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堆石混凝土施工管理中视觉信息的处理方法及应用研究

作　者: 沈乔楠
导　师: 安雪晖
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 堆石混凝土施工管理视觉信息多运动目标跟踪目标检测
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 73次
引　用: 1次
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内容摘要

堆石混凝土技术作为一种新型的筑坝技术,自2003年提出以来,已经应用于多处工程。该技术对堆石仓面质量和自密实混凝土的状态有严格的要求。目前,堆石仓面质量和自密实混凝土的状态只能通过人工巡视目测的方法进行检测,存在主观性强、精度低等缺点。因此本文尝试对施工现场获得的视觉信息进行分析处理,引入非接触式、客观、便捷的方法用于施工质量管理。本文以堆石混凝土施工管理为研究对象,对施工管理中的需求进行分析,将现场目标分为运动目标和静止目标,研究和开发了相对应的视觉信息处理算法,并开发了基于视觉信息的堆石混凝土施工管理系统。堆石混凝土施工管理中的运动目标包括运石车辆、上料料斗、流动的自密实混凝土等,可以通过对其轨迹进行分析处理得到管理所需的信息。在单摄像机静止条件下,施工现场的复杂环境给多目标跟踪带来了一定的困难,主要体现在背景的变化较多以及目标间相互遮挡。本文分别对目标分割、定位和遮挡情况下的目标跟踪方法进行研究,并在此基础上建立了基于高频值的自适应背景更新模型;改进了基于游程递归的连通区域标记算法;开发了基于轨迹连续性判断的遮挡情况下多目标跟踪算法。实验结果表明,整合以上算法可实现对施工现场中多运动目标的实时跟踪,并得到管理所需的信息。堆石混凝土施工管理中的静止目标包括堆石入仓后仓面上的石块及自密实混凝土浇筑完成后仓面上的裸露石块等,可以通过对目标形态的识别来获得管理所需的信息。本文主要研究堆石仓面上各种石块的粒径信息提取方法。为解决石块间重叠、接触给石块粒径识别带来的困难,总结分析了粘连区域分割方法,应用分水岭算法实现块石粒径的提取,并把堆石图像自动识别的块石粒径分布和人工识别的结果进行比较,验证了本文中石块分割算法的准确性。本文将上述视觉信息处理方法进行整合,开发了堆石混凝土施工管理系统,将其用于跟踪施工中的料斗,得到自密实混凝土的生产量;用于提取石块粒径信息,通过处理堆石仓面照片自动得到堆石的级配曲线。该系统可用于堆石混凝土施工现场其他目标的管理;也可推广应用到其他工程的施工管理中。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-11
第1章绪论  11-28
  1.1 课题背景及意义  11-12
  1.2 计算机视觉信息处理技术  12-15
    1.2.1 计算机视觉技术  12-13
    1.2.2 低层计算机视觉信息处理方法  13-14
    1.2.3 高层计算机视觉信息处理方法  14-15
  1.3 国内外研究现状  15-23
    1.3.1 水利工程信息化建设现状  15-19
    1.3.2 计算机视觉信息处理技术在水利工程中的应用现状  19-21
    1.3.3 堆石混凝土施工管理的现状  21-23
  1.4 课题研究内容  23-28
    1.4.1 基于视觉信息的堆石混凝土施工管理系统构成  24
    1.4.2 主要研究内容  24-25
    1.4.3 本课题研究路线  25-26
    1.4.4 本文的整体框架  26-28
第2章堆石混凝土施工管理的需求分析及系统设计  28-39
  2.1 本章引论  28
  2.2 山西省晋城市围滩水电站工程概况  28-29
  2.3 堆石混凝土施工管理的需求分析  29-34
    2.3.1 堆石混凝土施工工序  29-30
    2.3.2 堆石混凝土施工管理的需求分析  30-33
    2.3.3 堆石混凝土施工管理的技术需求  33-34
  2.4 基于视觉信息的堆石混凝土施工管理系统设计  34-37
    2.4.1 基于视觉信息的堆石混凝土施工管理系统框架  34-35
    2.4.2 基于视觉信息的堆石混凝土施工管理系统目标  35-37
    2.4.3 基于视觉信息的堆石混凝土施工管理系统实现的关键技术  37
  2.5 本章小结  37-39
第3章施工现场中多运动目标分割算法研究  39-58
  3.1 本章引论  39-40
  3.2 运动目标分割技术  40-43
    3.2.1 光流法  40-41
    3.2.2 帧间差分法  41-42
    3.2.3 背景差法  42-43
  3.3 自适应背景更新模型  43-49
    3.3.1 基于平均值模型的方法  44-45
    3.3.2 基于单高斯模型的方法  45-46
    3.3.3 基于混合高斯模型的方法  46-49
  3.4 基于高频值模型的改进背景模型  49-53
    3.4.1 背景初始化  49-50
    3.4.2 背景更新模型  50-52
    3.4.3 背景建模流程图  52-53
  3.5 实验结果与分析  53-56
    3.5.1 参数的选择  53-54
    3.5.2 初始帧中含有运动目标的情况  54-55
    3.5.3 背景大面积变化的情况  55-56
  3.6 本章小结  56-58
第4章施工现场中多运动目标定位算法研究  58-76
  4.1 本章引论  58
  4.2 数学形态学方法  58-62
    4.2.1 膨胀运算  59
    4.2.2 腐蚀运算  59-60
    4.2.3 开运算  60-61
    4.2.4 闭运算  61-62
  4.3 连通区域标记算法综述  62-65
    4.3.1 基于像素的方法  63-64
    4.3.2 基于游程的方法  64-65
    4.3.3 基于轮廓的方法  65
  4.4 基于游程递归的连通区域标记算法  65-68
    4.4.1 游程及游程的连通性  65-66
    4.4.2 算法流程  66-68
    4.4.3 算法优化  68
  4.5 实验结果与分析  68-74
    4.5.1 结构元素的选取  68-69
    4.5.2 连通区域标记的结果与分析  69-74
    4.5.3 施工现场中运动目标定位  74
  4.6 本章小结  74-76
第5章施工现场中遮挡情况下多目标跟踪算法研究  76-94
  5.1 本章引论  76-77
  5.2 遮挡情况下多目标跟踪算法  77-86
    5.2.1 目标特征匹配  78
    5.2.2 Kalman 滤波预测  78-81
    5.2.3 扩展 Kalman 滤波预测  81-82
    5.2.4 Mean-Shift 均值偏移方法  82-86
  5.3 轨迹连续性匹配算法  86-91
    5.3.1 轨迹连续性定义  86
    5.3.2 轨迹与目标对应关系表  86-88
    5.3.3 前景区域块分割  88-90
    5.3.4 轨迹更新处理  90-91
  5.4 实验结果与分析  91-93
  5.5 本章小结  93-94
第6章堆石图像的粘连区域分割算法研究  94-112
  6.1 本章引论  94-95
  6.2 堆石图像的预处理  95-100
    6.2.1 灰度转换  95
    6.2.2 图像增强  95-96
    6.2.3 图像平滑  96
    6.2.4 阈值分割  96-98
    6.2.5 数学形态学滤波处理  98-100
  6.3 粘连区域的分割方法  100-104
    6.3.1 腐蚀膨胀法  100-101
    6.3.2 测地重建法  101-102
    6.3.3 分水岭算法  102-103
    6.3.4 基于边缘跟踪的方法  103-104
  6.4 堆石间粘连区域的分水岭分割算法  104-108
    6.4.1 距离变换  105
    6.4.2 存储结构  105-106
    6.4.3 种子点搜索  106
    6.4.4 种子点合并  106-108
  6.5 堆石料级配的结果与分析  108-110
  6.6 本章小结  110-112
第7章基于视觉信息的堆石混凝土施工管理系统实现及应用  112-136
  7.1 本章引论  112
  7.2 基于视觉信息的堆石混凝土施工管理系统实现  112-125
    7.2.1 基于高频值模型的自适应背景更新实现  113-116
    7.2.2 基于游程递归的连通区域标记算法实现  116-119
    7.2.3 基于轨迹连续性判断的目标匹配算法实现  119-123
    7.2.4 静止目标识别的分水岭算法实现  123
    7.2.5 编程工具介绍  123-124
    7.2.6 基于视觉信息的堆石混凝土施工系统主要界面  124-125
  7.3 料斗跟踪和自密实混凝土生产量自动统计  125-127
    7.3.1 料斗图像的获取与输入  126
    7.3.2 料斗跟踪结果  126-127
    7.3.3 自密实混凝土生产效率  127
  7.4 堆石块体的自动识别和堆石仓面质量评价  127-134
    7.4.1 堆石图像的获取  128
    7.4.2 粒径的定义  128-129
    7.4.3 参照物的选择  129-130
    7.4.4 堆石级配曲线  130-134
    7.4.5 堆石仓面质量评价  134
  7.5 本章小结  134-136
第8章结论与展望  136-139
  8.1 研究工作总结  136-137
  8.2 主要创新点  137-138
  8.3 对进一步工作的展望  138-139
参考文献  139-147
致谢  147-148
附录 A 基于视觉信息的堆石混凝土施工管理系统实现部分代码  148-166
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  166

堆石混凝土施工管理中视觉信息的处理方法及应用研究

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