[发明专利]双目视觉管道内壁自动无损检测方法

摘要

一种双目视觉管道内壁自动无损检测方法，一该方法步骤如下：步骤一双目CCD摄像机的标定；步骤二设置测量参数；步骤三实时测量；步骤四数据管理。该测量方法对管道内壁不造成损伤，自动化程度高，使用简便灵活，测量精度高；测量装置重量轻，体积小，使用方便。

主权项

1.一种双目视觉管道内壁自动无损检测方法，其特征在于：该方法步骤如下：步骤一双目CCD摄像机的标定首先标定双目CCD摄像机的内参数：制作30mm×25mm的棋盘格标定板，每个棋盘格大小为5mm×5mm的正方形；将双目摄像机编号为第一摄像机和第二摄像机；首先对第一摄像机进行标定；将棋盘格标定板放在摄像机景深范围内的任一位置，并保证棋盘格在相机视场范围内，拍摄一张图像；然后移动标定板到另一位置，同样保证以上两个条件，并确保标定板当前所在位置与之前的位置不在同一平面上，拍摄一张图像；重复以上过程三次，获得四幅标定图像，然后运行标定软件，软件将自动提取图像内棋盘格的角点坐标，计算出第一摄像机的内参数；采用同样的方法，对第二摄像机进行标定，获取第二摄像机的内参数；当第一摄像机和第二摄像机的内参数均标定完成后，将棋盘格标定板移动至第一摄像机和第二摄像机共同视场范围和景深范围内，拍摄一张图像，设此时棋盘格标定板的基准坐标系为O_cX_cY_cZ_c，第一摄像机的坐标系为O₁X₁Y₁Z₁，第二摄像机的坐标系为O₂X₂Y₂Z₂，定义世界坐标系O_wX_wY_wZ_w与第一摄像机坐标系重合，则可以根据之前标定的第一摄像机和第二摄像机的内参数，以及棋盘格角点在第一摄像机、二拍摄的两幅图像中各自的坐标，获得从O_cX_cY_cZ_c到O₁X₁Y₁Z₁坐标系的旋转矩阵R₁和平移向量t₁，以及从O_cX_cY_cZ_c到O₂X₂Y₂Z₂坐标系的旋转矩阵R₂和平移向量t₂，即获得了第一摄像机和第二摄像机的外参数；步骤二设置测量参数将双目CCD摄像机放入待测管道，将采集供电系统上的USB数据线连接到便携式计算机的USB接口，启动采集供电系统上的总电源开关，启动便携式计算机上的图像处理软件，软件自动测试与视频采集卡的连接情况；确认连接正常后，用户输入当前观察的位置，图像处理软件将位置信息记录入数据库；步骤三实时测量首先，进行图像特征的提取：利用Canny边缘检测算子检测缺陷，过程如下：(1)降噪：将原始数据与高斯模板作卷积；(2)寻找图像中的亮度梯度：使用4个边缘检测模板检测水平、垂直以及对角线方向的边缘，并存储原始图像与每个模板所作的卷积；对于图像的每个像素点，标识在这个点上的最大值以及生成的边缘的方向；(3)在图像中跟踪边缘：使用两个阈值，从一个较大的阈值开始，标识出比较确信的真实边缘，根据上述第(2)步中获得的边缘方向，在图像中跟踪整个的边缘；在跟踪时，使用一个较小的阈值，以便跟踪曲线的模糊部分；其次，在提取图像特征后，需要对双目图像进行匹配；双目图像匹配的过程如下：(1)利用双目CCD摄像机系统参数标定的结果，建立双目视图的极线约束关系，根据此关系对图像进行校正，将极线调整到水平位置；校正后的图像，对应的匹配像素位于同一水平线上；(2)确定双目摄像机视差的范围；假设单套CCD摄像机在管道内壁的成像宽度为w，双目CCD摄像机基线距离为d，摄像机的图像分辨率为a*b，视场角为α和θ，空间某点P在双目图像中的像素坐标分别为(u₁，v₁)和(u₂，v₂)，定义P在双目图像中的视差Δu＝u₂-u₁，则Δu与P点的深度，即P点在摄像机光轴方向的坐标有关；假设P点的深度为z，则成像宽度w＝2*z*tan(α/2)，由此可以推出P点在双目图像中的视差Δu＝a*d/w；事先可以测量管壁的半径，并估计缺陷的深度范围，可以估计出待测点深度范围为(z₁，z₂)，对应成像宽度为(w₁，w₂)，则视差范围可以控制在Δ＝a*d*(1/w₁-1/w₂)；(3)匹配双目图像中的缺陷区域：将第一摄像机拍摄的图像作为匹配图像，第二摄像机拍摄的图像作为参考图像，对参考图像中缺陷区域内的每个像素，在匹配图像中的以参考图像像素位置为中心，宽度方向从第a*d*(1/w2)个像素到第a*d*(1/w1)个像素，高度正负2个像素的范围内进行潜在匹配像素的搜索；对每个潜在的匹配像素，均根据其八邻域的灰度值按照归一化灰度差的平方的匹配准则同参考像素进行匹配：归一化灰度差的平方方式的匹配为：S(x,y)=Σy′=0n-1Σx′=0m-1[T(x′,y′)-I(x+x′,y+y′)]2Σy′=0n-1Σx′=0m-1T(x′,y′)2Σy′=0n-1Σx′=0m-1I(x+x′,y+y′)2]]>其中T(x′，y′)为参考图像中的像素灰度，I(x+x′，y+y′)为匹配图像中的像素灰度，m、n为邻域大小；取S(x，y)值最小的特征点作为最佳匹配点；按照同样的方法，以第二摄像机拍摄的图像为参考图像，第一摄像机拍摄的图像为匹配图像进行像素匹配，即在双目图像中进行对称计算；将只满足一个方向或两个方向都不满足匹配条件的匹配像素对视为虚假匹配，即只有在对称计算中均为匹配像素的才为正确的匹配像素对；再次，根据双目图像匹配得到的像素对计算视差，进一步计算每个像素在世界坐标系中的三维坐标；像素在世界坐标系下的三维坐标重建方法如下：对于单个CCD摄像机，设图像坐标(u，v)^T，对应屏幕坐标(X，Y，Z)^T，成像系统如下所示：suv1=fx0cx0fycy001·r11r12r13r21r22r23r31r32r33·XYZ+txtytz=m11m12m13m14m21m22m23m24m31m32m33m34XYZ1=MP---(1)]]>其中s是比例因子，是摄像机的内参数矩阵，是旋转矩阵，是偏移向量，P＝(X，Y，Z，1)^T；R和t统称为摄像机的外参数；对于公式(1)，可以将比例因子s除到等号右边，不改变公式(1)右边的形式，得到：x=uv1=MP---(2)]]>x是像素图像坐标的齐次坐标形式；对于第一摄像机和第二摄像机，可以获得如公式(2)形式的两个成像关系式：x₁＝M₁P₁(3)x₂＝M₂P₂(4)在前述的图像特征提取与匹配过程中，已经知道世界坐标系中某一特征点P在第一摄像机中成像的图像坐标为x₁，在第二摄像机中成像的图像坐标为x₂，代入公式(3)(4)，得：x₁＝M₁Px₂＝M₂P由于M₁，M₂在摄像机标定过程中已经确定，因此通过P点在双目摄像机所拍摄图像中的图像坐标便可计算出P点的世界坐标，从而确定P点在实际三维空间中所处的位置；对缺陷范围内的每一个像素进行匹配和三维重建，获取缺陷内所有点对应的世界坐标；根据世界坐标的定义，定义管壁上某一点的深度如下：设摄像机在两个方向上的视场角为弧度α和θ，对于空间中点P，设其世界坐标经过前述过程已计算出，为(X_p，Y_p，Z_p)，则其深度为在每处缺陷范围内S_i内，其深度极值为和maxp∈SiYp2+Zp2;]]>步骤四数据管理在测量结束后，将每次检测的数据进行分类入库；为用户提供组合查询功能，可以根据检测时间、位置等条件查询需要以往检测拍摄到的图像和检测结果。