CN113506208A - 一种前视钻孔可视化观测仪的环状图像平面展开方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种前视钻孔可视化观测仪的环状图像平面展开方法，首先测量钻孔、探头等参数，再求取图像像素坐标与孔壁空间坐标的对应关系，重构展开平面图像。本发明的图像展开方法适用于前视钻孔可视化观测仪器在煤矿井下近水平钻孔中使用时探头无法保证位于钻孔中心时获取到的钻孔内部图像的平面展开，相较于传统的展开方法适用性更加广泛。

Description

一种前视钻孔可视化观测仪的环状图像平面展开方法

技术领域

本发明属于煤矿井下钻孔可视化观测领域，具体涉及一种前视钻孔可视化观测仪器采集到的环状图像展开为平面图像的方法。

背景技术

钻孔可视化观测仪器是一种将摄像头送入钻孔内部进行钻孔内部图像观测的可视化观测仪器。通过获取到的钻孔内部图像，可直观反映钻孔内部的地质构造。在煤矿井下通过钻孔可视化观测仪器观测钻孔的方式了解地质构造是否存在裂隙、断层、寻找出水点等，从而保证煤矿井下的安全生产。

钻孔可视化观测仪器根据摄像头安装的方式和位置不同可分为前视钻孔可视化观测仪器和侧视钻孔可视化观测仪器。侧视钻孔可视化观测仪器能够较好的获取孔壁图像，但是无法获取探头前端的图像。前视钻孔可视化观测仪器不但能够观察孔壁还能够观察探头前端，在煤矿井下使用时可用于采空区探测、钻杆打捞、塌孔原因调查等，应用范围更加广阔。

前视钻孔可视化观测仪器采集到的孔壁图像虽然也能够清晰客观的反映地质情况，但是在后期分析整理时不够直观，无法直接结合原始图像信息对钻孔内部地质构造进行定量分析。将前视钻孔可视化观测仪器获取到的钻孔内部环状图像信息展开为平面图形，将会在后续地质分析时提供更加直观的图像信息，也将更加有利于后期根据钻孔内部图像对钻孔地质情况进行数字化的定量分析。

目前，针对钻孔环状图像展开为平面图像的方法主要是针对地面垂直钻孔中使用的钻孔可视化观测仪器采集到的图像。在垂直钻孔中前视钻孔可视化观测仪器探头通过重力下放可以保证探头位于钻孔中心位置，获取到的钻孔内部图像中心为无穷远处，不同深度的孔壁图像对应为以图像中心为圆心不同半径的圆的像素点。而煤矿井下的钻孔多为近水平钻孔，垂直向下的钻孔比较少见。前视钻孔可视化观测仪器观测近水平钻孔时，探头受到重力作用紧贴孔壁下沿没有有效成熟的办法保证探头居中。因此，在煤矿井下应用时，前视钻孔可视化观测仪器采集到的钻孔内部图像不同于地面垂直钻孔观测时采集到的规律图像，其获取到的图像经过了一定的光学变换，无法直接应用原有算法。

基于上述原因，为了使前视钻孔可视化观测仪器获取到的图像信息得到更加深入的利用，需要一种能够适用于煤矿井下近水平钻孔的前视钻孔可视化观测仪器钻孔环状图像全景平面展开方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种前视钻孔可视化观测仪的环状图像平面展开方法，以适用于前视钻孔可视化观测仪器在煤矿井下近水平钻孔应用时探头无法保证位于钻孔中心，获取到的钻孔图像无法展开为全景平面图像，不利于后期分析处理的问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种前视钻孔可视化观测仪的环状图像平面展开方法，该前视钻孔可视化观测仪为利用摄像头采集钻孔内部光学成像画面的仪器，其安装在探头内用以观测探头前方的钻孔；该方法包括以下步骤：

步骤一，测量钻孔直径、探头直径、探头的工具面向角、摄像头能捕捉到的距离最近的完整孔壁截面与摄像头截面的距离；

步骤二，钻孔孔壁上任意一点P在像素坐标系中的坐标为：

式中，u_i和v_i为点P在环状图像的像素坐标系中的坐标；R为钻孔半径；θ为点P到钻孔中心轴线的垂线与水平面之间的夹角；δ为探头中心偏离钻孔中心的径向距离，α为探头的工具面向角；若探头位于钻孔中心，则钻孔中心和摄像头中心重合，δ＝0，若探头位于钻孔底部，则δ＝R-r，r为探头半径；Z_c为点P在钻孔内的轴向深度；f为摄像头焦距；d为摄像头能捕捉到的距离最近的完整孔壁截面与摄像头截面的距离；摄像头拍摄的钻孔图像像素为U×V；

步骤三，将同一深度Z_c的钻孔孔壁上各点在像素坐标系中的坐标对应的像素值从同一起始θ角度开始横向排列，将不同深度Z_c的钻孔孔壁上且位于同一θ角度的点在像素坐标系中的坐标对应的像素值纵向排列，得到展开后的平面图像。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述步骤一中，距离最近的完整孔壁截面为垂直于钻孔的完整圆形截面，摄像头截面为摄像头所在的垂直于钻孔的平面。

具体的，所述步骤二包括：

步骤2.1：取钻孔孔壁上任意一点P，其在相机坐标系上的投影坐标为：

式中，以摄像头中心为坐标原点，在摄像头截面所在平面建立所述相机坐标系；X_c为点P在相机坐标系X轴的坐标值，Y_c为点P在相机坐标系Y轴的坐标值，R为钻孔半径，θ为点P和钻孔中心连线与相机坐标系的X轴夹角大小，δ为探头中心偏离钻孔中心的径向距离，α为探头的工具面向角；若探头位于钻孔中心，则钻孔中心和摄像头中心重合，δ＝0，若探头位于钻孔底部，则δ＝R-r，r为探头半径；点P在以摄像头中心为坐标原点的三维空间坐标系下的坐标为(X_c，Y_c，Z_c)，Z_c为点P在钻孔内的轴向深度；

步骤2.2：以摄像头感光片中心为原点，在摄像头感光片所在平面建立摄像头感光片上的投影坐标系，点P(X_c，Y_c，Z_c)在摄像头感光片上的投影坐标系下的坐标为(x，y)，其变换关系为：

式中，f为摄像头焦距；

把公式1代入公式2，得到点P在摄像头感光片上的投影坐标为：

式中，x是点P在摄像头感光片上投影的x轴的坐标值，y是点P在摄像头感光片上投影的y轴的坐标值，f为摄像头的焦距，Z_c为点P在钻孔内的轴向深度；

步骤2.3：摄像头拍摄到图像的像素坐标系和摄像头感光片上的投影坐标系可平移至同一平面，其原点和度量单位不同；像素坐标系的原点为画面的左上角，单位为像素pix，摄像头感光片上的投影坐标系的原点为画面中心，单位为mm；若用dx和dy表示每一列和每一行分别对应多少mm，则其变换关系为：

式中，u和v为点P在像素坐标系中的坐标，x和y为点P在摄像头感光片上的投影坐标系中坐标，u₀和v₀为图像的中心位置在像素坐标系中的坐标，图像像素为U×V，则u₀＝U/2，v₀＝V/2；且dx＝dy＝2*[(R+δ)*f]/(d*V)，再结合公式3和公式4可得点P在像素坐标系中的坐标为：

式中：u_i和v_i分别为P点在像素坐标系中的x轴和y轴坐标，f为摄像头焦距，R为钻孔半径。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明能够将前视摄像头捕捉到的钻孔内部环状图形展开为基于深度对应关系的平面图像，有利于后期图像信息的数字化处理及定量分析。

(2)本发明的图像展开方法适用于前视钻孔可视化观测仪器在煤矿井下近水平钻孔中使用时探头无法保证位于钻孔中心时获取到的钻孔内部图像的平面展开，相较于传统的展开方法适用性更加广泛。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明θ角示意图；

图3是前视钻孔可视化观测仪器捕捉到的模拟钻孔中的孔壁图像；

图4是利用本发明方法展开后的平面图像；

图5是前视钻孔可视化观测仪器捕捉到的模拟钻孔中的孔壁图像；

图6是利用同心圆展开算法展开图4获取到的图像。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本实施例提供一种前视钻孔可视化观测仪的环状图像平面展开方法，前视钻孔可视化观测仪器为下文中的摄像头；图1是根据本发明进行图像展开的步骤图，包括以下步骤：

步骤一：测量钻孔直径、探头直径、探头的工具面向角、摄像头能捕捉到的距离最近的完整孔壁截面与摄像头截面的距离；距离最近的完整孔壁截面为垂直于钻孔的完整圆形截面，如图3中的圆形线L，摄像头截面为摄像头所在的垂直于钻孔的平面；

本实施例采用透明亚克力管道模拟钻孔，具体的，测量得出，透明亚克力管道模拟钻孔外径为90mm，长度2m，即R为45，图像中能捕捉到的距离最近的完整孔壁，该孔壁截面与摄像头截面距离为15.8cm，即为d为15.8。将报纸粘贴固定在模拟钻孔外侧用以模拟钻孔的孔壁，获取图像时使用的仪器探头直径为42mm，焦距为3.6。即r为21，f为3.6。获取实例使用的钻孔可视化观测仪器附带探头姿态采集功能，读取到的工具面向角α为13度。

步骤二，钻孔孔壁上任意一点P在像素坐标系中的坐标为：

式中，u_i和v_i为点P在图像的像素坐标系中的像素坐标值；R为钻孔半径，θ为点P到钻孔中心轴线的垂线与水平面之间的夹角，如图2所示，δ为探头中心偏离钻孔中心的径向距离，α为探头的工具面向角；若探头位于钻孔中心，则钻孔中心和摄像头中心重合，δ＝0，若探头位于钻孔底部，则δ＝R-r，r为探头半径；Z_c为点P在钻孔内的轴向深度；f为摄像头焦距；d为摄像头能捕捉到的距离最近的完整孔壁截面与摄像头截面的距离；摄像头拍摄的钻孔图像像素为U×V；

具体的，步骤二包括：

步骤2.1：取钻孔孔壁上任意一点P，将其投影在相机坐标系上的投影坐标为：

式中，以摄像头中心为坐标原点，在摄像头截面所在平面建立所述相机坐标系；X_c为点P在相机坐标系X轴的坐标值，Y_c为点P在相机坐标系Y轴的坐标值，R为钻孔半径，θ为点P和钻孔中心连线与相机坐标系的X轴夹角大小，δ为探头中心偏离钻孔中心的径向距离，α为探头的工具面向角；若探头位于钻孔中心，则钻孔中心和摄像头中心重合，δ＝0，若探头位于钻孔底部，则δ＝R-r，r为探头半径；点P在以摄像头中心为坐标原点的孔壁空间坐标为(X_c，Y_c，Z_c)，Z_c为点P在钻孔内的轴向深度；圆筒形的钻孔模型在相机坐标系上的投影为一个圆；

步骤2.2：根据透射、三维空间变换、小孔成像原理，求取钻孔孔壁上任意一点P在摄像头感光片所在平面上的投影坐标：

以摄像头感光片中心为原点，在摄像头感光片所在平面建立摄像头感光片上的投影坐标系，点P(X_c，Y_c，Z_c)在摄像头感光片上的投影坐标系下的坐标为(x，y)，其变换关系为：

式中，f为摄像头焦距；

把公式1代入公式2，得到点P在摄像头感光片上的投影坐标为：

式中，x是点P在摄像头感光片上投影的x轴的坐标值，y是点P在摄像头感光片上投影的y轴的坐标值，f为摄像头的焦距，Z_c为点P在钻孔内的轴向深度；

步骤2.3：根据图像像素坐标系构建像素坐标与孔壁空间坐标的对应关系。

摄像头拍摄到图像的像素坐标系和摄像头感光片上的投影坐标系可平移至同一平面，其原点和度量单位不同；像素坐标系的原点为画面的左上角，单位为像素pix，摄像头感光片上的投影坐标系的原点为画面中心，单位为mm；若用dx和dy表示每一列和每一行分别对应多少mm，则其变换关系为：

式中，u和v为点P在像素坐标系中的坐标，x和y为点P在摄像头感光片上的投影坐标系中坐标，u₀和v₀为图像的中心位置在像素坐标系中的坐标，图像像素为U×V，则u₀＝U/2，v₀＝V/2；且dx＝dy＝2*[(R+δ)*f]/(d*V)，再结合公式3和公式4可得点P在像素坐标系中的坐标为：

式中：u_i和v_i分别为P点在像素坐标系中的x轴和y轴坐标，f为摄像头焦距，R为钻孔半径；

本实施例中，图3为前视钻孔可视化观测仪器捕捉到的模拟钻孔中的环状图像，图中环形线为后期处理过程中为了方便观察标注的辅助线。图3的图像像素为640×480，即U为640，V为480。像素坐标系的原点为可视化观测仪器采集到的像素图像的左上角，图像坐标系的原点对应像素图像的中心其坐标为(U/2，V/2)。不同的设备采集到的图像像素多少不同，若成像画面由V行U列个像素组成，则画面的像素分辨率为U*V。

摄像头能捕捉到的距离最近的完整孔壁，该孔壁截面与摄像头截面距离为d，根据投影变换关系[(R+δ)*f]/d对应V/2个像素点，因此，dx＝dy＝2*[(R+δ)*f]/(d*V)。

步骤三：将同一深度Z_c的钻孔孔壁上各点在像素坐标系中的坐标对应的像素值从同一起始θ角度开始横向排列，将不同深度Z_c的钻孔孔壁上且位于同一θ角度的点在像素坐标系中的坐标对应的像素值纵向排列，得到展开后的平面图像。具体的，当深度为Z_i，θ取0～2π时，由公式5可求出深度Z_i下钻孔孔壁圆形上各点P_i对应在钻孔图像中的像素位置(u_i,v_i)，反映钻孔孔壁上P_i点图像的颜色信息即为保存在钻孔图像像素位置(u_i,v_i)的像素值。

在本实施例中，深度以0为起始，200为结束，步长为1；起始角度为0将同一深度圆环等间隔角度划分为800个，读取图像上的像素值。将获取到的同一深度的圆环上的像素值按照获取角度从零开始递增顺序排列，不同深度的圆环上的像素值纵向排列，重新形成的800*200像素的图像即为展开后的平面图，如图4所示。

从展开结果分析，原本粘贴在模拟钻孔管壁的报纸信息被还原成平面图像。图像中横向信息和纵向信息均未出现明显的交叉扭曲。靠近摄像头的部分原始的图像像素较多，因此展开后的图像更加清晰。而距离摄像头较远的孔底信息由于原始像素较少，展开后相对模糊难以识别。展开时仅对像素信息相对丰富的一段钻孔深度进行了图像展开，其余部分由于原始图像像素较差展开后没有太多实际意义。

对比例：

图5为前视钻孔可视化观测仪器捕捉到的模拟钻孔中的孔壁图像；其中圆环为辅助线，用于表示利用传统的同心圆展开算法展开时同一深度钻孔孔壁图像对应在照片中的位置。图6为利用同心圆展开算法展开煤矿井下近水平钻孔中获取到的图像，和图4对比其结果存在明显的扭曲变形，不符合报纸本身的横向和纵向排列规则。

Claims (3)

1.一种前视钻孔可视化观测仪的环状图像平面展开方法，该前视钻孔可视化观测仪为利用摄像头采集钻孔内部光学成像画面的仪器，其安装在探头内用以观测探头前方的钻孔；其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，测量钻孔直径、探头直径、探头的工具面向角、摄像头能捕捉到的距离最近的完整孔壁截面与摄像头截面的距离；

步骤二，钻孔孔壁上任意一点P在像素坐标系中的坐标为：

式中，u_i和v_i为点P在环状图像的像素坐标系中的坐标；R为钻孔半径；θ为点P到钻孔中心轴线的垂线与水平面之间的夹角；δ为探头中心偏离钻孔中心的径向距离，α为探头的工具面向角；若探头位于钻孔中心，则钻孔中心和摄像头中心重合，δ＝0，若探头位于钻孔底部，则δ＝R-r，r为探头半径；Z_c为点P在钻孔内的轴向深度；f为摄像头焦距；d为摄像头能捕捉到的距离最近的完整孔壁截面与摄像头截面的距离；摄像头拍摄的钻孔图像像素为U×V；

步骤三，将同一深度Z_c的钻孔孔壁上各点在像素坐标系中的坐标对应的像素值从同一起始θ角度开始横向排列，将不同深度Z_c的钻孔孔壁上且位于同一θ角度的点在像素坐标系中的坐标对应的像素值纵向排列，得到展开后的平面图像。

2.如权利要求1所述的前视钻孔可视化观测仪的环状图像平面展开方法，其特征在于，所述步骤一中，距离最近的完整孔壁截面为垂直于钻孔的完整圆形截面，摄像头截面为摄像头所在的垂直于钻孔的平面。

3.如权利要求1所述的前视钻孔可视化观测仪的环状图像平面展开方法，其特征在于，所述步骤二包括：

步骤2.1：取钻孔孔壁上任意一点P，其在相机坐标系上的投影坐标为：

式中，以摄像头中心为坐标原点，在摄像头截面所在平面建立所述相机坐标系；X_c为点P在相机坐标系X轴的坐标值，Y_c为点P在相机坐标系Y轴的坐标值，R为钻孔半径，θ为点P和钻孔中心连线与相机坐标系的X轴夹角大小，δ为探头中心偏离钻孔中心的径向距离，α为探头的工具面向角；若探头位于钻孔中心，则钻孔中心和摄像头中心重合，δ＝0，若探头位于钻孔底部，则δ＝R-r，r为探头半径；点P在以摄像头中心为坐标原点的三维空间坐标系下的坐标为(X_c，Y_c，Z_c)，Z_c为点P在钻孔内的轴向深度；

步骤2.2：以摄像头感光片中心为原点，在摄像头感光片所在平面建立摄像头感光片上的投影坐标系，点P(X_c，Y_c，Z_c)在摄像头感光片上的投影坐标系下的坐标为(x，y)，其变换关系为：

式中，f为摄像头焦距；

把公式1代入公式2，得到点P在摄像头感光片上的投影坐标为：

式中，x是点P在摄像头感光片上投影的x轴的坐标值，y是点P在摄像头感光片上投影的y轴的坐标值，f为摄像头的焦距，Z_c为点P在钻孔内的轴向深度；

步骤2.3：摄像头拍摄到图像的像素坐标系和摄像头感光片上的投影坐标系可平移至同一平面，其原点和度量单位不同；像素坐标系的原点为画面的左上角，单位为像素pix，摄像头感光片上的投影坐标系的原点为画面中心，单位为mm；若用dx和dy表示每一列和每一行分别对应多少mm，则其变换关系为：

式中，u和v为点P在像素坐标系中的坐标，x和y为点P在摄像头感光片上的投影坐标系中坐标，u₀和v₀为图像的中心位置在像素坐标系中的坐标，图像像素为U×V，则u₀＝U/2，v₀＝V/2；且dx＝dy＝2*[(R+δ)*f]/(d*V)，再结合公式3和公式4可得点P在像素坐标系中的坐标为：

式中：u_i和v_i分别为P点在像素坐标系中的x轴和y轴坐标，f为摄像头焦距，R为钻孔半径。

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