機(jī)電學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
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報(bào)告題目：三維激光隧道掃描移動(dòng)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
一、 綜述
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)，綜合國(guó)力不斷增強(qiáng)，高新技術(shù)不斷發(fā)展，也帶來(lái)了我國(guó)道路隧道建設(shè)規(guī)模和修筑技術(shù)快速發(fā)展的黃金時(shí)期。近二十多年來(lái)，我國(guó)道路隧道的修筑長(zhǎng)度不斷被刷新，施工技術(shù)難度、技術(shù)含量不斷加大，大斷面、多孔連拱隧道不斷出現(xiàn)，高海拔、高寒冰凍地區(qū)的隧道也開(kāi)始投入建設(shè)，我國(guó)道路隧道建設(shè)乃至整個(gè)公路建設(shè)的相關(guān)科技攻關(guān)空前發(fā)展。然而我國(guó)道路隧道工程建設(shè)的起步較晚，設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理和檢測(cè)工藝等方面還不成熟、不完善。由于隧道屬于重大永久性建筑物，對(duì)其限界和狀態(tài)進(jìn)行定期檢查，并根據(jù)其劣化程度予以維護(hù)和保養(yǎng)，是確保安全運(yùn)營(yíng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于設(shè)計(jì)、施工、材料及地質(zhì)因素等各方面的原因，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，多數(shù)隧道都存在不同程度的病害。根據(jù)國(guó)內(nèi)外道路隧道的相關(guān)資料，隧道常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)：襯砌漏水，襯砌裂紋，襯砌腐蝕等，此外還有襯砌壓潰及剝落、襯砌變形及位移、隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)不暢及照明不良等問(wèn)題。隧道工程質(zhì)量的形成是隨著建設(shè)進(jìn)度的推進(jìn)而形成的，目前隧道常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的主要原因歸納如下：隧道工程施工工藝復(fù)雜，工序多，工程管理控制難度大，最容易產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題;隧道建筑材料的質(zhì)量問(wèn)題;隧道監(jiān)控包括施工期間的監(jiān)控量測(cè)和運(yùn)營(yíng)期間的監(jiān)控措施較為落后;地質(zhì)災(zāi)害和其他原因?qū)λ淼蕾|(zhì)量的影響。目前運(yùn)營(yíng)單位多采用傳統(tǒng)的巡道工目視檢測(cè)的方法，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測(cè)效果過(guò)于依賴巡道工的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，不同人員的檢測(cè)結(jié)果可能大相徑庭;國(guó)內(nèi)也有根據(jù)隧道襯砌與圍巖以及隧道病害之間存在較大的介電差異，采用探地雷達(dá)對(duì)隧道質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)方法容易受到外界的隨機(jī)噪音、地面和地上物體的反射干擾信號(hào)以及儀器本身的噪音的影響，另外雷達(dá)圖像不是很直觀，無(wú)法做定量分析;此外還有采用振動(dòng)掃描的方法對(duì)隧道質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，也存在不直觀，檢測(cè)精度低的問(wèn)題。且在傳統(tǒng)測(cè)量概念里，所測(cè)的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果(如CAD出圖)，在現(xiàn)在測(cè)量?jī)x器里全站儀，GPS比重居多，但測(cè)量的數(shù)據(jù)都是二維形式的。
在逐步數(shù)字化的今天，采用數(shù)字視頻全息技術(shù)，可以較好的對(duì)隧道各種災(zāi)害情況進(jìn)行測(cè)量，記錄被攝物體反射波的振幅和位相等全部信息，對(duì)所拍攝的全息圖進(jìn)行數(shù)字處理，在計(jì)算機(jī)上能完全還原隧道的三維立體圖，以三維代替二維，因?yàn)槠渲庇^是二維無(wú)法表示的，現(xiàn)在的三維激光掃描儀每次測(cè)量的數(shù)據(jù)不僅僅包含X,Y,Z點(diǎn)的信息，還包括R,G,B顏色信息，同時(shí)還有物體反色率的`信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實(shí)再現(xiàn)的感覺(jué)，是一般測(cè)量手段無(wú)法做到的。同時(shí)利用全息技術(shù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)的三維圖像的記錄和再現(xiàn)。和其他三維“圖像”不一樣的是，全息圖提供了“視差”。視差的存在使得觀察者可以通過(guò)前后、左右和上下移動(dòng)來(lái)觀察圖像的不同形象——好像有個(gè)真實(shí)的物體在那里一樣。采用這種高效、集成、小型化、數(shù)字化的檢測(cè)設(shè)備可生成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化影像檔案，現(xiàn)場(chǎng)快速采集數(shù)據(jù)之后，工程師在辦公室便可進(jìn)行病害檢測(cè)，不僅可直接在數(shù)字圖像上標(biāo)定病害，還可存入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息化管理和狀態(tài)評(píng)估。
數(shù)字全息是傳統(tǒng)的光全息術(shù)和數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由美國(guó)科學(xué)家顧德門(mén) (J.w.Goodman)在1967年首次提出。數(shù)字全息用光電傳感器件如CCD或CMOS攝像機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)全息中的銀鹽干板來(lái)記錄全息圖，全息圖以數(shù)字圖像的形式被輸入計(jì)算機(jī)，用計(jì)算機(jī)模擬光學(xué)衍射過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)被一記錄物體的全息再現(xiàn)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)碼攝像器件的飛速發(fā)展，數(shù)字全息技術(shù)及其應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注，其應(yīng)用范圍已涉及形貌測(cè)量、變形測(cè)量、粒子場(chǎng)測(cè)試、三維顯微、圖像加密、三維圖像識(shí)別等許多領(lǐng)域。
1947年英國(guó)物理學(xué)家丹尼斯?伽博(Dennis Gabor)在研究如何提高電子顯微鏡的分辨率的過(guò)程中發(fā)明了全息術(shù)。由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有理想的相干光源，而且全息再現(xiàn)像的質(zhì)量受到孿生像的嚴(yán)重干擾，在上世紀(jì)50年代中期，全息術(shù)的研究沒(méi)有什么進(jìn)展，幾乎處于停滯狀態(tài)。1960年世界第一臺(tái)激光器出現(xiàn)，為全息術(shù)提供了高相干性、高亮度的光源。 1962年美國(guó)科學(xué)家利思 (Leith)和烏帕特尼克斯發(fā)明了離軸全息術(shù)。離軸全息使用傾斜的參考光波將信號(hào)光(物光)加載到一個(gè)載頻(離軸參考光)上，使全息再現(xiàn)的物光和它的共扼在空間頻率(方向)上分開(kāi)，從而徹底消除了孿生像問(wèn)題。激光器的出現(xiàn)和離軸全息的一提出使全息術(shù)又成為了研究熱點(diǎn)，全息技術(shù)從此邁進(jìn)了一個(gè)飛速發(fā)展的階段。1962年前蘇聯(lián)Denisyuk將Lippman彩色照像法與全息術(shù)相結(jié)合，發(fā)明了反射式全息圖，并首次提出了體積全息和白光再現(xiàn)的思想。1969年美國(guó)人Benion提出了彩虹全息術(shù)，這類全息圖衍射效率高，制作過(guò)程簡(jiǎn)單，故發(fā)展很快。1977年cross制成了復(fù)合全息圖，和彩虹全息圖一樣，都可以在白光下觀察再現(xiàn)象。這種激光記錄百光再現(xiàn)的全息技術(shù)被稱為第三代全息，己廣泛用于全息防偽。1998年u.schnars和w.JuPtuer使用CCD記錄了漫反射物體的菲涅耳離軸數(shù)全息圖，并提出了一種數(shù)字再現(xiàn)快速算法—菲涅耳變換法。它利用一次快速傅里葉變換 (FFT)來(lái)實(shí)現(xiàn)菲涅耳衍射的計(jì)算，是目前數(shù)字再現(xiàn)最常用的快速算法之一。2005年， ThomasM發(fā)表了他用頻率分析法對(duì)數(shù)字全息點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的研究結(jié)果，他認(rèn)為當(dāng)使用菲涅耳變換法再現(xiàn)全息圖的時(shí)候，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)是中心處于像點(diǎn)位置的CCD孔徑的夫瑯禾費(fèi)衍射圖案，當(dāng)使用卷積法再現(xiàn)全息圖的時(shí)候，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)基本上是sinc函數(shù)的形式，其寬度取決于傳遞函數(shù)。他指出卷積法對(duì)全息圖的頻譜有截?cái)�，記錄距離越大，截?cái)嘣蕉唷＿@種截?cái)鄷?huì)造成再現(xiàn)像分辨率的降低。為提高分辨率，提出了自由空間傳播的級(jí)聯(lián)算法。ThomasM.Kreis還分析了CCD填充因子和直透光對(duì)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的影響。在我國(guó)，2008年，國(guó)承山、張莉等人提出 ThomasM.Kreis的頻率分析法對(duì)CCD的記錄過(guò)程建立的數(shù)學(xué)模型不準(zhǔn)確，提出了自己的數(shù)學(xué)模型，以此模型為基礎(chǔ)推導(dǎo)出了菲涅耳變換算法的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，并討論了CCD填充因子對(duì)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的影響。
OpenCv的全稱是：Open Source Computer Vision Library.OpenCv于1999年由Intel建立，現(xiàn)在由Willow Garage提供支持。OpenCV是一個(gè)基于BSD許可證授權(quán)(開(kāi)源)發(fā)行的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，可以運(yùn)行在Linux、Windows和Mac OS操作系統(tǒng)上。它輕量級(jí)而且高效——由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類構(gòu)成，同時(shí)提供了Python、Ruby、MATLAB等語(yǔ)言的接口，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法。OpenCv致力于真實(shí)世界的實(shí)時(shí)應(yīng)用，通過(guò)優(yōu)化的C代碼的編寫(xiě)對(duì)其執(zhí)行速度帶來(lái)了可觀的提升，并且可以通過(guò)購(gòu)買(mǎi)Intel的IPP高性能多媒體函數(shù)庫(kù)(Integrated Performance Primitives)得到更快的處理速度。OpenCv提供的視覺(jué)處理算法非常豐富，并且它部分以C語(yǔ)言編寫(xiě)，加上其開(kāi)源的特性，處理得當(dāng)，不需要添加新的外部支持也可以完整的編譯鏈接生成執(zhí)行程序，所以很多人用它來(lái)做算法的移植，OpenCv的代碼經(jīng)過(guò)適當(dāng)改寫(xiě)可以正常的運(yùn)行在DSP系統(tǒng)和單片機(jī)系統(tǒng)中，目前這種移植在大學(xué)中經(jīng)常作為相關(guān)專業(yè)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)或者研究生課題的選題。在OpenCv界面中打開(kāi)視頻后，我們需要利用visual c++進(jìn)行編程。visual c++整合了便利的除錯(cuò)工具，特別是整合了微軟視窗程式設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫(huà)DirectX API，Microsoft .NET框架。目前最新的版本是Microsoft Visual C++ 2010。利用visual c++編程，在OpenCv界面中對(duì)隧道進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，這就是畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。
二、研究?jī)?nèi)容
綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，獨(dú)立查閱有關(guān)參考資料，在對(duì)全息成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)之上，利用分析軟件通過(guò)分析發(fā)射和接收到激光信號(hào)，獲得隧道襯砌的內(nèi)表面影像圖以及隧道襯砌表面各點(diǎn)距軌道中心線的距離，對(duì)獲得的斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以形成數(shù)字化的灰度圖，同時(shí)熟悉計(jì)算機(jī)視覺(jué)和三維圖形繪制的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握三維激光隧道掃描移動(dòng)平臺(tái)激光掃描技術(shù)的基本原理，熟悉信號(hào)處理的基礎(chǔ)知識(shí)，完成信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，建立采集數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理及濾波處理。
三、研究進(jìn)度
開(kāi)題 (第3周)
外文科技資料翻譯 (第4周)
初步熟悉VisualC++軟件操作 (第5周)
熟悉VisualC++的程序設(shè)計(jì)及圖形方面操作 (第6周)
熟悉OpenCv操作 (第7周)
建立數(shù)據(jù)庫(kù)，完成數(shù)據(jù)采集 (第8周)
OpenCv軟件建模 (第9周)
建立采集分析軟件 (第10周)
OpenCv軟件計(jì)算結(jié)果 (第11周)
分析結(jié)果準(zhǔn)備制圖 (第12周)
繪制工作圖 (第13周)
撰寫(xiě)畢業(yè)論文 (第14周)
修改整理畢業(yè)論文 (第15周)
制作答辯電子稿，準(zhǔn)備答辯 (第16周)
畢業(yè)答辯 (第17周)
四、論文工作量的估計(jì)
論文工作量適中。
五、預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)
利用編程能從給定的視頻資料中主動(dòng)動(dòng)態(tài)的。包括外文科技資料翻譯(≧30000印刷符號(hào))，計(jì)算機(jī)繪制的裝配圖1張(2#)，VisualC++程序一份，論文1份，打印稿(用學(xué)校規(guī)定的稿紙)，約30～40頁(yè)，含中、英文摘要(約400～600個(gè)印刷符號(hào))，用PowerPoint制作的論文答辯電子稿1份。
六、存在的問(wèn)題及擬采取的解決措施
對(duì)三維激光隧道掃描移動(dòng)平臺(tái)不夠了解。對(duì)VisualC++及OpenCv軟件了解不太多，對(duì)不能熟練操作。平時(shí)多查閱資料，努力學(xué)習(xí)，對(duì)掃描平臺(tái)進(jìn)行深入了解，熟悉所需軟件的操作及編程。
七、參考文獻(xiàn)
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