CN107576281B - 一种测量管路弯曲半径的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量管路弯曲半径的方法和装置，测量管路弯曲半径的方法包括：通过相机对管路进行成像；通过管路圆弧段的圆弧中心线和图像中管路圆弧段边缘点的映射关系构造含有管路弯曲半径的标准参数模型；根据图像中管路圆弧段边缘点计算管路弯曲半径。根据本发明实施例的测量管路弯曲半径的方法，能够快速准确地测量管路的弯曲半径，且该方法通用范围广，自动化程度高，不需要复杂的人工操作，测量结果精确度高，可靠性强，鲁棒性更好。

Description

一种测量管路弯曲半径的方法和装置

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种测量管路弯曲半径的方法和装置。

背景技术

复杂空间弯管广泛应用在汽车、航空航天及化工等领域，是燃料运输系统或散热系统的重要组成零件。测量管路实物尺寸并在此基础上进行准确校正是目前工程中保证管路加工质量，实现无应力装配的直接有效手段之一。在现有的技术中，被测量的管路尺寸主要包括端点位置、走向和弯曲夹角，少有关于弯曲半径的测量，而在近几年，对管路弯曲半径测量的需求日益增长，例如汽车中的散热管路，通过设计不同弯曲半径的管路达到避开障碍、满足特殊装配需求等，同时，弯曲半径的准确测量对修正由应力引起的管路回弹形变也有重要的指导作用。

现有的技术中，能精确测量弯曲半径的方法主要是三坐标测量和激光扫描方法，通过操作人员手工采集管路表面点云数据，再通过拟合与调整等方法计算管路尺寸。这类方法操作繁琐，自动化程度低，测量结果偏差大，而且采集的数据量大，仅采集完整的数据就需要花费大量的时间；同时，由于采集的数据量大，处理数据计算管路尺寸也需要耗费大量的时间，严重影响了测量效率。

近年来，基于立体视觉的三维测量技术得到了快速发展，但仍然是针对直线管路的测量，虽然有少量针对弯曲半径的测量，但是仍然存在局限性，如只能测量弯曲角度90°的弯曲半径，测量容易受到图像质量、光照环境和周围环境等外界因素的影响，导致测量结果的精度和可靠性低，偏差大，影响了管路设计和安装的精确度。

因此，如何开发出一种快速准确、通用、高自动化和高可靠性的管路弯曲半径的测量方法仍然是工程中亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种测量管路弯曲半径的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明第一方面实施例的测量管路弯曲半径的方法，包括以下步骤：

通过相机对管路进行成像；

通过管路圆弧段的圆弧中心线和图像中管路圆弧段边缘点的映射关系构造含有管路弯曲半径的标准参数模型，映射关系满足下述式：

其中，管路圆弧段上一点A_c经过相机光心C，在图像上形成管路圆弧段边缘点，该映射关系沿着空间直线L_c，过A_c有平面π_c与管路圆弧中心线交于点B_c，过B_c有圆弧中心线的切线l_c为平面π_c的法向量，S_Ol＝B_c×I_c，S_OL＝C×L_c，r_s为管路横截面半径；

根据图像中管路圆弧段边缘点计算管路弯曲半径。

进一步地，根据图像中管路圆弧段边缘点计算管路弯曲半径包括以下步骤：

获取管路待求圆弧段相邻的直线段参数、图像中管路圆弧段边缘点和相机内外参数；

构造管路圆弧段中心线参数模型；

根据管路圆弧段的圆弧中心线构造平面上的圆弧段，利用圆弧段坐标获取局部坐标系下管路圆弧段的切线方程；

获取局部坐标系和全局坐标系的转换关系，根据局部坐标系和全局坐标系的转换关系求取圆弧段切线和切点在全局坐标系下的参数方程；

根据相机内外参数以及图像中管路圆弧段边缘点，获取相机光心、图像中管路圆弧段边缘点和管路表面点的三点共线关系式；

根据所述含有管路弯曲半径的参数模型、所述圆弧段切线和切点在全局坐标系下的参数方程与所述三点共线关系式组成的方程组单点求解弯曲半径；

根据图像中单个边缘点与弯曲半径的求解关系，利用不同图像中弯曲部分多个边缘点通过非线性优化求解弯曲半径。

进一步地，所述管路圆弧段的两端分别形成为直线段，所述构造管路圆弧段中心线参数模型包括：

根据所述管路圆弧段中心线和与管路圆弧段相邻的两段直线段中心线构建局部平面坐标系；

根据所述局部平面坐标系表示出所述圆弧段含有所述弯曲半径的齐次坐标。

进一步地，所述管路的所述直线段中心线和所述圆弧段中心线相切且所述圆弧段中心线两端的所述直线段中心线相交，所述管路的所述直线段中心线和所述圆弧段中心线共面且均为二维面上的线。

进一步地，所述测量管路弯曲半径的方法还包括以下步骤：

利用不同图像中多个边缘点通过列文伯格马夸尔特方法优化求解管路弯曲半径。

根据本发明第二方面实施例的测量管路弯曲半径的装置，包括：

图像获取单元，用于采集待测部位管路的图像；

图像处理单元，用于对所述管路的图像进行处理获取管路上表面点信息；

数据采集单元，用于获取相机内外参数、图像边缘点和管路直线段参数；

数据处理单元，用于对采集的所述管路的图像及所述数据采集单元获取的数据进行分析、建立局部平面坐标系、构建参数方程、优化求解所述待测部位管路的弯曲半径。

本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：

根据本发明实施例的测量管路弯曲半径的方法，通过相机对管路进行成像；通过管路圆弧段的圆弧中心线和图像中管路圆弧段边缘点的映射关系构造含有管路弯曲半径的标准参数模型；根据图像中管路圆弧段边缘点计算管路弯曲半径。根据本发明实施例的上述过程和步骤，能够快速准确地测量管路的弯曲半径，且该方法通用范围广，自动化程度高，不需要复杂的人工操作，测量结果精确度高，可靠性强，鲁棒性更好。

附图说明

图1为本发明实施例测量管路弯曲半径的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中管路圆弧段与图像圆弧段边缘点映射关系示意图；

图3为本发明另一实施例测量管路弯曲半径的方法的流程示意图；

图4为本发明实施例中管路圆弧段的结构示意图；

图5为管路圆弧段中心线的参数模型；

图6为管路圆弧段中心线切线与切点示意图；

图7为相机、管路图像边缘点和管路表面点的几何关系；

图8为测量管路弯曲半径的测量装置。

附图标记：

测量管路弯曲半径的装置100；

图像获取单元10；

图像处理单元20；

数据采集单元30；

数据处理单元40；

管路圆弧段1；管路直线段2；管路圆弧段中心线3；管路直线段中心线4；

相机5；管路图像边缘点6；管路表面点7。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的测量管路弯曲半径的方法。

如图1所示，根据本发明实施例的测量管路弯曲半径的方法，包括以下步骤：

步骤101，通过相机对管路进行成像。

该步骤中，通过合适的相机对需要测量的管路进行拍照，获取待测管路的图像，对管路进行拍照时应保持管路表面的清洁和合适的姿态，防止因管路不清洁和姿态不合适而影响管路的成像效果，拍照时应选取合适的视角和光线，防止因拍照选取的视角和光线问题而影响管路的成像，从而影响管路的图像处理，拍照时应从不同的角度分别获取多张管路的图像，以便通过多张管路图像的处理获得更加精确的图像信息，为管路弯曲半径的测量计算提供可靠的图像信息。

步骤102，通过管路圆弧段的圆弧中心线和图像中管路圆弧段边缘点的映射关系构造含有管路弯曲半径的标准参数模型。

该步骤中，根据步骤101中所获取的多张管路图像，对图像进行处理，图像中管路边缘点和圆弧段管路存在一定的空间几何关系，如图2所示，管路圆弧段的中心线和图像中管路圆弧段边缘点存在映射关系，根据管路圆弧段的中心线和图像中管路圆弧段边缘点的映射关系可以构造出含有管路弯曲半径的标准参数模型，含有管路弯曲半径的标准参数模型如下述式(1)所示：

其中，管路圆弧段上一点A_c经过相机光心C，在图像上形成管路圆弧段边缘点，该映射关系沿着空间直线L_c，过A_c有平面π_c与管路圆弧中心线交于点B_c，过B_c有圆弧段中心线的切线l_c为平面π_c的法向量，式(1)中的S_Ol＝B_c×I_c，S_OL＝C×L_c，式中B_c表示切点B_c的参数方程，式中l_c为圆弧段中心线过点B_c的切线方程，式中的C为相机光心，与相机外参数有关，式中L_c与相机内外参数以及图像中边缘点有关的参数方程，r_s为管路横截面半径。

步骤103，根据图像中管路圆弧段边缘点计算管路弯曲半径。

该步骤中，利用立体视觉下，可以根据管路表面点和图像中边缘点的映射关系计算获得管路弯曲半径，根据步骤102中获取的管路弯曲半径的标准参数模型，并考虑了模型在三维空间中的位置和姿态，利用参数模型的形式表示了管路弯曲段的中心线。首先构造局部坐标系，获取圆弧段中心线在局部坐标系下的中心线上的点坐标和该点的切线方程，根据局部坐标系与全局坐标系的关系，将局部坐标系下的中心线上的点坐标和切线方程转换成中心线在全局坐标系下的点坐标和切线方程。

要求取管路的弯曲半径还需要获取步骤101中拍照相机的相关参数，根据相机内外参数以及图像中管路圆弧段边缘点，获取相机光心、图像中管路圆弧段边缘点和管路表面点三点共线的关系式，根据步骤102中获取的管路弯曲半径的标准参数模型、中心线在全局坐标系下的点坐标和切线方程以及相机光心、图像中管路圆弧段边缘点和管路表面点三点共线时的向量坐标关系式求取管路弯曲半径，此管路弯曲半径是根据管路上的一个边缘点求得的，可靠性低，可能导致偏差大，因此，可以根据不同图像和图像中的多个边缘点分别求取多个弯曲半径，并对所求的弯曲半径进行优化处理获取精确度较高的弯曲半径，通过优化由多个管路边缘点求得的管路弯曲半径结果更加精确，偏差小，减小由于不确定因素引起的误差，且该方法快速简单，自动化程度高，可以应用在多种弯曲管路中，测量结果可靠性高。

根据本发明实施例的测量管路弯曲半径的方法，在上述实施例的实施过程中，通过相机对管路进行成像；通过管路圆弧段的圆弧中心线和图像中管路圆弧段边缘点的映射关系构造含有管路弯曲半径的标准参数模型；根据图像中管路圆弧段边缘点计算管路弯曲半径。能够快速准确地测量管路的弯曲半径，且该方法应用范围广，自动化程度高，不需要复杂的人工操作，测量结果精确度高，可靠性强，鲁棒性好。

如图3所示，本发明实施例中根据图像中管路圆弧段边缘点计算管路弯曲半径的方法,包括以下步骤：

步骤201，通过相机对管路进行成像。

该步骤中，选取合适的相机对需要测量的管路进行拍照，获取待测管路的图像，在对管路进行拍照时，应保持管路清洁，条件允许的时候可以使得管路置于合适的姿态和位置，避免因管路的不清洁、姿态原因影响管路图像，从而影响图像边缘点的提取，拍照时应尽量选取合适的视角和光线，防止因拍照选取的视角和光线问题而影响管路的图像效果，拍照时应从不同的角度分别获取多张管路的图像，以便通过多张管路图像的处理获得更加精确丰富的图像信息，为管路半径的测量计算提供可靠的图像信息。

步骤202，根据管路圆弧段的圆弧中心线和图像中管路圆弧段边缘点的映射关系构造含有管路弯曲半径的标准参数模型。

该步骤中，对弯曲管路进行拍照获取图像，管路上的边缘点映射到图像中，存在一定的映射关系，根据管路圆弧段的圆弧中心线和图像中管路圆弧段边缘点的映射关系构造含有管路弯曲半径的标准参数模型，管路弯曲半径的标准参数模型如上述式(1)所示，可以构造出坐标系，根据圆弧中心线和图像中管路圆弧段边缘点在坐标系中的空间关系分别表示出相关参数的方程，将相关参数的方程、相机内外参数和管路弯曲半径的标准参数模型相结合既可以求得管路弯曲半径。

步骤203，获取管路待求圆弧段相邻的直线段参数、图像中管路圆弧段边缘点和相机内外参数。

该步骤中，获取管路与圆弧段相邻的直线段的基本参数信息，提取图像中管路圆弧段边缘点，一张图像中可以提取多个不同的边缘点，根据图像中的边缘点和管路上表面点之间的映射关系可以构造两者之间的参数方程。可以获取相机的内外参数，比如相机内的方位元素和镜头光学畸变系数，包括共线性、径向畸变、偏心畸变、像平面内仿射性畸变等参数对成像点的影响，要完成从相机坐标系到像平面坐标系的变换还需要得到像平面的像素单位与毫米单位之间的线性关系，获取相机坐标系到世界坐标系的矩阵变换关系，可以根据相机内外相关参数获取表示相机光心、图像中管路圆弧段边缘点和管路表面点三点关系的相机参数转换关系。

步骤204，构造管路圆弧段中心线参数模型。

该步骤中，管路圆弧段的两端分别为直线段，可以根据管路圆弧段中心线和与管路圆弧段相邻的两段直线段中心线构建局部平面坐标系，根据局部平面坐标系可以表示出圆弧段含有弯曲半径的齐次坐标。

为了快速准确地完成测量，可以先构造管路弯曲半径的标准参数模型，考虑到模型在三维空间中的位置和姿态，利用参数模型的形式表示管路圆弧段的中心线，测量的管路圆弧段结构的基本形状如图4所示，管路直线段中心线4和管路圆弧段中心线3相切且管路圆弧段中心线3两端的管路直线段中心线4相交，管路直线段中心线4和管路圆弧段中心线3共面且均为二维面上的线。

可以根据管路圆弧段中心线3构造平面上的管路弯曲部分圆弧段中心线的参数模型，如图5所示，构造二维局部坐标系，其中，C_σ表示管路圆弧段中心线3，且为一平面圆弧，与圆弧相邻有两段直线段中心线，在中心线上的单位向量可以表示为v₁和v₂，以两段直线管路中心线交点K为原点，v₁+v₂的方向为x轴构造局部平面坐标系，此时，圆弧C_σ的圆心坐标为O_c＝(λ，0)，圆弧半径为ρ，圆弧上的点的齐次坐标为p_σ＝(x，y，1)^T，满足下述式(2)的等式关系：

上述式(2)中C_σ可以表示如下：

C_σ为圆弧曲线的齐次坐标表示形式，由未知的参数λ和ρ构成，参数λ和ρ的关系可表示如下：

λ＝ρ/cos(α/2)

过圆弧C_σ的圆心O_C分别向在圆弧段中心线上的单位向量v₁和v₂作垂线，垂线与圆弧C_σ的两个交点即为垂足，两个垂足之间的圆弧所对应的弧心角即为角α，因此，仅有未知数ρ待求，且ρ就是管路弯曲半径。

步骤205，根据管路圆弧段的圆弧中心线构造平面上的圆弧段，利用圆弧段坐标获取局部坐标系下管路圆弧段的切线方程。

为了利用式(1)导出的映射关系求解弯曲半径ρ，还需要获得圆弧段中心线切线的向量l_c和切点B_c的参数方程。圆弧段中心线切线的向量l_c和切点B_c的参数方程的求解可以分为两个过程，先利用平面上齐次坐标的关系求解圆弧段中心线在局部坐标系下的切线方程，再将其转换到全局坐标系下从而获得l_c切线方程，同时也获得了圆弧段中心线切点的参数方程B_c。

如图6所示，圆弧C_σ的切线m过点p_σ，m*为切线上的向量，因此，m上的切线向量m*可以通过下述式(3)表示：

上述式(3)中可以表示如下：

是通过C_σ的行向量表示得到的，令其中，C_σ中1、2和3分别表示C_σ的第i行行向量，(i为1、2或3)，因此，局部坐标系下，圆弧段中心线上的点和切线可以表示为下述式(4)和式(5)所示的形式，其中，下述式(4)和式(5)中的θ为极坐标引入的参数。

步骤206，获取局部坐标系和全局坐标系的转换关系，根据局部坐标系和全局坐标系的转换关系求取圆弧段切线和切点在全局坐标系下的参数方程。

该步骤中，计算管路弯曲半径需要利用全局坐标系，通常情况下，全局坐标系由标定相机参数时确定。为了完成计算，需要将切线上向量参数方程和切点参数方程都转换到全局坐标系下，其转换关系如下述式(6)所示：

上述式(6)中，P表示全局坐标系下圆弧段中心线上的点坐标(P＝(X_c Y_c Z_c)^T，P||³)，R_σ表示从局部坐标系转换到全局坐标系的旋转矩阵，t_σ表示平移向量，R_σ和t_σ可以表示为如下：

R_σ＝(v_x v_y v_z)

t_σ＝K

其中，

v_x＝(v₁+v₂)/||v₁+v₂||

v_z＝(v₁×v₂)/||v₁×v₂||

v_y＝(v_z×v_x)/||v_z×v_x||

通过向量v₁，v₂和K点的坐标就能确认局部坐标系和全局坐标系的转换关系。

获取局部坐标系和全局坐标系的转换关系后，可以根据局部坐标系和全局坐标系的转换关系求取圆弧段切线和切点在全局坐标系下的参数方程。

利用全局坐标系和局部坐标系的转换关系，可以获得式(1)中计算管路弯曲半径的两个变量l_c和B_c，其中，l_c和B_c可以用下述式(7)和式(8)表示：

此时l_c和B_c仅和未知参数θ和ρ有关，其中ρ就是待求的管路弯曲半径。

步骤207，根据相机内外参数以及图像中管路圆弧段边缘点，获取表示相机光心、图像中管路圆弧段边缘点和管路表面点三点共线的关系式。

该步骤中，利用式(1)的关系求管路解弯曲半径还需要求解式(1)中L_c和C，其中L_c与相机内外参数以及图像中边缘点有关，C为相机光心，与相机外参有关。如图7所示，相机5的相机光心、管路图像边缘点6和管路表面点7满足三点共线的关系，其中x表示管路图像边缘点6的关系向量，X表示边缘点对应的管路表面点7的关系向量，该三点共线关系式可以用下述式(9)表示：

X＝ωR^-1A^-1x-R^-1t (9)

根据针孔相机模型的定义可知，相机光心C表示为C＝-R^-1t，相机光心C、像点和物点三点共线时存在向量L_c＝R^-1A^-1x，可以将向量关系L_c代入式(1)来计算管路弯曲半径。

步骤208，根据含有管路弯曲半径的参数模型、圆弧段切线和切点在全局坐标系下的参数方程与三点共线关系式组成的方程组单点求解弯曲半径。

该步骤中，将上述式(2)至式(9)中的相关结果结合式(1)，得到表示L_c和I_c关系的下述式(10)：

其中，S_Ol(θ，ρ)＝B_c(θ，ρ)＝I_c(θ，ρ)，D(θ，ρ)表示L_c和I_c之间公垂线的距离，根据式(1)提出的关系，其距离应该为管路截面半径，根据这个条件，可以得到下述式(11)和式(12)：

D(ρ，θ)＝r_s (12)

根据上述式(11)和式(12)可利用图像中单点求解管路弯曲半径。

利用管路图像上的一个边缘点和管路之间的映射关系，根据含有管路弯曲半径的参数模型、圆弧段切线和切点在全局坐标系下的参数方程与三点共线关系式组成的方程组可以单点求解管路弯曲半径，具体测量计算过程可以结合上述式(1)至式(12)来获得管路的弯曲半径。

利用管路上的一个边缘点求取的管路弯曲半径可能由于边缘点或者图像信息获取的不合适导致求取结果不准确，偏差大，具有不确定性，可靠性低，因此，需要获取管路图像中多个边缘点的信息，根据多张管路图像和多个边缘点进行计算管路弯曲半径。

步骤209，利用不同图像中多个边缘点通过列文伯格马夸尔特方法优化求解管路弯曲半径。

该步骤中，单点求解结果对管路图像中边缘点精度依赖很大，可靠性低，实际情况下，各个图像提取的边缘点数量很大，难以从中获取最精确的点求解弯曲半径，因此，在管路弯曲半径的求解过程中，还将立体视觉的特点考虑在内，利用不同图像中多个边缘点求解可以使得结果更稳定可靠。多个边缘点求解管路弯曲半径的方法可以通过下述式(13)进行计算：

其中，上述式(13)中θ_ij可以表示如下：

ρ_c为待求的管路弯曲半径，C_j表示第j个视角的相机的光心坐标，L_ij表示第j个视角下第i个边缘点对应的边缘点和相机光心关系，在多个管路边缘点的求解过程中，可以选取合适的优化方法对求解过程进行优化。列文伯格-马夸尔特是最优化算法中的一种，也是使用最广泛的非线性最小二乘法，因此，在上述求解中，可以通过列文伯格-马夸尔特方法完成优化就能求解管路弯曲半径。

根据本发明实施例的测量管路弯曲半径的方法，通过相机对管路进行成像；通过管路圆弧段的圆弧中心线和图像中管路圆弧段边缘点的映射关系构造含有管路弯曲半径的标准参数模型；根据图像中管路圆弧段边缘点计算管路弯曲半径。根据本发明实施例的测量管路弯曲半径的方法，能够快速准确地测量管路的弯曲半径，且该方法通用范围广，自动化程度高，不需要复杂的人工操作，测量结果精确度高，可靠性强，鲁棒性更好。

在上述实施例的计算测量过程中，通过获取管路图像信息并提取管路图像中的边缘点，根据图像中的边缘点和管路之间的映射关系构造含有管路弯曲半径的参数模型，通过构造坐标系获取管路圆弧段中心线上的切线和切点在全局坐标系下的参数方程，根据含有管路弯曲半径的参数模型、管路圆弧段中心线上的切线和切点在全局坐标系下的参数方程与三点共线关系式来计算管路弯曲半径，在通过不同图像中多个边缘点求取管路半径的过程中可以通过列文伯格-马夸尔特方法完成优化。通过上述实施例中的计算过程和步骤，能够准确地测量管路的弯曲半径，且该方法通用范围广，测量结果精确度高，可靠性强，鲁棒性好。

如图8所示，本发明还提供一种用于测量管路弯曲半径的测量装置100，该装置包括图像获取单元10、图像处理单元20、数据采集单元30和数据处理单元40，通过该装置可以获取管路的图像信息、处理管路的图像、采集相关数据信息，进而通过数据处理单元40对所获得的图像信息和相关数据进行处理求得管路的弯曲半径。

该装置中，图像获取单元10主要用于采集待测部位管路的图像，图像获取单元可以是相机的镜头系统，具有光线自动调节功能，使其获得的图像尽量降低来自光线的影响，能够自动或者人工调焦使得管路成像效果好，使得获取的图像满足要求，管路在图像中的空间关系不要失真，要接近实物管路，在采集图像时能够采集较多张图像，获取的多张图像可以储存在图像获取单元10中。

图像处理单元20主要用于对图像获取单元10获得的管路图像进行处理获取管路上表面点信息，图像获取单元10获取的多张照片也可以储存在图像处理单元20中，图像处理单元20能够对获取的图片进行选取和处理，对于一些拍摄效果不好的图像进行剔除，选取图像效果就较好的图像分别从不同管路图像上采集多个边缘点。

数据采集单元30主要用于获取相机内外参数、图像边缘点和管路直线段参数，数据采集单元30可以获取管路的基本参数信息，提取图像中管路圆弧段边缘点，可以获取相机的内外参数，比如相机内的方位元素和镜头光学畸变系数，包括共线性、径向畸变、偏心畸变、像平面内仿射性畸变等参数对成像点的影响，像平面的像素单位与毫米单位之间的线性关系，相机坐标系到世界坐标系的矩阵变换关系，可以获取表示相机光心、图像中管路圆弧段边缘点和管路表面点三点关系的相机参数转换关系。

数据处理单元40主要用于对采集的管路的图像及数据采集单元30获取的数据进行分析、建立局部平面坐标系、构建参数方程、优化求解待测部位管路的弯曲半径。

数据处理单元40可以根据图像处理单元20获得的图像信息和数据，根据管路圆弧段的圆弧中心线和图像中管路圆弧段边缘点的映射关系构造含有管路弯曲半径的标准参数模型；获取数据采集单元30采集的管路待求圆弧段相邻的直线段参数、图像中管路圆弧段边缘点和相机内外参数；构造管路圆弧段中心线参数模型；根据管路圆弧段的圆弧中心线构造平面上的圆弧段，根据管路圆弧段中心线和与管路圆弧段相邻的两段直线段中心线构建局部平面坐标系；根据局部平面坐标系表示出圆弧段含有弯曲半径的齐次坐标；利用圆弧段坐标获取局部坐标系下管路圆弧段的切线方程；获取局部坐标系和全局坐标系的转换关系，根据局部坐标系和全局坐标系的转换关系求取圆弧段切线和切点在全局坐标系下的参数方程；根据相机内外参数以及图像中管路圆弧段边缘点，获取相机光心、图像中管路圆弧段边缘点和管路表面点三点共线的关系式；根据含有管路弯曲半径的参数模型、圆弧段切线和切点在全局坐标系下的参数方程与三点共线关系式组成的方程组单点求解弯曲半径；数据处理单元40还可以利用不同图像中多个边缘点通过列文伯格马夸尔特方法优化求解管路弯曲半径。

本领域普通技术人员可以理解，测量管路弯曲半径的装置100实现上述管路弯曲半径的测量方法的实施例中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，程序可以存储于一计算机所可读取的存储介质中，该程序在执行时，可以包括如下步骤：

根据管路圆弧段的圆弧中心线和图像中管路圆弧段边缘点的映射关系构造含有管路弯曲半径的标准参数模型；获取管路待求圆弧段相邻的直线段参数、图像中管路圆弧段边缘点和相机内外参数；构造管路圆弧段中心线参数模型；根据管路圆弧段的圆弧中心线构造平面上的圆弧段，利用圆弧段坐标获取局部坐标系下管路圆弧段的切线方程；获取局部坐标系和全局坐标系的转换关系，根据局部坐标系和全局坐标系的转换关系求取圆弧段切线和切点在全局坐标系下的参数方程；根据相机内外参数以及图像中管路圆弧段边缘点，获取相机光心、图像中管路圆弧段边缘点和管路表面点三点共线的关系式；根据含有管路弯曲半径的参数模型、圆弧段切线和切点在全局坐标系下的参数方程与三点共线关系式组成的方程组单点求解弯曲半径；利用不同图像中多个边缘点通过列文伯格马夸尔特方法优化求解管路弯曲半径。上述的存储介质，可以是ROM/RAM、磁盘、光盘等。

根据本发明实施例的用于测量管路弯曲半径的装置100，能够获取管路的图像信息，通过对图像信息的处理和计算，能够快速准确地计算测量管路的弯曲半径，且该装置应用范围广，自动化程度高，不需要复杂的人工操作，测量结果精确度高，可靠性强，鲁棒性好。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种测量管路弯曲半径的方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过相机对管路进行成像；

通过管路圆弧段的圆弧中心线和图像中管路圆弧段边缘点的映射关系构造含有管路弯曲半径的标准参数模型，映射关系满足下述式：

其中，管路圆弧段上一点A_c经过相机光心C，在图像上形成管路圆弧段边缘点，该映射关系沿着空间直线L_c，过A_c有平面π_c与管路圆弧中心线交于点B_c，过B_c有圆弧中心线的切线l_c为平面π_c的法向量，S_Ol ＝ B_c × l_c ，S_OL＝C×L_c，r_s为管路横截面半径；

根据图像中管路圆弧段边缘点计算管路弯曲半径。

2.根据权利要求1所述的测量管路弯曲半径的方法，其特征在于，根据图像中管路圆弧段边缘点计算管路弯曲半径包括以下步骤：

获取管路待求圆弧段相邻的直线段参数、图像中管路圆弧段边缘点和相机内外参数；

构造管路圆弧段中心线参数模型；

根据管路圆弧段的圆弧中心线构造平面上的圆弧段，利用圆弧段坐标获取局部坐标系下管路圆弧段的切线方程；

获取局部坐标系和全局坐标系的转换关系，根据局部坐标系和全局坐标系的转换关系求取圆弧段切线和切点在全局坐标系下的参数方程；

根据相机内外参数以及图像中管路圆弧段边缘点，获取相机光心、图像中管路圆弧段边缘点和管路表面点的三点共线关系式；

根据所述含有管路弯曲半径的参数模型、所述圆弧段切线和切点在全局坐标系下的参数方程与所述三点共线关系式组成的方程组单点求解弯曲半径；

根据图像中单个边缘点与弯曲半径的求解关系，利用不同图像中弯曲部分多个边缘点通过非线性优化求解弯曲半径。

3.根据权利要求2所述的测量管路弯曲半径的方法，其特征在于，所述管路圆弧段的两端分别形成为直线段，所述构造管路圆弧段中心线参数模型包括：

根据所述管路圆弧段中心线和与管路圆弧段相邻的两段直线段中心线构建局部平面坐标系；

根据所述局部平面坐标系表示出所述圆弧段含有所述弯曲半径的齐次坐标。

4.根据权利要求3所述的测量管路弯曲半径的方法，其特征在于，所述管路的所述直线段中心线和所述圆弧段中心线相切且所述圆弧段中心线两端的所述直线段中心线相交，所述管路的所述直线段中心线和所述圆弧段中心线共面且均为二维面上的线。

5.根据权利要求2所述的测量管路弯曲半径的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

利用不同图像中多个边缘点通过列文伯格马夸尔特方法优化求解管路弯曲半径。