本发明公开了一种基于工地数字模型和塔机搭载变焦球机的大场景工地巡检方法，已安装于塔机大臂的可变焦摄像头为图像采集设备，对工地外景、建筑外立面、露天作业面等外表面部分进行长时间巡检。利用工地数字模型将要巡检的外表面网格化，将每个网格作为巡检处理的一个单元，并利用计算机生成每个网格的三维中心点位置等数据；通过球机附着GNSS获取自身位置，再通过调整镜头姿态及焦距使得针对每个网格得到的图像都处于相近的比例水平；通过获取到的图像使用识别算法得到图像中人物、设备、进度、安全等信息；采用随动调节算法，可以在不影响塔机正常工作的情况下，自动校准球机的姿态，完成巡检工作。
1.一种基于工地数字模型和塔机搭载变焦球机的大场景工地巡检方法，其特征在于，基于安装于塔式起重机平衡臂上的具有变焦和云台功能的球型摄像机实现，所述球型摄像机用于对平衡臂下方的目标区域实现可变焦的图像采集，其中，目标区域包括工地外景、建筑外立面及露天作业面，所述方法包括：获取目标区域的三维模型，结合三维模型的起伏、形状及表面朝向将三维模型分割为面积相近的网格，把每个网格作为一个巡检单元，同时计算出每个网格的三维中心点，作为巡检的参考点；
实时获取球型摄像机的位置，结合网格的三维中心点位置，调整球型摄像机的姿态和焦距，实现对于不同网格画面比例的自适应调整；
通过球型摄像机获取到待追踪网格的图像后，通过计算服务器对图像进行一系列处理、识别操作，从图像中获取到工地信息；
随着塔式起重机的工作，球型摄像机位置改变，此时，调整球型摄像机，以使球型摄像机能够在新的位置跟随到原跟踪的网格三维中心点位置，按照要求的画面比例巡检采集到图像数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用BIM、三维扫描或其他建模方式得到目标区域的三维模型，所述网格为通过分析三维模型的形状、起伏、表面朝向，对三维模型进行分割，得到面积相近的模型网格，所述网格的三维中心点为计算网格的几何中心，包括质心、内接圆心或外切圆心，代表网格的位置，网格的形状为多边形，网格的最长方向的长度应当处于要求比例的画面范围内。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当球型摄像机在对某个网格进行跟踪时，如果塔机处于工作过程，则相机本身的位置会移动，为了保证镜头能够跟随对应网格中心点位置，镜头需要在原指向的基础上，添加位置改变后的姿态补偿，以此保证相机能够在新的位置跟随到对应网格中心点位置，该调整过程中，如果镜头中心位置与对应网格中心点的距离之间的变化超过预设范围，导致画面的比例发生了变化，需要调整焦距。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，球型摄像机所带GNSS，GNSS的传感模块与球型摄像机固结，能够实时读取当前数据，作为球型摄像机的位置，球型摄像机的位置与对应网格位置需要换算到同一计算空间中，然后根据两者的相对位置，计算出球型摄像机的姿态与焦段，使得球型摄像机方向指向对应网格，同时焦距被调整到目标距离，使得在采集每个网格数据的时候，画面均比较清晰，且各网格中物体大小比例相近。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在检查对准某个目标网格中心点时，系统位姿参数调整情况为： 其中，R为相机姿态旋转矩阵，为相机初始姿态向量， 为该时刻相机中心的位置， 为该时刻网格
当平衡臂摆动，相机位置变化到 时，需要调整相机姿态，使得相机镜头方向重新对准对应网格中心点，此时， 其中， 为经过塔机平衡臂旋转和小车进给后镜头的新位置，RΔ为在前一位姿的基础上，镜头姿态调整形成新的共线状态所需的旋转矩阵；
得到RΔ，通过将相机以RΔ旋转调整姿态，在新的位置
相机的焦距根据 的长度按照画面比例需求实时调整，以保证能够满足识别算法的输入图像数据清晰全面。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述球型摄像机通过控制云台实现镜头的姿态变换，镜头的指向范围能够覆盖整个下半球，同时，相机与塔机塔身的距离应满足预设要求，以避免塔身遮挡住较大部分的镜头覆盖视野。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述球型摄像机能够通过变焦调整画面比例和清晰度，能够满足识别算法的处理需求。
基于塔机搭载变焦相机的大场景工地巡检方法
技术领域
[0001] 本发明属于建筑施工安全技术领域，更具体地，涉及一种基于工地数字模型和塔机搭载变焦球机的大场景工地巡检方法。
背景技术
[0002] 建筑施工安全十分重要。传统的建筑施工安全，会由项目负责人牵头、安全总监管理、安全员实施安全检查的方式来保证。这种方式存在的问题有：安全员人数偏少，在特定时段只能巡检某一部分区域，无法做到全时段整个覆盖面区域的巡检；受人的活动局限，对于某些难于到达的区域巡视频度有限。
[0003] 目前随着技术发展，也有一些监控手段应用于工地安全，一般为基于固定摄像机的监控系统，能够做到24小时不间断工作。但受到安装和干涉施工的局限，这种摄像头往往设置于工地门口、围墙等边角区域，用作安防，而非作业区域的施工安全。即使是布设在作业区域，也是针对某一小区域的监控，并不能够覆盖整个施工场地。
发明内容
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于工地数字模型和塔机搭载变焦球机的大场景工地巡检方法，能够依靠施工现场的制高点(塔式起重机)，针对建筑施工大场景进行实时巡检。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于工地数字模型和塔机搭载变焦球机的大场景工地巡检方法，基于安装于塔式起重机平衡臂上的具有变焦和云台功能的球型摄像机实现，所述球型摄像机用于对平衡臂下方的目标区域实现可变焦的图像采集，其中，目标区域包括工地外景、建筑外立面及露天作业面，所述方法包括：
[0006] 获取目标区域的三维模型，结合三维模型的起伏、形状及表面朝向将三维模型分割为面积相近的网格，把每个网格作为一个巡检单元，同时计算出每个网格的三维中心点，作为巡检的参考点；
[0007] 实时获取球型摄像机的位置，结合网格的三维中心点位置，调整球型摄像机的姿态和焦距，实现对于不同网格画面比例的自适应调整；
[0008] 通过球型摄像机获取到待追踪网格的图像后，通过计算服务器对图像进行一系列处理、识别操作，从图像中获取到工地信息；
[0009] 随着塔式起重机的工作，球型摄像机位置改变，此时，调整球型摄像机，以使球型摄像机能够在新的位置跟随到原跟踪的网格三维中心点位置，按照要求的画面比例巡检采集到图像数据。
[0010] 其中，将三维模型分割为面积相近的网格中的相近表示不要求严格相同，允许合理的误差或波动。
[0011] 在一些可选的实施方案中，使用BIM、三维扫描或其他建模方式得到目标区域的三维模型，所述网格为通过分析三维模型的形状、起伏、表面朝向，对三维模型进行分割，得到面积相近的模型网格，所述网格的三维中心点为计算网格的几何中心，包括质心、内接圆心或外切圆心，代表网格的位置，网格的形状为多边形，网格的最长方向的长度应当处于要求比例的画面范围内。
[0012] 在一些可选的实施方案中，当球型摄像机在对某个网格进行跟踪时，如果塔机处于工作过程，则相机本身的位置会移动，为了保证镜头能够跟随对应网格中心点位置，镜头需要在原指向的基础上，添加位置改变后的姿态补偿，以此保证相机能够在新的位置跟随到对应网格中心点位置，该调整过程中，如果镜头中心位置与对应网格中心点的距离之间的变化超过预设范围，导致画面的比例发生了变化，需要调整焦距。
[0013] 其中，预设范围大小可以根据实际需要确定。
[0014] 在一些可选的实施方案中，球型摄像机所带GNSS，GNSS的传感模块与球型摄像机固结，能够实时读取当前数据，作为球型摄像机的位置，球型摄像机的位置与对应网格位置需要换算到同一计算空间中，然后根据两者的相对位置，计算出球型摄像机的姿态与焦段，使得球型摄像机方向指向对应网格，同时焦距被调整到目标距离，使得在采集每个网格数据的时候，画面均比较清晰，且各网格中物体大小比例相近。
[0015] 在一些可选的实施方案中，在检查对准某个目标网格中心点时，系统位姿参数调整情况为： 其中，R为相机姿态旋转矩阵， 为相机初始姿态向量， 为该时刻相机中心的位置， 为该时刻网格中心点的位置；
[0016] 当平衡臂摆动，相机位置变化到 时，需要调整相机姿态，使得相机镜头方向重新对准对应网格中心点，此时， 其中， 为经过塔机平衡臂旋转和小车进给后镜头的新位置，RΔ为在前一位姿的基础上，镜头姿态调整形成新的共线状态所需的旋转矩阵；
[0017] 添加约束条件： 其中，得到RΔ，通过将相机以RΔ旋转调整姿态，在新的位置
也可以满足指向网格中心点的监控需求；
[0018] 相机的焦距根据 的长度按照画面比例需求实时调整，以保证能够满足识别算法的输入图像数据清晰全面。
[0019] 在一些可选的实施方案中，所述球型摄像机通过控制云台实现镜头的姿态变换，镜头的指向范围能够覆盖整个下半球，同时，相机与塔机塔身的距离应满足预设要求，以避免塔身遮挡住较大部分的镜头覆盖视野。
[0020] 在一些可选的实施方案中，所述球型摄像机能够通过变焦调整画面比例和清晰度，能够满足识别算法的处理需求。
[0021] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0022] 基于塔机搭载变焦相机的大场景工地巡检方法，能够以单个相机尽可能地覆盖工地外表面大部分面积，并通过实时巡检算法对工地进行逐网格的巡检，能够帮助管理人员更为全面地了解工地作业情况，减少突发事件的响应事件。
附图说明
[0023] 图1是本发明实施例提供的一种系统搭设示意图；
[0024] 图2是本发明实施例提供的一种网格划分示意图；
[0025] 图3是本发明实施例提供的一种相机位置移动示意图；
[0026] 图4是本发明实施例提供的一种随动算法坐标系示意图；
[0027] 图中：1.相机；2.云台；3.GNSS；4.塔式起重机；5.网格；6.网格中心点；7.相机位置点；8.相机坐标系。
具体实施方式
[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029] 该方法的搭设方法如图1所示，具有变焦和云台功能的球型摄像机1安装于塔式起重机4平衡臂上，优选地，安装于平衡臂靠近前端的位置，对平衡臂下方工地外景、建筑外立面、露天作业面实现可变焦的图像采集。球型摄像机通过控制云台2可实现镜头的姿态变换，镜头的指向范围通过旋转调整姿态能够覆盖整个下半球，同时，相机距离塔机塔身不应过近，否则塔身会遮挡住较大部分的镜头覆盖视野。球型摄像机的变焦功能需要使其获取到的图片清晰度可以满足识别算法的处理需求。塔式起重机在工作过程中，其平衡臂摆动到不同位置，亦可使得球型摄像机的观察点位置改变，扩大了巡检范围。
[0030] 本方法需要结合工地数字模型来实施。如图2示例，基于BIM、扫描或其他途径得到工地外表面的三维模型，结合三维模型的起伏、形状、表面朝向将模型分割为面积量级相同的网格5，把每个网格作为巡检的一个单元，同时计算出每个网格的三维中心点6，作为巡检的参考点。可以用计算网格的几何中心，如质心、内接/外切圆心等，代表该网格的中心点。该网格可以人工生成标注，网格的中心点也提前计算后标注到计算空间中。
[0031] 平衡臂上安装的球型摄像机带有GNSS 3，其传感模块与球型摄像机固结，能够实时读取当前数据，认为是球型摄像机的位置7。球型摄像机的位置与对应网格中心点位置需要换算到同一计算空间中，然后根据两者的相对位置，可以计算出球型摄像机合适的姿态与焦段，使得球型摄像机方向指向对应网格，同时焦距被调整到合适距离，使得在采集每个网格数据的时候，画面均比较清晰，且各网格中物体大小比例相近。同时，根据摄像机与网格的距离可以调整球型摄像机焦距，满足清晰度要求。
[0032] 由于球型摄像机工作的同时，塔式起重机本身也在进行吊装工作，需要随动调节算法来保证巡检流程的稳定性和质量，在不影响塔机工作的前提下，按照要求的画面比例巡检采集到图像数据。如图3所示，当球型摄像机在对某个网格进行跟踪(即镜头中心射线尝试对准该网格的中心点位置)时，如果塔机处于工作过程，则相机本身的位置会移动。因此，假设塔机在某个时间段内发生了移动，相机也会跟着移动；为了保证镜头能够跟随对应网格的位置点，镜头需要在原指向的基础上，添加位置改变后的姿态补偿，以此保证相机能够在新的位置跟随到对应网格位置点。该调整过程中，如果镜头中心位置与对应网格点的距离发生了太大变化，导致画面的比例发生了变化，需要调整焦距。
[0033] 首先考虑在检查对准某个网格中心点位置时，系统位姿参数调整情况如下：
[0034]
[0035] 其中，R为相机姿态旋转矩阵， 为相机初始姿态向量(即认为相机镜头竖直向下为初始姿态)， 为该时刻相机中心的位置， 为该时刻网格点的位置。该公式表达了相机镜头方向与相机到网格点位置的方向共线，即相机镜头对准了网格点。
[0036] 当平衡臂摆动，相机位置变化到 时，需要调整相机姿态，使得相机镜头方向重新对准对应网格点，表示如下：
[0037]
[0038] 其中， 为经过塔机平衡臂旋转和小车进给后镜头的新位置，RΔ为在前一位姿的基础上，镜头姿态调整形成新的共线状态所需的旋转矩阵。
[0039] 由于R为上个状态已知的旋转矩阵， 为网格点位置已知， 通过GNSS得到，因此需要求出RΔ，才能使得相机姿态能够有正确的调整。易得上述方程RΔ实际有多个解，因此需要添加约束。如图4，考虑在巡检时，希望拍到的视角尽量为正向，避免图像中出现上下颠倒的情况发生，因此，y′1轴(表示旋转后的相机坐标系8的y轴)、 向量、向量应当在同一平面内，且y′1轴与 夹角小于180°。可得如下约束条件：
[0040]
[0041] 其中， 联立(2)和(3)，以求得RΔ。通过将相机以RΔ旋转调整姿态，即可在新的位置 也可以满足指向网格点的监控需求。
[0042] 根据以上计算方法，可以在相机受塔机工作状态位置移动的时候，能够随动调整自身姿态，使得相机始终能够对准当前检查的网格。
[0043] 相机的焦距可以根据 的长度(即相机到网格点的距离)按照画面比例需求实时调整，以保证能够满足识别算法的输入图像数据清晰全面。
[0044] 需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
[0045] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
