CN110672033A - 一种利用3d渲染的管道误差测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种本发明公开了一种利用3D渲染的管道误差测量方法，用于解决工业中人工测量管道误差而产生的效率低、测量复杂、操作困难的问题。测量方法由数据采集、数据处理、3D渲染三个部分组成。系统首先通过固定在框架上的相机对管道数据进行多方位的采集；然后将数据传入到数据处理中心，同时将采集所得的管道实际数据与管道的标准模具数据进行比对，计算出具体位置的具体误差；最后，利用3D渲染工具进行管道渲染，重建出管道的具体形状，根据具体位置的具体误差有差别地进行表面渲染，使得管道的误差可以得到直接清晰的展示，同时根据误差进行校正，直到达到管道建造标准要求。该系统有效地测量了管道误差，为工业中管道品质检测及管道校正提供了直观高效简单的方法。

Description

一种利用3D渲染的管道误差测量方法

技术领域

本发明涉及管道误差测量技术领域，主要涉及一种利用3D渲染的管道误差测量方法。

背景技术

现代工业中，管路系统大量应用于核堆、航空、航天、船舶和汽车工业中，负责气体、液体等介质的传输和测量，是高端机电产品的重要组成部分，管路零件的精确加工对产品的性能和安全性有着重要的影响。工程中，为了保证加工中的回弹补偿和加工后的质量检测以实现管路的无应力装配，一般需要对导管弯曲成型后的空间几何形态进行精确测量和重构，并在此基础上进行校正。

目前的测量方法主要有靠模法、三坐标测量法和基于激光CCD器件的测量方法等。靠模法只能对管路的形状粗略地检验；三坐标测量仪精度虽然高，但是对测量环境要求严格，测量范围有限；基于激光CCD器件的测量方法对于工人来说操作困难。并且这三种方法在管路测量时都需要大量的人工操作，对于复杂管路测量效率很低。

近年来，基于机器视觉的三维测量与重建技术获得了快速发展，具有非接触、数据获取快、精度高、柔性好、自动化水平高等优点。但是在管路测量中，快速精确数字化测量仍缺少深入研究，因此，有必要利用3D渲染开发一种直观高效简单的管道误差测量方法及系统。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用3D渲染的管道误差测量方法，解决工业管道误差测量人工操作量大、测量效率低下的问题，能够提高管道误差测量的效率并直观地观察到误差并进行误差校正。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种利用3D渲染的管道误差测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将管道放置于多个相机组构成的系统框架中，分块采集管道数据；所述管道数据包含中心线和管道轮廓数据；所述管道轮廓数据包含管道半径和管道弯曲部的曲率半径；

步骤2、将采集所得的管道数据传输至数据处理中心，对所述管道数据进行坐标系转换、轮廓数据具体化和重合区域数据拼接处理；将处理后获得的数据与标准器件库的管道数据进行比对计算，得到不同位置段的具体误差；

步骤3、通过3D渲染工具，根据转换后的管道轮廓数据，利用平面轮廓扫描法渲染出管道模型；此后，根据管道不同位置的误差值有差别地进行表面渲染，根据误差值的不同，渲染颜色也相应不同；当误差值大于管道的误差阈值时，将该段渲染为预定色；

步骤4、对预定色段进行校正处理，此后重复步骤1-3，直至渲染图中不再出现预定色段。

进一步地，步骤2中数据处理步骤如下：

步骤2.1、将管道中心线其对应的特征点利用最小二乘法拟合为NURBS曲线并获得其控制点，将其作为完整管道中心线的一条分支曲线；

步骤2.2、获得了分支区域后，将各个区域的管道中心线从各个重建局部坐标系统一到全局坐标系中，对每条局部中心线进行调整，拼接获得完整的中心线；

步骤2.3、对于管道轮廓，根据采集的数据分析出管道半径以及弯曲部分的曲率半径和相邻直线段的交点坐标。

步骤2.4、将测量出的中心线坐标、管道半径、弯曲的曲率半径与标准库设置的管道数据进行比对，计算出管道不同位置的误差值E(P_n)如下：

P_n＝(x_n,y_n,z_n)

Ps_n＝(xs_n,ys_n,zs_n)

其中P_n为采集到的实际管道中心线上的坐标点，Ps_n为标准库设置的管道中心线上的坐标点，R_n为采集到的实际管道半径，Rs_n标准库设置的管道半径，A为管道加工精度要求(A<1，且精度越高A越小)。

进一步地，步骤3中管道渲染的具体步骤如下：

步骤3.1、根据中心线坐标定位出管道的具体走向和弯曲位置，配合轮廓半径和曲率半径渲染出供观察者全方位观察的立体管道；

步骤3.2、根据计算得出的误差值对管道进行差别渲染，误差值由小到大对应着一个由浅到深的渐变色的颜色带；当误差值大于管道的误差阈值时，将该段渲染为预定色段。

进一步地，所述步骤1中相机组设置不低于3组。

有益效果：本发明针对工业管道误差测量人工操作量大、测量效率低下的问题，提出了一种利用3D渲染的管道误差测量方法。多组双目相机组对管道进行区域划分保证了重建的精度，误差与中心线坐标相关联而不是整体计算，使得误差测量准确；3D渲染工具对管道误差进行分段渲染，直观高效地展现了管道需要校正的位置，根据渲染情况进行校正，快速准确地保证了管道精度。因此系统大大降低了人工操作量，提高了误差测量效率。

附图说明

图1为本发明提供的管道误差测量方法系统流程图；

图2为本发明提供的管道误差测量方法结构图；

图3为本发明提供的数据采集系统框架图；

图4为本发明提供的管道误差测量方法具体实施步骤图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种利用3D渲染的管道误差测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将管道放置于多个相机组构成的系统框架中，分块采集管道的轮廓和中心线等数据，多个区域的并集保证了管道重建后的精度。

一组双目相机可以精确重建其公共成像清晰区域内的空间中心线以及管道半径和管道弯曲的曲率半径等关键数据。对于大尺度的管道来说，多组双目相机可以分块建立出各自的公共成像清晰区域的空间中心线以及管道半径和管道弯曲的曲率半径，并在重合区域利用两组数据实现数据拼接，良好地解决了整体重建可能产生的遮挡问题，方便后期实现空间曲线完整且精确地重建。

本实施例中，数据采集部分由三组双目相机组成，分别在左、中、右多个视点对管道进行图像采集，如图1所示。根据立体视觉原理，通过左侧双目相机1和相机2可精确重建其公共成像清晰区域Π₁内的管道中心线，同理中间和右侧的双目相机组同样可以精确重建其公共成像清晰区域Π₂和Π₃内的空间中心线。区域Π₁、Π₂和Π₃相互之间的交集区域Ω₁₂和Ω₂₃上的重建数据。将区域Π₁、Π₂、Π₃、Ω₁₂和Ω₂₃的管道数据拼接起来，即可解决大尺度整体重建时可能产生的遮挡问题，从而得到精确的重建数据。

步骤2、将采集所得的管道轮廓数据传输至数据处理中心，对所述管道轮廓数据进行坐标系转换、轮廓数据具体化和重合区域数据拼接处理。将处理后获得的数据与标准器件库的管道数据进行比对计算，得到不同位置段的具体误差。具体而言，包括如下步骤：

步骤2.1、将管道中心线其对应的特征点利用最小二乘法拟合为NURBS曲线并获得其控制点，将其作为完整管道中心线的一条分支曲线；

步骤2.2、获得了分支区域后，将各个区域的管道中心线从各个重建局部坐标系统一到全局坐标系中，对每条局部中心线进行调整，拼接获得完整的中心线；

步骤2.3、对于管道轮廓，根据采集的数据分析出管道半径以及弯曲部分的曲率半径和相邻直线段的交点坐标。

步骤2.4、将测量出的中心线坐标、管道半径、弯曲的曲率半径与标准库设置的管道数据进行比对，计算出管道不同位置的误差值E(P_n)如下：

P_n＝(x_n,y_n,z_n)

Ps_n＝(xs_n,ys_n,zs_n)

其中P_n为采集到的实际管道中心线上的坐标点，Ps_n为标准库设置的管道中心线上的坐标点，R_n为采集到的实际管道半径，Rs_n标准库设置的管道半径，A为管道加工精度要求(A<1，且精度越高A越小)。

步骤3、通过3D渲染工具，根据转换后的管道轮廓数据，利用平面轮廓扫描法渲染出管道模型；此后，根据管道不同位置的误差值有差别地进行表面渲染，根据误差值的不同，渲染颜色也相应不同；当误差值大于管道的误差阈值时，将该段渲染为预定色。3D渲染工具可选择WebGL。

具体地，根据中心线坐标可定位出管道的具体走向和弯曲位置，配合轮廓半径和曲率半径即可渲染出立体的管道，对于观察者来说可以全方位旋转观察管道的形状。具体来说就是利用管道函数THREE.TubeBufferGeometry()，沿着中心线重建出管道模型，调整管道半径以及曲率半径，精确地重建出三维立体的管道，并创建响应机制，方便使用者全方位观察。

根据计算得出的误差值对管道进行差别渲染，误差值由小到大对应着一个由浅到深的渐变色的颜色带；当误差值大于管道的误差阈值时，将该段渲染为预定色段，如黑色。由于误差与中心线坐标相关联，根据每个坐标点对应的误差值，渲染坐标点周围的一小段管道。通过观察颜色即可发现该管道的误差情况以及需要校正的位置，点击管道的不同位置也可以查看具体的误差值。

步骤4、观察管道颜色，对管道的预定色段以及深色段进行校正，校正后再次循环步骤1-3的操作，直到管道上没有预定色段。

以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用3D渲染的管道误差测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将管道放置于多个相机组构成的系统框架中，分块采集管道数据；所述管道数据包含中心线和管道轮廓数据；所述管道轮廓数据包含管道半径和管道弯曲部的曲率半径；

步骤2、将采集所得的管道数据传输至数据处理中心，对所述管道数据进行坐标系转换、轮廓数据具体化和重合区域数据拼接处理；将处理后获得的数据与标准器件库的管道数据进行比对计算，得到不同位置段的具体误差；

步骤3、通过3D渲染工具，根据转换后的管道轮廓数据，利用平面轮廓扫描法渲染出管道模型；此后，根据管道不同位置的误差值有差别地进行表面渲染，根据误差值的不同，渲染颜色也相应不同；当误差值大于管道的误差阈值时，将该段渲染为预定色；

步骤4、对预定色段进行校正处理，此后重复步骤1-3，直至渲染图中不再出现预定色段。

2.根据权利要求1所述的一种利用3D渲染的管道误差测量方法，其特征在于：所述步骤2中数据处理步骤如下：

步骤2.1、将管道中心线其对应的特征点利用最小二乘法拟合为NURBS曲线并获得其控制点，将其作为完整管道中心线的一条分支曲线；

步骤2.2、获得了分支区域后，将各个区域的管道中心线从各个重建局部坐标系统一到全局坐标系中，对每条局部中心线进行调整，拼接获得完整的中心线；

步骤2.3、对于管道轮廓，根据采集的数据分析出管道半径以及弯曲部分的曲率半径和相邻直线段的交点坐标；

步骤2.4、将测量出的中心线坐标、管道半径、弯曲的曲率半径与标准库设置的管道数据进行比对，计算出管道不同位置的误差值E(P_n)如下：

P_n＝(x_n,y_n,z_n)

Ps_n＝(xs_n,ys_n,zs_n)

其中P_n为采集到的实际管道中心线上的坐标点，Ps_n为标准库设置的管道中心线上的坐标点，R_n为采集到的实际管道半径，Rs_n标准库设置的管道半径，A为管道加工精度要求(A<1，且精度越高A越小)。

3.根据权利要求1所述的一种利用3D渲染的管道误差测量方法，其特征在于：所述步骤3中管道渲染的具体步骤如下：

步骤3.1、根据中心线坐标定位出管道的具体走向和弯曲位置，配合轮廓半径和曲率半径渲染出供观察者全方位观察的立体管道；

步骤3.2、根据计算得出的误差值对管道进行差别渲染，误差值由小到大对应着一个由浅到深的渐变色的颜色带；当误差值大于管道的误差阈值时，将该段渲染为预定色段。

4.根据权利要求1所述的一种利用3D渲染的管道误差测量方法，其特征在于：所述步骤1中相机组设置不低于3组。

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