一种4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法及装置，包括：四路视频输入装置、视频预处理装置、柱面投影装置、图像配准装置以及图像拼接融合装置，所述图像预处理装置包括图像几何校正装置、图像颜色校正装置。本发明专利技术4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法及装置，提出一种基于相互垂直放置的4部摄像机系统的全景图生成方法，从根本上解决了上述出现的技术难题，使钻孔成像技术得到了突破性、实质性的进展，采用4路孔壁视频，从四个不同方向同时对孔壁四周成像，相邻两个方向的视频图像存在孔壁同一区域成像部分，同一个方向上的视频图像帧间存在着孔壁同一区域的成像部分，经过视频图像间的图像特征，拼接处理后得到全景视频。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钻孔全景成像
，具体涉及一种相互垂直放置的4部摄像机系统的钻孔柱面全景图生成方法及装置。
技术介绍
在地质勘探中，一般采用常规钻探获取岩心来了解地质情况，但是存在钻探工作量大，钻探成本高，且钻探过程一般难于直接观察等缺点；此外，一些有重大工程地质意义的软弱层(破碎泥化夹层、风化夹层等)和构造破碎带，往往不易取得岩心，不能了解其地质条件，从而导致工程施工困难。随着科学技术的发展，钻孔成像技术在水利、土木、能源、交通、地质、矿山等行业都有广泛的应用，是传统的勘察方法无法比拟的。钻孔成像技术依靠光学原理使人们能直接观测到钻孔的内部。这一技术的出现是基于当代科学技术的发展，特别是在照相和摄像设备的小型化方面的突破。目前为止，钻孔成像技术的发展经历了3个阶段：钻孔照相、钻孔电视、数字光学钻孔成像。前两个阶段的技术特点是模拟方式下的定性观察、描述和评价，其缺点是(1)定量分析性差；(2)结果表现方式少，处理手段有限；(3)不能提供较长孔壁图像；(4)存在一定视觉死角；(5)受雾气影响较大，对完整段反应较弱。数字光学成像技术是当今钻孔成像技术发展过程中的一个里程碑，代表了当今科学技术的发展水平，其主要的创新点在于全景图像的实现和数字技术的突破，而且更加实用化，各类工程中得到了大量的应用。克服了模拟方式下钻孔成像技术的不足，推动了孔内探测技术向可视化、数字化领域的发展。现有技术中存在的问题和缺陷：通常模拟方式下钻孔成像技术采用平面反射原理，当成像部件沿着钻
孔轴线成像时，只能得到钻孔孔壁局部图像。然而数字方式下钻孔成像技术将平面反射镜用锥面反射镜代替，这时360度钻孔孔壁经过锥面反射成像，得到360度钻孔孔壁图像(全景图)。钻孔一般是类似标准的圆柱形，且直径已知，而由定位方法获得全景图像的方向和位置后，即可建立钻孔孔壁的空间坐标系统，为数字化处理奠定基础。但是，现有的数字式钻孔成像技术也存在着一些问题：1)基本假设的局限性。通常钻孔孔壁被认为是竖直向下，不适用水平孔和倾斜孔的测试，这严重地限制了对数字钻孔成像技术的普遍应用；2)孔壁成像的单一性。利用锥面反射原理实现的全景图是360度孔壁映射到平面图像，并且对孔壁的观察防线保持不变，实际上是一个降维的映射过程，有如下缺点：在实际钻孔表面凸凹不平时会遮挡这种单一方向上的成像；不能观察探头前方的情况；在扩径处返回光少使图像成黑色；难以得到钻孔径向上延伸数据。
技术实现思路
针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种克服了现有的数字摄像系统只能解决竖直孔壁以及孔壁成像的单一性问题的4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法及装置。本专利技术所采取的技术方案是：一种4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法，包括如下步骤：(1)选取四部摄像机，将四部摄像机连接成一体，构成摄像机组；在同一平面内背向同一中心点相互垂直放置，拍摄方向与钻孔孔壁所在的圆柱面相互垂直；将摄像机组放入孔内；(2)摄像机组沿孔壁纵向移动设定距离；(3)钻孔视频摄像头移动过程中某一时刻同时提取4张单个图像文件；(4)消除不同摄像机间的色差；(5)分别将4张图像通过柱面坐标变换公式转化为孔壁信息的柱面投影图；(6)进行图像配准；相邻摄像头间提取的图像的柱面投影图包含了相同的孔壁信息，根据图像间的特征进行横向拼接，就得到了某一时刻钻孔孔壁的360度横向拼接图；(7)保存横向拼接图像；(8)判断摄像机纵向移动是否完毕，摄像机纵向移动没有完毕，返回步骤(2)，摄像机纵向移动完毕执行步骤(9)；(9)相邻图像纵向拼接；(10)得到钻孔孔壁全景图。柱面投影变换的核心是投影变换公式中K为柱面投影空间，I表示原始图像，I`是柱面投影图像，坐标原点O选为圆柱中心；假定图像中心点就是光轴与图像平面的交点，现在要得到O点观察到的原始图像，在柱面空间K上的柱面投影图像I；设柱面半径为r，投影角为θ，图像宽度为W，图像高度为H，得到柱面图像的宽度为2rsin(θ/2)，高度仍为H；图像的像素坐标均以图像平面中的最左上角像素为坐标原点；对图像I上的任意一点P(x，y)，在柱面图像I`上的对应点为P`(x`，y`)，对点P沿x一z平面和y—z的横截面，可得柱面投影变换公式：x`＝r*sin(θ/2)+r*sin(arctan(x-W/2)/r)y`＝H/2+r*(y-H/2)/k其中：k＝sqrt(r*r+(W/2-x)(W/2-x))r＝W/(2tan(θ/2)),r为拍摄焦距，θ为每张图像所占的弧度角；原始图像I经过柱面投影正变换得到柱面投影图像I`，I`可以用于图像
间的配准和拼接。图像配准包含两个方面：投影到柱面后，同一时刻对相邻方向上视频柱面投影图像进行配准；投影到柱面后，同一摄像机相邻时刻的视频帧间柱面投影图像进行配准。图像灰度特征的图像配准方法，具体步骤如下：(1)图像灰度投影法：首先将某部摄像机某一时刻的二维图像分别沿着X、Y轴做投影的两幅图像分别沿着Y轴方向做投影，对应的投影曲线称为灰度投影特征曲线；(2)对连续两帧图像或同一时刻相邻方向上的投影图像分别作灰度投影，得到两幅图像的灰度投影特征曲线，分析两条特征曲线间的相关性，即可得出两幅图像间的X、Y方向的位移量。所述摄像机视角宽度大于90度。所述四部摄像机的焦距相同。四部摄像机相互垂直放置，拍摄方向与钻孔孔壁所在的圆柱面相互垂直。4张图像进行几何校正、图像颜色校正，消除不同摄像机间的色差。包括四路视频输入装置、图像预处理装置、柱面投影装置、图像配准装置以及图像拼接融合装置。包括图像预处理装置包括图像几何校正装置、图像颜色校正装置。本专利技术相对现有技术的有益效果：本专利技术4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法及装置，提出一种基于相互垂直放置的4部摄像机系统的全景图生成方法，从根本上解决了上述出现的技术难题，使钻孔成像技术得到了突破性、实质性的进展，采用4路孔壁视频，从四个不同方向同时对孔壁四周成像，相邻两个方向的视频
图像存在孔壁同一区域成像部分，同一个方向上的视频图像帧间存在着孔壁同一区域的成像部分，经过视频图像间的图像特征，拼接处理后得到全景视频。其中图像拼接主要有3个步骤构成：图像配准、图像边缘缝合和图像融合。附图说明图1是本专利技术4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法及装置的柱面全景图生成流程图；图2是本专利技术4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法及装置的4路视频孔内俯视平面图；图3是本专利技术4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法及装置的柱面全景与某一方向摄像机成像图；图4是本专利技术4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法及装置的原始图像；图5是本专利技术4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法及装置的公共部分的相邻两幅钻孔图像；图6是本专利技术4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法及装置的图5中的两幅图像分别沿着Y轴方向做投影图像；图7是本专利技术4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法及装置图5中的两幅图像拼接融合后图像。图8是本专利技术4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法的流程图。具体实施方式以下参照附图及实施例对本专利技术进行详细的说明：附图1-8可知，一种4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法，包括如下步骤：在步骤s801，选取四部焦距相同的摄像本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法，其特征在于包括如下步骤：(1)选取四部摄像机，将四部摄像机连接成一体，构成摄像机组；在同一平面内背向同一中心点相互垂直放置，拍摄方向与钻孔孔壁所在的圆柱面相互垂直；将摄像机组放入孔内；(2)摄像机组沿孔壁纵向移动设定距离；(3)钻孔视频摄像头移动过程中某一时刻同时提取4张单个图像文件；(4)消除不同摄像机间的色差；(5)分别将4张图像通过柱面坐标变换公式转化为孔壁信息的柱面投影图；(6)进行图像配准；相邻摄像头间提取的图像的柱面投影图包含了相同的孔壁信息，根据图像间的特征进行横向拼接，就得到了某一时刻钻孔孔壁的360度横向拼接图；(7)保存横向拼接图像；(8)判断摄像机纵向移动是否完毕，摄像机纵向移动没有完毕，返回步骤(2)，摄像机纵向移动完毕执行步骤(9)；(9)相邻图像纵向拼接；(10)得到钻孔孔壁全景图。
【技术特征摘要】
1.一种4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法，其特征在于包括如下步骤：(1)选取四部摄像机，将四部摄像机连接成一体，构成摄像机组；在同一平面内背向同一中心点相互垂直放置，拍摄方向与钻孔孔壁所在的圆柱面相互垂直；将摄像机组放入孔内；(2)摄像机组沿孔壁纵向移动设定距离；(3)钻孔视频摄像头移动过程中某一时刻同时提取4张单个图像文件；(4)消除不同摄像机间的色差；(5)分别将4张图像通过柱面坐标变换公式转化为孔壁信息的柱面投影图；(6)进行图像配准；相邻摄像头间提取的图像的柱面投影图包含了相同的孔壁信息，根据图像间的特征进行横向拼接，就得到了某一时刻钻孔孔壁的360度横向拼接图；(7)保存横向拼接图像；(8)判断摄像机纵向移动是否完毕，摄像机纵向移动没有完毕，返回步骤(2)，摄像机纵向移动完毕执行步骤(9)；(9)相邻图像纵向拼接；(10)得到钻孔孔壁全景图。2.根据权利要求1所述4路钻孔孔壁视频的柱面全景图生成方法，其特征在于：柱面投影变换的核心是投影变换公式中K为柱面投影空间，I表示原始图像，I`是柱面投影图像，坐标原点O选为圆柱中心；假定图像中心点就是光轴与图像平面的交点，现在要得到O点观察到的原始图像，在柱面空间K上的柱面投影图像I；设柱面半径为r，投影角为θ，图像宽度为W，图像高度为H，得到柱
\t面图像的宽度为2rsin(θ/2)，高度仍为H；图像的像素坐标均以图像平面中的最左上角像素为坐标原点；对图像I上的任意一点P(x，y)，在柱面图像I`上的对应点为P`(x`，y`)，对点P沿x一z平面和y—z的横截面，可得柱面投影变换公式：x`＝r*sin(θ/2)+r*sin(arctan(x-W/2)/r)y`＝H/2+r*(y-H/2)/k其中：k＝sqrt(r*r+(W/2-x)(W/2-x))r＝W/(2tan(θ/2)),r为...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹茂永，赵猛，滕升华，王毅，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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