CN105806319B - 一种用于玻璃管线三维运动分析的跨轴式图像测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于图像测量技术领域，一种用于玻璃管线三维运动分析的跨轴式图像测量方法。两台摄像机固定在三角架上，并布置在管线轴线的两侧，互成一定角度观测目标管线，并通过传输导线与计算机相连。同步控制器的控制端口与计算机相连，同步信号输出端口与两台摄像机相连，负责图像的同步采集控制。两台LED补光灯分别布置在相机的两侧用于对测量管线进行照明。在进行测量前，首先在测量位置处围绕玻璃管线一周喷涂一窄带黄色防水荧光漆，然后在其两侧各喷涂一窄带黑色防水漆。本发明是玻璃管线运动测量时充分考虑了不同时刻管线图像中心的物理偏移问题，以及玻璃强反光影响和运动过程中管线表面同名点难于检索问题。

Description

一种用于玻璃管线三维运动分析的跨轴式图像测量方法
技术领域
本发明属于图像测量技术领域，涉及到圆柱型透明管线的三维运动测量问题，特别涉及基于双目视觉的管线定位追踪方法。
背景技术
在海洋工程管线模型实验中，常常利用圆柱型玻璃管线代替实际管线进行运动分析，如涡激振动研究以及采油管线的形态变化研究等。因此一种高精度的玻璃管线运动追踪测量方法对管线的实验研究非常重要。目前对于管线的运动测量可以采用接触式的测量方法，也可以采用非接触式的测量方法，前者如采用加速度计测量法、应变间接测量法等；后者如多普勒激光测振仪、立体视觉测量法等。但由于实验中的玻璃管线直径比较小(直径范围：8mm～20mm)，采用加载传感器的方式会干扰管线的运动，而多普勒测振的方法除了实验成本较高外也无法对管线上多个指定位置进行准确的运动追踪，且玻璃管线材质的透明特性也使得基于激光多普勒效应的测振设备无法得到正确的运动信息。立体视觉法使用图像分析的方式对管线进行测量，避免了对管线的直接接触，在提高数据信息有效性的同时也降低了实验成本，并且在测量过程中仅需要在测量位置喷涂荧光剂，避免了因整体喷涂试剂而改变管线表面物理特性的问题。此外，随着摄像机技术的高速发展，摄像速度从30fps到7500fps以至更快，完全满足了管线运动的测量要求。因此立体视觉法在柔性体运动测量方面得到了广泛的应用，如下述文献：
[1]邱志成,张祥通.基于视觉的柔性结构振动测量及其控制.振动测试与诊断,2012,32(1):11-16.
[2]徐秀秀,郭毓,余臻,等.基于机器视觉的柔性臂振动测量研究.2013, 41(S1):130-132.
[3]许畅,王聪,高晶波,等.基于摄像测量法的在轨柔性结构模态参数辨识. 哈尔滨工业大学学报,2014,46(11):17-23.
[4]张春芳.基于双目立体视觉的大型柔性结构在轨振动测量研究.哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2014:1-62.
在这些应用研究中，对目标体的测量均采用了局部特征的追踪方法，而这些局部特征即可以是目标物自身特征，也可以是人工标记，如粘贴反光片，布置发光LED灯等。这些特征的存在使得追踪过程中同名点的对应成为可能。然而，对于海洋工程实验中所应用的透明玻璃管线而言，无法利用自身的纹理特征，而且利用表面粘贴主动发光或被动发光标记点的方式，仅是追踪管线外壁某点的运动，当管线除平移运动外，还存在旋转运动时，将无法表征此位置管线轴心的运动(实验中玻璃管的直径相对于管长而言不可忽略)。此外，当管线发生大角度转动时，这些单侧粘贴的标记点会因遮挡而无法提取，导致追踪失败，并且在水下实验时会因长时间在水中浸泡，而导致粘贴标志物无法完全贴合管线，形成运动阻尼。
综上所述，目前还没有一种基于立体视觉原理的玻璃管线运动测量技术可以很好地解决实验水槽中透明玻璃管线运动的测量问题。
发明内容
针对海洋工程模型实验中玻璃管线的运动测量问题，本发明将双目视觉重构技术与图像识别定位技术相结合，提出一种用于玻璃管线三维运动分析的跨轴式图像测量方法。
本发明的技术方案如下：
一种用于玻璃管线三维运动分析的跨轴式图像测量方法，由一台计算机、两台工业高速摄像机、一台同步控制器、两台LED补光灯以及三角架所组成。两台摄像机固定在三角架上，并布置在管线轴线的两侧(跨轴布置)，互成一定角度观测目标管线，并通过传输导线与计算机相连。同步控制器的控制端口与计算机相连，同步信号输出端口与两台工业高速摄像机相连，负责图像的同步采集控制。而两台LED补光灯分别布置在相机的两侧用于对测量玻璃管线进行照明。在进行测量前，首先在测量位置处围绕玻璃管线一周喷涂一窄带黄色防水荧光漆，然后在其两侧各喷涂一窄带黑色防水漆。分析时，首先在工业高速摄像机采集的图像中对玻璃管线的荧光位置进行检测，然后对荧光位置进行四边形拟合，并计算其中心位置，最后沿极线方向搜索左右相机中标记点的对应位置，并进行三维重构，得到该时刻标记位置的玻璃管线中心空间坐标。当完成不同时刻标记位置的坐标获取后，便可绘制该位置处玻璃管线的运动曲线。具体方法描述如下：
步骤A：在玻璃管线的测量位置处环绕管线以“暗-亮-暗”方式喷涂防水荧光漆条纹(可选用黑色作为暗色，黄色作为亮色)，其中条纹的宽度依据相机的分辨率设置，在能够成功识别的基础上尽量窄(条纹宽度一般多于5pixels)。
步骤B：根据测试范围的要求固定好工业高速摄像机的位置，调好工业高速摄像机参数。开启LED补光灯，并根据现场情况调节出光强度。
步骤C：使用张正友标定法对两台工业高速摄像机进行标定，记录相机的内、外参数(用于三维重构)。
步骤D：两台工业高速摄像机同步采集玻璃管线的静态图像，使用矩形窗在图像上交互式选择出所有测量位置，此时每个矩形窗内以“暗-亮-暗”的条纹为主体。
步骤E：使用OSTU阈值法对窗口图像进行二值化，并使用RANSAC直线拟合法提取亮条纹外接四边形的四条边。计算该四边形的四个角点，并根据四个角点的坐标来计算四边形对角线的交点位置。将该交点作为该测量位置处条纹的中心，并设包含该四边形的最小窗口的尺寸为Wd。
步骤F：使用极线约束方法将两个角度图像上的条纹中心进行配对，并使用双目视觉三维重构方法对不同位置的玻璃管线轴心进行空间坐标计算。并将该坐标信息作为原始位置信息。
步骤G：动态采集玻璃管线图像，使用归一化协方差互相关匹配法对两台摄像机像面上管线中心的位置变化进行追踪(分析窗口尺寸为1.5Wd～2Wd)。而对于每次的追踪结果均采用步骤E中的方法对条纹中心进行高精度定位。然后使用三维重建的方法计算分析位置的空间坐标。最后将每一时刻不同测量位置处管线轴心的位置坐标与其相应的原始位置信息进行比对便得到该管线的运动信息。
综上所述，测量前首先在目标管线上喷涂明暗相间的荧光带；然后布置摄像系统并进行系统定标；之后开始进行测量，测量时先检测图像上亮条纹的位置，接下来对条纹中心进行高精度定位；最后结合定标参数对管线中心进行三维重构并计算运动信息。
本发明充分考虑了不同时刻管线图像中心的物理偏移问题以及玻璃强反光影响和运动过程中管线表面同名点难于检索问题。以局部喷涂明暗相间的荧光环带形成特征条纹，并配合四边形中心定位方法识别条纹中心，再结合立体视觉原理准确重构出管线轴心位置，并以管线轴心的追踪代替管线表面上点的追踪，有效地减小了追踪时非同名点对应引起的误差，大幅度地提高了运动测量的准确性与精度，极大地促进了图像测量技术在海洋工程管线实验中的应用。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图。
图中：1 计算机；2 同步控制；3 工业高速摄像机A；4 工业高速摄像机B；5 LED 补光灯A；6 LED补光灯B；7 玻璃管线；8 黑色喷涂条纹；9 黄色荧光条纹；10 三角架。
具体实施方式
本发明的方法所采用的装置，其结构示意如附图1所示：
用于玻璃管线三维运动分析的跨轴式图像测量系统包括一台计算机1、同步控制器2、两台高速工业摄像机(摄像机3与摄像机4)、两台LED补光灯(补光灯5与补光灯6)、玻璃管线7、黑色喷涂条纹8、黄色荧光条纹9、三角架10。摄像机3与摄像机4固定在三角架10上，并布置在管线轴线的两侧(跨轴布置) 且互成一定角度观测目标管线7，并通过传输导线与计算机1相连。同步控制器 2的控制端口与计算机1相连，同步信号输出端口与两台摄像机相连，负责图像的同步采集控制。而两台LED补光灯5与补光灯6分别布置在摄像机的两侧用于对测量管线7进行照明。在进行测量前，首先在测量位置处沿玻璃管线一周喷涂一窄带黄色荧光条纹9，然而在其两侧各喷涂一窄带黑色喷涂条纹8。分析时，首先在摄像机采集的图像中对管线的黄色荧光条纹9进行检测，然后对黄色荧光条纹9进行四边形拟合，并计算其中心位置，最后沿极线方向搜索左右相机中标记点的对应位置，并进行三维重构，得到该时刻标记位置的管线轴心空间坐标。当完成不同时刻标记位置的坐标获取后，便可绘制该位置处管线7 的运动曲线。具体方法描述如下：
步骤A：在管线的测量位置处环绕管线以“暗-亮-暗”方式喷涂防水荧光漆条纹(黑色喷涂条纹8,黄色荧光条纹9)，其中条纹的宽度依据相机的分辨率设置，在能够成功识别的基础上尽量窄(条纹宽度一般多于5pixels)。
步骤B：将摄像机安装在三角架10上，根据测试范围的要求固定好摄像机 3与摄像机4的位置，调好摄像机参数。开启LED补光灯5与补光灯6，并根据现场情况调节出光强度。
步骤C：使用张正友标定法对两台摄像机进行标定，记录相机的内外参数(用于三维重构)。
步骤D：在同步控制器2的控制下，两台摄像机采集管线7的静态图像，使用矩形窗在图像上交互式选择出所有测量位置，此时每个矩形窗内以“暗-亮- 暗”的条纹为主体。
步骤E：使用OSTU阈值法对窗口图像进行二值化，并使用RANSAC直线拟合法提取亮条纹外接四边形的四条边。计算该四边形的四个角点，并根据四个角点的坐标来计算四边形对角线的交点位置。将该交点作为该测量位置处条纹的中心，并设包含该四边形的最小窗口的尺寸为Wd。
步骤F：使用极线约束方法将两个角度图像上的条纹中心进行配对，并使用双目视觉三维重构方法对不同位置的管线轴心进行空间坐标计算。并将该坐标信息作为原始位置信息。
步骤G：动态采集管线图像，使用归一化协方差互相关匹配法对两台摄像机像面上管线中心的位置变化进行追踪(分析窗口尺寸为1.5Wd～2Wd)。而对于每次的追踪结果均采用步骤E中的方法对条纹中心进行高精度定位。然后使用三维重建的方法计算分析位置的空间坐标。最后将每一时刻不同测量位置处管线轴心的位置坐标与其相应的原始位置信息进行比对便得到了该管线的运动信息。
综上所述，测量前首先在目标管线7上喷涂明暗相间的黑色喷涂条纹8与黄色荧光条纹9；然后布置摄像系统并进行系统定标；之后开始进行测量，测量时先检测图像上亮条纹的位置，接下来对条纹中心进行高精度定位；最后结合定标参数对管线中心进行三维重构并计算运动信息。

Claims (1)

1.一种用于玻璃管线三维运动分析的跨轴式图像测量方法，其特征是
用于玻璃管线三维运动分析的跨轴式图像测量系统包括一台计算机(1)、同步控制器(2)、高速工业摄像机A与高速工业摄像机B、两台LED补光灯、玻璃管线(7)、黑色喷涂条纹(8)、黄色荧光条纹(9)、三角架(10)；
高速工业摄像机A与高速工业摄像机B固定在三角架(10)上，并布置在玻璃管线(7)轴线的两侧，互成一定角度观测目标玻璃管线(7)，并通过传输导线与计算机(1)相连；同步控制器(2)的控制端口与计算机(1)相连，同步信号输出端口与两台高速工业摄像机相连，负责图像的同步采集控制；LED补光灯A与LED补光灯B分别布置在摄像机的两侧用于对测量玻璃管线(7)进行照明；
进行测量前，首先在测量位置处沿玻璃管线一周喷涂一窄带黄色荧光条纹(9)，然而在其两侧各喷涂一窄带黑色喷涂条纹(8)；分析时，首先在摄像机采集的图像中对管线的黄色荧光条纹(9)进行检测，然后对黄色荧光条纹(9)进行四边形拟合，并计算其中心位置，最后沿极线方向搜索左右相机中标记点的对应位置，并进行三维重构，得到该时刻标记位置的管线轴心空间坐标；当完成不同时刻标记位置的坐标获取后，便可绘制该位置处管线(7)的运动曲线；
具体步骤如下：
步骤A：在管线的测量位置处环绕管线以“暗-亮-暗”方式喷涂黑色喷涂条纹(8)和黄色荧光条纹(9)；其中条纹的宽度依据相机的分辨率设置，条纹宽度多于5pixels；
步骤B：将摄像机安装在三角架(10)上，根据测试范围的要求固定好高速工业摄像机A与高速工业摄像机B的位置，调好摄像机参数；开启LED补光灯A与LED补光灯B，并根据现场情况调节出光强度；
步骤C：使用张正友标定法对两台摄像机进行标定，记录相机的内外参数，用于三维重构；
步骤D：在同步控制器(2)的控制下，两台摄像机采集玻璃管线(7)的静态图像，使用矩形窗在图像上交互式选择出所有测量位置，此时每个矩形窗内以“暗-亮-暗”的条纹为主体；
步骤E：使用OSTU阈值法对窗口图像进行二值化，并使用RANSAC直线拟合法提取亮条纹外接四边形的四条边；计算该四边形的四个角点，并根据四个角点的坐标来计算四边形对角线的交点位置；将该交点作为该测量位置处条纹的中心，并设包含该四边形的最小窗口的尺寸为Wd；
步骤F：使用极线约束方法将两个角度图像上的条纹中心进行配对，并使用双目视觉三维重构方法对不同位置的管线轴心进行空间坐标计算，并将该坐标信息作为原始位置信息；
步骤G：动态采集管线图像，使用归一化协方差互相关匹配法对两台摄像机像面上管线中心的位置变化进行追踪，分析窗口尺寸为1.5Wd～2Wd；而对于每次的追踪结果均采用步骤E中的方法对条纹中心进行高精度定位；然后使用三维重建的方法计算分析位置的空间坐标；最后将每一时刻不同测量位置处管线轴心的位置坐标与其相应的原始位置信息进行比对便得到了该管线的运动信息。
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