一种基于定轴旋转摄影的桥梁结构轮廓构建方法

1.本发明涉及桥梁结构轮廓构建方法，具体涉及一种基于定轴旋转摄影的桥梁结构轮廓构建方法。


背景技术：

2.传统方法在采集过程中对每一个节段扫描时视场角同时包括3个节段的信息(中间节段为主要获取单元，左右相邻节段的部分信息)，并因为包含多个节段的信息，所以在数据处理过程中采用的拼接节段的底片，并且在整个过程中采用的是定焦，见下描述：
3.摄像机从左向右依次对每一节段进行扫描，例如对第5、6、7号节段进行扫描。并进行拼接，但是对每一节段扫描时，摄像机的视场角跨越与之相邻的两个节段，例如扫描第6节段，会同时扫到第5、7节段，每一节段的扫描面内都会与其相邻的两个节段产生重叠部分，而这个重叠部分的产生目的是为了后期在重叠部分找到同名点(特征点)进行节段之间的拼接。在重叠区域找到特征点进行拼接节段，会产生拼接误差。
4.图1～4为传统方法对5、6、7节段进行扫描并拼接的过程示意图。整个扫描过程中摄像机为定焦(焦距不变的情况下，桥梁结构轮廓在摄像机内存在近大远小的现象，所以远处的节段如第1节段和第12节段，相比起跨中的节段，在底片中，桥梁结构轮廓占比较小，非桥梁结构轮廓占比较大，画幅和分辨率不变的情况下，桥梁结构轮廓所占的分辨率会减小，不利于轮廓线提取，再者就算提取出来也是有很大的误差)。
5.若桥梁跨度很大，远处的桥梁节段轮廓在摄像机里面的底片上会呈现扭曲状态，如图5所示，因为除了摄像机正对的节段为正轴摄影外，其余均为倾斜摄影，也会有“近大远小”的情况。“近大远小”的情况在采集过程和数据处理过程中都会出现，在采集过程中是为了避免近大远小而引起的桥梁结构轮廓占比小，分辨率小的提取结构误差；在数据处理过程是为了将摄像机采集的底片效果与实际的桥梁结构轮廓契合，采取的纠正措施。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于定轴旋转摄影的桥梁结构轮廓构建方法解决了以下问题：
7.1、传统方法在扫描时会覆盖3个节段，在拼接需寻找特征点进行拼接，会产生拼接误差；
8.2、传统方法在扫描时，摄像机为定焦，距离摄像机远的桥梁节段的轮廓所占的分辨率会减小；
9.3、远处的桥梁节段轮廓在摄像机里面的底片上会呈现扭曲状态。
10.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于定轴旋转摄影的桥梁结构轮廓构建方法，包括以下步骤：
11.s1、采用摄像设备对桥梁的每一个节段进行变焦扫描，得到多张图像底片；
12.s2、对多张图像底片中模糊的图像底片进行桥梁结构轮廓超分辨率重建，得到清
晰桥梁图像底片；
13.s3、将所有清晰桥梁图像底片按照桥梁节段对应位置依次相连，得到桥梁结构轮廓。
14.进一步地，所述步骤s1中摄像设备包括：摄像机和线性激光测距灯。
15.进一步地，所述步骤s1包括以下分步骤：
16.s11、对桥梁划分为多个节段；
17.s12、将摄像设备置于桥梁中心的正前方；
18.s13、旋转摄像设备，对桥梁的每个节段进行扫描，得到多张图像底片。
19.上述进一步方案的有益效果为：在每一节段的图像扫描面内不存在与相邻节段的重叠部分，各节段的扫描面为独立的，直接拼接，不需要找到特征点进行匹配拼接，避免了传统每一节段的图像重叠带来的拼接误差。
20.进一步地，所述步骤s13包括以下步骤：
21.s131、根据摄像设备距离桥梁节段的距离，调节摄像设备得到扫描焦距；
22.s132、调节扫描的焦距，采用摄像设备扫描与该焦距匹配的桥梁的节段，得到图像底片；
23.s133、旋转摄像设备，对准下一桥梁的节段，并跳转至步骤s132，直到扫描完所有节段，得到多张图像底片。
24.上述进一步方案的有益效果为：每一节段采用不同的焦距，从而满足桥梁结构轮廓在底片中的占比以及分辨率，真实还原桥梁结构轮廓的要求。
25.进一步地，所述步骤s131中焦距的计算公式为：
[0026][0027]
式中式中
[0028]
其中，f为当前扫描的桥梁节段所对应的标准焦距，f1为下一桥梁的节段所对应的扫描焦距；l为当前扫描视野中摄像设备镜片中心与被扫描桥梁节段两端形成的三角形中线长，l1为下一相邻节段扫描视野中摄像设备镜片中心与被扫描桥梁节段两端形成的三角形中线长；a为当前扫描的桥梁节段的长度，b为当前扫描的桥梁节段的右侧距离摄像设备镜片中心的直线长度，c为当前扫描的桥梁节段的左侧距离摄像设备镜片中心的直线长度；a1为扫描的下一相邻桥梁节段的长度，b1为扫描的下一相邻桥梁节段的右侧距离摄像设备镜片中心的直线长度，c1为扫描的下一相邻桥梁节段的左侧距离摄像设备镜片中心的直线长度；b1＝，θ1为当前扫描视野中摄像设备镜片中心与被扫描桥梁节段两端形成的三角形中线与c边的夹角，θ2为当前扫描视野中摄像设备镜片中心与被扫描桥梁节段两端形成的三角形中线与b边的夹角，为下一相邻节段扫描视野中摄像设备镜片中心与被扫描桥梁节
段两端形成的三角形中线与c1边的夹角，为下一相邻节段扫描视野中摄像设备镜片中心与被扫描桥梁节段两端形成的三角形中线与b1边的夹角。
[0029]
上述进一步方案的有益效果为：对离摄像机镜头近的节段选择短焦，远端节段选择长焦，因为每个节段的焦距不一样，所以桥梁结构在画幅中的占比会不同，在连接图像序列时每个节段的底片不能够直接连接，要确保焦距的改变能保证每一节段的后期连接顺滑，不存在锯齿现象，如图13和14。
[0030]
进一步地，所述步骤s3包括以下分步骤：
[0031]
s31、将扫描的桥梁节段与扫描时的图像底片间直线的倾斜度大于倾斜度阈值的图像底片筛选出来，并对筛选出来的清晰桥梁图像底片进行矫正；
[0032]
s32、将矫正后的清晰桥梁图像底片和未矫正的清晰桥梁图像底片按照桥梁节段对应位置依次相连，得到桥梁结构轮廓。
[0033]
进一步地，所述步骤s31中对所述的清晰桥梁图像底片进行矫正的公式为：
[0034][0035]
其中，d1为图像底片中待矫正桥梁节段的最低高度，d1
*
为矫正后的桥梁节段的高度，b为当前扫描的桥梁节段的右侧距离摄像设备镜片中心的直线长度，c为当前扫描的桥梁节段的左侧距离摄像设备镜片中心的直线长度，a为当前扫描的桥梁节段的长度，θ为c和b的夹角。
[0036]
综上，本发明的有益效果为：
[0037]
1、本发明对桥梁进行了分段，每次仅扫描一个节段，无需寻找特征点进行拼接，仅需根据桥梁结构依次进行拼接，不产生拼接误差。
[0038]
2、本发明根据摄像设备距离桥梁节段的距离，计算得到每次扫描的焦距，不同的桥梁节段，有对应的扫描的焦距，避免距离摄像机远的桥梁节段的轮廓所占的分辨率会减小。
[0039]
3、远处的桥梁节段轮廓在摄像机里面的底片上会呈现扭曲状态，通过对扭曲的图像轮廓进行矫正，使得桥梁结构轮廓清晰。
附图说明
[0040]
图1为传统扫描方法，扫描第5节段时的覆盖范围示意图；
[0041]
图2为传统扫描方法，扫描第6节段时的覆盖范围示意图；
[0042]
图3为传统扫描方法，扫描第7节段时的覆盖范围示意图；
[0043]
图4为传统扫描方法，拼接时覆盖范围示意图；
[0044]
图5为距离摄像机远的桥梁节段轮廓在摄像机里面的底片上会呈现扭曲状态的示意图；
[0045]
图6为一种基于定轴旋转摄影的桥梁结构轮廓构建方法的流程图；
[0046]
图7为模型桥的分段示意图；
[0047]
图8为本发明方法扫描第4节段时的示意图；
[0048]
图9为本发明方法扫描第5、6、7节段时的示意图；
[0049]
图10为本发明方法扫描第3节段时的示意图；
[0050]
图11为本发明方法扫描出的未矫正前的桥梁轮廓拼接图；
[0051]
图12为本发明方法扫描时的l1、l2和θ的位置关系示意图；
[0052]
图13为定焦图像拼接时的示意图；
[0053]
图14为变焦处理后图像拼接时的示意图；
[0054]
图15为将变焦不做矫正的图像进行连接的示意图；
[0055]
图16为将变焦做矫正的图像进行连接的示意图。
具体实施方式
[0056]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0057]
如图6所示，一种基于定轴旋转摄影的桥梁结构轮廓构建方法，包括以下步骤：
[0058]
s1、采用摄像设备对桥梁的每一个节段进行变焦扫描，得到多张图像底片；
[0059]
步骤s1中摄像设备包括：摄像机和线性激光测距灯。
[0060]
一台定轴旋转的摄像机，在摄像机视场角度两端分别刚性连接一个线性激光测距灯，两端的线性激光灯打出去的激光线所呈的夹角刚好是摄像机的视场角。
[0061]
摄像机的作用是通过定轴旋转扫描桥梁结构的每一个节段，最后把扫描的每一个节段连接起来形成一个完整的桥梁结构轮廓。
[0062]
摄像机的定轴旋转方向，可为从左至右依次扫描，也可为右至左依次扫描，还可为从桥梁的跨中向桥梁两端进行扫描，旋转方向根据具体情况而定，不做具体限定。
[0063]
线性激光测距灯的作用：一是为了限制桥梁节段的两端，在扫描每一个节段的时候，在摄像机底片中只包含一个节段的信息，不出现其他节段的部分信息；二是分别测量摄像机镜片中心距离待测节段两端的距离。
[0064]
步骤s1包括以下分步骤：
[0065]
s11、对桥梁划分为多个节段；
[0066]
在本实施例中，每个节段的长度在1.5m-2m之间。
[0067]
s12、将摄像设备置于桥梁中心的正前方；
[0068]
s13、旋转摄像设备，对桥梁的每个节段进行扫描，得到多张图像底片。
[0069]
步骤s13包括以下步骤：
[0070]
s131、根据摄像设备距离桥梁节段的距离，调节摄像设备得到扫描焦距；
[0071]
所述步骤s131中焦距的计算公式为：
[0072][0073]
式中
[0074]
其中，f为当前扫描的桥梁节段所对应的标准焦距，f1为下一桥梁的节段所对应的扫描焦距；l为当前扫描视野中摄像设备镜片中心与被扫描桥梁节段两端形成的三角形中线长，l1为下一相邻节段扫描视野中摄像设备镜片中心与被扫描桥梁节段两端形成的三角形中线长；a为当前扫描的桥梁节段的长度，b为当前扫描的桥梁节段的右侧距离摄像设备镜片中心的直线长度，c为当前扫描的桥梁节段的左侧距离摄像设备镜片中心的直线长度；a1为扫描的下一相邻桥梁节段的长度，b1为扫描的下一相邻桥梁节段的右侧距离摄像设备镜片中心的直线长度，c1为扫描的下一相邻桥梁节段的左侧距离摄像设备镜片中心的直线长度；b1＝，θ1为当前扫描视野中摄像设备镜片中心与被扫描桥梁节段两端形成的三角形中线与c边的夹角，θ2为当前扫描视野中摄像设备镜片中心与被扫描桥梁节段两端形成的三角形中线与b边的夹角，为下一相邻节段扫描视野中摄像设备镜片中心与被扫描桥梁节段两端形成的三角形中线与c1边的夹角，为下一相邻节段扫描视野中摄像设备镜片中心与被扫描桥梁节段两端形成的三角形中线与b1边的夹角，如图8所示；
[0075]
s132、调节扫描的焦距，采用摄像设备扫描与该焦距匹配的桥梁的节段，得到图像底片；
[0076]
s133、旋转摄像设备，对准下一桥梁的节段，并跳转至步骤s132，直到扫描完所有节段，得到多张图像底片。
[0077]
在本实施例中，以悬索桥为模型桥，如图7所示，模型桥共分为12个节段，将摄像机放在距离跨中3m正前方的位置，因不同节段焦距不同，在连接图像序列时存在同一个节点处的左右侧不统一，所以若选定了
②‑③
号节段的焦距f1，则相邻节段
①‑②
号节段选择的焦距f2的计算为上式(1)所示，上式(1)中各个字符标在图8中。
[0078]
通过上述步骤s1，获取了多张图像底片，每张图像底片对应桥梁的一个节段，每一节段的图像扫描面内不存在与相邻节段的重叠部分，如图9所示，各节段的扫描面为独立的，直接拼接，不需要找到特征点进行匹配拼接，避免了传统每一节段的图像重叠带来的拼接误差。
[0079]
s2、对多张图像底片中模糊的图像底片进行桥梁结构轮廓超分辨率重建，得到清晰桥梁图像底片；
[0080]
s3、将所有清晰桥梁图像底片按照桥梁节段对应位置依次相连，得到桥梁结构轮廓。
[0081]
步骤s3中所述的“所有清晰桥梁图像底片”包括步骤s2中得到的清晰桥梁图像底片，以及步骤s2中不需要进行桥梁结构轮廓超分辨率重建的图像底片。
[0082]
距离摄像机远的桥梁结构，摄像机在扫描时存在“近大远小”，出现桥梁结构边缘扭曲现象，因此需对图像底片进行矫正。
[0083]
在摄像机上刚性连接两个线性激光测距灯，其中两个线性激光测距灯之间的夹角等于摄像机的视场角，两个线性激光测距灯分别照射同一个节段的左右两端，可以构造线性轮廓，并且每一个线性激光测距灯可以记录激光灯距离节段端部的距离，如图10所示，c
和b分为两个线性激光测距灯测的其自身距离节段端部的长度。
[0084]
图10中c＞b，c和b的夹角为θ，如图11所示，图像底片中第3节段左侧高度为d1，右侧高度为d2，a为第3节段的长度，实际的桥梁节段高度均为d，在后期处理时，需要将一个节段的两端相统一，避免出现同属于一个节段的两端在竖直方向的高低不同，具体矫正方法如下。
[0085]
步骤s3包括以下分步骤：
[0086]
s31、将扫描的桥梁节段与扫描时的图像底片间直线的倾斜度大于倾斜度阈值的图像底片筛选出来，并对筛选出来的清晰桥梁图像底片进行矫正；
[0087]
s32、将矫正后的清晰桥梁图像底片和未矫正的清晰桥梁图像底片按照桥梁节段对应位置依次相连，得到桥梁结构轮廓。
[0088]
图15为变焦不做矫正的图像进行连接的示意图，图16为变焦做矫正的图像进行连接的示意图。
[0089]
步骤s31中对所述的清晰桥梁图像底片进行矫正的公式为：
[0090][0091]
其中，d1为图像底片中待矫正桥梁节段的最低高度，d1
*
为矫正后的桥梁节段的高度，b为当前扫描的桥梁节段的右侧距离摄像设备镜片中心的直线长度，c为当前扫描的桥梁节段的左侧距离摄像设备镜片中心的直线长度，a为当前扫描的桥梁节段的长度，θ为c和b的夹角，a、c、b、θ的关系如图12所示。