Research and development of Three-Dimensional Displacement Meter Using Image Recognition Technology

一般監測變位之監測儀器多為人工判讀，易造成人為誤差且儀器價格都不斐，成本上就會付出許多，本研究研發自動化3D相對變位計利用影像系統搭配棋盤格覘標能測出前後之變位量。 本研究利用樹莓派(Raspberry Pi)微電腦搭配Open CV程式及 Chessboard角點追蹤，經由室內試驗進行三軸分析成果找出覘標與鏡頭不同距離及不同覘標材質之最佳精準度。 由室內試驗得知的結果是處於光源與環境安定的狀態下，運用於現地試驗中會有許多不確定之因素，再從現地試驗找出其中會影響精度之因素，並針對這些因素，回到室內試驗模擬現地所遇到之問題找出解決方法，最終現地試驗以一日一週及一整個月份結果分析，經歷過日照、強風、豪雨等等，整體來看都達到一個規律，精度也達到預期之效果。Generally the displacement monitoring is performed by manual interpretation which may easily result in human errors, and the equipment prices are mostly very high which cause cost impacts accordingly. This research is to develop an automatic 3D relative displacement meter which can detect the amounts of before/after displacements by utilizing video system coping with Chessboard-grid observing targets. This research uses Raspberry Pi microcomputer to cope with Open CV program and Chessboard corner tracking to find out the optimum precision for the observing targets and lenses with different distances and different observing target materials through tri-axial analysis results performed via indoor tests. The results obtained from the indoor tests are under the circumstances with stable lighting sources and ambient conditions, and there would be other uncertain factors to deal with if we apply such schemes for site testing. The factors which may affect the accuracy have been pinpointed from site testing, and simulation trials have been made indoors according to these issues fed back for solutions. Finally, the site tests have been analyzed on a day, a week and a whole month basis which went through sunshine exposure, strong winds, heavy rains, etc., As a result the whole situation has achieved a consistent state, and the accuracy has reached the expected effect.總目錄 圖目錄 viii 表目錄 xi 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 1 1.3 研究目的 2 1.4 研究流程 3 第二章 文獻回顧 4 2.1 攝影量測的發展 4 2.1.1影像辨識 4 2.1.2攝影量測 7 2.2 影像辨識用於變位之相關研究 10 2.3 影像處理方式 12 2.3.1 Open CV 12 2.3.2 影像灰階處理 13 2.3.3 影像二值化的處理 14 2.3.4 角點與邊緣偵測 15 2.4立體視覺系統 17 第三章 實驗儀器及原理 19 3.1研究目的 19 3.1.1室內試驗研究目的 19 3.1.2現地試驗研究目的 19 3.2實驗儀器 20 3.2.1 Raspberry Pi 20 3.2.2 攝影機 22 3.2.3 詹標 23 3.2.4 刻度與貼尺 24 3.2.5 STAGE手動微調平台 25 3.3室內試驗 26 3.3.1室內試驗流程圖 26 3.3.2室內試驗方法 27 3.4 現地試驗 30 3.4.1現地試驗流程圖 30 3.4.2現地試驗方法 31 第四章 試驗分析與結果 35 4.1室內試驗 35 4.1.1鏡頭與覘標之遠近距離試驗 36 4.1.2鏡頭與覘標之水平垂直位移試驗 43 4.2 現地試驗 49 4.2.1每個小時之變化量 50 4.2.2 一週變化量 51 4.2.3 一個月變化量 52 第五章 綜合結果討論 53 5.1 系統誤差討論 53 5.1.1 距離10cm 53 5.1.2距離18cm 55 5.1.3 小結 57 5.2精度討論 58 5.2.1 距離試驗 58 5.2.2 水平試驗 61 5.2.3 垂直試驗 63 5.2.4 小結 64 5.3 光線討論 65 5.3.1 光線對判讀影響 65 第六章 結論與建議 66 6.1結論 66 6.2建議 67 參考文獻 6