[发明专利]一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法

权利要求书

1.一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征是，通过摄像装置进行拍照成像，然后对所得图像进行分析处理，再与刀具原始三维模型进行对比，得出刀具磨损情况，以便对需要更换的刀具进行及时处理，具体操作步骤如下：

(1)盾构机精密三维模型的构造，其中：盾构机精密三维模型的构造依次包括构建盾构机模型的基础框架和三维模型精细化处理两个步骤；

(2)检测影像数据的姿态解算，包括相机标定、图像采集和姿态解算三个步骤；其中，对于检测系统的摄像装置，通过标定首先确定其内参数和畸变参数，再对采集的原始影像进行畸变校正，恢复摄影时刻的光线约束关系，最后对摄像装置姿态和摄像装置在世界坐标系中的位置进行解算；

(3)空间场景结构恢复，包括图像处理、定向操作和刀具磨损定量检测三个步骤，是基于OpenSceneGraph(OSG)技术实现三维可视化平台开发，测量后的影像要素以OSG图像对象的形式显示在三维平台中，并对磨损信息进行数值统计，生成并输出统计数据图表。

2.根据权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征是，在步骤(1)中，构建盾构机模型的基础框架是利用厂方提供的CAD工程图纸，在3dmax三维模型制作平台下，完成基于工程图纸的初始三维模型的制作，模型制作采用构造立体几何法(CSG)的模型构造方式，完成各个确定部件和盾构机刀盘骨架的搭建，然后进行组装操作。

3.根据权利要求1或2所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征是，在步骤(1)中，三维模型精细化处理是，采用三维激光扫描仪，对完成组装调试的盾构机进行全方位的扫描，点云扫描完成后，需要对不同站的点云进行滤波、拼接、分割、特征提取操作，使不同站采集的点云归一化到统一的坐标系下，并通过点云旋转、平移，使其与模型坐标系得到统一，进而提取点云中的特征参数值，最后借助点云导入插件，将点云数据导入到建模软件之中，对初始三维模型进行修改和构建，完成精密三维模型的构建工作。

4.根据权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征是，在步骤(2)中，相机标定是摄影测量工作全过程的重要组成部分，可以通过对摄取的影像进行畸变校正，消除由相机镜头畸变产生的像点坐标误差；具体为，在四个设站对室内高精度三维控制场进行摄影，使用直接线性算法(DLT)求解中心构想方程求得内参数矩阵K，其中：中心构想方程指的是共线方程及DLT方程，再以求得的参数为初始值，考虑畸变因素，采用最小二乘法求解畸变参数k_c。

5.根据权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征是，在步骤(2)中，对于图像采集是，将摄像装置固定到推进装置的前端，推进装置通过法兰与球阀对接，将摄像装置推送到盾构机气泡舱室前壁外，对施工中盾构机刀具拍摄影像。

6.根据权利要求1或4或5所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征是，在步骤(2)中，对于姿态解算是，采用P4P算法和单像空间后方交会(Resection)的联合定向解算方案，实现精密姿态解算；其中，P4P算法是基于任意2D点的可视角度和对应3D点的角度一样，所实现的单像线性算法；单像空间后方交会(Resection)，是以单张相片为基础，利用至少三个已知控制点坐标和三个影像坐标，根据共线方程求解外方位元素的方法。

7.根据权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征是，在步骤(3)中，图像处理的目标是从目标影像中提取出磨损后的边缘信息，需要对图像依次进行锐化、直方图均衡、阈值分割和Canny边缘检测；其中，锐化处理的目标是突出图像中的某些细节或者增强被模糊了的特征；直方图均衡对图像变换后，使所有灰度层上的像素分布概率密度为1；阈值分割利用边缘存在的灰度等级的跃迁，来优化边缘信息提取效果；Canny边缘检测利用二维高斯函数对图像进行平滑，再计算函数梯度的幅值和方向，以非极大值抑制排除非边缘像素，最后根据滞后阈值确定刀具边缘。