CN110320211A - 基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置 - Google Patents

基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置，包括图像获取装置和行进定位装置，图像获取装置用于获取管道内壁图像，并将图像实时传输到计算机上；行进定位装置用于搭载图像获取装置在管道内部行进，并且保持图像获取装置在管道中的定心状态，同时可以得到缺陷所位于管道内的具体位置；依据图像获取装置获取的管道内壁缺陷图像，在计算机端进行缺陷的自动识别与分析。本发明可以实现小口径非弯管道或类管道圆柱形中空物体内壁缺陷的无损检测，具有操作方便、成本低、检测效率高等特点，同时可以直观地观测到管道内壁的状况并进行缺陷在线快速检测、缺陷自动识别及缺陷相关参数分析。

Description

基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置
技术领域
本发明属于数字图像处理及缺陷检测领域，具体涉及一种基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置。
背景技术
管道或类管道的圆柱中空物体在化工、电力、军工等行业广泛存在并得到大量使用，但经历长期使用后，管道内壁极易出现裂纹、腐蚀等损伤，如果这些缺陷损伤达到一定的状态则会直接影响到设备系统的正常工作，因此需要对这些缺陷进行识别检测并进行定量的分析。目前管道内壁缺陷检测系统一般采用涡流传感器、超声波传感器、红外传感器以及图像传感器等，这些方法对大口径、长距离的管道检测效果好，但对一些小口径、短距离的管道或者类管道物体的适应性不强，且系统使用复杂、成本较高，同时缺乏一些对缺陷的快速识别及定量分析功能。
中国专利201310470878.7公开了一种基于电磁感应热激励方法的管道缺陷红外检测系统，该系统利用电磁感应线圈对管道进行加热，之后通过红外热像仪进行检测，该方法实现较为复杂，成本较高不利于现场在线快速检测。
中国专利201711298915.5公开了一种步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，该系统带有动力装置及CCD相机，可以在管道内爬行，但系统体积较大，不适用于小口径的管道，且成本较高装置可靠性不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置，该系统可满足对小口径、短距离的管道或类管道圆柱形中空物体进行在线快速缺陷检测，且成本低、操作方便。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置，包括图像获取装置和行进定位装置，利用搭载图像获取装置的行进定位装置，对直径为20mm-70mm的小口径非弯管道或类管道中空圆柱体的内壁进行无损缺陷识别。
所述的图像获取装置包括直视摄像头、侧视摄像头、摄像头连杆、四颗直视方向LED灯和两颗侧视方向LED灯；摄像头连杆为中空杆件，直视摄像头嵌入摄像头连杆一端，四颗直视方向LED灯环绕直视摄像头周向均匀布置在摄像头连杆的端面，侧视摄像头固定在摄像头连杆的侧壁上，两颗侧视方向LED灯固定在摄像头连杆的侧壁上，使得侧视方向LED灯的照射方向与侧视摄像头光轴方向同向且平行，摄像头连杆设置在行进定位装置内。
所述的行进定位装置包括保护套、定心块、操作手轮和定位杆，保护套为薄壁圆筒，侧壁上开有窗口，摄像头连杆设置在保护套内，窗口满足直视摄像头、侧视摄像头、四颗直视方向LED灯和两颗侧视方向LED灯的视场要求；定位杆头部为内螺纹，尾部为外螺纹，定心块头部通过紧定螺钉固定在保护套根部，定心块尾部中心设有一根螺纹杆，用于与定位杆的内螺纹连接；操作手轮通过螺纹固定在定位杆尾部。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明可以实现对小口径、短距离、低照度的管道内壁进行在线快速检测，同时系统的成本低，操作方便且可靠性好。
(2)本发明可以采集管道内壁缺陷区域，有利于对缺陷的类型的判断，同时可以根据采集的信息，便于后期计算缺陷的面积、长度及宽度等尺寸参数，并可以对缺陷位置进行定位。
附图说明
图1为本发明的基于数据图像的小口径管道缺陷识别系统的装置整体结构示意图。
图2为本发明的图像获取装置示意图。
图3为本发明的搭载图像获取装置的小口径管道内行进定位装置示意图。
图4为本发明的行进定位装置中接驳套示意图。
图5为本发明的基于数据图像的小口径管道缺陷识别流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置，适用于直径为20mm-70mm的小口径非弯管道或类管道中空圆柱体，包括图像获取装置1、行进定位装置2。图像获取装置1安装在行进定位装置2内，并与行进定位装置2形成一个刚体共同运动，图像获取装置1的数据线穿过行进定位装置2的内部与计算机3相连。
所述的图像获取装置1用于实时获取管道内壁的图像，并通过数据线以数字图像的格式传输到计算机3。
所述的行进定位装置2用于搭载图像获取装置1，行进定位装置2与图像获取装置1之间是便捷可拆卸的连接方式，当行进定位装置2搭载了图像获取装置1时，二者构成一个刚性物体共同运动。
结合图2，图像获取装置1包括直视摄像头1-1，直视方向LED灯1-2，侧视摄像头1-3，侧视方向LED灯1-4，直视摄像头1-1与侧视摄像头1-3光轴方向呈90°垂直，直视方向LED灯1-2照射方向与直视摄像头1-1光轴方向平行，侧视方向LED灯1-4照射方向与侧视摄像头1-3光轴方向平行。图像获取装置1中的直视摄像头1-1、直视方向LED灯1-2，侧视摄像头1-3，侧视方向LED灯1-4的数据线位于图像获取装置1的内部，并穿过行进定位装置2的内部从操作手轮2-5中部穿出并与计算机3相连。
所述的直视摄像头1-1选用景深为10mm到无穷远，有效像素为50万，直径为5mm的摄像头，可与计算机3相连并传输图像数据，直视摄像头1-1用于管道轴向方向上的大范围大角度观测，可以实现管道内壁缺陷的快速检测定位。
所述的直视方向LED灯1-2共4颗，环绕直视摄像头360°范围内每隔90度布置，亮度多级可调节，用于直视摄像头1-1在管道内低照度条件下的补光。
所述的侧视摄像头1-3选用景深为3mm到50mm，有效像素为50万，直径为5mm的摄像头，可以与计算机3相连并传输图像数据，
所述的侧视方向LED灯1-4共2颗，布置在侧视摄像头1-3同侧，光线照射方向与侧视摄像头1-3光轴方向同向且平行，亮度多级可调节，用于侧视摄像头1-3在管道内低照度条件下的补光。
结合图3，行进定位装置2主要用于搭载图像获取装置1在小口径管道内进行定位定点检查。行进定位装置2包括保护套2-1、定心块2-2、定位杆2-3、接驳环2-4和操作手轮2-5组成。通过设置在定心块2-2上的紧定螺钉将定心块2-2与保护套2-1固连在一起，定位杆2-3两端均设置外螺纹，保护套2-1和操作手轮2-5安装在定位杆2-3两端，接驳环2-4外径可根据管道内径进行适配。
保护套2-1为中空结构，侧边开有槽孔，满足直视摄像头1-1和侧视摄像头1-3的视场要求。定心块2-2可在保护套2-1轴向滑动，一般通过紧定螺钉固定在保护套2-1根部，靠近定位杆2-3头部，保证在行进过程中图像获取装置1与管道轴线尽可能重合。定位杆2-3长度为1m，头部为内螺纹，尾部为外螺纹，方便将多根定位杆连接进行长度拓展。操作手轮2-5通过口部内螺纹固定在定位杆2-3尾部，手柄表面滚花，增加转动操作摩擦力，增加测试过程的可靠性。
结合图4，行进定位装置2中的接驳环2-4由锁紧套2-4-1和螺纹套2-4-2两部分组成。螺纹套2-4-2螺纹段在圆周方向对称设置4个2mm宽的槽道，在锁紧套2-4-1没有拧入螺纹套2-4-2螺纹段之前，两部分可在定位杆2-3轴向方向自由滑动，随着锁紧套2-4-1的不断旋入，设置在锁紧套2-4-1的锥形螺纹压迫螺纹套2-4-2的螺纹段，使得螺纹套2-4-2上开设的槽道在宽度上沿径向减小，增大螺纹套2-4-2内表面与定位杆2-3表面的预压力，实现接驳环2-4在定位杆2-3无损定位。根据管道不同口径，设计不同外径的接驳环2-4，反方向拧松锁紧套2-4-1，完成接驳环2-4的快速换装。
结合图5，本发明所述的基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置的识别方法，具体包括以下步骤：
步骤1：图像获取装置1搭载在行进定位装置2上，两者之间是可拆卸分离的，紧固连接时则构成一个刚体共同运动。行进定位装置2可以保证图像获取装置1在管道中的定心，并且行进定位装置2拥有定位的功能，可以获取缺陷位于管道内的位置信息。
步骤2：依据所检测管道的直径，通过更换少量易拆卸的配件，使行进定位装置2满足该型管道的使用要求(行进定位装置可适用于20mm-70mm直径的小口径管道)，推动搭载着图像获取装置1的行进定位装置2在管道内行进，可以通过行进定位装置2上的刻度线读取图像获取装置1中侧视摄像头距离管道口的距离；可以通过行进定位装置2末端的手轮360°周向转动图像获取装置1，目的是使图像获取装置1侧视摄像头1-3能够实现管道360°的周向检测；图像获取装置1中的直视摄像头1-1、直视方向LED灯1-2，侧视摄像头1-3，侧视方向LED灯1-4的数据线位于图像获取装置1的内部，并穿过行进定位装置2的内部从操作手轮2-5中部穿出装置并与计算机3相连。
步骤3：图像获取装置1与计算机3相连，计算机3显示图像获取装置1拍摄到的管道内部实时画面，并进行缺陷的自动识别检测与相关参数的计算，同时可以控制直视摄像头1-1与侧视摄像头1-3的切换，调节直视方向LED灯1-2亮度，使管道内壁清晰成像；
步骤4：利用大景深的直视摄像头1-1观测大范围的管道内壁，发现疑似缺陷时，切换小景深微焦距的侧视摄像头1-3进行精确检测，利用计算机3对侧视摄像头1-3拍摄的缺陷图像进行检测识别及计算分析，方法如下：
步骤4-1：利用分段伽马变换的方法对侧视摄像头1-3拍摄到的管道图像进行预处理，将图像中所有的点的灰度按照既定变换函数进行变换，从而精确调整图像灰度，从而达到图像增强的目的，算法的数学模型为：
式中：f(x,y)为原图像灰度离散函数，g(x,y)为经过变换函数变换后的图像灰度离散函数，Iup、Idown分别为阴影图像中亮区灰度最大值和阴影区灰度上限，Oup、Odown分别表示输出图像中灰度上限和下限，γ为伽马变换增强系数。
步骤4-2：利用双边滤波算法对利用分段伽马变换增强后的图像进行去噪处理，去除图像噪声的同时可以很好的保留缺陷的轮廓信息；
步骤4-3：利用Otsu阈值分割算法对去噪之后的图像进行分割，利用Canny算子进行缺陷边缘检测提取，得到管道内壁缺陷的区域。利用提取得到的缺陷边缘信息计算缺陷的短径与长径之比，统计Otsu阈值分割算法得到缺陷区域的像素点个数，作为缺陷面积计算的依据。
所述的缺陷短径与长径之比的计算方法如下：
缺陷长径L1用边界上的任意两点(x1,y1)、(x2,y2)之间的最大距离来表示：
设M(xm,ym)为计算得到的长径的中点,(xb,yb)、(xe,ye)为长径两端点的坐标，则点M的坐标为：
长径与图像X轴的夹角θ为：
缺陷短径L2的长度定义为边界上垂直于长径的一组直线中距离最长的直线长度，可以用如下公式计算：
L2＝max{2((y-ym)cos(θ)+(x-xm)sin(θ))}
式中：x、y表示缺陷边界上任意一点在图像中的位置坐标。
步骤4-4：利用步骤4-3中计算得到的缺陷的短径与长径之比、边缘检测得到的缺陷个数、缺陷区域的面积，利用分类二叉树的方法建立识别缺陷类型的分类器。本发明可以实现常见三类缺陷(裂纹、蚀斑、麻点)的识别，依据缺陷形状特性及对数据样本的分析可得：当缺陷的短径与长径之比小于0.15时，缺陷分类为裂纹；缺陷的短径与长径之比小于0.15时，缺陷分类为蚀斑或者麻点，再依据缺陷的个数及面积对蚀斑和麻点进行分类，当图像中缺陷的数量小于5且缺陷区域面积占图像面积比超过0.2时，判定为蚀斑，否则判定为麻点。
步骤4-5：通过步骤4-3中得到的缺陷区域像素点个数，及缺陷长径、短径的像素点长度，依据通过标定建立的不同直径管道中像素点长度与实际长度的转换关系，可以得到缺陷区域的实际面积、缺陷的实际长度及宽度。
步骤5：通过行进定位装置2上的刻度线可以读取缺陷距管道口的距离，通过行进定位装置2的操作手轮2-5上的角度刻度可以获得缺陷的周向位置。

Claims (9)

1.一种基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置，其特征在于：包括图像获取装置（1）和行进定位装置（2），利用搭载图像获取装置（1）的行进定位装置（2），对直径为20mm-70mm的小口径非弯管道或类管道中空圆柱体的内壁进行无损缺陷识别。
2.根据权利要求1所述的基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置，其特征在于：所述的图像获取装置（1）包括直视摄像头（1-1）、侧视摄像头（1-3）、摄像头连杆（1-5）、四颗直视方向LED灯（1-2）和两颗侧视方向LED灯（1-4）；摄像头连杆（1-5）为中空杆件，直视摄像头（1-1）嵌入摄像头连杆（1-5）一端，四颗直视方向LED灯（1-2）环绕直视摄像头（1-1）周向均匀布置在摄像头连杆（1-5）的端面，侧视摄像头（1-3）固定在摄像头连杆（1-5）的侧壁上，两颗侧视方向LED灯（1-4）固定在摄像头连杆（1-5）的侧壁上，使得侧视方向LED灯（1-4）的照射方向与侧视摄像头（1-3）光轴方向同向且平行，摄像头连杆（1-5）设置在行进定位装置（2）内。
3.根据权利要求2所述的基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置，其特征在于：直视摄像头（1-1）选用50万的有效像素，景深为10mm到无穷远的摄像头，用于观测小口径管道内壁，实现缺陷的快速定位；直视方向LED灯（1-2）选用多级亮度可调节LED灯；侧视摄像头（1-3）选用50万的有效像素，景深为3mm到50mm的摄像头，用于分析管道内壁缺陷区域；侧视方向LED灯（1-4）选用多级亮度可调节LED灯；直视摄像头（1-1）光轴方向与管道中轴线共线，直视摄像头（1-1）与侧视摄像头（1-3）光轴方向呈90°垂直。
4.根据权利要求1所述的基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置，其特征在于：所述的行进定位装置（2）包括保护套（2-1）、定心块（2-2）、操作手轮（2-5）和定位杆（2-3），保护套（2-1）为薄壁圆筒，侧壁上开有窗口，摄像头连杆（1-5）设置在保护套（2-1）内，窗口满足直视摄像头（1-1）、侧视摄像头（1-3）、四颗直视方向LED灯（1-2）和两颗侧视方向LED灯（1-4）的视场要求；定位杆（2-3）头部为内螺纹，尾部为外螺纹，定心块（2-2）头部通过紧定螺钉固定在保护套（2-1）根部，定心块（2-2）尾部中心设有一根螺纹杆，用于与定位杆（2-3）的内螺纹连接；操作手轮（2-5）通过螺纹固定在定位杆（2-3）尾部。
5.根据权利要求4所述的基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置，其特征在于：所述定位杆（2-3）由若干根子定位管依次连接而成，相邻的两根子定位管之间设有接驳套（2-4）。
6.根据权利要求5所述的基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置，其特征在于：接驳套（2-4）包括锁紧套（2-4-1）和锥形螺纹压迫套（2-4-2），锥形螺纹压迫套（2-4-2）周向上均匀四个自头部向下开设的槽口，锥形螺纹压迫套（2-4-2）套在相邻两根子定位管的接口处，并通过锁紧套（2-4-1）包裹锥形螺纹压迫套（2-4-2）的槽口，增大螺纹套（2-4-2）内表面与定位杆（2-3）表面的预压力，实现接驳套（2-4）在定位杆（2-3）无损定位。
7.根据权利要求4所述的基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置，其特征在于：定心块（2-2）、定位杆（2-3）均为中空结构。
8.根据权利要求4所述的基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置，其特征在于：定位杆（2-3）上有刻度线。
9.根据权利要求4所述的基于数字图像的小口径管道内壁缺陷识别装置，其特征在于：操作手轮（2-5）有角度刻度。
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