[发明专利]4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于钻孔全景成像技术领域，具体涉及一种相互垂直放置的4部摄像机系统的钻孔柱面全景图生成方法及装置。

背景技术

在地质勘探中，一般采用常规钻探获取岩心来了解地质情况，但是存在钻探工作量大，钻探成本高，且钻探过程一般难于直接观察等缺点；此外，一些有重大工程地质意义的软弱层(破碎泥化夹层、风化夹层等)和构造破碎带，往往不易取得岩心，不能了解其地质条件，从而导致工程施工困难。随着科学技术的发展，钻孔成像技术在水利、土木、能源、交通、地质、矿山等行业都有广泛的应用，是传统的勘察方法无法比拟的。

钻孔成像技术依靠光学原理使人们能直接观测到钻孔的内部。这一技术的出现是基于当代科学技术的发展，特别是在照相和摄像设备的小型化方面的突破。目前为止，钻孔成像技术的发展经历了3个阶段：钻孔照相、钻孔电视、数字光学钻孔成像。前两个阶段的技术特点是模拟方式下的定性观察、描述和评价，其缺点是(1)定量分析性差；(2)结果表现方式少，处理手段有限；(3)不能提供较长孔壁图像；(4)存在一定视觉死角；(5)受雾气影响较大，对完整段反应较弱。数字光学成像技术是当今钻孔成像技术发展过程中的一个里程碑，代表了当今科学技术的发展水平，其主要的创新点在于全景图像的实现和数字技术的突破，而且更加实用化，各类工程中得到了大量的应用。克服了模拟方式下钻孔成像技术的不足，推动了孔内探测技术向可视化、数字化领域的发展。

现有技术中存在的问题和缺陷：

通常模拟方式下钻孔成像技术采用平面反射原理，当成像部件沿着钻孔轴线成像时，只能得到钻孔孔壁局部图像。然而数字方式下钻孔成像技术将平面反射镜用锥面反射镜代替，这时360度钻孔孔壁经过锥面反射成像，得到360度钻孔孔壁图像(全景图)。钻孔一般是类似标准的圆柱形，且直径已知，而由定位方法获得全景图像的方向和位置后，即可建立钻孔孔壁的空间坐标系统，为数字化处理奠定基础。但是，现有的数字式钻孔成像技术也存在着一些问题：1)基本假设的局限性。通常钻孔孔壁被认为是竖直向下，不适用水平孔和倾斜孔的测试，这严重地限制了对数字钻孔成像技术的普遍应用；2)孔壁成像的单一性。利用锥面反射原理实现的全景图是360度孔壁映射到平面图像，并且对孔壁的观察防线保持不变，实际上是一个降维的映射过程，有如下缺点：在实际钻孔表面凸凹不平时会遮挡这种单一方向上的成像；不能观察探头前方的情况；在扩径处返回光少使图像成黑色；难以得到钻孔径向上延伸数据。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种克服了现有的数字摄像系统只能解决竖直孔壁以及孔壁成像的单一性问题的4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法及装置。

本发明所采取的技术方案是：

一种4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法，包括如下步骤：

(1)选取四部摄像机，将四部摄像机连接成一体，构成摄像机组；在同一平面内背向同一中心点相互垂直放置，拍摄方向与钻孔孔壁所在的圆柱面相互垂直；将摄像机组放入孔内；

(2)摄像机组沿孔壁纵向移动设定距离；

(3)钻孔视频摄像头移动过程中某一时刻同时提取4张单个图像文件；

(4)消除不同摄像机间的色差；

(5)分别将4张图像通过柱面坐标变换公式转化为孔壁信息的柱面投影图；

(6)进行图像配准；相邻摄像头间提取的图像的柱面投影图包含了相同的孔壁信息，根据图像间的特征进行横向拼接，就得到了某一时刻钻孔孔壁的360度横向拼接图；

(7)保存横向拼接图像；

(8)判断摄像机纵向移动是否完毕，摄像机纵向移动没有完毕，返回步骤(2)，摄像机纵向移动完毕执行步骤(9)；

(9)相邻图像纵向拼接；

(10)得到钻孔孔壁全景图。

柱面投影变换的核心是投影变换公式中K为柱面投影空间，I表示原始图像，I`是柱面投影图像，坐标原点O选为圆柱中心；

假定图像中心点就是光轴与图像平面的交点，现在要得到O点观察到的原始图像，在柱面空间K上的柱面投影图像I；

设柱面半径为r，投影角为θ，图像宽度为W，图像高度为H，得到柱面图像的宽度为2rsin(θ/2)，高度仍为H；

图像的像素坐标均以图像平面中的最左上角像素为坐标原点；

对图像I上的任意一点P(x，y)，在柱面图像I`上的对应点为P`(x`，y`)，对点P沿x一z平面和y—z的横截面，可得柱面投影变换公式：

x`＝r*sin(θ/2)+r*sin(arctan(x-W/2)/r)