用于管道内部三维结构检测与成像的装置及信息处理方法

技术领域

本发明属于光学检测与光学成像技术领域，涉及管道内部无损检测与结构重构，尤其是涉及一种用于管道内部三维结构检测与成像的装置及信息处理方法。

背景技术

管道广泛应用于能源、发电、航空、制冷、化工等领域。在生产制造过程中，由于自身质量和外力干扰等问题，管道可能会出现裂纹、瑕疵、变形等各类缺陷。同时，由于介质腐蚀、机械振动等多种环境因素的影响，管道会出现老化，使裂纹、掉片、穿孔等问题的出现概率大大提升。因此，对管道进行定期的安全监测十分必要。

管道检测可分为管道外部检测和内部检测两种类型。管道外部检测指利用相关检测装置在管道的外部进行检测，这种检测方法针对管道的防腐层损伤、人为破坏等相关数据进行分析，进而对管道损耗情况进行评估，但是管道本身的腐蚀状况却很难通过外部检测的方法进行确定。管道的内部检测方法主要是利用相关检测装置在管道内进行移动，采集管道内的数据并进行深度分析，能够准确检测管道的内部腐蚀、物理变形、裂纹等缺陷问题。因此，管道内部检测方法成为世界上备受推崇的管道无损检测方法，也成为油气管道检测行业发展的大方向。

图像检测法是一种简单、高效的管道内部检测方法，它利用光学成像设备拍摄管道内部的高清图像，能够更直观地观测到掉片、裂纹等损伤信息。由于视角有限，需要结合数字图像处理技术进行多幅图像的融合与拼接，以恢复出完整的管道内部图像。然而，现有的管道内部检测装置应用一个前向成像的内窥镜进行图像采集，结合后期的图像拼接算法，只能恢复出管道内部的二维展开图像，无法反应管道的三维结构，因此无法进行定量的损伤定位测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于管道内部三维结构检测与成像的装置及信息处理方法，其克服了现有技术中存在的无法进行管道内部三维结构测量与三维图像重构结构，因此无法进行定量的损伤定位检测的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于管道内部三维结构检测与成像的装置，由一对图案投影灯、多相机组合、机械连接杆、平移台、计算机和立体棋盘靶标组成，机械连接杆的一端连接平移台，另一端的前部沿其轴线方向设置有图案投影灯1、多相机组合和图案投影灯2，计算机分别与一对图案投影灯、多相机组合和平移台连接；

所述立体棋盘靶标为一个截面是正方形的中空四面柱体，正方形的两个相对面为开口，四个内表面制作有棋盘靶标。

一种用于管道内部三维结构检测与成像的装置的信息处理方法，包括以下步骤：

步骤一、系统标定，多角度投影图像和照明图像采集：

其中的系统标定是使用立体棋盘靶标进行多相机组合标定，具体是将多相机组合移动到立体棋盘靶标的中心位置，将该位置作为检测装置的初始位置；多相机组合采集立体棋盘靶标的图像，并利用张正友标定法确定各个相机的焦距、旋转矩阵和平移矢量，作为检测装置的初始参数；

步骤二、利用多角度投影图像进行管道内部三维结构重建；

步骤三、在步骤二重建出的三维结构的基础上，利用多角度照明图像进行管道内壁三维图像重建，包括以下步骤：

S1：将已知三维结构的管道内壁均匀地划分为M个离散网格，并假设每个网格中的物点f(x

S2：生成一个矩阵IMG(M,N)用于存放重建的图像，其中N为相机的数目；

S3：对于第j个离散网格，可确定其世界坐标系(x

和

得到其在第i个相机中的图像坐标系位置(x'

S4：若图像坐标系(x'

S5：重复S3和S4，直至对矩阵IMG(M,N)完全赋值,生成N幅管道内壁图像；

S6：对N幅管道内壁图像进行图像融合处理，得到最终的管道内部三维图像结果。

进一步地，步骤一的检测过程包括以下步骤：

S1：使用立体棋盘靶标进行多相机组合标定；

S2：将立体棋盘靶标替换为被测管道，管道的中心与连接杆的轴线重合。

S3：利用计算机控制图案投影灯在管道内壁投影出随机点实体图，用多相机组合同时采集管道内部不同角度的投影图像；再控制图案投影灯对管道内壁进行均匀照明，用多相机组合采集管道内壁的照明图像。

S4：控制图案投影灯和多相机组合在管道内部移动，在不同的深度位置重复S3，至管道被完全检测。

进一步地，步骤二的具体步骤是：利用投影图像进行管道内部三维结构重建的过程包括以下步骤：

S1：对相邻两个相机采集的投影随机点实体图，进行特征点检测与匹配，获得相邻两幅投影图像中相匹配的投影特征点对在两幅投影图像中的图像坐标系位置；

S2：对投影特征点对进行预处理，剔除掉明显匹配错误的特征点对；

S3：保留下来的特征点对中的任意一个特征点，其成像在第i和第i+1个相机中，两幅投影图像中的图像坐标系分别为(x'

特征点的世界坐标系(x

利用特征点的图像坐标系和相机参数建立以上方程组，通过求解方程组可得到该特征点的世界坐标系位置(x

S4：利用S3求得所有特征点的世界坐标系位置，再进行曲面拟合，得到管道内部的三维结构。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1.针对管道内部黑暗以及管道内壁特征点信息不足的问题，本发明装置中应用了图案投影灯，既可以照明，又可以向管道内壁投影随机点实体图，投影图像完全覆盖管道内壁，通过完全覆盖管道内部的特征点实现管道三维结构的完全重建。

2.本发明方法中应用位置固定的多相机组合可实现多个角度图像的同时采集，提高了检测效率；多个相机的空间位置严格固定，不会因为采集过程中的移动发生位置偏差，同时本发明提出了长方体的立体棋盘靶标结构，可实现360°分布的多相机组合标定，因此可大幅提高检测精度。

3.本发明方法用投影图像中的特征点在相邻相机中的像素位置，可重建出特征点的三维坐标，利用众多的特征点三维坐标可拟合出管道三维结构。也就是说，本发明是先检测管道内部三维结构，在三维结构的基础上再进行内壁三维图像重建，因此重建出的图像包含三维位置信息，更有利于定量的管道内壁损伤定位，对于管道内部检测技术的实用化具有重要意义。

4.测量方法操作简便：连接杆在放入被测管道时，只需要从人为感官上保证管道的中心基本上与连接杆轴线重合即可，本发明中不需要严格重合，因此减少了操作的难度，提高了测量的效率。

附图说明

图1是管道内部三维结构检测与成像装置结构图；

图2是相机标定靶标结构示意图；

图3是投影随机点实体图示例图；

图4是管道三维结构重建坐标系示意图；

图5是管道三维结构重建流程图；

图6是管道内壁三维图像重建流程图。

具体实施方式

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于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：本发明提供的一种用于管道内部三维结构检测与成像的装置，结构如图1所示。该装置由一对图案投影灯、多相机组合、机械连接杆、平移台、计算机和立体棋盘靶标组成，机械连接杆的一端连接平移台，另一端的前部沿其轴线方向设置有图案投影灯1、多相机组合和图案投影灯2计算机分别与一对图案投影灯、多相机组合和平移台连接。

相机标定采用的立体棋盘靶标结构如图2所示。为一个截面是正方形的中空四面柱体，正方形的两个相对面为开口，用于图案投影灯和多相机组合进入立体靶标内部，另外四个内表面制作相机标定技术中常用的棋盘图案，也就是棋盘靶标。规定中空四面柱体的中心为世界坐标系(x

各部分的作用为：

(1)图案投影灯：用于管道内部的照明以及在管道内壁投影随机点实体图，为了照明亮度的均匀性，在多个相机组成的多相机组合的运动轴线前后分别安装图案投影灯1和图案投影灯2。

(2)多相机组合：用于管道内部图像的采集。多个相机以等角度间隔均匀分布在同一平面内的圆环上，并且相机的成像平面垂直于圆环半径向外放置。为了保证相邻相机图像间具有足够多的匹配特征点数，相邻两个相机的图像间应具有足够大的相交区域，同时为了综合平衡检测效率，令相邻两个相机采集的图像之间有一半的区域重叠。相机的数目可根据单个相机的视场角大小进行调整。

(3)机械连接杆：图案投影灯和多相机组合通过机械连接杆连接并固定在平移台上。

(4)平移台：平移台的运动方向平行于管道方向，通过平移台的运动控制相机组合采集管道内部不同深度的图像。

(5)计算机：用于光源、多相机组合和平移台的驱动和控制、图像采集和存储、信息处理和检测结果显示。

(6)立体棋盘靶标：每个面上棋盘靶标的位置及参数可精确确定，四面柱体相对的两个开口用于图案投影灯和多相机组合进入靶标结构内部，用于360°分布的多相机组合的相机参数标定。

利用上述装置进行管道内部三维结构检测与成像的过程包括以下步骤：

步骤一、系统标定，多角度投影图像和照明图像采集：

S1：使用立体棋盘靶标进行多相机组合标定。将多相机组合移动到立体棋盘靶标的中心位置，也就是中空四面柱体的中心，世界坐标系(x

在相机标定时，通过平移台将多相机组合所在的平面调整到z

S2：将立体棋盘靶标替换为被测管道，管道的中心基本与连接杆的轴线重合。

S3：利用计算机控制图案投影灯在管道内壁投影出随机点实体图，一种可采用的示例图如图3所示，用多相机组合同时采集管道内部不同角度的投影图像。再将图案投影灯转换为均匀照明模式照明管道内壁，用多相机组合采集管道内壁的照明图像。

S4：通过平移台控制一对图案投影灯和多相机组合在管道内部移动，在不同的深度位置重复S3，至管道被完全检测。

步骤二、利用多角度投影图像进行管道内部三维结构重建：

如图4所示，假设世界坐标系中的一个点(x

两个相机的焦距分别为f

根据以上关系整理可得该点在两个相机中的成像点位置为：

若测量得到一对特征点在两个相机中的成像位置，结合相机参数可建立以上方程组，通过求解方程组可得到该特征点的世界坐标系位置。

根据以上理论，利用投影图像进行管道内部三维结构重建的流程如图5所示，主要包括以下步骤：

S1：对相邻两个相机采集的投影图像，利用SIFT(Scale Invariant FeatureTransform，尺度不变特征变换匹配)算法进行特征点检测与匹配，获得相邻两幅图像中相匹配的投影特征点对在两幅图像中的图像坐标系位置；

S2：采用RANSAC(Random Sample Consensus，随机抽样一致性)算法对投影特征点对进行预处理，剔除掉明显匹配错误的特征点对；

S3：对于保留下来的任意一个特征点，其成像在第i个和第i+1个相机中，该特征点对在两幅图像中的图像坐标系分别为(x'

根据针孔相机成像模型，特征点的世界坐标系(x

求解以上方程组可得到该特征点的世界坐标系位置(x

S4：利用S3求得所有特征点的世界坐标系位置，再进行曲面拟合，就可以得到管道内部的三维结构。

步骤三、在步骤二重建出的三维结构的基础上，利用多角度照明图像进行管道内壁三维图像重建：

利用多相机组合采集到的均匀照明情况下管道内部的照明图像进行管道内部三维图像重建，流程图如图6所示，主要包括以下步骤：

S1：将已知三维结构的管道内壁均匀地划分为M个离散网格，并假设每个网格中的物点f(x

S2：生成一个矩阵IMG(M,N)用于存放重建的图像，其中N为相机的数目；

S3：对于第j个离散网格，可确定其世界坐标系(x

和

可以得到其在第i个相机中的图像坐标系位置(x'

S4：若图像坐标系(x'

S5：重复S3和S4，直至对矩阵IMG(M,N)完全赋值,生成N幅管道内壁图像；

S6：对N幅管道内壁图像进行图像融合处理，可以得到最终的管道内部三维损伤图像结果。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。