CN116310127A - 基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法及系统 - Google Patents

基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法，包括：S1：对相机进行参数标定，获得标定后的相机；S2：通过标定后的相机对激光器进行激光平面标定，获得标定后的激光器；S3：通过标定后的相机和标定后的激光器获取管道内壁的三维信息，通过三维信息进行管道内壁三维重建。本发明通过不同坐标系的转化实现相机的标定，使得相机通过图像获得的结构数据更加精确；通过对激光器进行激光平面标定，可以更加精确的定义线激光所在平面和相机之间的位置关系，使得三维重建更加精确；提供一种主动式光学三维测量方案，不同于传统的二维图像检测，基于三维模型的管道内壁检测具有较强的鲁棒性以及测量的准确性。

Description

基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法及系统
技术领域
本发明涉及管道内壁三维重建领域，尤其涉及一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法及系统。
背景技术
当前管道内表面缺陷检测的方法主要可分为接触式检测法、非接触式检测法两种。其中接触式检测的方法会对管道内表面造成损伤一般不宜采用，相较于接触式检测法，非接触式检测的方法具有测量效率高、量程灵活可调、不干涉被测物、方便进行标定和误差补偿等优点。
接触式检测法是最传统的方法，即通过检测仪器的传感器直接与被测物体表面接触进行缺陷检测的方法。接触式检测法存在着以下问题：1、检测过程中不可避免的对被测物体表面造成损伤；2、检测效率低；3、依赖复杂的驱动定位装置；4、灵活性和通用性低。
在管道内表面缺陷检测领域，传统的非接触式检测方法主要有漏磁法，金属磁记忆法，超声波法，涡流法，射线法，视频法等。传统的非接触式检测方法存在以下问题：1、漏磁法、金属磁记忆法和涡流法仅能应用于被测物是导体的情况；2、超声波法依赖于管道内部的声音传输介质；3、射线法获取得到的图像质量低且检测周期长；4、视频法仅可通过人工判断缺陷无法定量进行检测。
基于结构光视觉的缺陷检测方法是当前管道内表面缺陷检测领域的主流方法，结构光视觉法主要可分为多目视觉测量、激光三角测量等方法。多目视觉测量是利用多个相机成像实现三维重建进行缺陷检测的技术，虽然多目视觉测量具有重建精度高、稳定性好等优点，但测量系统的成本比也相对较高。相较于多目视觉测量，激光三角测量的成本更低，系统装置更加简便易于实现。
激光三角法是基于激光照射在被测物体表面的不同位姿，利用相机捕捉光条不同位置图像，实现被测物体三维重建的方法，采用单目相机即可实现。在管道内壁视觉检测领域，由于管道内表面截面呈现环形，一般采用环形激光扫描的方式进行管道内表面的三维重建从而实现缺陷检测的功能。
虽然目前已存在一些通过环形激光扫描获取管道内表面缺陷结构信息的装置，但是这些装置大部分都不能在管道中灵活自如的移动，无法真正落地于实际的城市管网缺陷检测；与此同时，目前绝大多数环形激光扫描装置并不具备定位的功能，以至于无法获取管道缺陷的空间位置坐标，并且现有装置的标定并不能很好地满足城市管网缺陷检测的需求，导致管道的三维重建不够精确。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法，包括：
S1：对相机进行参数标定，获得标定后的相机；
S2：通过标定后的相机对激光器进行激光平面标定，获得标定后的激光器；
S3：通过标定后的相机和标定后的激光器获取管道内壁的三维信息，通过三维信息进行管道内壁三维重建。
优选的，步骤S1具体为：
S11：获取标定图像中各黑白接触角点，将任一角点在世界坐标系中的世界坐标P(XW,YW,ZW)经过相机坐标系的相机光心映射在图像坐标系中，获得对应的像素坐标p(x,y)，构建p(x,y)的像素坐标系(u,v)，建立该角点的世界坐标系转换到像素坐标系的关系方程；
S12：重复步骤S11，获得多组角点的世界坐标系转换到像素坐标系的关系方程，通过多组关系方程计算获得相机的内参数和外参数，通过内参数和外参数标定相机，获得标定后的相机。
优选的，世界坐标系转换到像素坐标系的关系方程的表达式为：
Figure BDA0004144172050000021
其中，zc为像素点的深度，f为相机的焦距，u0和v0为相机的内参数，R和t为相机的外参数。
优选的，通过多组关系方程计算获得相机的内参数和外参数的计算公式为：
Figure BDA0004144172050000031
其中，zc为像素点的深度，fx、fy、u0，v0和ks为相机的内参数，R和t为相机的外参数。
优选的，步骤S2具体为：
S21：激光器向标定板发射激光形成激光条纹，通过标定后的相机获取激光条纹的像素坐标；
S22：保持激光器与标定板间的位置不变并关闭激光器，将此时的标定板图像作为参考位姿调节相机的外参数，获取此时相机坐标系的坐标；
S23：更改标定板的位姿，重复步骤S21-S22，获取空间中多点相机坐标系的坐标Pi(xi yi zi)；
S24：通过各相机坐标系的坐标用最小二乘法拟合获得激光平面方程，通过激光平面方程计算获得激光器的标定参数；
S25：通过激光器的标定参数对激光器进行激光平面标定，获得标定后的激光器。
优选的，步骤S3具体为：
S31：将标定后的相机和标定后的激光器移动至管道内的某一位置；
S32：通过标定后的激光器向管道内壁发射激光，通过标定后的相机获取打在管道内壁上的激光的全部图像；
S33：提取每张图像的激光条纹中心线坐标，对激光条纹修正后，将中心线坐标转换到世界坐标系中，令Z轴坐标Zw＝0后将中心线坐标转换到相机坐标系，获得该位置管道内壁的结构数据；
S34：移动标定后的相机和标定后的激光器的位置，重复步骤S31-S33，获得管道内壁全部的结构数据，通过全部的结构数据进行管道内壁三维重建。
一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建系统，包括：
相机标定模块，用于对相机进行参数标定，获得标定后的相机；
激光器标定模块，用于通过标定后的相机对激光器进行激光平面标定，获得标定后的激光器；
三维重建模块，用于通过标定后的相机和标定后的激光器获取管道内壁的三维信息，通过三维信息进行管道内壁三维重建。
一种存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现上述的一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法。
一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建设备，包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行存储设备中的指令及数据用于实现上述的一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法。
本发明具有以下有益效果：
1、通过不同坐标系的转化实现相机的标定，使得相机通过图像获得的结构数据更加精确；
2、通过对激光器进行激光平面标定，可以更加精确的定义线激光所在平面和相机之间的位置关系，使得三维重建更加精确；
3、提供一种主动式光学三维测量方案，不同于传统的二维图像检测，基于三维模型的管道内壁检测具有较强的鲁棒性以及测量的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例方法流程图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，本发明提供一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法，包括：
S1：对相机进行参数标定，获得标定后的相机；
S2：通过标定后的相机对激光器进行激光平面标定，获得标定后的激光器；
S3：通过标定后的相机和标定后的激光器获取管道内壁的三维信息，通过三维信息进行管道内壁三维重建。
进一步的，步骤S1具体为：
S11：获取标定图像中各黑白接触角点，将任一角点在世界坐标系中的世界坐标P(XW,YW,ZW)经过相机坐标系的相机光心映射在图像坐标系中，获得对应的像素坐标p(x,y)，构建p(x,y)的像素坐标系(u,v)，建立该角点的世界坐标系转换到像素坐标系的关系方程；
S12：重复步骤S11，获得多组角点的世界坐标系转换到像素坐标系的关系方程，通过多组关系方程计算获得相机的内参数和外参数，通过内参数和外参数标定相机，获得标定后的相机。
进一步的，步骤S11中世界坐标系与图像坐标系两者之间的区别在于不同的坐标原点的位置以及不同的坐标单位，这两种坐标系可以通过计算二者原点位置坐标的差值以及坐标单位的变换实现，从图像坐标系转换至像素坐标系有公式(1)所示关系：
Figure BDA0004144172050000051
物体的图像从相机坐标系转换到图像坐标系是一个透视投影的关系，故可以利用三角形的相似性进行计算，二者有公式(2)所示关系
Figure BDA0004144172050000052
其中，(XC,YC,ZC)为相机坐标系坐标；
相机坐标系与世界坐标系都是空间中的三维坐标系，二者的转换相当于空间中三维位置的变换，这样的变换是通过平移与旋转实现的，是一种刚体变换，在世界坐标矩阵前乘上一个旋转矩阵并加上平移向量即可实现到相机坐标系的转换，故世界坐标系与相机坐标系有如下(3)转换关系：
Figure BDA0004144172050000053
根据式(1)、式(2)、式(3)得到世界坐标系转换到像素坐标系的关系方程(4)；
世界坐标系转换到像素坐标系的关系方程的表达式为：
Figure BDA0004144172050000061
其中，zc为像素点的深度，f为相机的焦距，u0和v0为相机的内参数，R和t为相机的外参数；
具体的，考虑到镜头的畸变对成像的影响，(x,y)是根据针孔模型的理想像点的位置，
Figure BDA0004144172050000062
为实际的坐标点；考虑两类镜头畸变，既径向畸变和切向畸变；由于径向畸变的存在，实际像点的位置会沿着径向方向偏离其理想位置，表达式为(5)。
Figure BDA0004144172050000063
Figure BDA0004144172050000064
其中，r2＝x2+y2，代表像点与相机的距离，将
Figure BDA0004144172050000065
二次泰勒展开到二阶，k1,k2,k3表示各次径向畸变系数，如果用广角镜头，则需将泰勒展开到三阶。
由于切向畸变的存在，实际像点的位置会沿着垂直径向方向偏离其理想位置，表达式为(6)
Figure BDA0004144172050000066
Figure BDA0004144172050000067
进一步的，相机内外参数的标定采用的是基于二维平面标定板的平面标定法，该方法要求对同一幅标定板在多个不同位姿进行拍摄，建立标定板平面与成像平面之间的转换关系矩阵；假设对标定板的不同位姿图像进行拍摄时，标定板都位于世界坐标系中的ZW＝0的平面上，切XW和YW和标定板的两边平行；根据各个棋盘格子的宽度，可以得到各黑白接触角点的世界坐标；对当前的标定板使用相机成像后，可以利用角点检测算法获取图像中各黑白接触角点的像素坐标；因为这些角点是一一对应的，所以可以建立多组角点从世界坐标系到像素坐标系的映射关系；通过建立多个关系方程可以求解未知系数，从而得到相机的内外参数矩阵；
通过多组关系方程计算获得相机的内参数和外参数的计算公式为：
Figure BDA0004144172050000071
其中，zc为像素点的深度，fx、fy、u0，v0和ks为相机的内参数，R和t为相机的外参数；(u0、v0)为像素坐标系的主点坐标，fx、fy分别代表焦距与像素纵横比的融合，即相机在u、v方向上以像素为单位的有效焦距，R为旋转矩阵；
具体的，令相机的內参数和外参数的积为H矩阵，H矩阵为单应性矩阵，表示世界坐标系到像素坐标系的映射关系，如式(8)所示；
Figure BDA0004144172050000072
将H写成H＝[H1 H2 H3]的形式，由上式可知：
H＝[H1 H2 H3]＝A[R1 R2 T] (9)
其中A为相机的内参数矩阵，T为平移向量；
因为R1和R2为旋转矩阵的两列，他们单位正交，利用约束条件可得：
Figure BDA0004144172050000073
Figure BDA0004144172050000074
令A-TA-1＝B，可得
Figure BDA0004144172050000075
Figure BDA0004144172050000076
定义六维矢量b＝[B11 B12 B13 B22 B23 B33]T
H中第i列向量为Hi＝[Hi1 Hi2 Hi3]T，则有：
Hi TBHJ＝Vij Tb (14)
其中
Vij＝|H1iH1j H1iH2j+H2iH1j H2iH2j H1iH3j+H3iH1j H2iH3j+H3iH2j H3iH3j|T
由(11)的约束条件，可得：
Figure BDA0004144172050000081
在对相机进行标定的过程中对标定板不同位姿拍摄n幅图像，堆叠这些方程，就可以得到Vb＝0。
利用矩阵分别算法来求解A-1，得到相机的内参数。
Figure BDA0004144172050000082
Figure BDA0004144172050000083
Figure BDA0004144172050000084
Figure BDA0004144172050000085
Figure BDA0004144172050000086
根据公式(9)，求出相机的外参数：
Figure BDA0004144172050000087
Figure BDA0004144172050000088
R3＝R1×R2
Figure BDA0004144172050000089
进一步的，步骤S2具体为：
S21：激光器向标定板发射激光形成激光条纹，通过标定后的相机获取激光条纹的像素坐标；
S22：保持激光器与标定板间的位置不变并关闭激光器，将此时的标定板图像作为参考位姿调节相机的外参数，获取此时相机坐标系的坐标；
S23：更改标定板的位姿，重复步骤S21-S22，获取空间中多点相机坐标系的坐标Pi(xi yi zi)；
S24：通过各相机坐标系的坐标用最小二乘法拟合获得激光平面方程，通过激光平面方程计算获得激光器的标定参数；
S25：通过激光器的标定参数对激光器进行激光平面标定，获得标定后的激光器。
具体的，激光器进行激光平面标定的过程中需要对相机的镜头进行畸变矫正；
相机镜头畸变矫正如下式所示：
Figure BDA0004144172050000091
(X，Y)为激光平面的特征点坐标；
设激光平面方程为AX+BY+CZ+D＝0；
联立公式(4)，可得出：
Figure BDA0004144172050000092
Figure BDA0004144172050000093
Figure BDA0004144172050000094
其中θ为：
θ＝k(u0 2dx2+v0 2dy2+u2dx2+v2dy2-2u0dx2u-2v0dy2v)+1
设式(20)为：
Figure BDA0004144172050000095
根据每个特征点的X，Y，Z坐标，运用最小二乘法求解出A，B，C，D四个参数，如式(21)所示；
Figure BDA0004144172050000101
A，B，C，D四个参数为激光器的标定参数。
进一步的，步骤S3具体为：
S31：将标定后的相机和标定后的激光器移动至管道内的某一位置；
S32：通过标定后的激光器向管道内壁发射激光，通过标定后的相机获取打在管道内壁上的激光的全部图像；
S33：提取每张图像的激光条纹中心线坐标，对激光条纹修正后，将中心线坐标转换到世界坐标系中，令Z轴坐标Zw＝0后将中心线坐标转换到相机坐标系，获得该位置管道内壁的结构数据；
具体的，由于激光条纹无论什么时候都是在激光平面内，即始终满足线激光平面的平面方程，故在得到的坐标(Xc、Yc、Zc)基础上，利用求得的激光平面方程，代入Xc和Yc即可求出有效的Zc坐标值；
S34：移动标定后的相机和标定后的激光器的位置，重复步骤S31-S33，获得管道内壁全部的结构数据，通过全部的结构数据进行管道内壁三维重建。
一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建系统，包括：
相机标定模块，用于对相机进行参数标定，获得标定后的相机；
激光器标定模块，用于通过标定后的相机对激光器进行激光平面标定，获得标定后的激光器；
三维重建模块，用于通过标定后的相机和标定后的激光器获取管道内壁的三维信息，通过三维信息进行管道内壁三维重建。
一种存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现上述的一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法。
一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建设备，包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行存储设备中的指令及数据用于实现上述的一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法，其特征在于，包括：
S1：对相机进行参数标定，获得标定后的相机；
S2：通过标定后的相机对激光器进行激光平面标定，获得标定后的激光器；
S3：通过标定后的相机和标定后的激光器获取管道内壁的三维信息，通过三维信息进行管道内壁三维重建。
2.根据权利要求1所述的基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法，其特征在于，步骤S1具体为：
S11：获取标定图像中各黑白接触角点，将任一角点在世界坐标系中的世界坐标P(XW,YW,ZW)经过相机坐标系的相机光心映射在图像坐标系中，获得对应的像素坐标p(x,y)，构建p(x,y)的像素坐标系(u,v)，建立该角点的世界坐标系转换到像素坐标系的关系方程；
S12：重复步骤S11，获得多组角点的世界坐标系转换到像素坐标系的关系方程，通过多组关系方程计算获得相机的内参数和外参数，通过内参数和外参数标定相机，获得标定后的相机。
3.根据权利要求2所述的基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法，其特征在于，世界坐标系转换到像素坐标系的关系方程的表达式为：
Figure FDA0004144172030000011
其中，zc为像素点的深度，f为相机的焦距，u0和v0为相机的内参数，R和t为相机的外参数。
4.根据权利要求2所述的基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法，其特征在于，通过多组关系方程计算获得相机的内参数和外参数的计算公式为：
Figure FDA0004144172030000012
其中，zc为像素点的深度，fx、fy、u0，v0和ks为相机的内参数，R和t为相机的外参数。
5.根据权利要求1所述的基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法，其特征在于，步骤S2具体为：
S21：激光器向标定板发射激光形成激光条纹，通过标定后的相机获取激光条纹的像素坐标；
S22：保持激光器与标定板间的位置不变并关闭激光器，将此时的标定板图像作为参考位姿调节相机的外参数，获取此时相机坐标系的坐标；
S23：更改标定板的位姿，重复步骤S21-S22，获取空间中多点相机坐标系的坐标Pi(xiyizi)；
S24：通过各相机坐标系的坐标用最小二乘法拟合获得激光平面方程，通过激光平面方程计算获得激光器的标定参数；
S25：通过激光器的标定参数对激光器进行激光平面标定，获得标定后的激光器。
6.根据权利要求1所述的基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法，其特征在于，步骤S3具体为：
S31：将标定后的相机和标定后的激光器移动至管道内的某一位置；
S32：通过标定后的激光器向管道内壁发射激光，通过标定后的相机获取打在管道内壁上的激光的全部图像；
S33：提取每张图像的激光条纹中心线坐标，对激光条纹修正后，将中心线坐标转换到世界坐标系中，令Z轴坐标Zw＝0后将中心线坐标转换到相机坐标系，获得该位置管道内壁的结构数据；
S34：移动标定后的相机和标定后的激光器的位置，重复步骤S31-S33，获得管道内壁全部的结构数据，通过全部的结构数据进行管道内壁三维重建。
7.一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建系统，其特征在于，包括：
相机标定模块，用于对相机进行参数标定，获得标定后的相机；
激光器标定模块，用于通过标定后的相机对激光器进行激光平面标定，获得标定后的激光器；
三维重建模块，用于通过标定后的相机和标定后的激光器获取管道内壁的三维信息，通过三维信息进行管道内壁三维重建。
8.一种存储设备，其特征在于：所述存储设备存储指令及数据用于实现权利要求1～6所述的任意一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法。
9.一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建设备，其特征在于：包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行存储设备中的指令及数据用于实现权利要求1～6所述的任意一种基于环形激光三角测量的管道内壁三维重建方法。
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