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CN114066859A - 一种管路测量方法及其装置 - Google Patents

一种管路测量方法及其装置 Download PDF

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CN114066859A CN202111372379.5A CN202111372379A CN114066859A CN 114066859 A CN114066859 A CN 114066859A CN 202111372379 A CN202111372379 A CN 202111372379A CN 114066859 A CN114066859 A CN 114066859A
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Abstract

本发明公开了一种管路测量方法及其装置，包括对多目相机系统进行标定和测量平台的标定，计算出多目相机系统实际拍摄图像的有效区域，同时计算出标记点在测量平台坐标系下的坐标矩阵与在相机坐标系下的坐标矩阵之间的转换关系，将已标定的多目相机系统在已标定的测量平台上沿待测管路的延伸方向移动，分段连续摄取多张有效区域的待测管路图像然后进行图像预处理，计算每一段管路在各自图像中的位置区域，并利用检测圆柱模型，以圆柱模型的圆柱中心点进行检索匹配得到每一段管路的中轴线位置，并以该中轴线位置重建各段管路模型，经坐标转换后，拼接各段管路模型对应的图像和计算各段管路数据，输出总的管路模型和管路数据。

Description

一种管路测量方法及其装置
技术领域
本发明涉及管路测量领域，具体为一种管路测量方法及其装置。
背景技术
管路作为一种可传输物资、衔接的结构，被广泛应用在汽车、船舶、航天等领域。而也因其使用的场景广泛，对管路的检测成为近些年的热门研究方向。由于管路尺寸各异，对检测手段也提出了不小的挑战。目前多数测量手段都是针对长度在2m范围内的管件，对于超出2m范围的管件测量仍没有较好的解决方案。
针对管路的测量可按照实现方式分为接触式和非接触式两种，目前接触式测量中应用较多也是精度最高的则是三坐标测量。测头通过机械结构轻轻接触管壁，后端会自动记录、锁存该位置点坐标。通过这种接触-记录的方式，确定管路上一些特征点位置坐标，从而完成管路测量。由于这种测量方式测量时间长，技术难度要求高,所以只能应用于仪器能够接触到测量场景的场合，无法满足长管路的测量需求。
而结构光扫描作为非接触式测量的主动视觉法的典型代表，其可通过向物体表面投射调制的激光或散斑，工业相机采集表面带有特征图像的管路，划分、提取图像的特征区域，拼接点云，实现管路重建，虽然相较三坐标测量而言，明显缩短了测量时长，但测量精度易受设备检测精度影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对长管路识别精度高，适应性强，视野范围大的管路测量方法及其装置。
本发明提供了一种管路测量方法，包括以下步骤：
S1、对多个相机组成的多目相机系统进行标定；
S2、根据已标定的多目相机系统，计算出每个相机拍摄图像的区域，从而计算出多目相机系统实际拍摄图像的有效区域；
S3、通过已标定的多目相机系统对设置有多个标记点的测量平台进行标定，计算出标记点在测量平台坐标系下的坐标矩阵与在相机坐标系下的坐标矩阵之间的转换关系；
S4、将已标定的多目相机系统在已标定的测量平台上沿待测管路的延伸方向移动，分段连续摄取多张有效区域的待测管路图像，其中，所述每一张有效区域内的待测管路图像包含每一段管路的图像和每一段管路所对应测量平台标记点的图像；
S5、对每一张有效区域内的待测管路图像进行图像预处理，计算每一段管路在各自图像中的位置区域，然后利用检测圆柱模型，以圆柱模型的圆柱中心点进行检索匹配得到每一段管路的中轴线位置，并以该中轴线位置重建各段管路模型；
S6、根据标记点在测量平台坐标系下的坐标矩阵与在相机坐标系下的坐标矩阵之间的转换关系，计算出重建的各段管路模型在测量平台坐标系下的各段管路数据和管路模型；
S7、根据各段管路模型在测量平台坐标系下的各段管路数据和管路模型，并依次拼接各段管路模型对应的图像和计算各段管路数据，输出总的管路模型和管路数据。
优选地，所述步骤S1包括如下步骤：
S1-1、在多个相机组成的多目相机系统正下方摆放印有标识点的标定板；
S1-2、通过多目相机系统获取印有标识点的标定板图像；
S1-3、将获取到印有标识点的标定板图像，通过多目视觉标定原理，识别各标识点圆心的空间位置，以计算出每个相机的内外参数；
S1-4、以印有标识点的标定板图像中对应标定板的中心点位置作为多目相机系统坐标系原点，将每个相机的内外参数统一至该多目相机系统坐标系原点上，完成多目相机系统的标定。
优选地，所述步骤S3中对设置有多个标记点的测量平台进行标定，包括如下步骤：
S3-1：基于近景摄影测量原理，由已标定的多目相机系统获取测量平台上标记点的多个角度图像；
S3-2：对获取到的多个角度标记点图像，进行图像边缘检测处理；
S3-3：将边缘检测处理后的多个角度标记点图像，进行亚像素边缘提取；
S3-4：将经过亚像素边缘提取的多个角度标记点图像通过椭圆中心拟合的方法，以确定各标记点圆心在测量平台上的空间位置，并以此建立测量平台坐标系。
优选地，所述由已标定的多目相机系统获取测量平台上标记点的多个角度图像包括：
已标定的多目相机系统从与测量平台平面成90°、60°以及45°三个角度获取测量平台上标记点的图像。
优选地，所述步骤S5中对每一张有效区域内的待测管路图像进行图像预处理，包括如下步骤：
S5-1、对每一张有效区域内的待测管路图像进行限定灰度阈值；
S5-2、对限定灰度阈值后的每一张有效区域内的待测管路图像进行特征提取。
优选地，所述步骤S5中重建各段管路模型，还包括：
S5-3、通过建立检测圆柱模型，确定各分段管路端头与有效区域边界的交点，以该交点为圆心，以检测圆柱模型的圆柱半径，划分圆形区域；
S5-4、若圆形区域内的管路图像出现三个及以上的小圆柱点位于多目相机系统拍摄图像的有效区域之外，则该点为断点，反之，若各分段管路端头与边界无交点，或交点在所划圆形区域内，且位于多目相机系统拍摄图像的有效区域之外的点小于三个，则该点为各分段管路端点。
优选地，所述步骤S7还包括：若各段管路模型对应的图像，拼接过程中，存在同一折弯点或多个空间坐标的情况，则过滤掉重复管路模型的区域。
优选地，过滤掉重复管路模型的区域具体包括：
对折弯重复区域内图像的各折弯点坐标进行均值化处理；
将均值化处理后的各折弯点坐标计算均值坐标，并将该均值坐标作为折弯重复区域内图像内折弯点的坐标，以此修正总的管路模型中的折弯点坐标。
本发明还提供一种管路测量装置，包括测量平台，安装在所述测量平台上的多目相机系统，所述多目相机系统内至少包括一个存储器以及一个处理器，所述测量平台上设置多个标记点，所述存储器，包括存储于其中的至少一个可执行程序；
所述可执行程序在由所述处理器执行时，实现所述的方法。
优选地，所述测量平台上还设置有背光源。
本发明提供了一种管路测量方法及其装置，通过将已标定的多目相机系统在已标定的测量平台上沿待测管路的延伸方向移动，分段连续摄取多张有效区域的待测管路图像，并由标记点识别技术，配合完成管路的对齐和拼接，可以减少对长管路测量存在的盲区。并且该测量方法有着更大的视野范围，更高的识别精度，能够解决传统视觉测量中的误匹配现象，从而有效地提高了管路拼接和测量的精度。同时该方法通过对每一张有效区域内的待测管路图像进行图像预处理，计算每一段管路在各自图像中的位置区域，然后利用检测圆柱模型，以圆柱模型的圆柱中心点进行检索匹配得到每一段管路的中轴线位置，并以该中轴线位置重建各段管路模型，可以在较短时间内快速实现管路的模型建立，操作便捷，对管路尺寸、形状无特殊限制，因而可以达到适应各种场景管路测量的目的。
附图说明
图1为本本发明实施例提供的一种管路测量方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的多目相机系统获取印有标识点标定板图像的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的管路实施测量示意图；
图4为本发明实施例提供的确定分段管路断点位置示意图；
图5为本发明实施例提供的管路对应拼接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是根据本发明实施例提供的一种管路测量方法的流程示意图，管路测量方法包括以下步骤：
S1、对多个相机组成的多目相机系统进行标定；
S2、根据已标定的多目相机系统，计算出每个相机拍摄图像的区域，从而计算出多目相机系统实际拍摄图像的有效区域；
S3、通过已标定的多目相机系统对设置有多个标记点的测量平台进行标定，计算出标记点在测量平台坐标系下的坐标矩阵与在相机坐标系下的坐标矩阵之间的转换关系；
S4、将已标定的多目相机系统在已标定的测量平台上沿待测管路的延伸方向移动，分段连续摄取多张有效区域的待测管路图像，其中，所述每一张有效区域内的待测管路图像包含每一段管路的图像和每一段管路所对应测量平台标记点的图像；
S5、对每一张有效区域内的待测管路图像进行图像预处理，计算每一段管路在各自图像中的位置区域，然后利用检测圆柱模型，以圆柱模型的圆柱中心点进行检索匹配得到每一段管路的中轴线位置，并以该中轴线位置重建各段管路模型；
S6、根据标记点在测量平台坐标系下的坐标矩阵与在相机坐标系下的坐标矩阵之间的转换关系，计算出重建的各段管路模型在测量平台坐标系下的各段管路数据和管路模型；
S7、根据各段管路模型在测量平台坐标系下的各段管路数据和管路模型，并依次拼接各段管路模型对应的图像和计算各段管路数据，输出总的管路模型和管路数据。
该发明是针对超出1.2m且不超过6m长度范围内的管路进行测量的方案，其由测量平台和多目相机系统组成，可解决超出1.2m常规管路长度，6m长度以内的管路测量工作，减少人力投入，提高生产效率。
管路测量装置包括测量平台，安装在所述测量平台上的多目相机系统，所述多目相机系统内至少包括一个存储器以及一个处理器，所述测量平台上设置多个标记点，所述存储器，包括存储于其中的至少一个可执行程序，其中，多目相机系统负责采集、传输管路图像。是由至少四个相机组成的框架结构体，该系统中各相机分布在框架体顶部不同位置，获取测量台上待测管路的图像。测量平台带有背光源，可在图像处理时更好地提取导管边缘特征。测量平台的台面上四周印有标记点，通过标记点识别技术，配合完成管路对齐、拼接过程，其检测精度直接关系到最终管路测量精度。
多目相机系统和测量平台的标定：
多目相机系统的标定：
在多个相机组成的多目相机系统正下方摆放印有标识点的标定板，通过多目相机系统获取印有标识点的标定板图像，然后通过多目视觉标定原理，识别各标识点圆心的空间位置，以计算出每个相机的内外参数，以印有标识点的标定板图像中对应标定板的中心点位置作为多目相机系统坐标系原点，将每个相机的内外参数统一至该多目相机系统坐标系原点上，完成多目相机系统的标定。多目相机系统标定成功后，以图像中对应标定板的中心点位置作为相机坐标系原点，在该中心点位置建立相机坐标系，并计算出每个相机拍摄图像的区域，从而计算出多目相机系统实际拍摄图像的有效区域，如图2所示，标定板幅面内的区域就是多目相机系统拍摄图像的有效区域。
测量平台的标定：
基于近景摄影测量原理，由已标定的多目相机系统获取测量平台上标记点的多个角度图像，然后进行图像边缘检测处理，将边缘检测处理后的多个角度标记点图像，进行亚像素边缘提取，然后通过椭圆中心拟合的方法，以确定各标记点圆心在测量平台上的空间位置，并以此建立测量平台坐标系。获取测量平台上标记点的多个角度图像包括，例如将已标定的多目相机系统从与测量平台平面成90°、60°以及45°三个角度获取测量平台上标记点的图像。
管路测量：
启动测量平台背光源，测量平台上放置待测导管，待测管路的延伸方向移动多目相机系统，如图3所示，分段连续摄取多张有效区域的待测管路图像。其中测量平台长6m，宽1m，高0.8m；多目相机系统高3m，基本满足了管路长度在6m以内的长管测量需求。其中，对每一张有效区域内的待测管路图像进行图像预处理包括对每一张有效区域内的待测管路图像进行限定灰度阈值，然后再进行特征提取。
各分段管路断点位置的确定：
通过建立检测圆柱模型，确定各分段管路端头与有效区域边界的交点，以该交点为圆心，以检测圆柱模型的圆柱半径，划分圆形区域，若圆形区域内的管路图像出现三个及以上的小圆柱点位于多目相机系统拍摄图像的有效区域之外，则该点为断点，反之，若各分段管路端头与边界无交点，或交点在所划圆形区域内，且位于多目相机系统拍摄图像的有效区域之外的点小于三个，则该点为各分段管路端点，如图4所示。
管型重建：
对各分段管路包含测量平台标记点的图像数据，限定灰度阈值，特征提取、匹配各图像中管路位置区域，利用检测圆柱模型，以圆柱中心点检索、匹配得到管路中轴线位置，从而重建得到各分段位置的管路模型。
管型对齐：
在测量平台标定完成后，测量平台上的标记点在自身坐标系下的坐标矩阵为Q，多目相机系统在管路测量阶段，获取到的台上标记点，在多目相机系统下的坐标矩阵为S。基于SVD(奇异值分解法)，求解矩阵Q与S之间的转换关系：旋转矩阵R和平移矩阵T。具体解算过程如下：
求解矩阵质心：
计矩阵Q、S各自的质心为
Figure BDA0003362784330000081
则：(两矩阵都是n*n矩阵)
Figure BDA0003362784330000082
平移矩阵：
将矩阵Q、S分别相对于各自质心位置做平移，新矩阵为Q’、S’，则：
Figure BDA0003362784330000083
SVD分解：
利用矩阵Q’、S’构造矩阵M，并对其进行SVD分解：
Figure BDA0003362784330000084
解算RS、TS
Figure BDA0003362784330000085
因此，根据标记点在测量平台坐标系下的坐标矩阵与在相机坐标系下的坐标矩阵之间的转换关系，计算出重建的各段管路模型在测量平台坐标系下的各段管路数据和管路模型。
管型拼接
根据各段管路模型在测量平台坐标系下的各段管路数据和管路模型，并依次拼接各段管路模型对应的图像和计算各段管路数据，输出总的管路模型和管路数据，若各段管路模型对应的图像，拼接过程中，存在同一折弯点或多个空间坐标的情况，则过滤掉重复管路模型的区域。过滤掉重复管路模型的区域具体包括：对折弯重复区域内图像的各折弯点坐标进行均值化处理，将均值化处理后的各折弯点坐标计算均值坐标，并将该均值坐标作为折弯重复区域内图像内折弯点的坐标，以此修正总的管路模型中的折弯点坐标，如图5所示，管段A和管段B，存在重复测量区域。分别对应的折弯点是Q2、Q2’；Q3、Q3’管段A的断点K1和管段B的断点K2、K3，不参与管路拼接。对重复区域内，各折弯点坐标进行均值化处理，以求解得到的均值坐标，记作该折弯点坐标。以图5中Q2、Q2’为例，计Q2(X,Y,Z)，Q2’(X’,Y’,Z’)，则：
Figure BDA0003362784330000091
最终该点位置坐标为Q20(X0,Y0,Z0)，在管路模型中修正该类折弯点坐标，并依次拼接各段管路模型对应的图像，输出总的管路模型和管路数据。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种管路测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对多个相机组成的多目相机系统进行标定；
S2、根据已标定的多目相机系统，计算出每个相机拍摄图像的区域，从而计算出多目相机系统实际拍摄图像的有效区域；
S3、通过已标定的多目相机系统对设置有多个标记点的测量平台进行标定，计算出标记点在测量平台坐标系下的坐标矩阵与在相机坐标系下的坐标矩阵之间的转换关系；
S4、将已标定的多目相机系统在已标定的测量平台上沿待测管路的延伸方向移动，分段连续摄取多张有效区域的待测管路图像，其中，所述每一张有效区域内的待测管路图像包含每一段管路的图像和每一段管路所对应测量平台标记点的图像；
S5、对每一张有效区域内的待测管路图像进行图像预处理，计算每一段管路在各自图像中的位置区域，然后利用检测圆柱模型，以圆柱模型的圆柱中心点进行检索匹配得到每一段管路的中轴线位置，并以该中轴线位置重建各段管路模型；
S6、根据标记点在测量平台坐标系下的坐标矩阵与在相机坐标系下的坐标矩阵之间的转换关系，计算出重建的各段管路模型在测量平台坐标系下的各段管路数据和管路模型；
S7、根据各段管路模型在测量平台坐标系下的各段管路数据和管路模型，并依次拼接各段管路模型对应的图像和计算各段管路数据，输出总的管路模型和管路数据。
2.根据权利要求1所述的管路测量方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：
S1-1、在多个相机组成的多目相机系统正下方摆放印有标识点的标定板；
S1-2、通过多目相机系统获取印有标识点的标定板图像；
S1-3、将获取到印有标识点的标定板图像，通过多目视觉标定原理，识别各标识点圆心的空间位置，以计算出每个相机的内外参数；
S1-4、以印有标识点的标定板图像中对应标定板的中心点位置作为多目相机系统坐标系原点，将每个相机的内外参数统一至该多目相机系统坐标系原点上，完成多目相机系统的标定。
3.根据权利要求1所述的管路测量方法，其特征在于，所述步骤S3中对设置有多个标记点的测量平台进行标定，包括如下步骤：
S3-1：基于近景摄影测量原理，由已标定的多目相机系统获取测量平台上标记点的多个角度图像；
S3-2：对获取到的多个角度标记点图像，进行图像边缘检测处理；
S3-3：将边缘检测处理后的多个角度标记点图像，进行亚像素边缘提取；
S3-4：将经过亚像素边缘提取的多个角度标记点图像通过椭圆中心拟合的方法，以确定各标记点圆心在测量平台上的空间位置，并以此建立测量平台坐标系。
4.根据权利要求3所述的管路测量方法，其特征在于，所述由已标定的多目相机系统获取测量平台上标记点的多个角度图像包括：
已标定的多目相机系统从与测量平台平面成90°、60°以及45°三个角度获取测量平台上标记点的图像。
5.根据权利要求1所述的管路测量方法，其特征在于，所述步骤S5中对每一张有效区域内的待测管路图像进行图像预处理，包括如下步骤：
S5-1、对每一张有效区域内的待测管路图像进行限定灰度阈值；
S5-2、对限定灰度阈值后的每一张有效区域内的待测管路图像进行特征提取。
6.根据权利要求5所述的管路测量方法，其特征在于，所述步骤S5中重建各段管路模型，还包括：
S5-3、通过建立检测圆柱模型，确定各分段管路端头与有效区域边界的交点，以该交点为圆心，以检测圆柱模型的圆柱半径，划分圆形区域；
S5-4、若圆形区域内的管路图像出现三个及以上的小圆柱点位于多目相机系统拍摄图像的有效区域之外，则该点为断点，反之，若各分段管路端头与边界无交点，或交点在所划圆形区域内，且位于多目相机系统拍摄图像的有效区域之外的点小于三个，则该点为各分段管路端点。
7.根据权利要求1所述的管路测量方法，其特征在于，所述步骤S7还包括：若各段管路模型对应的图像，拼接过程中，存在同一折弯点或多个空间坐标的情况，则过滤掉重复管路模型的区域。
8.根据权利要求7所述的管路测量方法，其特征在于，过滤掉重复管路模型的区域具体包括：
对折弯重复区域内图像的各折弯点坐标进行均值化处理；
将均值化处理后的各折弯点坐标计算均值坐标，并将该均值坐标作为折弯重复区域内图像内折弯点的坐标，以此修正总的管路模型中的折弯点坐标。
9.一种管路测量装置，其特征在于，包括测量平台，安装在所述测量平台上的多目相机系统，所述多目相机系统内至少包括一个存储器以及一个处理器，所述测量平台上设置多个标记点，所述存储器，包括存储于其中的至少一个可执行程序；
所述可执行程序在由所述处理器执行时，实现如权利要求1至8中任一项所述的方法。
10.根据权利要求9所述的管路测量装置，其特征在于，所述测量平台上还设置有背光源。
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