本發(fā)明涉及一種復(fù)雜多管路系統(tǒng)檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

管路系統(tǒng)是工業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分，在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域均有大量的使用。目前的檢測(cè)方法主要是針對(duì)單管內(nèi)壁檢測(cè)和單管外形檢測(cè)，對(duì)于多管路組成的復(fù)雜多管路系統(tǒng)主要依靠三坐標(biāo)或人工進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)效率低，無法滿足當(dāng)今快速高效的檢測(cè)要求，且三坐標(biāo)檢測(cè)方式無法對(duì)大尺寸的管路系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。

現(xiàn)有的彎管檢測(cè)方法主要為單根彎管的檢測(cè)，一種用于基樁檢測(cè)聲波透射法的聲測(cè)管彎曲現(xiàn)象識(shí)別方法(cn106501368a)使用超聲波的方式進(jìn)行彎管識(shí)別；一種彎管角度檢測(cè)尺(cn206095072u)發(fā)明了一種彎管角度的檢測(cè)尺。但對(duì)于多根彎管的復(fù)雜多管路，由于超聲波的反射信號(hào)存在混疊現(xiàn)象，并且超聲掃描需要掃描設(shè)備隨管路移動(dòng)，掃描效率偏低。接觸式的檢測(cè)尺等設(shè)備為人工操作，操作復(fù)雜并難以避免人工誤差，無法在復(fù)雜多管路系統(tǒng)中使用?，F(xiàn)有的進(jìn)口設(shè)備aicon可高效的進(jìn)行單管的外形檢測(cè)，但是僅能進(jìn)行單根彎管的檢測(cè)，無法獲得完整的復(fù)雜多管路檢測(cè)，并且價(jià)格高昂，嚴(yán)重制約了國內(nèi)管路加工制造的發(fā)展。航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域的發(fā)展迫切需要一種能夠三維重建復(fù)雜多管路系統(tǒng)的檢測(cè)方法，從而高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)復(fù)雜多管路系統(tǒng)中多管路的空間三維尺寸及管路之間間距等配合參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的僅能進(jìn)行單根彎管的檢測(cè)，無法獲得完整的復(fù)雜多管路檢測(cè)的不足，本發(fā)明提出了一種復(fù)雜多管路系統(tǒng)檢測(cè)方法。

本發(fā)明發(fā)的具體過程是：

步驟1，前期準(zhǔn)備：

所述的前期準(zhǔn)備包括粘貼標(biāo)志點(diǎn)和放置標(biāo)尺。

在待測(cè)管路系統(tǒng)中的附件的表面，根據(jù)被測(cè)管路系統(tǒng)大小以及測(cè)量要求粘貼標(biāo)志點(diǎn)。所用標(biāo)志點(diǎn)包括編碼標(biāo)志點(diǎn)和非編碼標(biāo)志點(diǎn)；并且每幅圖像中編碼標(biāo)志點(diǎn)的總數(shù)不少于5個(gè)，相鄰的兩個(gè)圖像中包含的共同編碼標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)量大于3個(gè)；

在管路系統(tǒng)邊緣或其它緊鄰管路系統(tǒng)但不遮擋的部位放置標(biāo)尺，用于相機(jī)的像素尺寸與物理坐標(biāo)系下的實(shí)際長度尺寸進(jìn)行對(duì)應(yīng)求解。所述標(biāo)尺與被測(cè)管路系統(tǒng)的尺寸為1：1。

所述的附件是管路系統(tǒng)中除管道以外的其他部件，包括閥門、泵、連接件和固定件。所述的圖像是照相機(jī)拍照的待測(cè)管路系統(tǒng)表面的圖片。

粘貼非編碼標(biāo)志點(diǎn)時(shí)應(yīng)滿足從每個(gè)照相方向的拍照都能看到8個(gè)以上該非編碼標(biāo)志點(diǎn)。

步驟2，對(duì)被測(cè)管路系統(tǒng)進(jìn)行拍攝：

按不同角度環(huán)繞該管路系統(tǒng)進(jìn)行拍照。所拍攝的每張照片中包含至少8個(gè)非編碼標(biāo)志點(diǎn)；須使每個(gè)編碼標(biāo)志點(diǎn)至少在8張照片中出現(xiàn)；標(biāo)尺被整體拍到的次數(shù)在三次以上，并且至少有一幅圖像中拍攝了完整的標(biāo)尺與被測(cè)量的管路系統(tǒng)。

拍攝中，若被測(cè)管路系統(tǒng)為大型管路系統(tǒng)不能在一張相片中顯示時(shí)，應(yīng)拼接出完整相片。

步驟3，圖像識(shí)別處理和重建標(biāo)志點(diǎn)：

使用步驟2所采集到的圖像數(shù)據(jù)，通過小波包降噪算法提取出圖像數(shù)據(jù)中的高低頻信號(hào)，將高頻噪聲信號(hào)進(jìn)行剔除，即設(shè)定高頻信號(hào)能量為零；重新進(jìn)行小波包還原，從而剔除了采集圖像中的高頻噪聲信號(hào)，進(jìn)行圖像降噪預(yù)處理。二值化處理后，在二維圖像x,y方向求一階導(dǎo)數(shù)，組合為4個(gè)方向的導(dǎo)數(shù)。所述4個(gè)方向的導(dǎo)數(shù)達(dá)到最大值的點(diǎn)即為二維圖像邊緣點(diǎn)。通過輪廓檢測(cè)、橢圓匹配和橢圓參數(shù)擬合，計(jì)算所述各標(biāo)志點(diǎn)中心在兩個(gè)攝像機(jī)圖像上的圖像坐標(biāo)，基于是否存在外圍圓環(huán)區(qū)分編碼標(biāo)志點(diǎn)和非編碼標(biāo)志點(diǎn)，根據(jù)相機(jī)模型和共線方程，得到對(duì)應(yīng)的誤差方程：

v＝ax1+bx2+cx3-l(1)

其中，v為像點(diǎn)坐標(biāo)殘差，x1,x2,x3分別為內(nèi)方位參數(shù)、外方位參數(shù)和物方點(diǎn)坐標(biāo)的改正數(shù)，a,b,c分別為內(nèi)方位參數(shù)、外方位參數(shù)和物方點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的偏導(dǎo)數(shù)矩陣，l為觀測(cè)值，即圖像點(diǎn)坐標(biāo)；

通過多參數(shù)非線性優(yōu)化，所有的攝像機(jī)內(nèi)、外參數(shù)以及物體點(diǎn)三維坐標(biāo)被不斷地被迭代計(jì)算直到達(dá)到預(yù)先設(shè)定的精度要求，當(dāng)?shù)諗亢?，既得到?biāo)志點(diǎn)的重建結(jié)果和相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。

步驟4，管路系統(tǒng)三維重建。

首先，基于步驟3中的二維圖像邊緣點(diǎn)，判斷每條邊緣是否存在對(duì)稱邊緣，基于鄰域最近邊緣原則，提取管路真實(shí)邊緣曲線，將非對(duì)稱邊緣作為干擾項(xiàng)進(jìn)行剔除；通過對(duì)稱邊緣計(jì)算管路完整軸線，在多幅圖像中，存在射影幾何線對(duì)應(yīng)關(guān)系，即每一幅圖像的每一個(gè)像素在其他圖像中存在唯一的投影直線，使用多幅圖像的投影直線交點(diǎn)確定像素在其他圖像中的對(duì)應(yīng)位置，對(duì)應(yīng)關(guān)系為：m'^tfm＝0，其中，f＝k^-1[t]rk，[t]為平移矩陣的反對(duì)稱矩陣，m'^t和m分別為兩幅圖像中的共同編碼標(biāo)志點(diǎn)的二維圖像坐標(biāo)，f為兩張圖像間的相機(jī)外參數(shù)的基礎(chǔ)矩陣，

將所述二維圖像坐標(biāo)帶入三維重建方程：

v＝a1x1+a2x2+a3x3-l，(2)

式中,v為像點(diǎn)坐標(biāo)殘差，x1,x2,x3為內(nèi)方位參數(shù)、外方位參數(shù)和物方點(diǎn)坐標(biāo)的改正數(shù)，

將同一管路在不同圖像中的軸線通過公式(2)進(jìn)行三維重建，獲得一根完整的管路三維軸線參數(shù)；基于管路邊緣離散點(diǎn)進(jìn)行三維圓柱擬合，使用最小二乘法解方程：

獲得一根完整管路的三維參數(shù)；所述三維參數(shù)包括管路軸線參數(shù)及不同位置的直徑；重復(fù)上述步驟將所有管路進(jìn)行重建，最終獲得完整的管路系統(tǒng)的三維參數(shù)。

公式中，r為圓柱半徑，(x0,y0,z0)為彎管軸線上一點(diǎn)，(a，b，c)為彎管軸線的軸線向量。

至此完成了復(fù)雜多管路系統(tǒng)的檢測(cè)。

本發(fā)明提出了一種易于操作、測(cè)量準(zhǔn)確、快速高效的復(fù)雜多管路系統(tǒng)檢測(cè)方法。

本發(fā)明使用光學(xué)測(cè)量手段，通過圖像處理進(jìn)行二維管路識(shí)別，基于工業(yè)近景攝影測(cè)量理論，進(jìn)行三維管路的重建。由于使用圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)于復(fù)雜管路僅需拍攝不同角度下的圖像即可，操作簡便。工業(yè)攝影測(cè)量理論的三維重建精度很高，保證了管路檢測(cè)的精度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于本方法使用光學(xué)測(cè)量手段，對(duì)于復(fù)雜多管路僅需拍攝不同角度下的圖像即可，大大提高了現(xiàn)有多管路系統(tǒng)人工手檢的現(xiàn)狀，測(cè)量效率與精度大幅度提升。

(2)由于本方法通過圖像處理進(jìn)行二維管路識(shí)別，基于工業(yè)近景攝影測(cè)量理論，進(jìn)行三維管路的重建，所以自動(dòng)化程度高，適合多管路制造、裝配及維修時(shí)的檢測(cè)要求。

(3)由于本方法系統(tǒng)需求簡單，數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)進(jìn)行分析，測(cè)量為多管路系統(tǒng)整體三維數(shù)據(jù)，相對(duì)現(xiàn)有的單管路檢測(cè)等方式所獲得的單根數(shù)據(jù)結(jié)果更為豐富，并可以對(duì)多根管路之間的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行判斷分析，使管路檢測(cè)從單管路的制造檢測(cè)，拓展為了多管路裝配及維修檢測(cè)，測(cè)量局限性小，在工業(yè)領(lǐng)域尤為適用，并為航空、航天等國防工業(yè)領(lǐng)域提供了可靠的多管路系統(tǒng)檢測(cè)測(cè)量依據(jù)。

(4)由于多管路系統(tǒng)復(fù)雜，本方法基于工業(yè)近景攝影測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于復(fù)雜多管路系統(tǒng)的測(cè)量，可根據(jù)實(shí)際的管路形狀及尺寸進(jìn)行圖像拍攝，使檢測(cè)不在受限于人工，對(duì)于高度較高的多管路系統(tǒng)，也僅需拍攝圖像即可，不再需要工人不斷攀爬以進(jìn)行檢測(cè)。

(5)由于本方法使用工業(yè)攝影測(cè)量的方法進(jìn)行復(fù)雜多管路系統(tǒng)的重建，所以測(cè)量精度高，精度可以達(dá)到10um/4m。

(6)由于本方法使用的是光學(xué)掃描測(cè)量的方式，所以是一種非接觸的測(cè)量方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的示意圖。

圖2是本發(fā)明的流程圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例是一種復(fù)雜多管路系統(tǒng)的檢測(cè)方法，包括下述步驟：

第一步：前期準(zhǔn)備。

所述的前期準(zhǔn)備包括粘貼標(biāo)志點(diǎn)和放置標(biāo)尺。

在待測(cè)管路系統(tǒng)中的附件的表面，按照攝影測(cè)量的原理要求，根據(jù)被測(cè)管路系統(tǒng)大小以及測(cè)量要求粘貼標(biāo)志點(diǎn)；所述的附件是管路系統(tǒng)中除管道意外的其他部件，包括閥門、泵、連接件和固定件。所用標(biāo)志點(diǎn)包括編碼標(biāo)志點(diǎn)和非編碼標(biāo)志點(diǎn)，并且每幅圖像中編碼標(biāo)志點(diǎn)的總數(shù)不少于5個(gè)，相鄰的兩個(gè)圖像中包含的共同編碼標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)量大于3個(gè)；所述的圖像是照相機(jī)拍照的待測(cè)管路系統(tǒng)表面的圖片。本實(shí)施例中,所采用的編碼標(biāo)志點(diǎn)為環(huán)形編碼標(biāo)志點(diǎn)。

所述的標(biāo)志點(diǎn)作為工業(yè)攝影測(cè)量解算的基礎(chǔ)，用于后期解算數(shù)字相機(jī)內(nèi)外參數(shù)。

粘貼標(biāo)志點(diǎn)時(shí)應(yīng)保證任意標(biāo)志點(diǎn)不遮擋管路邊緣，有利于得到物體表面更多的信息。標(biāo)志點(diǎn)作為工業(yè)攝影測(cè)量解算的基礎(chǔ)，用于后期解算數(shù)字相機(jī)內(nèi)外參數(shù)。在管路系統(tǒng)邊緣或其它緊鄰管路系統(tǒng)但不遮擋的部位放置標(biāo)尺，用于相機(jī)的像素尺寸與物理坐標(biāo)系下的實(shí)際長度尺寸進(jìn)行對(duì)應(yīng)求解。

所述標(biāo)志點(diǎn)的粘貼要求如下：

標(biāo)志點(diǎn)作為后期相機(jī)內(nèi)外參數(shù)解算的依據(jù)，應(yīng)緊密粘貼在被測(cè)區(qū)域，使其在檢測(cè)過程中不會(huì)發(fā)生脫落，粘貼時(shí)切勿折疊或弄臟標(biāo)志點(diǎn)；

粘貼非編碼標(biāo)志點(diǎn)時(shí)應(yīng)滿足從每個(gè)照相方向的拍照都能看到8個(gè)以上該非編碼標(biāo)志點(diǎn)。

第二步：

對(duì)被測(cè)管路系統(tǒng)進(jìn)行拍攝。根據(jù)管路系統(tǒng)形狀，按不同角度環(huán)繞該管路系統(tǒng)進(jìn)行拍照，按被測(cè)管路系統(tǒng)大小不同，拍攝30～100張不同角度的照片；拍攝所獲得的照片用于后期的標(biāo)志點(diǎn)重建。本實(shí)施例中，拍攝角度分別為30°,45°,60°,75°

對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行拍攝具體操作如下：

(a)啟動(dòng)相機(jī)，相機(jī)從不同角度和距離同時(shí)采集被測(cè)管路系統(tǒng)圖像信息，然后計(jì)算所粘貼標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；

(b)采用前方交互、后方交會(huì)和捆綁調(diào)整算法解算不同標(biāo)志點(diǎn)在各幅圖像中的投影矩陣，根據(jù)求得的投影矩陣求解攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)，從而得到相機(jī)內(nèi)參數(shù)及各拍攝位置的外參數(shù)；

(c)利用光束平差法對(duì)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，得到精確的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)并將結(jié)果保存。

對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行拍攝要求如下：

標(biāo)尺和所有標(biāo)志點(diǎn)不要遮蓋管路系統(tǒng)的管路邊緣；

拍攝時(shí)相機(jī)使用黑白模式，感光度為200，拍攝時(shí)保持穩(wěn)定，保證照片的清晰度；

拍攝時(shí)相機(jī)應(yīng)使用自動(dòng)對(duì)焦模式，閃光等處于打開狀態(tài)；保持一定的焦距，在拍攝過程中不要調(diào)焦距；

保證每張照片包含至少8個(gè)非編碼標(biāo)志點(diǎn)；

保證每個(gè)編碼標(biāo)志點(diǎn)至少在8張照片中出現(xiàn)；

標(biāo)尺被整體拍到的次數(shù)在三次以上。

管路系統(tǒng)的大小與標(biāo)尺是1：1的，并且標(biāo)尺與被測(cè)量的管路系統(tǒng)至少在一張圖片中被完整拍攝于一幅圖像之中，這樣會(huì)在很多相關(guān)聯(lián)的圖片中有很多相同的非編碼點(diǎn)，使得測(cè)量結(jié)果精度非常高，并且自動(dòng)算出非編碼點(diǎn)。

如果測(cè)量一個(gè)不能在一張相片中顯示的大型管路系統(tǒng)時(shí)，采用拼接的方法。

第三步：

圖像識(shí)別處理和重建標(biāo)志點(diǎn)。使用第二步所采集到的圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行小波包降噪算法，提取出圖像數(shù)據(jù)中的高低頻信號(hào)，將高頻噪聲信號(hào)進(jìn)行剔除，即設(shè)定高頻信號(hào)能量為零，然后重新進(jìn)行小波包還原，從而剔除了采集圖像中的高頻噪聲信號(hào)，進(jìn)行圖像降噪預(yù)處理。二值化處理后，在二維圖像x,y方向求一階導(dǎo)數(shù)，然后組合為4個(gè)方向的導(dǎo)數(shù)。這些方向的導(dǎo)數(shù)達(dá)到最大值的點(diǎn)即為二維圖像邊緣點(diǎn)。通過輪廓檢測(cè)、橢圓匹配和橢圓參數(shù)擬合，計(jì)算所述各標(biāo)志點(diǎn)中心在兩個(gè)攝像機(jī)圖像上的圖像坐標(biāo)，基于是否存在外圍圓環(huán)區(qū)分編碼標(biāo)志點(diǎn)和非編碼標(biāo)志點(diǎn)，根據(jù)相機(jī)模型和共線方程，得到對(duì)應(yīng)的誤差方程：

v＝ax1+bx2+cx3-l(2)

其中，v為像點(diǎn)坐標(biāo)殘差，x1,x2,x3分別為內(nèi)方位參數(shù)、外方位參數(shù)和物方點(diǎn)坐標(biāo)的改正數(shù)，a,b,c分別為內(nèi)方位參數(shù)、外方位參數(shù)和物方點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的偏導(dǎo)數(shù)矩陣，l為觀測(cè)值，也就是圖像點(diǎn)坐標(biāo)；

在誤差方程式(1)中，如果以圖像坐標(biāo)作為觀測(cè)值，把攝像機(jī)內(nèi)方位參數(shù)、外方位參數(shù)和物方點(diǎn)坐標(biāo)都當(dāng)作未知數(shù)來求解，該過程稱之為光束平差。如果已知內(nèi)方位參數(shù)、外方位參數(shù)求物方點(diǎn)坐標(biāo)，該過程稱之為前方交會(huì)，對(duì)應(yīng)的誤差方程簡化為：v＝cx3-l；同樣，如果已知物方點(diǎn)坐標(biāo)和內(nèi)方位參數(shù)求外方位參數(shù)，該過程稱之為后方交會(huì)，對(duì)應(yīng)的誤差方程簡化為：v＝bx2-l，基于攝影測(cè)量的攝像機(jī)標(biāo)定過程主要包括空間后方交會(huì)、空間前方交會(huì)和捆綁調(diào)整等算法，其中空間后方交會(huì)和空間前方交負(fù)責(zé)初值計(jì)算，捆綁調(diào)整負(fù)責(zé)最終優(yōu)化。

通過多參數(shù)非線性優(yōu)化，所有的攝像機(jī)內(nèi)、外參數(shù)以及物體點(diǎn)三維坐標(biāo)被不斷地被迭代計(jì)算直到達(dá)到預(yù)先設(shè)定的精度要求，當(dāng)?shù)諗亢螅饶軌虻玫綐?biāo)志點(diǎn)的重建結(jié)果和相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。

重建標(biāo)志點(diǎn)要求如下：

標(biāo)志點(diǎn)均重建成功。

第四步：

管路系統(tǒng)三維重建。首先，基于步驟3中的二維圖像邊緣點(diǎn)，判斷每條邊緣是否存在對(duì)稱邊緣，基于鄰域最近邊緣原則，提取管路真實(shí)邊緣曲線，將非對(duì)稱邊緣作為干擾項(xiàng)進(jìn)行剔除；通過對(duì)稱邊緣計(jì)算管路完整軸線，在多幅圖像中，存在射影幾何線對(duì)應(yīng)關(guān)系，即每一幅圖像的每一個(gè)像素在其他圖像中存在唯一的投影直線，使用多幅圖像的投影直線交點(diǎn)確定像素在其他圖像中的對(duì)應(yīng)位置，對(duì)應(yīng)關(guān)系為：m'^tfm＝0，其中，f＝k^-1[t]rk，[t]為平移矩陣的反對(duì)稱矩陣，m'^t和m分別為兩幅圖像中的共同編碼標(biāo)志點(diǎn)的二維圖像坐標(biāo)，f為兩張圖像間的相機(jī)外參數(shù)的基礎(chǔ)矩陣，

將所述二維圖像坐標(biāo)帶入三維重建方程：

v＝a1x1+a2x2+a3x3-l，(2)

式中，v為像點(diǎn)坐標(biāo)殘差，x1,x2,x3為內(nèi)方位參數(shù)、外方位參數(shù)和物方點(diǎn)坐標(biāo)的改正數(shù)。

將同一管路在不同圖像中的軸線通過公式(2)進(jìn)行三維重建，獲得一根完整的管路三維軸線參數(shù)；基于管路邊緣離散點(diǎn)進(jìn)行三維圓柱擬合，使用最小二乘法解方程：

獲得一根完整管路的三維參數(shù)；所述三維參數(shù)包括管路軸線參數(shù)及不同位置的直徑；重復(fù)上述步驟將所有管路進(jìn)行重建，最終獲得完整的管路系統(tǒng)的三維參數(shù)。

公式中，r為圓柱半徑，(x0,y0,z0)為彎管軸線上一點(diǎn)，(a，b，c)為彎管軸線的軸線向量。

步驟3和4所述管路系統(tǒng)三維重建的具體程序如下：

(a)圖像預(yù)處理，對(duì)輸入的圖像進(jìn)行降噪、二值化處理；

(b)在二值化圖像中搜索邊緣特征，基于管路邊緣對(duì)稱，提取實(shí)際管路邊緣；

(c)基于直線擬合算法，提取管路初始位置，通過外延算法，提取管路完整軸線，將同一管路在不同圖像中的軸線基于外極線交互，進(jìn)行三維重建，獲得一根完整的管路三維軸線參數(shù)；

(d)基于多相機(jī)投影矩陣和離散點(diǎn)圓柱重建算法，根據(jù)管路邊緣離散點(diǎn)坐標(biāo)重建管路三維圓柱，獲得一根完整管路的三維參數(shù)；

(e)重復(fù)(c)、(d)，直至所有管路均重建完成。

管路系統(tǒng)重建要求：

管路軸線提取成功；

管路直徑解算成功；

管路系統(tǒng)所有管路求解成功。

至此，完成了復(fù)雜多管路系統(tǒng)的檢測(cè)。