專利名稱：基于圓結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)的管道缺陷檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于管道缺陷檢測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
管道作為常用氣體和液體的傳輸手段，其截面形狀、管壁形貌等對(duì)流動(dòng)流體的動(dòng)態(tài)性能有著顯著的影響。管道內(nèi)壁缺陷、腐蝕、使用過(guò)程中的破損等對(duì)生產(chǎn)的安全性有重要影響，因而對(duì)管道內(nèi)壁缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，盡早發(fā)現(xiàn)缺陷，對(duì)于減少事故的發(fā)生和避免經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。目前針對(duì)管道內(nèi)表面的缺陷檢測(cè)方法主要有(1)天津大學(xué)宋麗梅等人基于單幅圖像恢復(fù)三維形貌的基本原理，從影響灰度的因素出發(fā)，根據(jù)單幅測(cè)量圖像中的灰度信息，確定圖像灰度與物體表面法矢的關(guān)系，進(jìn)而得到物體表面的三維坐標(biāo)。通過(guò)判斷測(cè)點(diǎn)深度與標(biāo)準(zhǔn)深度的差別，識(shí)別每個(gè)工件是否存在深度缺陷。但是采集圖像的灰度與物體可見(jiàn)表面的幾何形狀、光源的入射強(qiáng)度和方向、攝像機(jī)相對(duì)物體的方位和距離、物體表面的反射特性等因素有關(guān)，因此缺陷檢測(cè)精度較低。(2)Osama Moselh等人通過(guò)圖像灰度信息來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行特征提取和模式識(shí)別，并對(duì)自來(lái)水管和下水道管進(jìn)行表面缺陷檢測(cè)。但該方法直接采用二維圖像灰度信息判斷管道內(nèi)表面缺陷，不能獲取缺陷的深度信息，同時(shí)受管道材質(zhì)、光照等因素影響較大。同樣該方法由于直接依賴于圖像灰度信息，具有一定的不直觀性，且測(cè)量精度有待提高。(3)浙江大學(xué)吳恩啟等人基于位置敏感器(PSD)、形貌檢測(cè)器等設(shè)備提出了一種適于管道內(nèi)壁缺陷檢測(cè)和三維測(cè)量的計(jì)算模型和測(cè)量方法。當(dāng)管道無(wú)缺陷時(shí)，由形貌檢測(cè)器得到的離散點(diǎn)組成完整的圓；否則，離散點(diǎn)組成的是一條三維曲線，有缺陷部位的點(diǎn)在Z 向的坐標(biāo)發(fā)生突變。該方法雖然能很好的檢測(cè)出管道內(nèi)壁對(duì)應(yīng)截面的形貌信息，但只能實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)任意一點(diǎn)精確的三維測(cè)量，需要多次掃描才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)截面的測(cè)量，且整個(gè)測(cè)量過(guò)程依賴于系統(tǒng)參數(shù)，具有一定的局限性。通過(guò)分析上述幾種管道內(nèi)表面檢測(cè)方法可知，上述缺陷檢測(cè)技術(shù)存在以下不足1)基于圖像灰度信息判斷管道缺陷檢測(cè)不能獲取缺陷高精度的深度信息，且會(huì)受到管道材質(zhì)，光照等外界因素的影響，缺陷檢測(cè)精度較低。2)基于位置敏感器的管道缺陷檢測(cè)方法可以獲取精確的三維信息，但測(cè)量方式為單點(diǎn)檢測(cè)，需要掃描裝置多次測(cè)量才能獲取一個(gè)管道截面的精確三維信息，存在掃描結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)試效率低的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前管道內(nèi)表面缺陷檢測(cè)方法不足，利用圓結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)獲取管道內(nèi)表面大量精確三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，發(fā)明一種基于法矢夾角突變法實(shí)現(xiàn)缺陷部位的快速檢測(cè)和精確定位的方法，該發(fā)明具有檢測(cè)高效、精確的特點(diǎn)，且能快速、精確地實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)壁缺陷的可視化。本發(fā)明基于圓結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)原理，對(duì)圓結(jié)構(gòu)光獲取的管道內(nèi)壁三維數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)后，通過(guò)比較同一圓周上相鄰點(diǎn)之間法矢夾角的突變來(lái)檢測(cè)管道缺陷，并基于VC++ 程序語(yǔ)言利用OpenGL對(duì)管道內(nèi)壁形貌三維重構(gòu)。該方法由于直接對(duì)管道內(nèi)壁點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具有簡(jiǎn)單精確的特點(diǎn)，且能快速、精確地實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)壁缺陷的可視化。1.基于圓結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)的管道缺陷檢測(cè)方法，其特征在于圓結(jié)構(gòu)光投射器向管道內(nèi)壁投射結(jié)構(gòu)光，圓錐曲面結(jié)構(gòu)光和管道內(nèi)表面相交形成明亮的圓形閉合光條，位于管道內(nèi)的攝像機(jī)拍攝內(nèi)表面光條圖像，經(jīng)圖像采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的管道內(nèi)表面光條圖像進(jìn)行光條中心的亞像素特征提取，基于光學(xué)三角法計(jì)算出管道內(nèi)表面三維信息；測(cè)量時(shí)管道沿軸向移動(dòng)，攝像機(jī)獲得多幅管道內(nèi)壁不同軸向位置的圖像，進(jìn)而計(jì)算得出整個(gè)管道內(nèi)表面的三維信息；基于每個(gè)圓結(jié)構(gòu)光光條獲取的管道內(nèi)表面三維數(shù)據(jù)點(diǎn)以一個(gè)圓周的形式存在，獲取η個(gè)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)；每個(gè)點(diǎn)的切向量和法向量相垂直；圓周上任意一點(diǎn)的切向量垂直于圓周半徑，而法向量則和半徑重合；對(duì)于同一圓周上的任意兩個(gè)相鄰點(diǎn)Pi，Pi+1，假設(shè)其法向量分別為ni，ni+1，則這兩點(diǎn)之間的法矢夾角θ為
權(quán)利要求
1.基于圓結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)的管道缺陷檢測(cè)方法，其特征在于 圓結(jié)構(gòu)光投射器向管道內(nèi)壁投射結(jié)構(gòu)光，圓錐曲面結(jié)構(gòu)光和管道內(nèi)表面相交形成明亮的圓形閉合光條，位于管道內(nèi)的攝像機(jī)拍攝內(nèi)表面光條圖像，經(jīng)圖像采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)， 由計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的管道內(nèi)表面光條圖像進(jìn)行光條中心的亞像素特征提取，基于光學(xué)三角法計(jì)算出管道內(nèi)表面三維信息；測(cè)量時(shí)管道沿軸向移動(dòng)，攝像機(jī)獲得多幅管道內(nèi)壁不同軸向位置的圖像，進(jìn)而計(jì)算得出整個(gè)管道內(nèi)表面的三維信息；基于每個(gè)圓結(jié)構(gòu)光光條獲取的管道內(nèi)表面三維數(shù)據(jù)點(diǎn)以一個(gè)圓周的形式存在，獲取η 個(gè)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)；每個(gè)點(diǎn)的切向量和法向量相垂直；圓周上任意一點(diǎn)的切向量垂直于圓周半徑，而法向量則和半徑重合；對(duì)于同一圓周上的任意兩個(gè)相鄰點(diǎn)Pi,Pi+1，假設(shè)其法向量分別為I^rv1,則這兩點(diǎn)之間的法矢夾角θ為 θ = arccos(^' ^+1)設(shè)定無(wú)缺陷時(shí)相鄰點(diǎn)的法矢量的夾角閾值為θ ,threshold,當(dāng)檢測(cè)到圓周上相鄰點(diǎn)之間的法矢量夾角θ > e_threshold時(shí)；則判定該相鄰點(diǎn)處存在缺陷，即相鄰兩點(diǎn)之間的法矢夾角θ會(huì)在缺陷點(diǎn)處發(fā)生突變；且設(shè)第i+Ι個(gè)點(diǎn)Pi+1的坐標(biāo)為(xi+1，yi+1，zi+1)，則該點(diǎn)到管道內(nèi)壁圓心的距離d為^ = V ~xo)2+ (yl+i-y0)2+ (Λ+ι ~ζο)2其中，κ，y。，、為管道內(nèi)壁圓心坐標(biāo)，該圓心坐標(biāo)通過(guò)對(duì)圓周上三維點(diǎn)的坐標(biāo)擬合得到；如果d > r_upper并且θ - θ —threshold > 0，則此點(diǎn)處管道內(nèi)壁為凹陷，Pi+1為缺陷點(diǎn)；如果d<r_loWer并且θ - θ Jhreshold > 0，則此點(diǎn)處管道內(nèi)壁為凸起；其中，r_upper 分別為管道半徑的上下限閾值；r_upper上限閾值取為大于管道半徑0. 05cm,r_ lower下限閾值取為小于管道半徑0. 05cm ； θ threshold根據(jù)管道圓周上獲取的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)確定，即θ ,threshold = 360/n，其中η為管道圓周上數(shù)據(jù)點(diǎn)總個(gè)數(shù)。
全文摘要
基于圓結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)的管道缺陷檢測(cè)方法屬于對(duì)管道內(nèi)壁缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。管道作為常用氣體和液體的傳輸手段，其截面形狀、管壁形貌等對(duì)流動(dòng)流體的動(dòng)態(tài)性能有著顯著的影響。該方法利用圓結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)獲取的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用同一圓周上相鄰點(diǎn)法矢量夾角突變來(lái)判定缺陷，判定方法簡(jiǎn)單有效。該缺陷檢測(cè)方法獲取的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)而不是基于二維灰度圖像進(jìn)行管道缺陷的判定，準(zhǔn)確率和精度都大大提高。
文檔編號(hào)G01N21/89GK102565081SQ201210009580
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者于濤, 張艷輝, 王穎, 趙利強(qiáng), 金翠云 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)