王昕 李鵬鵬 沈行良

摘 要：針對工程施工時安裝物體的角度測量要求，設計了采用攝像獲取圖像，經識別算法提取被測物角度的檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F407單片機作為主控單元，采用Canny算子提取其中邊緣輪廓信息，建立邊緣線定位的各坐標點，重建提取后圖像模型，計算待測邊緣線在圖像中的傾角θ。陀螺儀傳感器測得攝像位置角度φ，用以校正θ，得到被測物角度測量值θl。實驗結果表明，角度測量系統(tǒng)能夠有效地加快檢測速度，所得數據精度滿足要求。

關鍵詞：角度測量;圖像識別;Canny算子;陀螺儀傳感器

文章編號：2095-2163（2019）04-0271-04 中圖分類號：TH89 文獻標志碼：A

0 引 言

在建筑物的施工和維護過程中，一旦建筑物邊緣垂直度不合格，就會帶來重大的安全隱患，嚴重時會造成重大事故和人員傷亡。因此，建筑物的角度檢測尤為重要。常用的角度檢測方法有經緯儀測量法、激光紅外線水平儀法等。經緯儀測量法是一種較為常用的方法，但儀表安置時校正麻煩，且對建筑物周圍環(huán)境有一定要求;激光紅外線水平儀法適用范圍較廣，但需憑肉眼來判別，室外測量時易受光線干擾，測量結果誤差較大，精確度不高。

本文采用機器視覺[1]方法來檢測建筑物的角度，在不接觸被測物體的情況下，對待測物體的角度作快速、方便地測量。檢測裝置只要對準被測物體，就能快速測得其邊緣、界線、墻線及輪廓線等角度。對被測對象的要求較低，所有能看得清楚的直線或者有一些光線反差的線條均可作為被測對象，并離被測對象一定距離進行非接觸測量。這對大型建筑物的角度檢測優(yōu)勢明顯，能夠有效減輕檢測人員的工作量，保證人身安全。

1 角度測量系統(tǒng)

系統(tǒng)由微型計算機、圖像采集和模型計算的軟件組成。微型計算機采集圖像后，經圖像檢測程序和數據標定程序得出檢測結果，顯示在LCD屏上。

1.1 硬件設計

裝置設計主要由主控、圖像采集、輸入、角度校正以及顯示5個單元組成，如圖1所示。主控單元為STM32F407微型計算機[2];圖像采集單元為OV7670攝像頭，用于拍攝待測建筑物邊緣線的圖像，作為檢測采集數據的輸入;按鍵為輸入單元，用于指令輸入;角度校正單元為HWT905三維陀螺儀，用于補償裝置在測量時自身角度的傾斜;顯示單元為LCD液晶屏，用于顯示檢測結果。

攝像頭對準待測對象后，通過按鍵輸入拍照指令，攝像頭將采集到的圖像信息經FIFO傳輸至主控單元的數字攝像頭接口DCMI，STM32F407微型計算機對待測直線進行圖像處理，檢測其在圖像中的傾角，三維陀螺儀檢測出裝置在圖像采集時刻的位置信息后將其通過同步異步收發(fā)串口USART傳輸至主控單元，微型計算機將待測直線的位置數據和裝置自身的位置數據疊加后得出檢測結果，并通過I/O接口與LCD液晶屏進行人機交互，顯示檢測結果。

1.2 軟件設計

系統(tǒng)程序設計主要包括圖像檢測程序和數據標定程序。圖像檢測程序主要完成圖像的采集、角度計算與結果顯示;數據標定程序主要完成數據的檢測與校準，系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。程序開始后，硬件系統(tǒng)對各模塊進行初始化，主頁面顯示。啟動圖像檢測程序后，攝像頭對準被測物采集圖像、采集陀螺儀數據，角度計算、校正后，顯示檢測結果。啟動數據標定程序后，檢測陀螺儀數據是否符合標準，若標準，則返回主程序，否則修正系數后返回主程序。

2 角度測量方法

將機器視覺應用到建筑物的角度檢測中，攝像頭采集待測物體，經Canny算子提取邊緣輪廓信息，根據像素點排列，計算出圖像中待測直線的傾角，與陀螺儀傳感器所測裝置偏轉角度疊加后得出檢測結果。

2.1 圖像邊緣直線的解析

在建筑物的角度檢測中，圖像邊緣信息的提取至關重要。常用的邊緣檢測算子有Roberts算子、Sobel算子、Canny算子等。采用Roberts算子檢測圖像邊緣時，常常會在圖像邊緣臨近區(qū)域產生較寬的響應，邊緣定位精確度較低。Sobel算子模擬人工視覺特性較差，不能嚴格的將待測邊緣信息與背景區(qū)域分離開，對圖像邊緣輪廓的提取效果不太理想。Canny算子[3]是一種多階優(yōu)化算子，具有較高的信噪比，定位精度高，能夠從視覺對象中提取目標信息，被廣泛應用于機器視覺系統(tǒng)中。本文選用Canny算子提取建筑物邊緣輪廓信息，檢測過程主要包括圖像平滑處理、計算梯度幅值與方向、梯度幅值極大值抑制和邊緣連接4個部分。

利用一維高斯函數對原圖像進行濾波處理，消除噪聲、平滑圖像。

其中，σ為標準差，控制平滑程度。通常σ設置為較小數值。

梯度幅值極大值抑制是在3×3鄰域內，保留局部梯度幅值最大的點，可以更加準確的定位邊緣。

圖像在進行邊緣提取后，其邊緣輪廓往往不夠平滑，且待測區(qū)域周圍存在一些由于錯判造成的小孔，對圖像進行形態(tài)學閉運算[6]處理，可以在物體面積變化較小的范圍內使其邊緣平滑，同時可以消除小顆粒噪聲，連接斷裂的邊緣線。這種在圖像邊緣提取后進行閉運算的方式，能夠有效消除噪聲影響，銳化邊緣輪廓，平滑邊緣線。邊緣提取如圖3所示。

2.2 角度計算分析

在圖像采集時，受檢測裝置傾斜度的影響，待測邊緣線在圖像中的位置信息往往不能準確表達出建筑物邊緣的實際角度情況。因此，要獲得建筑物的角度信息，需同時獲取待測直線在圖像中的角度信息和檢測裝置在圖像采集時刻的位置數據。

圖像是由若干個像素點排列組成，以像素點為單位，可根據像素點的個數得出待測線段在圖像上的長度信息。如圖4（a）所示，AB所在直線為待測邊緣線，O為圖像右下角的點，從A點出發(fā)向OB所在直線做垂直線，與OB的交點記為點C，則∠BAC即為待測直線在圖像中的傾角，記為θ。根據AC之間像素點的個數得到AC之間的距離，記為x，同理可得OC、OB的長度，分別記為y1、y2，則：

陀螺儀是一種角運動檢測裝置，三軸陀螺儀能夠同時檢測6個方向的位置、角速度，具有良好的動態(tài)特性[7]。因此，可以利用三軸陀螺儀測量裝置的位置數據。將陀螺儀的傳感方向與水平方向平行時的狀態(tài)作為零傾斜角度，高速微處理器對陀螺儀實時輸出的角速度進行積分運算，即可得出裝置的偏轉角度φ。

待測直線在圖像中的傾角θ與檢測裝置的偏轉角度φ疊加后即可得出建筑物邊緣線的實際傾角θl，受拍照角度的影響，常分2種情況進行疊加，如圖4所示。

檢測結果θl在LCD液晶屏上顯示，若θl為90°，或在其允許的誤差范圍內，則認為該建筑物的角度傾斜情況符合標準。

3 實驗結果分析

裝置受手持角度的影響，從獲取圖像的位置分析，采集到的圖像通常有4種情況，如圖5所示。

分別對待測直線在圖像中的角度信息和檢測裝置在圖像采集時刻的位置數據進行測量，得到建筑物邊緣直線的實際狀況，見表1。

根據《混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)范》規(guī)定，現澆混凝土結構墻柱構件的垂直度允許總高偏差≤H/1000即30 mm（H為建筑物全高）。本文實驗所選建筑物全高為21 m，則其總高偏差應≤21 mm，即其垂直度偏差應小于等于0.05°。

由表1可以看出，該角度測量系統(tǒng)能夠精確測量出待測建筑物邊緣線的角度偏差，實驗所選4種拍攝角度的垂直度偏差均滿足要求，即該建筑物邊緣線角度合格，角度測量系統(tǒng)滿足設計要求。

4 結束語

本文針對傳統(tǒng)檢測方法的不足，采用影像的方法檢測建筑物的角度數據，提取待測直線的邊緣信息，檢測其在圖像中的傾斜角度，結合測量裝置自身的位置信息，快速、準確地檢測出待測建筑物的角度數據。對4種常見拍攝角度采集到的圖像進行檢測，結果顯示偏差均在誤差范圍內，說明該系統(tǒng)可以廣泛應用于角度檢測領域中。

參考文獻

[1]王清晨，景軍鋒. 采用機器視覺的金屬表面橫向裂紋檢測[J]. 電子測量與儀器學報，2018，32（11）：71-77.

[2]劉永永，李國平，左國坤，等. 基于STM32的力傳感器信號采集與處理系統(tǒng)設計[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（7）：112-115.

[3]段紅燕，邵豪，張淑珍，等. 一種基于Canny算子的圖像邊緣檢測改進算法[J]. 上海交通大學學報，2016，50（12）：1861-1865.

[4]Gonzalez R C， Woods R E. Digitalimage processing [M]. 3rd Edition， Pearson， London：Prentice-Hall， Inc.， 2007.

[5]張坤，廉自生. 液壓支架姿態(tài)角度測量系統(tǒng)[J]. 工礦自動化，2017，43（5）：40-45.