CN102590217A - 基于圆结构光视觉传感器的管道内表面检测系统 - Google Patents

Abstract

基于圆结构光视觉传感器的管道内表面检测系统属于无损测量领域。本发明包括位于管道内部的圆结构光投射器和摄像机，摄像机通过电缆外接图像采集卡到计算机上；其特征在于：采用摄像机和圆结构光投射器沿管道轴向的排列，并保证摄像机光学中心和圆锥曲面中心轴向对准；其中摄像机和结构光投射器之间的轴向距离大于l，其中的r为管道内径，A为结构光投射器的发散半锥角，以保证投射的圆结构光条能够被摄像机拍摄到。本发明利用摄像机和激光器的轴向放置，有效减小了视觉传感器的体积，实现了管道内部受限空间的三维测量。每个管道截面只进行一次测量即可获取管道整个截面三维信息，避免单点测量扫描装置的复杂性，提高了测量速度。

Description

基于圆结构光视觉传感器的管道内表面检测系统

技术领域

基于圆结构光视觉传感器的管道内表面检测系统属于无损检测技术领域。 

背景技术

管道作为主要的气体和液体传输手段，在现代工业的各个领域得到了广泛应用。由于管道输送的气体或液体大部分都具有易燃、易爆、高腐蚀性等特点，因此需要定期对管道内表面进行三维检测，以确保管道的安全运行。目前管道内表面检测技术主要有漏磁技术、涡流检测技术、超声波检测技术和视频检测等无损检测技术。 

(1)漏磁检测技术 

漏磁检测技术需将被测管道磁化，利用磁敏探头采集管壁表面的漏磁信号，通过管壁磁力线的变化来判断管道缺陷，通过缺陷大小和磁力线变化程度之间的对应关系确定管壁受损情况。漏磁检测要求管壁达到完全磁性饱和，其对被检测管道材质具有选择性，且测试精度与管壁厚度有关，检测壁厚范围小于12mm。由于漏磁检测精度较低，只适于检测管道腐蚀突变的场合，对于浅、长且窄的金属损失缺陷，利用漏磁检测技术难以检测出来。且当检测管道为套管，或管道外部有金属管架支撑、法兰时都会产生电磁干扰，使得测量精度和准确率下降。 

(2)超声波检测技术 

超声波检测利用声发射器按照一定脉冲频率向管道内发射并接收相应的声波反射信号，根据超声波从管道内外壁返回所需的时间来确定管道的壁厚，检测精度较高。但超声波检测需要多次发射和接收声波信号才能完成对一个瑕疵或某个截面位置管壁内表面的检测，检测效率低。且超声波检测对噪声、管道温度变化等较敏感，不能检测到较小的管道壁厚减薄量，且由于超声波检测沿管道外壁实现测量，对换热器和反应器等列管安装形式的管道不能实现在线检测。 

(3)光环截面法 

英国学者Olga Duran采用光环截面法，通过向管道内表面投射激 光光源，利用CCD摄像机拍摄激光光源投射到管道内表面形成的圆环状光带，并利用圆环光带图像灰度信息判断管道内表面腐蚀情况。该检测方法的轴向定位精度和投射的圆环宽度有关，且相邻圆环光带间容易发生信息的重叠，不能精确测量管道内表面腐蚀和瑕疵的三维信息。 

(4)PSD检测法 

浙江大学研究了基于位置敏感器PSD和激光光源的微细管道内表面三维检测方法。该方法利用PSD和激光单点扫描法管道内表面，基于光学三角法确定管道截面上某点的三维位置。但该方法需要扫描装置，因而结构复杂，测量效率较低。且由于传感器自身遮挡管道内表面存在测量盲区。 

综上所述，现有检测技术存在以下不足： 

1)漏磁检测和超声波检测虽然能实现管道内表面三维测量，但精度较低，不能测量管道内部的微小腐蚀变化，且不适于任意材质和任意安装形式管道的检测，有较大的局限性。 

2)光环截面法较为简单，但相邻圆环间会发生信息重叠，不能实现精确三维测量。 

3)PSD检测可以实现精确三维测量，但需要扫描装置，结构复杂，测量效率低。 

发明内容

针对目前管道内表面检测方法的不足，基于结构光视觉测量原理，发明一种基于圆结构光的高精度管道内表面三维视觉传感器测量系统，实现对管道内表面缺陷的精确三维测量。 

基于圆结构光视觉传感器的管道内表面检测系统，包括位于管道内部的圆结构光投射器和摄像机，摄像机通过电缆外接图像采集卡到计算机上； 

其特征在于：采用摄像机和圆结构光投射器沿管道轴向的排列，并保证摄像机光学中心和圆锥曲面中心轴向对准； 

摄像机固定在一个支架上；将滑座放在一维导轨上，并通过支杆连接管道架托，然后将管道沿一维导轨方向放在管道架托上；圆结构光投射器固定在一维导轨的一侧；能在导轨上移动的靶标放置一维导 轨上，且置于摄像机和圆结构光投射器之间； 

摄像机和结构光投射器之间的轴向距离l取决于管道半径和圆结构光投射器的发散角，其中 

其中的r为管道内径，A为结构光投射器的发散半锥角，以保证投射的圆结构光条能够被摄像机拍摄到。 

系统测量原理 

圆结构光视觉传感器测量原理如图1示，圆结构光投射器投射圆锥光曲面，和空间平面相交成圆光条，该圆光条被摄像机拍摄成像。P点为圆结构光曲面和空间平面相交的圆光条上一点，其对应的图像点为p。若像点p的图像坐标为(x，y)，空间点P在摄像机坐标系O_cX_cY_cZ_c下的坐标为(x_c，y_c，z_c)^T，则像点p和空间点P的关系用齐次坐标表示为： 

$z_c\left|\begin{array}{c}x\\ y\\ 1\end{array}\right|=\left|\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right|\left|\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right|---\left(1\right)$

其中f为光心O_c到图像平面的焦距。 

若空间点P在世界坐标系OXYZ下的齐次坐标为(x_w，y_w，z_w，l)^T，则该点在世界坐标系和摄像机坐标系下的转换关系为： 

$\left|\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right|=\left|\begin{array}{cc}R& T\\ 0^T& 1\end{array}\right|\left|\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right|---\left(2\right)$

其中R为3×3旋转矩阵，T为3×1平移向量，为摄像机外部参数。 

摄像机拍摄图像传送到计算机上，其对应的帧存图像原点位于图像的左上角，则像点p的帧存坐标(u，v)和图像坐标的转换关系为： 

$\left|\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right|=\left|\begin{array}{ccc}1/\mathrm{dx}& 0& u_0\\ 0& 1/\mathrm{dy}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right|\left|\begin{array}{c}x\\ y\\ 1\end{array}\right|---\left(3\right)$

其中dx，xy分别为图像x和y方向单位像素的物理距离，(u₀，v₀)为图像中心在帧存坐标系下的坐标，为摄像机内部参数。综合式(1)-(3)得帧存坐标系下像素点p和空间点P转换关系为： 

$z_c\left|\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right|=\left|\begin{array}{ccc}1/\mathrm{dx}& 0& u_0\\ 0& 1/\mathrm{dy}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right|\left|\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right|\left|\begin{array}{cc}R& T\\ 0^T& 1\end{array}\right|\left|\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right|---\left(4\right)$

圆结构光在空间传播轨迹为空间二次圆锥曲面。若以圆锥曲面的顶点为坐标原点建立柱坐标系，如果已知结构光曲面上点P的母线长度、其投射到圆锥底面上的半径以及圆锥半顶角，即可建立柱面坐标系的圆锥曲面方程。但实际测量时，通常在世界坐标系OXYZ下建立空间二次曲面方程，则圆结构光曲面空间方程表示为： 

a₁x_w ²+a₂y_w ²+a₃z_w ²+a₄x_wy_w+a₅y_wz_w    (5)+a₆z_wx_w+a₇x_w+a₈y_w+a₉z_w+1＝0 

其中，a_i(i＝1，2，...9)为圆结构光曲面参数。 

若已知摄像机的内外参数、圆结构光曲面方程参数以及圆结构光曲面上任一空间点对应的图像坐标，联立式(4)和(5)即可确定该空间点P的三维坐标。 

图2为管道内表面测量流程图，测量时结构光投射器和CCD摄像机位于管道内部，其相对位置不变，通过移动管道来实现管道内表面不同截面形貌测量。摄像机通过电缆外接图像采集卡到计算机上，采集管道不同位置截面光条图像，计算机根据标定的结构光视觉传感器参数和采集到的光条图像进行计算，最终实现管道内表面的三维测量。 

1)圆结构光投射器和摄像机的相对位置设计 

通常结构光视觉传感器其被测物和摄像机以及结构光投射器呈三角结构，传感器体积较大。常用工业管道内径尺寸在50mm-200mm之间，因此测量空间受限，采用常规的结构不能实现测量。对于管径较小的受限管道空间，为了保证结构光视觉传感器测量精度采用了纵向排列的结构模式，突破传统的摄像机和激光投射器的横向排列，有效减小结构光视觉传感器的横向尺寸保证结构光视觉传感器的小型化结构模式，解决了管道内表面测量空间受限的难题。因此，所设计的结构光视觉传感器测量系统采用摄像机和结构光投射器沿管道轴向的排列模式，减小传感器体积。 

2)为了保证沿轴向移动管道，采用一维导轨，在导轨上安装滑座，滑座上接支架托固定管道，测量时沿轴向移动滑座来实现管道的轴向移动，实现不同截面位置管道内表面的三维测量。 

3)为保证管道自由移动不影响位于管道中的摄像机，设计了摄像机支架。支架由底座，纵杆和摄像机支杆组成。支杆长度根据管 道长度可调。支架的高度可调，通过调节支架高度可以使得摄像机位于管道中心，以保证拍摄到最好的光条图像，提高测量精度。 

该结构光视觉测量系统由圆结构光投射器、CCD摄像机和计算机构成。基于光学三角法测量原理，向管道内表面投射圆结构光，圆结构光被管道内表面调制，和管道内表面相交形成带有管道内表面信息的圆光条，利用CCD摄像机拍摄光条，依据光条图像和结构光视觉传感器的结构参数实现对管道内表面三维信息的精确测量。和其他检测方法相比具有结构简单，精度高等优点。下面对该测量系统给出详细的阐述。 

该系统以结构光视觉测量原理为基础，首次实现了管道内表面形貌的三维精确测量，并能准确检测到内表面的缺陷大小。该系统的优点主要有： 

(1)利用摄像机和激光器的轴向放置，有效减小了视觉传感器的体积，实现了管道内部受限空间的三维测量。 

(2)将圆结构光投射器和CCD摄像机相结合组成视觉传感器，每个管道截面只进行一次测量即可获取管道整个截面三维信息，避免单点测量扫描装置的复杂性，提高了测量速度。 

附图说明

图1圆结构光视觉传感器原理。 

图2为管道内表面测量流程图。 

图3管道内表面结构光视觉测量系统结构图。 

1.计算机 2.1394电缆 3.CCD摄像机 4.圆结构光投射器 5.圆结构光投射器支架 6.管道支架 

7.一维导轨 8.CCD摄像机支座 9.CCD摄像机支杆 10.靶标 

图4(a)为四个不同位置的无缺陷管道内表面测量拍摄的管道内表面光条图像。 

图4(b)依据光条图像和标定的结构光视觉传感器参数获取的管道内表面三维重构结果。 

图5(a)为为四个不同位置的有缺陷管道内表面测量拍摄的管道内表面光条图像。 

图5(b)依据光条图像和标定的结构光视觉传感器参数获取的管道内表面三维重构结果。 

具体实施方式

利用该测量系统测量管道内表面实验过程如下： 

(1)将滑座放在一维导轨上，并通过支杆连接管道架托，然后将管道沿一维导轨方向放在架托上，将CCD摄像机固定在支架上，并穿过管道内表面，依据管道内径尺寸确定CCD摄像机和圆结构光投射器的轴向距离，并保证摄像机光学中心和圆锥曲面中心轴向对准，如图3示； 

(2)将靶标置于摄像机和圆结构光投射器之间，打开圆结构光投射器，则圆结构光曲面投射到靶标平面上，得到圆光条，沿导轨方向移动平面靶标位于不同位置，用CCD摄像机拍摄位于至少四个不同位置时的带有圆光条的靶标图像； 

3)利用拍摄的不同位置处的靶标图像进行系统标定，主要包括摄像机内部参数、外部参数标定，圆结构光曲面标定； 

4)去掉靶标，沿导轨方向按一定位移间隔移动被测管道在不同位置，拍摄不同位置圆结构曲面投射在管道内表面的光条图像。 

5)亚象素提取管道内表面光条中心的图象特征； 

6)利用系统标定参数和圆光条中心特征点，确定管道内表面的三维测量值，并对管道内表面进行三维重构。 

图4(a)(b)分别为无缺陷管道内表面测量拍摄的管道内表面光条图像和依据光条图像和标定的结构光视觉传感器参数获取的管道内表面三维重构结果。 

图5(a)(b)分别为有缺陷管道内表面测量拍摄的管道内表面光条图像和依据光条图像和标定的结构光视觉传感器参数获取的管道内表面三维重构结果。由图5(a)可知，有缺陷时管道内表面拍摄的光条在圆周下部发生弯曲，从图5(b)三维重构结果中也可看到管道内壁缺陷。 

系统构成和硬件 

从图3所示的圆结构光视觉测量系统可知系统由一台CCD摄像机，图像采集卡，镜头，圆结构光投射器，一维导轨，CCD摄像机支架，计算机及其附件组成。 

(1)圆结构光投射器(一台)：加拿大Stocker Yale公司生产型号为SNF-501C-660-20-11.4 

激光额定功率：20mw；        激光波长：660nm； 

激光出射半锥角：11.4°；    激光电源：6V 

(2)CCD摄像机(一台)：台湾敏通公司生产，型号为MTC-23X11H 

CCD尺寸：1/3英寸；          水平清晰度：600线 

最大像素数：798*584；       有效像素数：720*540 

信噪比：52dB～60dB；        最低照度：0.08Lux 

(3)摄像机镜头 

焦距：28mm可调；            镜头规格：1/3英寸 

光圈类型：手动光圈；        光通量：F1.2～C 

视场角：85度；              接口方式：CS 

(4)一维导轨，北京卓立汉光仪器有限公司生产，型号为RAOB10-1，长度为1m。 

管道内表面测量结构光视觉测量系统的结构如图3示，一维导轨和支座位于工作台上，导轨上放置多个滑座和支架，用来固定管道，并保证管道可沿一维导轨移动。摄像机支杆末端固定CCD摄像机，调整支架高度使得摄像机位于管道中心。圆结构光投射器利用光学可变口径架固定，结构光投射器投射的圆锥面中心和CCD摄像机的光学中心保持轴向对准。由于所选择的圆结构光投射器的发散半锥角为11.4°，因此为保证投射的圆锥曲面和管道内表面的相交光条能被摄像机拍摄到，摄像机和结构光投射器之间须保持一定距离。比如，对于内径为80mm的管道，圆锥面和管道内表面相交时所走过的轴向距离为 

因此，必须保证摄像机和结构光投射器之间的轴向距离大于198.38mm，一般为198.38mm2倍数以内的距离，才能保证摄像机能拍摄到管道内壁的结构光条。实际测量时，根据实际情况调整CCD摄像机和结构光投射器之间的距离。 

该系统以结构光视觉测量原理为基础，首次实现了管道内表面形貌的三维精确测量，并能准确检测到内表面的缺陷大小。该系统的优点主要有： 

(1)利用摄像机和激光器的轴向放置，有效减小了视觉传感 器的体积，实现了管道内部受限空间的三维测量。 

(2)将圆结构光投射器和CCD摄像机相结合组成视觉传感器，每个管道截面只进行一次测量即可获取管道整个截面三维信息，避免单点测量扫描装置的复杂性，提高了测量速度。 

(3)和其他检测方法相比，对管道内表面缺陷的三维测量更精确。 

Claims (1)

1.基于圆结构光视觉传感器的管道内表面检测系统，包括位于管道内部的圆结构光投射器和摄像机，摄像机通过电缆外接图像采集卡到计算机上；

其特征在于：采用摄像机和圆结构光投射器沿管道轴向的排列，并保证摄像机光学中心和圆锥曲面中心轴向对准；

摄像机固定在一个支架上；将滑座放在一维导轨上，并通过支杆连接管道架托，然后将管道沿一维导轨方向放在管道架托上；圆结构光投射器固定在一维导轨的一侧；能在导轨上移动的靶标放置一维导轨上，且置于摄像机和圆结构光投射器之间；

摄像机和结构光投射器之间的轴向距离大于l，

其中的r为管道内径，A为结构光投射器的发散半锥角。

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