；25_离心机 滑环；26-控制机网线接头；27-计算机网线接头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、结构和工作过程作进一步的说明。
图1为本发明提供的用于离心机模型试验的土体图像实时采集系统的布置示意图。要解 决离心模型试验过程中所采集的大流量数据的实时高质量存储问题首先要克服离心机滑环的 干扰，离心机滑环也称为集流环，是一种类似于电刷的装置，作为离心机转动过程中内外数 据、电流等的通道。滑环在高速转动时会在其内产生一个强电磁场，而它本身的结构特点决 定了经由它传递的信号在传输速度和质量上都不可避免地会受到严重的影响，因此只能采取 避开滑环的方法。为克服离心机滑环内强电、磁场对数据传输速率和图像质量的干扰，本方 明以存储前移为主要思路，将图像的采集和存储都在离心机内完成，来避开滑环的影响。将 计算机机箱6固定在离心机转臂2上，为减小计算机所受到的离心加速度，将所述计算机机 箱靠近离心机转轴布置。将硬盘7从所述计算机机箱中取出固定在离心机转轴3上，最好是 将计算机硬盘固定在离心加速度最小的转轴中心处。并且让所述硬盘的磁头部位对着所述离 心机转轴的中心位置。高速摄像头1安装在离心机挂斗4侧面，安装时确保高速摄像头对着 模型箱5的有机玻璃一侧。图像釆集卡安装在所述计算机机箱内主板插槽上，所述高速摄像 头和所述图像采集卡通过数据线相连。图2为用于离心机模型试验的土体图像实时采集系统的原理及工作流程示意图。在进行 离心模型试验前首先要制备8土工模型，试样制备在一个侧面为有机玻璃的模型箱中。图像 相关性分析时，判断不同区域的关键是灰度值差，未作处理的土体表面本身的色彩差较小， 不利于图像相关性分析。因此在土工模型制备时，需要在土工模型靠近有机玻璃一侧，在不 干扰试样的情况下，增大不同区域的灰度值差。 一种增大灰度值差的方法是在土工模型侧面 均匀铺设与土体颜色反差大的色粒。对于黏性土可选用白色水磨石颗粒，先均匀铺撒在土体 表面，再加力使其嵌入土体保证不在试验过程中与周围土体发生相对位移。对于砂性土标记 点可采用大头针和彩色胶皮。根据试验要求和高速摄像头分辨率将胶皮剪成一定尺寸，大头 针刺穿彩色胶皮将彩色胶皮固定在大头针尾部制成标记点，在模型的侧面首先铺一层湿纸巾， 然后在纸的表面插入所述标记点。纸巾可以保证标记点不被砂土掩埋，大头针加彩色胶布可 以保证标记点随土体运动。由于日光灯在工作过程中以50HZ的频率闪烁，对于拥有接近或高 于该频率的采集速率的高速摄像头，采集图像时若使用日光灯会在不同图像之间产生明显的 亮度差异导致相关性分析精度降低甚至出错。因此需要在离心机挂斗上安装在离心机运行时 与模型箱相对静止的白炽灯，试验过程中改用所述白炽灯照明。所述土工模型制备和试验照 明设备构成了用于离心机模型试验的土体图像实时采集系统的辅助子系统24。
试验过程中，土工模型表面反射的光信号9经过有机玻璃折射后进入所述高速摄像头中， 高速摄像头中的成像原件将光信号转换为电信号10，电信号从摄像头的接口传出经由数据线 传入所述图像采集卡中，图像采集卡将电信号转化为数字信号ll，并实时地存储入内存中专门开辟出来的特定空间中，内存中的信息再转存入所述硬盘中。硬盘中所存储的图像文件12 可经由图像分析软件分析处理，得到测量点的位移矢量13，再进一步使用后处理软件处理后 得到所需的分析结果14。高速摄像头依据型号不同，采集速率和单帧照片的分辨率也不同，也就是说每秒采集的 数据流量会有差别，但是一个共同点就是数据流量很大。以德国Basler公司A202k和A504k 高速摄像头为例，前者单帧满分辨率1004X1004 pix,最高采集速度48fps，按满分辨率全 速采集计算，每秒采集的数据为50 MB左右，后者单帧满分辨率1280X1024 pix，最高采集 速度500 fps，按满分辨率全速采集计算，每秒采集的数据为600 MB。在离心机运行中，硬 盘由于其内部的机械构造，受到离心加速度的影响，读写速度会显著降低，目前的技术水平 下，任何硬盘都无法在离心机运行情况下达到所述数据流量的写盘速度。通过在C语言环境 下编程，在数据机内存中开辟独立的一个空间，使得这部分内存空间不会被其他计算机程序 占用。所述高速摄像头采集的图像先实时存储到内存中， 一次采集完毕后转存到硬盘中，再 进行下一次采集。离心机中测速试验表明，内存的存储速率可以达到800MB/s以上，且受离 心加速度影响不大，可以满足高速采集的数据流量要求。在这种存储方式中，硬盘只是作为 二次接收容器，它的存储速率不需要和高速摄像头的采集速率相匹配，只要能在试验允许的 时间内完成转存即可，优化布置方式后的硬盘存储速度已经能够达到这个要求。目前市场上 已经出现电子硬盘，电子硬盘的存储方式与传统机械式硬盘不同，受离心加速度的影响小， 可以提高转存速度。所述高速摄像头和所述图像采集卡构成了用于离心机模型试验的土体图像实时采集系统 的采集子系统21;用于离心机模型试验的土体图像实时采集系统的存储子系统23包括了一台固定在离心机转臂上的计算机，计算机内存和硬盘构成了该子系统的关键部分。在离心机运行时，无法对离心机内随离心机转臂一起转动的计算机进行直接的操作，本 发明利用网线交叉线，穿过离心机滑环25，在计算机18和离心机外控制室内的控制机19间 建立起小型局域网20。操作时，将一根网线交叉线截为两段，两个断口的网线交叉线子线分 别接在离心机内滑环接口和控制室内滑环接口对应的通道上，控制机网线接头26插入所述控 制机网口中，计算机网线接头27插入所述计算机网口中。通过windows操作系统自带的远程 桌面功能从所述控制机登陆到所述计算机的桌面上，通过控制机的输入设备发布指令17，所 述指令以电信号的形式通过网线-滑环-网线的通路传递到所述计算机，计算机再将指令15传 递给高速摄像头，同时高速摄像头拍摄到的画面16也可映射到控制机的显示器上。利用网线 交叉线穿过离心机滑环建立起的局域网和控制机共同组成了用于离心机模型试验的土体图像 实时采集系统的通讯子系统22。计算机内存的容量是有限的，高速摄像头连续录像时每秒采集几十到几百MB的数据，而 一次离心模型试验往往持续几分钟或者几十分钟，因此不可能对整个离心模型试验过程进行
录像。基由以往的经验，土工离心模型试验中，土工模型一般是在离心机加速过程中破坏的， 在离心机运行稳定后破坏的可能性不大，而且在破坏前都会有先兆，而滑裂的过程一般只有 几秒钟的时间。因此，虽然本发明目前每次连续采集时间较短，但完全可以涵盖一次滑动的 过程。 一般在离心机刚开始运转时，模型主要发生沉降，而不会发生滑裂，可以采用保存单 帧模式，抓取关键时间点的图像；当离心机达到一定转速，比如模型箱处20g加速度后可以 在加速时改用录像模式，这个加速度需要操作者依据经验判断，当缺少相关经验时可以将此 加速度定的低一些。土工离心机的加速设备一般加速度提高较快，而且加速的速率随着转速 的升高而加快，即加载相同加速度所需的时间可以越来越短，所以采用分级加载的加载模式， 控制好每次加载的幅度，就可以使用本发明的土体图像实时采集系统采集下全部加载的过程 的图像系列。采集入内存后，如果采集的图像有价值可以在离心机稳定运行的情况下将其转 存到硬盘中，如操作者觉得该次采集的图像价值不大，可以不转存而使用保存单帧模式抓取 单帧，内存中的数据可以在下次采集时被覆盖掉，这样可以直接进入下一个加速阶段继续录 像，直到试验结束。
权利要求
1.一种用于离心机模型试验的土体图像实时采集方法，其特征在于该方法按如下步骤进行1)在离心机转臂上安置一台计算机，将硬盘从机箱中取出，单独固定在离心机的转轴上；在计算机主板的插槽上安装图像采集卡，高速摄像头安装在离心机挂斗的一个侧面，两者通过数据线相连；2)选用一侧为有机玻璃的模型箱制备土工模型，在有机玻璃一侧土体表面均匀铺设与土体颜色反差大的色粒；3)土工模型制备完成后将模型箱吊装入离心机挂斗中，有机玻璃一侧对着高速摄像头，开动离心机进行试验，高速摄像头采集到的电信号转化为数字信号，并实时地存入所述计算机内存中，再将内存中的信息转存入所述计算机硬盘中；4)利用网线交叉线，穿过离心机滑环在计算机和离心机外控制室内的控制机间建立起局域网，实现离心机运行过程中在控制室内对计算机的操作，同时将高速摄像头拍摄到的画面映射到控制机的显示器上。
2. 按照权利要求1所述的用于离心机模型试验的土体图像实时采集方法，其特征在于 所述的计算机硬盘固定在离心机的转轴上离心加速度最小的转轴中心处。
3. 按照权利要求1所述的用于离心机模型试验的土体图像实时采集方法，其特征在于 对于黏性土，所述的与土体颜色反差大的色粒采用白色水磨石颗粒；对于砂性土，所述的与 土体颜色反差大的色粒采用大头针和彩色胶皮组成的标记点。
4. 实施如权利要求l所述方法的一种用于离心机模型试验的土体图像实时采集系统， 其特征在于该系统包括1) 采集子系统该子系统包括一个高速摄像头和一块图像采集卡，用于在实验过程中 采集图像；所述的高速摄像头固定在离心机挂斗一侧；2) 存储子系统该子系统包括一台固定在离心机转臂上的计算机，该计算机的硬盘固 定在离心机转轴上；所述的图像采集卡固定在所述计算机的插槽内，将所述的高速摄像头采 集到的电信号转化为数字信号，并实时地存入所述计算机内存中，再将内存中的信息转存入 所述计算机硬盘中；3) 通讯子系统该子系统包括一台布置在控制室内的控制机，利用网线交叉线穿过离 心机滑环，在计算机和控制机之间建立局域网，实现离心机运行过程中在控制室内对计算机 的操作，同时将高速摄像头拍摄到的画面映射到控制机的显示器上；4) 辅助子系统该子系统包括一套土工模型制样设备及一套离心机照明设备。
全文摘要
用于离心机模型试验的土体图像实时采集方法和系统，属于岩土工程试验和测量技术领域。本发明通过在离心机转臂上布设计算机，将图像的采集和存储在离心机内完成，规避了滑环内强电磁场的干扰，保证了所采集图像的质量，从而有效提高了分析的精度；高速摄像头和先将图像实时存入内存再转存入硬盘的分步存储方式的结合使用，实现了在离心机运行情况下，高速、大分辨率图像系列的采集和实时存储；利用网线交叉线穿过离心机滑环建立的局域网能够克服离心机高速转动时滑环内强电磁场的干扰，实现控制室对所述计算机的实时控制，同时将高速摄像头拍摄到的画面映射到控制机的显示器上。
文档编号G01B11/00GK101158571SQ20071017747
公开日2008年4月9日 申请日期2007年11月16日 优先权日2007年11月16日
发明者嘎 张, 张建民, 耘 胡 申请人:清华大学