CN113329149B - 一种双相机钻孔孔壁全景成像探头、系统及其全景图像生成方法 - Google Patents

一种双相机钻孔孔壁全景成像探头、系统及其全景图像生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双相机钻孔孔壁全景成像探头、系统及全景图像生成方法，包括上位机、计深度装置和钻孔成像探头；钻孔成像探头包括探管、第一相机、第二相机和透明防护罩，探管包括整体为内中空的第一圆柱舱体和第二圆柱舱体，第一舱体和第二舱体连接处设有隔断，第一圆柱舱体和第二圆柱舱体沿轴向不同位置的外壁上设有两个异侧视窗缺口，第一相机和第二相机分别沿轴向相对安装在第一圆柱舱体和第二圆柱舱体内，视窗缺口分别用作两个相机的拍摄窗口，使得这两个相机的拍摄区域能覆盖360度的全周钻孔孔壁。本发明公开的成像探头结构能有效地降低成像探头上透明防护罩所受外界挤压力，使得钻孔成像系统能胜任于使用钻机等强外力推进钻孔的工作方式。

Description

一种双相机钻孔孔壁全景成像探头、系统及其全景图像生成 方法
技术领域
本发明属于工程勘探技术领域，涉及一种双相机钻孔孔壁全景成像系统及其全景图像生成方法。
背景技术
目前，各种带摄像功能的测井成像探头被应用于工程勘探领域。一般成像探头包括相机、透明防护罩、LED灯、控制电路等。相机一般置于探头内部，透过透明防护罩来采集图像。透明防护罩用于保护相机，同时对探头内部进行防水保护。LED灯对钻孔内部进行补光，使相机能采集到亮度适宜的图像。
在打水平钻孔实施工程勘探时，钻孔经常会遇到含水岩层，当钻孔内的水流较急时，成像探头受水压作用难以往内推进甚至探头会被透水冲出孔洞，无法完成窥视探孔的勘探任务。如果将探头安装于钻机钻杆上或使用其他机械推进装置则能将成像探头逐步推进孔内。然而，钻机推力很大且不易调节大小，且探头前端容易卡在钻孔内突出的岩壁或小碎石上。传统成像探头一般是在探头前端安装透明玻璃圆片或安装圆筒状透明防护罩，它们的透明防护罩在后端钻机推力和前端阻力的挤压作用下非常容易被压裂或压爆，钻孔中的水将进入探头内部造成探头内相机和电路损坏。实际上，即使不使用钻机推进，在水平或竖直钻孔内使用人工推杆推进也经常会出现类似将透明防护罩撞裂的情况。
发明内容
本发明的目的是针对上述水平钻孔窥视探孔遇到的问题，设计出一种成像探头及相应的钻孔孔壁全景成像系统，使之能在孔内水流湍急、钻渣冲击探头等不良钻孔环境中安全使用，尽量避免发生探头透明防护罩破裂而进水的情况。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双相机钻孔孔壁全景成像探头所述钻孔成像探头包括探管、第一相机、第二相机和透明防护罩，所述探管包括整体为内中空的第一圆柱舱体和第二圆柱舱体，所述第一舱体和所述第二舱体连接处设有隔断，所述第一圆柱舱体和第二圆柱舱体沿轴向不同位置的外壁上设有两个异侧视窗缺口，所述第一相机和所述第二相机分别沿轴向相对安装在第一圆柱舱体和第二圆柱舱体内，所述视窗缺口分别用作两个相机的拍摄窗口，使得这两个相机的拍摄区域合起来能覆盖360度的全周钻孔孔壁。
进一步，两个异侧视窗缺口所对应圆周扇形角均之和大于或等于360度，所述透明防护罩布置在所述探管两个视窗缺口上方将探管内部进行密封。
进一步，所述第一相机和第二相机的成像光轴重合，补光光源安装在探管上用于照射两个相机透过视窗缺口所拍摄的区域以提升环境亮度。
本发明还提供一种双相机钻孔孔壁全景成像系统，包括上述钻孔成像探头，还包括上位机和计深度装置。
进一步，所述钻孔成像探头和计深度装置分别与所述上位机通信连接，所述计深度装置记录探头深度值并通过电缆或无线通讯传输给上位机，所述上位机对所述钻孔成像探头所在深度值进行读取，对所述第一相机和所述第二相机拍摄的视频进行读取并对其进行图像自动处理与拼接。
进一步，所述第一相机和所述第二相机同步采集钻孔内图像，将每个相机在各个连续深度位置所采集的视频图像帧先进行拼接以得到其视窗缺口对应侧的钻孔一侧孔壁拼接图像，然后再把得到的这两侧钻孔孔壁拼接图像进行拼接以得到能覆盖钻孔360度孔壁的全景图像。
本发明还提供一种双相机钻孔孔壁全景成像系统的全景图像生成方法，于，包括如下步骤：
S1.上位机顺序读取所述第一相机和第二相机所拍摄视频的一帧图像；
S2.将每个相机所拍摄的连续帧图像按环带展开，然后将相邻两帧图像进行图像配准并依次纵向连续拼接；
S3.若两个相机采集的钻孔视频读取完毕并按步骤S2分别生成钻孔单侧内壁拼接图I1和I2，然后执行步骤4；若视频未读取完毕则返回步骤S1；
S4.利用I1和I2中的孔壁纹理信息把这两幅钻孔单侧内壁拼接图拼接成一幅覆盖钻孔360度孔壁的全景图。
进一步，所述步骤S1中，对所述第一相机和第二相机所拍摄视频的一帧图像进行进行畸变校正、对比度校正图像处理操作，以消除图像畸变和光照不均匀的问题。
进一步，所述步骤S4包括如下步骤：
S41.在图像I1一个侧边沿取一个大小为m×m像素的正方形像素块S1，记录S1在I1中对应的起始行h1；
S42.在图像I2中紧靠S1的一侧边沿自上向下以1个像素为步长，依次取与S1相同大小的像素块序列
Figure BDA0003058611590000031
H2为图像I2高度；
S43.对像素块S1与各个像素块
Figure BDA0003058611590000032
采用图像拼图度量算法分别计算它们之间的相邻匹配度θn，然后搜索出最小的
Figure BDA0003058611590000033
该θj所对应的像素块为
Figure BDA0003058611590000034
其在I2中对应的起始行hj，也即找出了该处
Figure BDA0003058611590000035
所对应的真实钻孔孔壁面与S1所对应的真实钻孔孔壁面是最接近的，最后以图像I1的h1行和图像I2的hj行为对齐基准将I1与I2进行配准拼接即得到能覆盖钻孔360度孔壁的全景图。
本发明相对于现有技术取得了以下有益的技术效果：
1.本发明专利所公开的成像探管整体为两段内中空的圆柱舱体，在探管不同位置的外壁上挖出2个异侧缺口分别用作2个相机的拍摄窗口，探管内部形成类“弓”形支撑结构能留足相机的拍摄窗口，当成像探头遭受外界压力时该结构还能提供较强的支撑力(不是由透明防护罩直接承受外界压力)，故能防止探管受挤压变形而导致安装在探管上的透明防护罩受压过大而破裂，使得成像探头能胜任使用钻机等强外力推进成像探头的工作方式。
2.现有技术中采用多个相机实现钻孔孔壁全景成像的方案，在这些方案中要求各个相机背靠背安装，各个镜头透过透明防护罩正对着孔壁拍摄图像且不能被探管外壁遮挡，须使全部相机视野组合起来能覆盖钻孔当前深度位置的360度全周孔壁，因此在各相机外圈安装圆筒状透明防护罩作为光学视窗且保护探管不进水，若探管受挤压时将由透明防护罩直接承受外界压力；在这种成像方案中各相机采集到的图像是同一深度的孔内图像，本发明提出的这种成像探头方案中两相机同一时刻采集到的图像将不再是钻孔同一深度上孔内图像。且本发明可以在探管有限空间内尽量少安装相机以实现孔壁360°覆盖录制勘探视频。
3.本发明针对性地提出了新的图像拼接算法，将每个摄像头在各个连续深度位置所采集的视频图像帧先进行拼接以得到其视窗缺口对应侧的钻孔一侧孔壁拼接图像，然后再把得到的这两侧钻孔孔壁拼接图像进行拼接以得到能覆盖钻孔360度孔壁的全景图像。
附图说明
图1是本发明钻孔成像探头结构示意图；
图2是本发明为本发明的工作示意图；
图3是本发明双相机钻孔成像全景图生成流程图；
其中：1-钻孔成像探头；101-探管；1011-第一圆柱舱体；1012-第二圆柱舱体；102-第一相机；103-第二相机；104-补光光源；105-透明防护罩；2-上位机；3-计深度装置。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案和具体实施方式进行清楚和完整地描述。
参见图1，本实施例提供一种双相机钻孔孔壁全景成像系统，包括上位机2、计深度装置3和钻孔成像探头1，其中钻孔成像探头1包括探管101、第一相机102、第二相机103(因被探管101一侧外壁遮挡故在图1中不能直观显示)、透明防护罩105和补光光源104。
其中上位机2实现成像探头所在深度值读取功能、视频读取功能、图像自动处理与拼接功能。计深度装置3记录探头深度值并通过电缆或无线通讯传输给上位机2。
探管101整体为内中空的圆柱舱体，包括第一圆柱舱体1011和第二圆柱舱体1012，第一圆柱舱体1011和所述第二圆柱舱体1012连接处设有隔断，其中隔断处可钻孔用于贯穿两侧电线。本实施例所述探管101由不锈钢制得，探管101第一圆柱舱体1011和第二圆柱舱体1012沿轴向不同位置的外壁上设有两个异侧视窗缺口。探管101为内部相机、以及补光光源104提供稳定的结构保护。探管101的2个视窗缺口及其中的相机与补光光源104最好对称安装，且这2个视窗缺口所对应圆周扇形角之和大于或等于360度，其较佳的实施例中，两个视窗缺口对称设置，以确保透过这2个视窗缺口所拍摄的区域组合起来能覆盖钻孔360度孔壁范围。
第一相机102和第二相机103分别固定于探管101视窗缺口一端，两相机光轴尽量保持重合且平行于探管101中轴线，第一相机102和第二相机103可如图1所示面对面安装，也可背对背安装。所述透明防护罩105安装于探管101视窗缺口上方将探管101内部进行密封。在本实施例中，第一相机102和第二相机103轴向安装，在探头钻孔前进时，第一相机102和第二相机103沿轴向方向均可录制动态勘探的沿孔壁360°视频。
探管101上可安装一个补光光源104或根据情况安装多个补光光源104，补光光源104一般采用LED灯珠，分散排布于探头内部，提供照向孔壁的光束使得孔内光照均匀且亮度合适。
所述透明防护罩105、将探管101内部进行密封以防止空气和水进入探管101内部。图1中显示方案采用了两个圆筒状透明防护罩105分别用于密封两个探管101缺口，但也可采用一个透明防护罩105对探管101进行整体密封，防护罩可为透明玻璃或其他高透光材料制成，防护罩形状也并不局限于圆筒状。
本发明在提供一种双相机钻孔孔壁全景成像系统的全景图像生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.上位机2顺序读取所述第一相机102和第二相机103所拍摄视频的一帧图像；
S2.将每个相机所拍摄的连续帧图像按环带展开，然后将相邻两帧图像进行图像配准并依次纵向连续拼接；
S3.若两个相机采集的钻孔视频读取完毕并按步骤S2分别生成钻孔单侧内壁拼接图I1和I2，然后执行步骤4；若视频未读取完毕则返回步骤S1；
S4.利用I1和I2中的孔壁纹理信息把这两幅钻孔单侧内壁拼接图拼接成一幅覆盖钻孔360度孔壁的全景图。
在上述实施例中，对所述第一相机102和第二相机103所拍摄视频的一帧图像进行畸变校正、对比度校正图像处理操作，以消除图像畸变和光照不均匀的问题。
进一步优选的实施例中步骤S4包括如下步骤：
S41.在图像I1一个侧边沿取一个大小为m×m像素的正方形像素块S1，记录S1在I1中对应的起始行h1；
S42.在图像I2中紧靠S1的一侧边沿自上向下以1个像素为步长，依次取与S1相同大小的像素块序列
Figure BDA0003058611590000061
H2为图像I2高度；
S43.对像素块S1与各个像素块
Figure BDA0003058611590000062
采用图像拼图度量算法分别计算它们之间的相邻匹配度θn，然后搜索出最小的
Figure BDA0003058611590000063
该θj所对应的像素块为
Figure BDA0003058611590000064
其在I2中对应的起始行hj，也即找出了该处
Figure BDA0003058611590000065
所对应的真实钻孔孔壁面与S1所对应的真实钻孔孔壁面是最接近的，最后以图像I1的h1行和图像I2的hj行为对齐基准将I1与I2进行配准拼接即得到能覆盖钻孔360度孔壁的全景图。
在上述实施例中，本发明针对性地提出了新的图像拼接算法，即将每个摄像头在各个连续深度位置所采集的视频图像帧先进行拼接以得到其视窗缺口对应侧的钻孔一侧孔壁拼接图像，然后再把得到的这两侧钻孔孔壁拼接图像进行拼接以得到能覆盖钻孔360度孔壁的全景图像。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种双相机钻孔孔壁全景成像探头，其特征在于：所述钻孔成像探头包括探管、第一相机、第二相机和透明防护罩，所述探管包括整体为内中空的第一圆柱舱体和第二圆柱舱体，所述第一圆柱舱体和所述第二圆柱舱体连接处设有隔断，所述第一圆柱舱体和第二圆柱舱体沿轴向不同位置的外壁上设有两个异侧视窗缺口，所述第一相机和所述第二相机分别沿轴向相对安装在第一圆柱舱体和第二圆柱舱体内，所述视窗缺口分别用作两个相机的拍摄窗口，使得这两个相机的拍摄区域合起来能覆盖360度的全周钻孔孔壁；将每个摄像头在各个连续深度位置所采集的视频图像帧先进行拼接以得到其视窗缺口对应侧的钻孔一侧孔壁拼接图像，然后再把得到的这两侧钻孔孔壁拼接图像进行拼接以得到能覆盖钻孔360度孔壁的全景图像。
2.根据权利要求1所述一种双相机钻孔孔壁全景成像探头，其特征在于：两个异侧视窗缺口所对应圆周扇形角之和大于或等于360度。
3.根据权利要求1所述一种双相机钻孔孔壁全景成像探头，其特征在于：所述第一相机和第二相机的成像光轴重合，补光光源安装在探管上用于照射两个相机透过视窗缺口所拍摄的区域以提升环境亮度。
4.一种双相机钻孔孔壁全景成像系统，其特征在于：包括权利要求1-3任一项所述的钻孔成像探头，还包括上位机和计深度装置，所述钻孔成像探头和计深度装置分别与所述上位机通信连接，所述计深度装置记录探头深度值并通过电缆或无线通讯传输给上位机，所述上位机对所述钻孔成像探头所在深度值进行读取，对所述第一相机和所述第二相机拍摄的视频进行读取并对其进行图像自动处理与拼接。
5.根据权利要求4中所述的一种双相机钻孔孔壁全景成像系统，其特征在于：所述第一相机和所述第二相机同步采集钻孔内图像，将每个相机在各个连续深度位置所采集的视频图像帧先进行拼接以得到其视窗缺口对应侧的钻孔一侧孔壁拼接图像，然后再把得到的这两侧钻孔孔壁拼接图像进行拼接以得到能覆盖钻孔360度孔壁的全景图像。
6.一种基于权利要求4所述的双相机钻孔孔壁全景成像系统的全景图像生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.上位机顺序读取所述第一相机和第二相机所拍摄视频的一帧图像；
S2.将每个相机所拍摄的连续帧图像按环带展开，然后将相邻两帧图像进行图像配准并依次纵向连续拼接；
S3.若两个相机采集的钻孔视频读取完毕并按步骤S2分别生成钻孔单侧内壁拼接图I1和I2，然后执行步骤4；若视频未读取完毕则返回步骤S1；
S4.利用I1和I2中的孔壁纹理信息把这两幅钻孔单侧内壁拼接图拼接成一幅覆盖钻孔360度孔壁的全景图；所述步骤S4包括如下步骤：
S41.在图像I1一个侧边沿取一个大小为m×m像素的正方形像素块S1，记录S1在I1中对应的起始行h1；
S42.在图像I2中紧靠S1的一侧边沿自上向下以1个像素为步长，依次取与S1相同大小的像素块序列
Figure FDA0003609085100000021
H2为图像I2高度；
S43.对像素块S1与各个像素块
Figure FDA0003609085100000022
采用图像拼图度量算法分别计算它们之间的相邻匹配度θn，然后搜索出最小的
Figure FDA0003609085100000023
该θj所对应的像素块为
Figure FDA0003609085100000024
其在I2中对应的起始行hj，也即找出了该处
Figure FDA0003609085100000025
所对应的真实钻孔孔壁面与S1所对应的真实钻孔孔壁面是最接近的，最后以图像I1的h1行和图像I2的hj行为对齐基准将I1与I2进行配准拼接即得到能覆盖钻孔360度孔壁的全景图。
7.根据权利要求6所述的双相机钻孔孔壁全景成像系统的全景图像生成方法，其特征在于，所述步骤S1中，对所述第一相机和第二相机所拍摄视频的一帧图像进行进行畸变校正、对比度校正图像处理操作，以消除图像畸变和光照不均匀的问题。
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