CN101109716B - 孔内表面的光学检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种孔内表面的光学检测方法，其具体包括以下步骤：a.将照明光源放入孔内并使其发光照明孔内周面；b.用沿孔轴线方向设置的成像装置拾取照明光源照射到孔内壁上反射回来的光；c.使照明光源和成像装置沿孔轴线同步移动，并对由成像装置识别到的信号进行处理，获得孔内表面展开图像。可实现对孔内表面的精确检测，而且条件限制小，检测速度快，检测范围广，检测精度高，检测结果容易进行图形化直观表达。

Description

孔内表面的光学检测方法

技术领域

本发明涉及孔内表面的检测方法，尤其涉及采用光学及图像处理的方法进行检测的孔内表面的光学检测方法。 

背景技术

孔是指如输送天然气的管道、热交换器管道和液压缸等，这类零件广泛应用于生产、生活及军事等领域，在实际生产和使用过程中，需要经常对孔内表面进行检测，确定内表面的加工状态和磨损、划伤及脱落等缺陷，判断是否合格以及消除安全隐患，分析孔类零件的寿命特性，为孔类零件的研究和加工提供科学依据。 

传统的孔内表面检测技术有涡流探伤法、磁粉探伤法和超声探伤法等，涡流探伤法容易受到外部条件的影响，磁粉探伤只适用于特定材料制成的管道，超声探伤则需要水等耦合剂，这些方法都存在一定的缺陷。光学检测技术属于非接触检测方法，受检测条件限制小，检测速度快，检测精度较高，检测结果容易进行图形化直观表达，因此，光学检测技术在孔内表面检测中取得越来越广泛的应用。许森林等在文章《一种细小管道管壁缺陷探测系统》(机械工程师，2003.(1).53-54)中提供了一种微细管道摄像装置，CCD相机垂直孔内表面安装，获取内表面某一角度的局部图像。该装置主要的缺点是需要通过旋转机构获取孔内表面360度图像，增加了系统的复杂程度。专利号为93235613.3的实用新型专利中公开了一种管内壁环视光学装置，CCD相机沿孔轴线安装，采用该装置解决了需要通过旋转机构获取孔内表面360度图像的问题，但只能观察孔内壁的局部，而不能获得整体的图像，不利于对孔的检测。 

发明内容

本发明针对现有检测方法存在的技术问题，提供一种孔内表面快速、自动检测方法，通过采用光学技术手段，实现孔内表面360度范围精确检测。 

本发明的技术方案1具体包括以下步骤：a.将照明光源放入孔内并使其发光照明孔内周面；b.用沿孔轴线方向设置的成像装置拾取照明光源照射到孔内壁上反射回来的光；c.使照明光源和成像装置沿孔轴线同步移动，并对由成像装置识别到的信号进行处理，通过图像坐标系变换的方法，获得孔内表面展开图像，具体变换方法如下： 

设图像上任意一点p，其象素坐标为(u，v)，dx、dy为CCD像元的横向及纵向尺寸，(uc，vc)为主点坐标，即光轴同CCD成像面的交点，则p点在CCD成像面坐标系oxy中的坐标可由下式计算得到： 

$\left\{\begin{array}{c}x=(u-u_c)\mathrm{dx}\\ y=(v-v_c)\mathrm{dy}\end{array}\right.---\left(1\right)$

该点的极坐标表示为： 

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}=\sqrt{x^2+y^2}\\ \mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}(y/x)\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据小孔成像原理，象素点p所对应的场景点P的物理坐标为： 

$\left\{\begin{array}{c}{r}_P=R\\ {\mathrm{\θ}}_P=\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}=\mathrm{\π}-\mathrm{arctg}(y/x)\\ z_P=\mathrm{fR}/\mathrm{\ρ}\end{array}\right.---\left(3\right)$

上式中R为孔半径，f为有效焦距，根据(1)～(3)式，任意一图像点经反投影变换后得到该点对应的场景点，所有点进行相同变换后便重构出孔内一段圆柱面，将该圆柱面展开，经重新投影则得到内表面360度展开图像。 

通过采用技术方案1，可实现对孔内表面的精确检测，而且条件限制小，检测速度快，检测范围广，检测精度高，检测结果容易进行图形化直观表达。通过图像坐标系变换的方法，从原始图像直接得到孔内表面展开图像，无需旋转机构，一次实现内表面360度范围检测。 

技术方案2的特征在于，在技术方案1的基础上还具有如下步骤：用定心机构将照明光源和成像装置定位在孔内，照明光源和成像装置同轴。 

这样可保证检测的准确性，易于对检测到的结果进行处理。 

技术方案3的特征在于，在技术方案1的基础上还具有如下步骤：由伺服电机驱动照明光源和成像装置沿孔轴线匀速运动，成像装置进行均匀采样，获取一系列不同轴向位置的孔内表面展开图像，相邻两图像之间重叠部分沿孔轴线距离大于等于0。 

这样可进一步保证检测的准确性，并按阶段获得待测孔整个内表面上不同轴向位置的多幅展开图像。 

技术方案4的特征在于，在技术方案3的基础上还具有如下步骤：顺序读取多幅图像，保证前一幅图像和后一幅图像之间存在重叠区域，确定前后两幅图像的拼接方式，形成一幅新图像，循环此操作直到将所有的图像拼接形成一幅完整的图像。 

这样，可获得较大的视野范围内的精确的完整的图像。 

与现有技术相比，本发明的有益效果还在于：(1)通过图像坐标系变换的方法，从原始图像直接得到孔内表面展开图像，无需旋转机构，一次实现内表面360度范围检测；(2)通过灰度相关性确定两幅图像的最佳匹配位置，对内表面展开图像进行拼接，实现孔内表面的大范围快速检测。 

附图说明

图1是光学传感器的结构示意图。 

图2是孔内表面成像原理示意图。 

图3是图像拼接原理示意图。 

图4是图像几何变换结果示例图。 

图5是图像拼接前效果图。 

图6是图像拼接结果图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述。 

本发明所采用的光学传感器包括：照明光源、成像装置和基座。本实施方式中，照明光源为LED光源1，成像装置为CCD相机2。当然照明光源也可以为其它用于照明的光源，如白炽灯等，成像装置也可以采用CMOS等其它成像装置。基座用于固定照明光源和成像装置，对形状没有特别的限定。 

图1中，基座3包括照明光源用基座5和成像装置用基座4，两者可分体设置也可一体设置。其中，照明光源用基座5为圆锥台状，其远离成像装置用基座4一侧直径较小，成像装置用基座4为圆柱状，两者同轴，并分别沿轴线形成贯穿孔6和贯穿孔7。CCD相机2贯穿该贯穿孔6和贯穿孔7设置并固定，其镜头位于贯穿孔6侧。CCD相机2也可以在贯穿孔6和贯穿孔7内以可移动定位的方式设置，调节CCD相机2从贯穿孔6伸出的距离以便于获得孔内壁清晰的图像。例如可采用在图1中CCD相机2左或右侧设置沿贯穿孔6轴线方向的弹簧，在贯穿孔6的远离照明光源用基座5一侧设置固定件。也可 设置电机来驱动CCD相机2沿贯穿孔6轴线方向移动。照明光源用基座5的圆锥台侧表面上配置LED光源1，LED光源1以环状沿垂直于圆锥台轴线的外圆周面配置，其包括多个LED。 

LED光源1以上述方式配置可效果较好地实现照明，当然也可以以其它方式设置，只要达到照明目的即可。而且照明光源用基座5也可以不是圆锥台状，而是圆柱状或其它形状。设置LED光源1时应避免LED光源1发出的光不经过孔内表面反射而直接照射到CCD相机2中。 

本实施方式中LED光源1以围绕CCD相机2的方式设置，但本发明并不限于此方式，LED光源1也可以和CCD相机2相向设置，为了避免LED光源1发出的光不经过孔内表面反射而直接照射到CCD相机2中，在LED光源1和CCD相机2之间设置遮光部件阻止LED光源1发出的光直接照射即可。 

下面对本发明的孔内表面的检测方法进行详细说明。 

将光学传感器沿其轴线放入孔内，为便于测量，可用定心机构对其进行定位，使照明光源和成像装置与孔同轴。定心机构可选用现有技术中的定心装置，如三爪定向装置等。 

使LED光源1发光，照明孔内周面，CCD相机2拾取LED光源1照射到孔内壁上反射回来的光，在CCD相机2中成像(参照图4)。 

具体成像过程如图2所示，AB为孔内的一段圆柱面，镜头光轴同孔轴线重合，C点为光心，CCD成像面到光心的距离为Co，即为有效焦距。根据小孔成像原理，该圆柱面在CCD成像面上所成像为介于a与b之间的圆环区域。设图像上任意一点p，其象素坐标为(u，v)，dx、dy为CCD像元的横向及纵向尺寸，(uc，vc)为主点坐标，即光轴同CCD成像面的交点，则p点在CCD成像面坐标系oxy中的坐标可由下式计算得到： 

$\left\{\begin{array}{c}x=(u-u_c)\mathrm{dx}\\ y=(v-v_c)\mathrm{dy}\end{array}\right.---\left(1\right)$

该点的极坐标表示为： 

根据小孔成像原理，象素点p所对应的场景点P的物理坐标为： 

$\left\{\begin{array}{c}{r}_P=R\\ {\mathrm{\θ}}_P=\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}=\mathrm{\π}-\mathrm{arctg}(y/x)---\left(3\right)\\ z_P=\mathrm{fR}/\mathrm{\ρ}\end{array}\right.$

上式采用柱坐标表示，R为孔半径，f为有效焦距，根据(1)～(3)式，任意一图像点经反投影变换后得到该点对应的场景点，所有点进行相同变换后便重构出孔内一段圆柱面，将该圆柱面展开，经重新投影得到内表面360度展开图像，实现孔内表面全向检测。 

由伺服电机驱动光学传感器沿孔轴线以速度v匀速运动，传感器以每隔时间t进行一次采样的方式均匀采样，获取一系列不同轴向位置的孔内表面展开图像，相邻两图像之间重叠部分沿孔轴线距离大于等于0，优选重叠部分宽度大于0，以便于孔内表面展开图像的拼接。拼接可在信号处理装置中进行。当然，光学传感器也可以不以匀速运动，传感器也可以不隔相同时间进行均匀采样，而是不均匀采样。但为便于对信号进行处理，优选均匀采样。 

图3描述了内表面展开图像的拼接原理，通过拼接实现孔内表面大范围检测。图像拼接常用的方法有基于特征点匹配和基于灰度匹配两种，基于灰度匹配算法的基本原理是计算两幅图像的相关矩阵，确定最佳匹配位置，算法的特点是精度高，抗干扰性强。由于前后两幅展开图只可能沿竖直方向发生偏移，因此，只需沿竖直方向进行一维搜索就可以确定拼接位置，为了便于计算，用象素点灰度级差的平方和代替相关矩阵衡量匹配位置的优劣，图3中粗实线矩形框表示第一幅图像，细实线矩形框表示第二幅图像，两幅图像的宽度(孔内表面周长)相等，都为w。但本发明不限于此，该方法也适用于两幅图像的宽度不相等的情况，因相邻两图像之间重叠部分沿孔轴线距离大于等于0，所以拼接不受两幅图像宽度的影响。h表示第一幅图像在孔 轴线方向上的距离，传感器均匀采样时，第二幅图像在孔轴线方向上的距离也为h。匹配过程从A点开始，沿箭头指向进行逐行扫描，R1、R2、R3代表三个不同的区域，定义： 

$F\left(R_2\right)=\frac{\underset{y-0}{\overset{h-l}{\mathrm{\Σ}}}\underset{x=0}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}{(f_1(x,y+l)-f_2(x,y))}^2}{w(h-l)},l\∈[0,h)---\left(4\right)$

问题转化为求l_best，l_best∈[0，h)，使F(R₂)＝F_min。拼接之后图像灰度级定义为： 

$f^{\&prime;}(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}{f}_1(x,y),& 0\&le;y<l\\ (f_1(x,y)+f_2(x,y-l))/2,& l\&le;y<\\ f_2(x,y-l),& h\&le;y\end{array}h---\left(5\right)\right.$

在(5)式中，只是简单的定义区域R2的灰度级为两幅图像灰度级的平均值，这种算法相对简单，但是当两幅图像有较大光照差别的时候，在拼接处会有明显的拼接痕迹，为了消除光照差别的影响，对区域R2的灰度级定义作适当修改。如图3区域R2内任意一点P，根据P点的位置计算f₁、f₂的权值，P点越靠上端，f₁的权值越大，重新定义的灰度级表达式为： 

f＇(x，y)＝ρf₁(x，y)+(1-ρ)f₂(x，y-l)，l≤y<h    (6) 

其中 $\mathrm{\&rho;}=1-\frac{t}{h-l}.$

实施例 

按照上面叙述的步骤，采用图1所示的光学传感器对一孔内表面进行检测，为了便于验证算法的有效性，在孔内表面贴上特殊图案，伺服电机驱动传感器沿孔轴线匀速运动，计算机给出触发信号，控制传感器均匀采样，首先根据(1)～(3)式进行图像反投影变换，得到内表面360度展开图像，图4中上图为由光学传感器采样获取的孔内表面原始图像，图中C1和C2两个圆之间的环形区域为图像处理的有效区域，两个圆的圆心和半径在操作过程中设定，图4中下图为该有效区域经重新投影后得到的孔内表面展开图像；然后根据(4)～ (6)式描述的方法对多段内表面展开图像进行拼接，可获得较大的视野范围，图5为多幅内表面展开图像，相邻两幅图像之间具有一定的重合区域，以该重合区域为匹配依据，得到如图6所示的拼接结果。 

Claims (4)

1.一种孔内表面的光学检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.将照明光源放入孔内并使其发光照明孔内周面；

b.用与孔同轴安装的成像装置拾取照明光源照射到孔内壁上反射回来的光；

c.使照明光源和成像装置沿孔轴线同步移动，并对由成像装置识别到的信号进行处理，通过图像坐标系变换的方法，获得孔内表面展开图像，具体变换方法如下：

设图像上任意一点p，其象素坐标为(u，v)，dx、dy为CCD像元的横向及纵向尺寸，(uc，vc)为主点坐标，即光轴同CCD成像面的交点，则p点在CCD成像面坐标系oxy中的坐标可由下式计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}x=(u-u_c)\mathrm{dx}\\ y=(v-v_c)\mathrm{dy}\end{array}\right.---\left(1\right)$

该点的极坐标表示为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&rho;}=\sqrt{x^2+y^2}\\ \mathrm{\&theta;}=\mathrm{arctg}(y/x)\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据小孔成像原理，象素点p所对应的场景点P的物理坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_P=R\\ {\mathrm{\&theta;}}_P=\mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&theta;}=\mathrm{\&pi;}-\mathrm{arctg}(y/x)\\ z_P=\mathrm{fR}/\mathrm{\&rho;}\end{array}\right.---\left(3\right)$

上式中R为孔半径，f为有效焦距，根据(1)～(3)式，任意一图像点经反投影变换后得到该点对应的场景点，所有点进行相同变换后便重构出孔内一段圆柱面，将该圆柱面展开，经重新投影则得到内表面360度展开图像。

2.如权利要求1所述的孔内表面的光学检测方法，其特征在于，

还具有如下步骤：用定心机构将照明光源和成像装置定位在孔内，照明光源和成像装置同轴。

3.如权利要求1所述的孔内表面的光学检测方法，其特征在于，

还具有如下步骤：由伺服电机驱动照明光源和成像装置沿孔轴线匀速运动，成像装置进行均匀采样，获取一系列不同轴向位置的孔内表面展开图像，相邻两图像之间重叠部分沿孔轴线距离大于等于0。

4.如权利要求3所述的孔内表面的光学检测方法，其特征在于，

还具有如下步骤：顺序读取多幅图像，保证前一幅图像和后一幅图像之间存在重叠区域，确定前后两幅图像的拼接方式，形成一幅新图像，循环此操作直到将所有的图像拼接形成一幅完整的图像。

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