CN103362495A

CN103362495A - 一种孔内全景像对立体成像方法

Info

Publication number: CN103362495A
Application number: CN2013103081449A
Authority: CN
Inventors: 王川婴; 韩增强; 胡胜
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-07-22
Also published as: CN103362495B

Abstract

本发明公开了一种孔内全景像对立体成像方法，包含了基本原理，方法，优化设计和算法实现。根据立体成像的基本原理，利用双锥面镜的光学变换器件、成像装置和空间定位的技术组合，提出成像装置的包含定位信息的360°钻孔孔壁全景像对图像的成像方法；通过对孔内全景像对成像原理的理论分析，推导出全景像对图像的解算公式，并针对相关技术的参数和布局设计进行优化分析，建立相应的软件算法；针对算法实现的关键点和难点进行分析，并编制相应的实施方案和流程框图。本发明解决了孔内全景、立体探测的难题，为孔内精细化探测提供了一种科学方法，实现了钻孔摄像技术的突破性和实质性进展，具有显著的科学意义和经济实用价值。

Description

一种孔内全景像对立体成像方法

技术领域

本发明涉及一种孔内全景像对立体成像方法，更具体涉及一种针对钻孔孔壁的利用双锥面镜形成孔壁全景像对图像、成像装置实现像对图像成像以及立体像对图像解算的方法；突破了以往钻孔成像无法在钻孔内实现三维成像的技术难题，推动了钻孔成像技术的进一步发展，更适用于精细化的孔内探测。

背景技术

由于岩体遭受各种构造运动的作用及浅表的地质改造，使得岩体中广泛存在规模不等、产状不同、性质各异的各类结构面，这些结构面的空间分布与产出状态构成了岩体的结构，岩体结构特征是决定岩土工程稳定性的重要因素。国际岩石力学学会将岩体中的断层、软弱面、大多数节理、软弱节理和软弱带等各种力学成因的破裂面和破裂带定义为结构面。长期以来，除了通过天然露头或人工开挖面获得地表结构面几何特征外，对深部岩体结构面的探测仍广泛采用钻孔岩芯测定方法，虽然它简单、方便、实用，但是对于软弱或破碎岩体，钻孔取芯率相对较低时，完整、准确获取岩体内结构面几何特征则是困难的，开展系统的描述和分析几乎是不可能的。众所周知，钻孔孔壁保持着岩体内结构面几何特征的原始状态。随着科学技术的发展，钻孔成像技术的应用，针对钻孔孔壁的探测技术和分析方法得到了长足的进步，使得解决这一问题逐渐地成为可能。

钻孔成像技术依靠光学原理，使人能直接观测到钻孔的内部，是一种新型、实用和有效的孔内探测技术。到目前为止，其发展经历了四个阶段：钻孔照相、钻孔摄像、数字全景钻孔照相以及数字全景钻孔摄像。前二个阶段的技术特点是模拟方式下的定性观察、描述和评价，具有粗糙的估算能力，在一定程度上解决了孔内探测的难题，为钻孔成像技术的发展奠定了基础，而后二个阶段则是数字方式下的精确量测、定量评价和完整分析，是科学技术发展的必然产物，体现在全景技术、定位方法和数字技术的综合系统集成，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、数字化领域的快速发展。

通常模拟方式下钻孔成像技术采用平面反射镜，并以钻孔中心轴线成45°布置，成像部件沿钻孔中心轴线对准平面反射镜，这时钻孔孔壁的局部经平面反射镜进入成像部件，由此获得的只是局部孔壁图像，为了得到其它部位的孔壁图像，则须调整平面反射镜的方向，使其对准相关部位。然而数字方式下钻孔成像技术在反射成像方面取得了突破，将平面反射镜发展成为锥面反射镜，并将其布置于钻孔中心，使其轴线与钻孔中心轴线共线，成像部件沿钻孔中心轴线对准锥面反射镜，这时360°钻孔孔壁经锥面反射镜进入成像部件，由此获得了包含360°钻孔孔壁的平面图像，即全景图像，若钻孔是标准圆柱形，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，为数字化处理奠定了基础。但是，不论是模拟方式还是数字方式下的钻孔成像技术，也仍然存在一些问题：1）基本假设的局限性。通常钻孔孔壁被认为是圆柱面，其孔径和横截面形状在成孔后不变，但实际钻进后的钻孔孔壁并不能保持这种不变性，特别是在较破碎区域孔壁表面凸凹不平，这对成像质量、量测精度和分析的准确性带来不利的影响；2）准三维成像的单一性。基于钻孔孔壁为圆柱面的假设和利用全景技术实现的光学变换器件，360°孔壁可变换为平面图像，这反映了现有的成像技术仍为平面成像技术，而且，其对孔壁的观察方向始终不变，在实际钻孔表面起伏不定的情况下，会遮挡这种单一方向的成像，观察效果必然受到影响。因此，如何突破以往钻孔成像技术的基本假设和平面成像问题，实现钻孔内的三维成像，是钻孔成像技术跨入新一代的关键，也是孔内探测技术朝着精细化发展的重要方向。

鉴于现有钻孔成像技术存在的问题，本发明提出一种孔内全景像对立体成像方法，从根本上解决了基本假设与实际情况不符以及孔内三维成像的技术难题，使钻孔成像技术得到了突破性和实质性的进展。该方法采用双锥面镜的全景成像技术，从二个不同方向对孔壁同一区域进行成像，当这二个方向的夹角大于一定角度时，即可得到最佳效果的全景立体像对，该像对同时进入同一个成像部件形成全景立体像对图，定位系统与成像部件保持同步，为全景立体像对图提供同步的方向和位置，数字化定位后的全景立体像对图，经过计算将立体像对进行分离，然后再进行图像配准，最终获得配准图像上各点的三维坐标，建立起钻孔孔壁的空间坐标系统。孔内全景像对立体成像方法的优点在于：1）对钻孔的基本信息要求较少。无需圆柱面孔壁的基本假设，虽要求给出孔径数据，但仅作为参照对比之用；2）成像和定位方式简单。仅通过一个成像部件即能获得全景立体像对图，并能同步叠加实时空间位置信息；3）观察分辨能力强。双锥面镜提供了不同的观察方向，可形成从不同方向观察的孔壁图像，其内含信息更加丰富、更加精细。

发明内容

本发明的目的就是为了克服以往钻孔成像方法存在的缺点和不足，提出一种利用双锥面镜形成孔壁全景像对、成像装置实现像对图像成像以及立体像对图像解算的方法，即孔内全景像对立体成像方法。该方法设计巧妙、思想创新、理论严密、易于实现，是新一代钻孔成像探测系统的技术基础，具有广泛的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种孔内全景像对立体成像方法，包括以下步骤，

步骤1、选取第一锥面镜和第二锥面镜，第一锥面镜位于第二锥面镜下部，第一锥面镜和第二锥面镜均为锥台形，第一锥面镜的顶面与第二锥面镜的底面重合并相交于公交圆；第一锥面镜的延伸的锥顶角大于第二锥面镜的延伸的锥顶角；第一锥面镜底面形成截底面，第二锥面镜顶面形成截头面；

步骤2、将第一锥面镜和第二锥面镜放置于被测孔中，将成像装置放置于第二锥面镜的顶部，成像装置包括成像部件和镜头，镜头为成像部件的配套定焦镜头；镜头的主光轴、第一锥面镜的中心线和第二锥面镜的中心线重合；

步骤3、通过成像装置获得由第一锥面镜和第二锥面镜反射的孔壁的全景像对图像，同步获得全景像对图像的对应的深度值和方位信息；

步骤4、定义像平面坐标中心为成像部件的像平面与镜头的主光轴的交点，截头面的外圆、公交圆和截底面的外圆在像平面上的成像依次为截头面外圆图像、公交圆图像和截底面外圆图像，在截底面外圆图像和公交圆图像之内设定与公交圆图像同心的第一扫描线圆；

步骤5、以第一扫描线圆为基准；对于第一扫描线圆上的被测点，其方位线为该点与圆心的连线；在公交圆图像和截头面外圆图像之内的方位线上搜索与被测点相同的点，即配准点；

步骤6、计算被测点对应于孔壁处的点到镜头的主光轴的距离和被测点对应于孔壁处的点与公交圆的高程差；

R = (h×tg(a1+2×b1)×tg(a2+2×b2) + R1×tg(a2+2×b2) – R2×tg(a1+2×b1)) / (tg (a2+2×b2) – tg(a1+2×b1))) ；

ΔZ = ((R – R1) / tg(a1+2×b1)) – (R1 – R0)×tg(b1)；

R为被测点对应于孔壁处的点到镜头的主光轴的距离；

ΔZ为被测点对应于孔壁处的点与公交圆的高程差；

设定被测点对应在孔壁上的点为点P，F1点在第一锥面镜上，点P经过F1点反射成像为被测点，F2点在第二锥面镜上，点P经过F2点反射成像为配准点；

b1为第一锥面镜的底面内角；

b2为第二锥面镜的底面内角；

a1为点P经过第一锥面镜上的F1点反射后进入镜头中心的光线与镜头主光轴的夹角；

a2为点P经过第二锥面镜上的F2点反射后进入镜头中心的光线与镜头主光轴的夹角；

R0为公交圆的半径；

R1为点P在第一锥面镜上的反射点F1到镜头主光轴的距离；

R2为点P在第二锥面镜上的反射点F2到镜头主光轴的距离；

h为反射点F1和反射点F2的高程差。

如上所述的获得全景像对图像的对应的深度值包括以下步骤，

牵引电缆与第一锥面镜和第二锥面镜连接，牵引电缆牵引第一锥面镜和第二锥面镜在被测孔不同深度，同时牵引电缆带动测量轮旋转，通过转角测量部件测量测量轮的转动角度，则第一锥面镜和第二锥面镜在被测孔中移动的深度为转动角度与测量轮半径的乘积，通过第一锥面镜和第二锥面镜在被测孔中移动的深度获得全景像对图像的深度值。

如上所述的获得全景像对图像的对应的方位信息包括以下步骤：

步骤3.1、放置机械罗盘在第二锥面镜的截头面的中心；

步骤3.2、通过成像装置获得叠加有机械罗盘图像的全景像对图像，机械罗盘图像指针所指方向即为全景像对图像对应的方位信息。

步骤4.1、放置电子罗盘在第二锥面镜的截头面的垂直中心线上且位于成像装置上方；

步骤4.2、将电子罗盘的方位数字叠加到全景像对图像上反映孔壁信息的位置；

步骤4.3、在步骤4.2处理后的全景像对图像上分割每个方位数字，并将分割后的每个数字图像与0-9的数字图像进行对比，确认方位数字的值，获得方位信息。

通过以上方案及措施设计的孔内全景像对立体成像方法，利用了双锥面镜技术和光学成像原理，建立了成像装置获取全景像对图像的结构体系，通过分析其几何关系，推导了像对图像解算公式，得到了钻孔孔壁的三维坐标，解决了孔内全景、立体探测的难题，实现了钻孔摄像技术的突破性和实质性进展，具有显著的科学意义和经济实用价值。

本发明具有以下优点和积极效果：

1) 本发明利用成像装置获取全景像对图像，使孔内全景、立体光学探测成为可能；

2) 本发明不再依赖钻孔孔壁为圆柱面的基本假设，直接通过对全景像对图像的解算，确定钻孔孔壁的实际形状和三维坐标；

3) 本发明提供了从二个方向同时观察钻孔孔壁的能力，使探测的分辨力和精度得到了提高；

4) 本发明的构思严密，方法设计巧妙，公式推导正确，可实现计算机软件编程；

5) 本发明的结构体系和总体布局简单，易于实施。

总之，本发明提供了一种利用双锥面镜和成像装置实现的孔内全景、立体光学探测的科学方法，实现了对钻孔孔壁实际形状的探测和三维坐标的解算，提高了对目标的识别能力和探测的精度。该方法设计巧妙，构思严密，结构体系简单，易于实施。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为全景像对单一相机成像原理示意图；

图3为轮式滚动测量原理示意图；

图4为定位原理示意图；

图5-1为方位数字化示意图；

图5-2为方位显示布局示意图；

图6-1为全景像对图像展开示意图；

图6-2为第一扫描线展开过程示意图；

图6-3为第二扫描线展开过程示意图；

图7为像对配准方法示意图；

图8为像对图像解算示意图；

图9为数字图像识别流程框图；

图10为扫描线展开流程框图；

图11为像对配准流程框图。

图中：1-钻孔；2-光学变换器件；3-全景象对图像；4-成像装置；5-定位方法；6-全息全景像对图像； 11-最小钻孔；12-最大钻孔；13-第一公共区域；14-第二公共区域；15-第一交点；16-第一交点到截底面的高差；

21-第一锥面镜；22-第二锥面镜；23-第一锥面镜的锥顶角；24-第二锥面镜的锥顶角；25-公交圆；26-截底面；27-截头面；28-第一夹角；29-第二夹角；

41-摄像头；42-镜头；43-镜头的光学中心到截底面的距离；44-第一光线；45-第二光线；46-第三光线；47-第四光线；48-镜头42的成像中心轴线；

51-深度测量方法；511-测量轮；512-牵引电缆；513-转角测量部件；514-转动角度；515-滚动弧长；516-牵引电缆；512直线运动的距离；52-方位测量方法；521-机械罗盘；522-机械罗盘的指针；523-电子罗盘；524-字符叠加器；525-方向；

71-定位信息数字化步骤；711-罗盘图像；712-数字图像；713-中心点；714-搜索圆；715-0-9的图像；

72-像对扫描线成图步骤；721-公交圆图像；722-截底面外圆图像；723-截头面外圆图像；724-第一扫描线圆；725-第二扫描线圆；726-方位；727-第一展开图像727；728-第二展开图像728；

73-像对图像配准步骤；731-第一扫描线圆724上的一点；732-方位线；733-配准点；

74-像对图像解算步骤；741-图像解算公式。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：

孔内全景像对立体成像方法，位于钻孔1中的全景像对图像的光学变换器件2采用双锥面镜，可将钻孔1中同一区域的360°孔壁图像变换成为二个全景图像，形成于同一图像之中，即全景像对图像3；获取全景像对图像3的成像部件为成像装置4，位于全景像对图像的光学变换器件2的上部，并对准全景像对图像的光学变换器件2，使之全部进入并位于成像部件的中央；定位方法5通过采用轮式滚动测量和磁性定位方法，确定孔壁图像的位置和方向；定位方法5获得的信息图像与全景像对图像3同步进入成像装置4中，形成全息全景像对图像6；全景像对图像的配准和解算方法分离全息全景像对图像6，提取同步的定位信息，形成展开的像对图像，并建立钻孔孔壁的三维坐标。

定位信息数字化步骤71以全息全景像对图像6中的罗盘图像711和数字图像712为目标；罗盘图像711和数字图像712的位置和区域大小固定；分别提取罗盘图像711和数字图像712的局部图像；在罗盘图像711中设定中心点713和搜索圆714，沿搜索圆714搜索罗盘指针522，获得全息全景像对图像6中的罗盘方位数值；在数字图像712中，分割每一位数字；将每一位数字图像与已设的0-9的图像715对比，确定数字图像的数值；

像对扫描线成图步骤72以定位信息数字化步骤71为基础，以全息全景像对图像6中的公交圆25的公交圆图像721、截底面26的截底面外圆图像722和截头面27的截头面外圆图像723为边界，分离像对图像；在截底面外圆图像722和公交圆图像721之内以及在公交圆图像721和截头面外圆图像723之内分别设定与公交圆图像721同心的第一扫描线圆724和第二扫描线圆725；方位726可由定位信息数字化步骤71来确定，通常指向北，是图像展开的初始（或基准）方位；按照该方位。分别以顺时针方向展开第一扫描线圆724和第二扫描线圆725上的图像，并按深度累积所有的第一扫描线圆724和第二扫描线圆725上的展开图像，分别形成像对的第一展开图像727和第二展开图像728；

像对图像配准步骤73以第一扫描线圆724为基准；对于第一扫描线圆724上的一点731，其方位线732为该点与圆心的连线；在公交圆图像721和截头面外圆图像723之内的方位线732上搜索与该点731相同的点，即配准点733，计算出配准点733的图像坐标；针对第一扫描线圆724上的每一点进行配准，即可获得所有配准点对应的图像坐标；

像对图像解算步骤74利用基于孔内全景立体成像原理推导出像对图像解算公式741，其基本参数包含全景像对图像的光学变换器件2中的几何尺寸、成像装置4中的光学参数以及这二者的几何位置参数；通过配准后的像对图像坐标，利用像对图像解算公式741，即可获得钻孔孔壁上对应点的三维坐标。

孔内全景像对立体成像方法的全景像对图像的光学变换器件2包括第一锥面镜21和第二锥面镜22。第一锥面镜21位于第二锥面镜22的下部，第一锥面镜21和第二锥面镜22均为锥台形，第一锥面镜21的顶面与第二锥面镜22的底面重合并相交于公交圆25；第一锥面镜21的延伸的锥顶角23大于第二锥面镜22的延伸的锥顶角24；第一锥面镜21底面形成截底面26，截底面26的直径小于最小钻孔11的直径；第二锥面镜22顶面形成截头面27，截头面27的直径不作限定，可用于钻孔孔壁上公共区域大小的调整，公共区域为图2中的第一公共区域13和第二公共区域14。第一公共区域13和第二公共区域14限定了该方法适用的孔径范围；截底面26与截头面27平行；第一光线44经过第一锥面镜21的锥侧最底部反射进入镜头42；第二光线45经过第一锥面镜21的锥侧最顶部反射进入镜头42；第三光线46经过第二锥面镜22的锥侧最底部反射进入镜头42；第四光线47经过第二锥面镜22的锥侧最顶部反射进入镜头42；第一光线44和第四光线47相交于第一交点15，第一交点15必须在最大钻孔12以外，且位于截底面26和截头面27的高程范围以内；第一光线44和第四光线47的第一夹角28需大于最佳像对成像之夹角（通常为6°，但不限于这个值）。在最小钻孔11的孔壁上，第一光线44和第二光线45之间的区域与第三光线46和第四光线47之间的区域存在交集部分，交集部分构成第一公共区域13；在最大钻孔12的孔壁上，第一光线44和第二光线45之间的区域与第三光线46和第四光线47之间的区域存在交集部分，交集部分构成第二公共区域14。第一交点15限定了最大钻孔的孔径，而截底面26又限定了最小钻孔的孔径，即第一交点15和截底面26共同限定了该方法适用的钻孔孔径的范围。

孔内全景像对立体成像方法的成像装置4包括成像部件41和镜头42。成像部件41可以为CCD、CMOS等成像部件；镜头42为成像部件41的配套定焦镜头；镜头42的光学中心到截底面26的距离43大于截底面26直径的2倍；截底面26垂直于镜头42的成像中心轴线48，且与其同心；截底面26完全处于镜头42的纵向视场范围内，镜头42有对应的横向和纵向视场，若截底面26（为一个圆）处于纵向视场范围，则它一定位于成像范围内。

孔内全景像对立体成像方法的与成像同步的定位方法5包括深度测量方法51和方位测量方法52。深度测量方法51为轮式滚动测量；测量轮511与牵引电缆512相切；牵引电缆512做直线运动，带动测量轮511滚动；牵引电缆512直线运动的距离516等于测量轮511的滚动弧长515；转角测量部件513用于获取测量轮511的转动角度514；测量轮511的半径根据实际情况而定，但由此可得到测量轮511的滚动弧长515，即滚动弧长515等于测量轮511的半径乘以转动角度514；方位测量方法52采用磁性定位部件，即机械罗盘521或电子罗盘523；机械罗盘521置于第二锥面镜22的轴线上；全景像对图像3和机械罗盘521的图像同步进入成像装置4中；机械罗盘521的指针522确定全景像对图像3的方位；电子罗盘523设置于成像装置4的上方，其中心与成像中心轴线48共线；电子罗盘523可获得方位数值，通过预先设定的电子罗盘523和成像装置4的初始方位，等同为成像装置4获取的全息全景像对图像6定位；字符叠加器524可将电子罗盘523获得的方位数值同步叠加到全息全景像对图像6中。通过深度测量方法51和方位测量方法52可获得经过第一锥面镜21和第二锥面镜22反射到镜头42中的各个深度的全景像对图像3的深度和方位。

孔内全景像对立体成像方法的全景像对图像的配准和解算方法包括定位信息数字化步骤71、像对扫描线成图步骤72、像对图像配准步骤73和像对图像解算步骤74。

像对图像配准步骤73以第一扫描线圆724为基准进行配准：对于第一扫描线圆724上的一点731，其方位线732为该点与圆心的连线；在公交圆图像721和截头面外圆图像723之内的方位线732上搜索与该点731相同的点，即配准点733，计算出配准点733的图像坐标；针对第一扫描线圆724上的每一点进行配准，即可获得所有配准点对应的图像坐标；

同时像对图像配准步骤73也可以用第二扫描线圆725为基准进行配准：对于第二扫描线圆725上的选定点，其方位线为该选定点与圆心的连线，在公交圆图像721和截底面外圆图像722之内的方位线上搜索与该选定点相同的点，即配准点，计算配准点的图像坐标，针对第二扫描圆725上的每一个点进行配准，既可以获得所有配准点对应的图像坐标

像对图像解算公式741的基本参数742包括：第一锥面镜21的顶角23（θ₁），第二锥面镜22的顶角24（θ₂），公交圆25的半径（R0）及镜头42的焦距（f）。

R = (h×tg(a1+2×b1)×tg(a2+2×b2) + R1×tg(a2+2×b2) – R2×tg(a1+2×b1)) / (tg (a2+2×b2) – tg(a1+2×b1)))；

ΔZ = ((R – R1) / tg(a1+2×b1)) – (R1 – R0)×tg(b1)；

r0为常数，是成像部件的像平面上公交圆（25）所成图像上的任一点到坐标中心的距离，即像平面上公交圆（25）的半径；

r1是成像装置（4）的像平面上第一扫描线圆（724）上的被测点到坐标中心的距离，即像平面上第一扫描线圆（724）的半径；

r2是步骤5中获得配准点到坐标中心的距离；

设定被测点对应在孔壁上的点为点P，F1点在第一锥面镜（21）上，点P经过F1点反射成像为被测点，F2点在第二锥面镜（22）上，点P经过F2点反射成像为配准点；

b1为第一锥面镜（21）的底面内角；

b2为第二锥面镜（22）的底面内角；

a0为公交圆（25）上的点进入镜头光学中心的光线与镜头主光轴夹角；

a1为点P经过第一锥面镜（21）上的F1点反射后进入镜头中心的光线与镜头主光轴的夹角；

a2为点P经过第二锥面镜（22）上的F2点反射后进入镜头中心的光线与镜头主光轴的夹角；

R1为点P在第一锥面镜（21）上的反射点F1到镜头主光轴的距离；

R2为点P在第二锥面镜（22）上的反射点F2到镜头主光轴的距离；

h为反射点F1和反射点F2的高程差；

ΔZ为点P和公交圆（25）的高程差。

其中：

b1 = 90° - θ₁ / 2；

b2 = 90° - θ₂ / 2；

a0 = arctg ( r0 / f )；

a1 = arctg( r1 / f )；

a2 = arctg( r2 / f ) ；

然后，可求得：

R1 = R0 (1 + (r1 – r0) cos(a1) cos(b1) / (r0 cos(a1+b1)))；

R2 = R0 (1 – (r0 – r2) cos(a2) cos(b2) / (r0 cos(a2+b2)))；

h = R0 (((r1 – r0) cos(a1) sin(b1) / (r0 cos(a1+b1)))+

(r0 – r2) cos(a2) sin(b2) / (r0 cos(a2+b2))))；

最后，得到：

R = (h tg(a1+2 b1) tg(a2+2 b2) + R1 tg(a2+2 b2) – R2 tg(a1+2 b1)) /

(tg(a2+2 b2) – tg(a1+2 b1))) ； ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1)

ΔZ = ((R – R1) / tg(a1+2 b1)) – (R1 – R0) tg(b1) ；? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2)

实施例1：步骤1、综合选择

地质钻孔是首选目标，其孔径变化范围较大，为此需选择一个适当的范围。在这里，可考虑最常用的孔径范围，即76mm-150mm。

为了实现孔内全景、立体成像勘察的目的，成像技术、光学变换器件技术和定位方法是必须的。然而考虑到双成像部件在孔内实现像对成像的复杂性，所以选择成像装置和双锥面镜的光学变换器件技术以及轮式滚动测量和电子罗盘的定位方法的组合。

步骤2、技术分析

根据图2所示，成像装置41可采用CCD（电荷耦合部件）成像部件，镜头42为定焦镜头，焦距为f，纵向视场角为λ。设距离43为l，截底面26的半径为R₂₆，且l > 4?R₂₆,当截底面26完全处于镜头42的纵向视场范围内时，则有：

l ? tg（λ/2) > R₂₆或 λ> 2 ? arctg(R₂₆/l)

因此，由纵向视场角大小的范围即可选择出成像装置41和镜头42。例如：距离43为截底面26直径的3倍时，镜头42的纵向视场角需大于19°，故可选择1/3CCD成像部件和8mm镜头。

根据图8所示，当点P处于图2中第一交点15的位置上时，点F1即为图2中第一锥面镜21与截底面26的交点，而点F2为图2中第二锥面镜22与截头面27的交点。设h1和h2分别为截底面26与公交圆25的高差和截底面26与截头面27的高差，R26和R27分别为截底面26和截头面27的半径，则a0，a1，a2可由下面的式子求得：

a0 = arctg ( R0 / (l – h1) )

a1 = arctg( R26 / l)

a2 = arctg(R27 / (l – h2) )

然而，R1、R2和h为：

R1 = R26，R2 = R27，h = h2

将上面的参数代入公式（1）中，则可求得第一交点15到中心轴线48的距离R15。另外，还可进一步求得：

第一光线44和第四光线47的第一夹角28为：

(θ₁–θ₂) –(a1–a2)

第一光线44和截底面26的延长线的第二夹角29为：

– (90°+ a1 -θ₁)

第一交点15到截底面26的高差16为：

(R15 –R26) ? tg(– (90°+ a1 -θ₁))

值得注意的是：1）只有当夹角29为正时，高差16大于0，即满足第一交点15位于截底面26和截头面27的高程范围以内的条件，而此时，θ₁须大于（90°+ a1），因此，第一锥面镜21的顶角23一定大于90°；2）由于第一夹角28需大于最佳像对成像之夹角,即 (θ₁–θ₂) –(a1–a2) > 6°，而由a1和a2的定义可知（a1–a2）为正数，因此，(θ₁–θ₂)必须大于6°；3）(θ₁–θ₂)的值越大，立体效果越佳，但探测范围越小（即适用的孔径范围越小）。

根据图3所示，深度测量技术51采用轮式滚动测量，而转角测量部件513可采用N个脉冲的旋转编码器，若测量轮511的周长为S毫米时，则深度测量技术51的测量精度为S/N（单位：毫米/脉冲）。例如，S为100mm，N为1000脉冲，则测量精度可达到0.1mm。

根据图4所示，电子罗盘523有一个基准方向，该方向指向北极时，电子罗盘523输出值为0，若顺时针旋转，其输出值为0-360范围内变化。将电子罗盘523的基准方向指向全息全景像对图像6中的方向525，那么，电子罗盘523的输出值即为方向525与北极之间的角度。

步骤3、原理实现

根据图5所示，数字图像712有明显的特征：1）每一位数字是可分离的；2）数字与背景的颜色是可分辨的；3）数字图像的大小是固定的。因此，可以通过计算机算法软件实现对这些特征的提取、对比和识别，其软件实现的流程框图如图9所示。

根据图6所示，像对扫描线成图步骤72的关键在于：1）罗盘方位的确定；2）深度的精确控制。两条相邻扫描线之间的深度差越小，展开图像727和728的纵向精度就越高，但图像的数据量会越大，对深度的控制就越困难。因此，有必要根据不同工程的需要选择不同精度的深度控制，其软件实现的流程框图如图10所示。

根据图7所示，像对图像配准步骤73的关键在于准确确定配准点733，其基本原理是进行像素级搜索和比较以及局部验证，通常采用二种方法：1）自动配准；2）人工配准。较大范围的配准由计算机软件算法自动完成，而当获得的配准点不唯一或未获得配准点时，则由人工来实现，其软件实现的流程框图如图11所示。

根据图8所示，像对图像解算步骤74的基础是公式（1）和公式（2），在得到公式（1）中的R之后，并利用电子罗盘523提供的方位角φ，按下列公式：

x = R ? cos(φ)，y = R ? sin(φ)，z = ΔZ

即可求得孔壁上对应点的三维坐标。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种孔内全景像对立体成像方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1、选取第一锥面镜（21）和第二锥面镜（22），第一锥面镜（21）位于第二锥面镜（22）下部，第一锥面镜（21）和第二锥面镜（22）均为锥台形，第一锥面镜（21）的顶面与第二锥面镜（22）的底面重合并相交于公交圆（25）；第一锥面镜（21）的延伸的锥顶角（23）大于第二锥面镜（22）的延伸的锥顶角（24）；第一锥面镜（21）底面形成截底面（26），第二锥面镜（22）顶面形成截头面（27）；

步骤2、将第一锥面镜（21）和第二锥面镜（22）放置于被测孔中，将成像装置（4）放置于第二锥面镜（22）的顶部，成像装置（4）包括成像部件（41）和镜头（42），镜头（42）为成像部件（41）的配套定焦镜头；镜头（42）的主光轴、第一锥面镜（21）的中心线和第二锥面镜（22）的中心线重合；

步骤3、通过成像装置（4）获得由第一锥面镜（21）和第二锥面镜（22）反射的孔壁的全景像对图像（6），同步获得全景像对图像（6）的对应的深度值和方位信息；

步骤4、定义像平面坐标中心为成像部件（41）的像平面与镜头（42）的主光轴的交点，截头面（27）的外圆、公交圆（25）和截底面（26）的外圆在像平面上的成像依次为截头面外圆图像（723）、公交圆图像（721）和截底面外圆图像（722），在截底面外圆图像（722）和公交圆图像（721）之内设定与公交圆图像（721）同心的第一扫描线圆（724）；

步骤5、以第一扫描线圆（724）为基准；对于第一扫描线圆（724）上的被测点（731），其方位线（732）为该点与圆心的连线；在公交圆图像（721）和截头面外圆图像（723）之内的方位线（732）上搜索与被测点（731）相同的点，即配准点（733）；

ΔZ = ((R – R1) / tg(a1+2×b1)) – (R1 – R0)×tg(b1)；

R为被测点对应于孔壁处的点到镜头的主光轴的距离；

ΔZ为被测点对应于孔壁处的点与公交圆的高程差；

b1为第一锥面镜（21）的底面内角；

b2为第二锥面镜（22）的底面内角；

R0为公交圆（25）的半径；

h为反射点F1和反射点F2的高程差。

2.根据权利要求1所述的一种孔内全景像对立体成像方法，其特征在于，所述的获得全景像对图像（6）的对应的深度值包括以下步骤，

牵引电缆（512）与第一锥面镜（21）和第二锥面镜（22）连接，牵引电缆（512）牵引第一锥面镜（21）和第二锥面镜（22）在被测孔不同深度，同时牵引电缆（512）带动测量轮（512）旋转，通过转角测量部件（513）测量测量轮（511）的转动角度，则第一锥面镜（21）和第二锥面镜（22）在被测孔中移动的深度为转动角度与测量轮半径的乘积，通过第一锥面镜（21）和第二锥面镜（22）在被测孔中移动的深度获得全景像对图像（6）的深度值。

3.根据权利要求1所述的一种孔内全景像对立体成像方法，其特征在于，所述的获得全景像对图像（6）的对应的方位信息包括以下步骤：

步骤3.1、放置机械罗盘在第二锥面镜（22）的截头面（27）的中心；

步骤3.2、通过成像装置（4）获得叠加有机械罗盘图像的全景像对图像（6），机械罗盘图像指针所指方向即为全景像对图像（6）对应的方位信息。

4.根据权利要求1所述的一种孔内全景像对立体成像方法，其特征在于，所述的获得全景像对图像（6）的对应的方位信息包括以下步骤：

步骤4.1、放置电子罗盘在第二锥面镜（22）的截头面（27）的垂直中心线上且位于成像装置（4）上方；

步骤4.2、将电子罗盘的方位数字叠加到全景像对图像（6）上反映孔壁信息的位置；

步骤4.3、在步骤4.2处理后的全景像对图像（6）上分割每个方位数字，并将分割后的每个数字图像与0-9的数字图像进行对比，确认方位数字的值，获得方位信息。