CN114820306A - 深部探测工程光学钻孔成像系统 - Google Patents

深部探测工程光学钻孔成像系统 Download PDF

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Abstract

深部探测工程光学钻孔成像系统涉及地质勘测及光学钻孔成像领域。整体可分为地上系统和地下系统两部分。地上系统是可视化上位机界面；地下系统包括图像采集模块、钻孔内壁图像变换模块、图像融合拼接模块、图像压缩模块，图像采集模块用于俯视拍摄地下钻孔图像；图像变换模块用于将钻孔内壁俯视图片中的中心黑洞区域去除并将剩余的有效区域进行透射变换展开并矫正；图像融合拼接模块用于将矫正后的内壁正视图像拼接为一幅完整的钻孔内壁平面图像；图像压缩模块是将成品图进行压缩处理，方便上传至上位机。地上系统与地下系统通过tcp/ip通信模块进行信息交互。本发明能有效地在井下钻孔图像上传时节约带宽，增加了钻孔内壁图像的有效信息量。

Description

深部探测工程光学钻孔成像系统
技术领域
本发明涉及地质勘测及光学钻孔成像领域，具体涉及深部探测工程光学钻孔成像系统。
背景技术
近年来，国民经济持续高速发展，能源、水利和交通等领域发生了天翻地覆的变化，然而诸如煤矿透水、隧道坍塌、大坝滑坡等安全事故的多发引起了全社会的广泛关注，是我国乃至全世界共同面对的问题。目前；通过地质勘探提前了解作业区域的地质状况可以有效降低安全事故的发生率，钻孔勘测就是最为常用的一种技术手段。钻孔取芯作为一种传统的钻孔勘测技术，可以直观明了实现地质结构检测，具有直观、实用、方便和简单的特点。但是由于芯体从钻孔中取出后失去了原位和原状信息，导致无法根据芯体获知钻孔内的构造、断裂和裂隙发育等情况，并且因为钻孔取芯的不连续性，使得无法判断钻孔的孔径变化和钻孔倾斜情况。并且由于勘测深度的增加，井下钻孔图像地上传效率的问题也是急需解决。
随着图像采集技术和图像处理技术的飞速发展，基于光学成像原理的钻孔成像技术在地质勘探领域逐步得到应用。钻孔成像技术可以用来实现观测孔壁岩性变化、构造裂隙、断层岩溶和隐伏于孔壁外的岩体信息，具有直观可视、精确清晰的特点，能够广泛应用于近地表地质体的地球物理勘探研究，或是进行工程地质、水文地质、灾害地质和环境地质等方面的地质科学研究。此外，在现代社会中也可用于地质探测、管道检测以及重大工程建设时的地貌勘测等。随着地质勘测需求的不断发展，单一的可视化钻孔成像技术已经不能满足地质勘测工程的实际应用需求，钻孔探头的体积过大也限制了对小孔径钻井地测量。
发明内容
本发明针对背景技术中存在地下图像上传速率低及井口过小导致无法测量问题，提供了深部探测工程光学钻孔成像系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
深部探测工程光学钻孔成像系统，其特征是，包括上位机显示模块，下位机图像采集模块、图像变换模块、图像融合拼接模块、图像压缩模块，上位机与下位机通信模块，电源模块，其中，上位机模块作用为控制下位机工作与显示地下钻孔内壁图像；图像采集模块为树莓派zero外接摄像头用于10张/秒向下拍摄钻孔内壁图像；图像变换模块作用为将树莓派拍摄的俯视图中的黑洞区域去除掉并将余下的有效信息区域进行圆环展开并进行视角转换为正视矩形图；图像融合拼接模块用于将每一帧矩形图像进行融合拼接为一幅完整钻孔内壁长图；图像压缩模块是将拼接好的图像进行压缩；通信模块作用为把上位机与下位机连接起来并进行双向通信；电源模块用于保证整个系统的稳定供电。
所述的上位机显示界面中点击“START”按钮，树莓派开始进行图像采集工作；点击“STOP”按钮，树莓派暂停工作；点击“END”按钮，树莓派结束此次拍摄工作；点击“查看历史记录”按钮，跳转到相应文件夹下查看下位机传上来的钻孔内壁图像。
所述的树莓派摄像头固定在套管的中心位置上，保证其位置不会晃动，并且套管外壁用弹性片紧贴钻孔内壁进行匀速向下移动，速度不超过每分钟60米。
图像变换模块中，运用基尔霍夫圆算法先将中心黑洞区域圈出来进行去除，再利用极坐标像素点拷贝和透射变换法将剩余的有效区域进行展开并拉伸矫正；具体步骤为：
步骤一：利用霍夫圆梯度算法将圆心点找到，通过对半径最大可能性估计来确定半径值的大小，从而将俯视图中黑洞区域圈出并去除掉；化简笛卡尔坐标圆方程：(x-a)2+(y-b)2＝r2，化简得到圆心极坐标：a＝x-r·cosθ，b＝y-r·sinθ；之后利用霍夫圆梯度算法确定半径，计算Canny边缘二值图中所有非0点距离圆心的距离；将距离从小到大排序，初始化半径空间N(r)，令所有的N(r)＝0；遍历Canny图中的非0点，将半径空间值进行累加；最终将半径空间最大值作为圆的半径值；
步骤二：取图像上黑洞圆外一圈像素点，之后再向外取一圈像素点，以此类推，直至取完圆环上所有像素点；将圆环内所有像素点的平面坐标(x,y)转换为极坐标(r,θ)的形式；将每一个像素点的边长定义为1，从圆环中内圆外一圈半径为r+1的像素点开始依次向半径为R的外圆遍历，并按顺序将每行像素点叠加成为等腰梯形，总共为n圈像素点；叠加后的梯形图的上底长度为内圆的周长2πr，下底长度为2π(r+n)，高度为所取像素点的圈数n；
步骤三：通过变换公式求解变换矩阵，将平面直角坐标系中的图像投影转换到齐次坐标系下，求取步骤二中等腰梯形的四角顶点的坐标，将梯形短边拉伸到与长边长度相等，得到钻孔内壁正视矩形图像；透射变换的通用变换公式为：
Figure BDA0003574075550000021
其中,(u,v，w)是原始图片像素点的齐次坐标，(x′，y′，w′)为变换之后的图像像素点的齐次坐标；w大于等于0，且当w>0时，为坐标u，v的缩放尺度，w＝0时为无穷远情况；对应得到变换后的图片像素坐标(x,y),其中x＝x′/w′，y＝y′/w′；通过变换公式求解等腰梯形的四个顶点的坐标公式为：
Figure BDA0003574075550000031
通过顶点像素的坐标将等腰梯形拉伸变换成为矩形图。
图像变换模块中，有效圆环区域的界限划定并不固定；在钻孔内壁中等高的区域划分出来，直接取黑洞外围所有像素图片的清晰度无法保证，所以需要在区域过大时取一半，做防越界判定。
图像融合拼接模块中，在一张图片上方的像素点中构建三行矩阵去和另一张图片的每一行像素点进行标准差运算，求得的标准差最小的行像素点就为两张图片的拼接线。
设计一问一答的方式进行Socket通信，解决了下位机向上位机传输图像过程中的粘包问题。
所述系统采用分离式设计，分为地上系统和地下系统两部分：地上部分为windows端利用QT5.15.0编写的上位机成像系统；地下部分主要由树莓派zero w外接摄像头构成地采集图像系统。地上与地下系统通过钢丝电缆相连接进行通信。
所述系统上位机系统主要是在界面上点击按钮通过socket通信技术发送开始、停止、结束指令对井下系统进行控制，并且采用一问一答的通信方式成功解决了信息传输中的粘包问题。
所述系统下位机部分通过树莓派进行钻孔内壁俯视图像采集，之后将井下钻孔俯视图进行图像变换处理去掉中心黑洞区域并进行透射变换拉伸，由于拍摄的每张井下钻孔图片中特征点信息并不能完整的呈现出理想的清晰度，很难通过现有的图像拼接算法进行很准确地逐帧融合拼接，所以设计一种预设矩阵的新型拼接方法可完成对井壁图像的拼接，应用图像压缩算法将拼接好的图像进行压缩以便于传输。最终应用tcp/ip通信技术通过电缆将井下钻孔内壁地正视图传输到地上系统中呈现并保存。
附图说明
图1所示为本发明整体系统框图；
图2所示为本发明下位机图像变换模块示意图；
图3所示为本发明下位机图像融合拼接模块原理图；
图4所示为本发明下位机图像压缩模块原理图。
图5所示为本发明上位机软件系统示意图。
图6所示为本发明地上系统与地下系统通信模块技术框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明深部探测工程光学钻孔成像系统作进一步说明。
深部探测工程光学钻孔成像系统整体框图如图1所示，包括地上系统和地下系统，它们之间由电缆连接通过tcp/ip通信技术进行相互通信。
地下系统包括主要包括四个大的功能模块：图像采集模块、图像变换模块、图像融合拼接模块、图像压缩模块。
地下系统中图像采集模块是通过树莓派外接摄像头以每秒10张图片的拍摄速度进行抓拍。
地下系统中图像变换模块主要包括以下步骤：
步骤一：检测无效区域并去除，如图2所示，因为此区域对井壁图像的研究毫无意义，且传输时此部分区域会过度占用带宽导致传输效率以及传输的有效性大大降低，所以需先将钻孔内壁俯视图中心黑色的无效区域通过基尔霍夫圆检测方法检测并去除掉。
步骤二：有效区域展开，去除黑洞后，利用极坐标法定位圆环中内圆外的一圈像素点，将离内圈圆最近的一圈像素点(半径为r+1)旋转取完，之后向外扩展到r+2，将其一圈取完，以此类推，最后将半径为r+n的像素点取完，将每一圈的像素点按顺序拼接可得到一个梯形图像。
步骤三：拉伸正视图像，运用透射变换算法将展开图矫正为矩形图片根据展开的梯形求解出其变换矩阵，之后通过此矩阵将其四角拉伸变换就可以将变为一张钻孔内壁的正视矩形图片。
地下系统中图像融合拼接模块主要包括以下步骤(如图3)：
步骤一：在两幅要融合拼接的图像中取第二张图片上方的长度为图片长度，宽度为3的行像素点矩阵。
步骤二：遍历第一张图片的所有像素点，用在第二张图片上取的像素点矩阵去和第一张图片进行近似匹配，均方差公式为：
Figure BDA0003574075550000041
其中
Figure BDA0003574075550000042
为样本均值，S是样本均方差值，N为样本数量，求均方差值将此矩阵和第一张图片上每一行像素点进行相似度的衡量，S越小说明矩阵像素点与第一张上的行像素点的差异越小，相似度就越高，所以遍历完第一张图片所有像素点后，均方差S最小的那行矩阵像素点就是与第二张图像矩阵相同的行矩阵像素。
步骤三：当矩阵找到了与第一张图像上同样的行，将此行定义为拼接线，将拼接线以下的图像切除掉，与第二张图像进行上下拼接，因为深部探测工程拍摄时为上下移动拍摄所以不存在左右晃动问题，故可将拼接线以下的展开图像直接切除掉与另一张图片进行拼接。
步骤四：图像融合，将图片拼接成一张完整图像后进行拼缝融合，即将拼接线消除掉。
地下系统中图像压缩模块主要包括以下步骤：
步骤一：图像分割，如图4所示，将融合拼接后的图像分割成大小为8*8的小块，这些小块在整个压缩过程中是单独被处理的。
步骤二：在将彩色内壁拼接图像进行压缩之前，必须先对颜色模式进行数据转换。将RGB图像转换为YUV图像，之后进行图像数据采样，采用的采样比例为4：1：1或4：2：2。
步骤三：离散余弦变换，将图像信号在频率域上进行变换，分离出图像的高频(即图像变化剧烈的部分，图像的边缘以及细节部分)和低频信息(即图像中亮度或者灰度值变化缓慢的区域，也就是图像中大片平坦的区域)。然后再对图像的高频信息进行压缩。
步骤四：在后面编码过程中使用的码本都是整数，对变换后的浮点型频率系数进行量化，将之转换为整数。
步骤五：进行哈夫曼编码，对每个8*8字块中的1个直流分量和63个交流分量(AC)分别进行编码。相邻的DC采用简单易用的差分编码(DCPM)；DA采用‘之’字型的行程编码以保证低频分量先出现，高频分量后出现。
地上系统中上位机显示模块是在Windows操作系统下由QT5.15.0编写完成的，如图5所示，点击“开始”按钮，树莓派开始进行图像采集工作；点击“暂停”，树莓派暂停工作；点击“结束”，树莓派结束此次拍摄工作；点击“查看历史记录”，跳转到相应文件夹下查看下位机传上来的钻孔内壁图像。
如图6所示，地上系统与地下系统的通信模块是运用TCP/IP即传输控制协议/网间协议技术完成的。本设计采用一问一答的方式进行通信，这样很好地解决了数据传输过程中的粘包问题。通过此接口完成了上位机与下位机的双向通信功能，即上位机发送指令控制下位机完成，下位机采集的图片可发送至上位机界面中。
步骤一：首先在上位机端和下位机端各创建一个用于监听连接的Socket对象。
步骤二：在上位机端和下位机端用指定的端口号和IP地址建立Endpoint对象(Endpoint为通信双方最终端的，对方可见的部分)。
步骤三：在下位机端用Socket对象绑定此Endpoint对象，并开始监听。
步骤四：在上位机端用Socket对象像下位机发出连接请求信号。
步骤五：当下位机接收到信号并连接成功后，下位机端用Accept方法创建新的Socket对象用于与上位机通信。上位机会用Send方法与Receive方法创建新的对象与下位机通信。
步骤六：当系统采集完成后，关闭Socket来结束通信。
以上对本发明所提出的深部探测工程光学钻孔成像系统进行了介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明思想的前提下，在具体实施方式及应用上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.深部探测工程光学钻孔成像系统，其特征是，包括上位机显示模块，下位机图像采集模块、图像变换模块、图像融合拼接模块、图像压缩模块，上位机与下位机通信模块，电源模块，其中，上位机模块作用为控制下位机工作与显示地下钻孔内壁图像；图像采集模块为树莓派zero外接摄像头用于10张/秒向下拍摄钻孔内壁图像；图像变换模块作用为将树莓派拍摄的俯视图中的黑洞区域去除掉并将余下的有效信息区域进行圆环展开并进行视角转换为正视矩形图；图像融合拼接模块用于将每一帧矩形图像进行融合拼接为一幅完整钻孔内壁长图；图像压缩模块是将拼接好的图像进行压缩；通信模块作用为把上位机与下位机连接起来并进行双向通信；电源模块用于保证整个系统的稳定供电。
2.根据权利要求1所述的深部探测工程光学钻孔成像系统，其特征是，所述的上位机显示界面中点击“START”按钮，树莓派开始进行图像采集工作；点击“STOP”按钮，树莓派暂停工作；点击“END”按钮，树莓派结束此次拍摄工作；点击“查看历史记录”按钮，跳转到相应文件夹下查看下位机传上来的钻孔内壁图像。
3.根据权利要求1所述的深部探测工程光学钻孔成像系统，其特征是，所述的树莓派摄像头固定在套管的中心位置上，保证其位置不会晃动，并且套管外壁用弹性片紧贴钻孔内壁进行匀速向下移动，速度不超过每分钟60米。
4.根据权利要求1所述的深部探测工程光学钻孔成像系统，其特征是，图像变换模块中，运用基尔霍夫圆算法先将中心黑洞区域圈出来进行去除，再利用极坐标像素点拷贝和透射变换法将剩余的有效区域进行展开并拉伸矫正；具体步骤为：
步骤一：利用霍夫圆梯度算法将圆心点找到，通过对半径最大可能性估计来确定半径值的大小，从而将俯视图中黑洞区域圈出并去除掉；化简笛卡尔坐标圆方程：(x-a)2+(y-b)2＝r2，化简得到圆心极坐标：a＝x-r·cosθ，b＝y-r·sinθ；之后利用霍夫圆梯度算法确定半径，计算Canny边缘二值图中所有非0点距离圆心的距离；将距离从小到大排序，初始化半径空间N(r)，令所有的N(r)＝0；遍历Canny图中的非0点，将半径空间值进行累加；最终将半径空间最大值作为圆的半径值；
步骤二：取图像上黑洞圆外一圈像素点，之后再向外取一圈像素点，以此类推，直至取完圆环上所有像素点；将圆环内所有像素点的平面坐标(x,y)转换为极坐标(r,θ)的形式；将每一个像素点的边长定义为1，从圆环中内圆外一圈半径为r+1的像素点开始依次向半径为R的外圆遍历，并按顺序将每行像素点叠加成为等腰梯形，总共为n圈像素点；叠加后的梯形图的上底长度为内圆的周长2πr，下底长度为2π(r+n)，高度为所取像素点的圈数n；
步骤三：通过变换公式求解变换矩阵，将平面直角坐标系中的图像投影转换到齐次坐标系下，求取步骤二中等腰梯形的四角顶点的坐标，将梯形短边拉伸到与长边长度相等，得到钻孔内壁正视矩形图像；透射变换的通用变换公式为：
Figure FDA0003574075540000021
其中,(u,v，w)是原始图片像素点的齐次坐标，(x′，y′，w′)为变换之后的图像像素点的齐次坐标；w大于等于0，且当w>0时，为坐标u，v的缩放尺度，w＝0时为无穷远情况；对应得到变换后的图片像素坐标(x,y),其中x＝x′/w′，y＝y′/w′；通过变换公式求解等腰梯形的四个顶点的坐标公式为：
Figure FDA0003574075540000022
通过顶点像素的坐标将等腰梯形拉伸变换成为矩形图。
5.根据权利要求1所述的深部探测工程光学钻孔成像系统，其特征是，图像变换模块中，有效圆环区域的界限划定并不固定；在钻孔内壁中等高的区域划分出来，直接取黑洞外围所有像素图片的清晰度无法保证，所以需要在区域过大时取一半，做防越界判定。
6.根据权利要求1所述的深部探测工程光学钻孔成像系统，其特征是，图像融合拼接模块中，在一张图片上方的像素点中构建三行矩阵去和另一张图片的每一行像素点进行标准差运算，求得的标准差最小的行像素点就为两张图片的拼接线。
7.根据权利要求1所述的深部探测工程光学钻孔成像系统，其特征是，设计一问一答的方式进行Socket通信，解决了下位机向上位机传输图像过程中的粘包问题。
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