基于现实增强和非侵入式直线管道病害测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及本发明专利技术涉及地下管道检测技术领域，公开了基于现实增强和非侵入式直线管道病害测量装置及方法，利用管道半径、长度、相机的内部参数以及相机和管道的相对姿态信息，建立世界坐标系与采集图像的映射关系，并将一个可测量的虚拟三维管道图像与采集到的管道图像叠加，实现对管道内壁病害的测量功能。本发明专利技术无需进入管道，可以直接将设备透过管口采集管道内部图像，结构简单，便于操作。便于操作。便于操作。

【技术实现步骤摘要】
基于现实增强和非侵入式直线管道病害测量装置及方法


[0001]本专利技术属于地下管道检测
，具体涉及一种基于现实增强和非侵入式直线管道病害测量装置及方法。

技术介绍

[0002]在地下管道网络中，直线管道被大量用于窨井之间的连接，其直径多在30cm至50cm，长度在30米以内，在城市排污排污系统中起着关键作用。近年来随着我国城镇化进程加快，城市地下管道网建设发展迅速，但与之配套的检测和维护方法却发展滞后。闭路电视是一种主流的排水管道检测技术，它可以透过管口拍摄管道内部图像信息，方便工作人员对内部病害进行分析和判定，但无法定量测量病害的尺度信息，因此主要用于病害的定性分析，且操作和分析较为复杂，对操作人员的素质要求较高。
[0003]如中国专利CN201310298460.2，公开了一种基于手持视频和闭路电视的排水管道检测及评估方法，该专利技术在现有闭路电视方法的基础上提出了一套基于手持设备的排水管道检测方法，其定义了一套管道病害评估的流程，但评估标准依靠操作人员的主观定型判断，无法进行定量分析。
[0004]如中国专利申请号CN201210009580.1，公开了基于圆结构光视觉检测三维数据点的管道缺陷检测方法，该专利技术利用圆结构光投射器向管道内壁投射激光，并通过反射光获取管道内壁精确的尺度信息，但管道较狭长，受入射角限制，该方法只能测量3至5米之内的数据，且受内壁表面水的影响，无法应用于排水管道等场景。
[0005]再如中国专利CN201620646930.9，公开了一种牵引式排水管道电视检测装置，该专利利用牵引设备将拍摄设备送入管道内部，便于观测管道内部图像，但该方法且只能获得视频图像信息，无法做定量测量，且需要复杂的机械设备，实施和维护成本较高，难以普及。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在无法对管道内病害进行定量测量的缺点，而提出的一种基于现实增强和非侵入式直线管道病害测量装置及方法。
[0007]为实现上述
技术实现思路
，需要解决如下2个核心问题：
[0008]1，用相机拍摄管道内壁时，如相机的轴线与管道轴线重合，管道上不同深度的截面在采集图像中构成一系列的同心圆，随着管道深度增加，圆的半径越小，精度越差，能够有效观测到的深度距离有限。
[0009]2，在实际使用时，由于管道在井下，需要通过连接装置将相机放置在井口，并调整观测角度，受机械精度限制，相机的轴线难以做到与管道轴线完全一致，且无法获得相机相对管道的姿态信息，即外部参数。
[0010]为了实现上述目的，解决上述问题，本专利技术采用了如下技术方案：
[0011]设计一种基于现实增强和非侵入式直线管道病害测量方法，包括如下步骤：
[0012]步骤1)、使用具有变焦功能的相机，在管道外部，以固定姿态，用不同焦距采集管道内壁的图像信息，通过短焦距的图像获得管道离相机近距离的内壁信息，通过长焦距的图像获得远距离的内壁信息，并记录每个图像和拍摄该图像时相机对应的焦距；
[0013]步骤2)、在上述采集到的管道内壁图像中，选择不少于2张管道最外侧截面清晰的图像，识别出图像中管道最外侧截面，利用圆到椭圆的透视矩阵计算出相机；
[0014]步骤3)、根据已知直线管道的半径和长度，首先构建一个虚拟的三维圆管道，根据步骤1)中选取的一组焦距，分别构建一组虚拟相机，并按照步骤2)中计算出的相机外部参数放置该组虚拟相机，令每个虚拟相机，根据相机的内部参数和外部参数，输出虚拟管道对应的成像画面；
[0015]步骤4)将上述三维圆管道在虚拟相机上的成像，以半透明的方式叠加在实际采集的图像上，作为现实增强图像，虚拟管道的成像和实际管道完全重合，由于虚拟相机的外部参数和内部参数与实际相机一致，虚拟管道的半径和长度与实际管道一致，虚拟管道的成像将和实际管道完全重合，从而对于虚拟管道任意已知深度的截面，都可以在图像上找到对应的区域；在采集的图像上，对于任意截面，都可以找到其在虚拟管道上的位置，从而确定其深度，在确定深度的同时，可测量其截面上任意两点之间的实际距离，通过测量虚拟管道成像上待测病害点的深度和已知深度截面上两点的距离，来完成管道实际待测病害点的测量。
[0016]进一步的，在所述步骤1)中，当相机的轴线与管道轴线重合，对于画面上任意一点位置p，其距离画面中心的像素距离为d，那么点p对应的管道内壁与相机的距离l满足公式(1)；
[0017][0018]其中，u为相机的内参像元大小,单位为毫米,f为相机的焦距,范围为f
min
～f
max
，r为管道的半径。
[0019]进一步的，在变焦相机的焦距范围内按照等距原则选取若干个焦距点，分别按照选取的焦距点调整相机焦距，各采集一副图像，当需要测量管道内某感兴趣点p的深度时，在采集到的一组图像中，选取p距离画面中心距离d最大的一副图像作为测量样本。
[0020]进一步的，在所述步骤2)中，利用圆到椭圆的透视矩阵计算出相机的方法，包括如下步骤：
[0021]S21、构建一个三维坐标系(oXYZ)，以管道离拍摄相机较近的一端截面的中心为坐标原点o，截面所在平面为XY平面，沿管道的轴线远离相机的方向作为Z轴；
[0022]S22、用相机拍摄世界坐标系中坐标为(X
w
,Y
w
,z
w
)的点p
w
，该点在相机成像图像中的点为p
c
,坐标为(u,v)，则p
w
与p
c
关系如公式(2)所示：
[0023]公式(2)，
[0024]其中，M1为相机的内部参数矩阵，M2为相机的外部参数矩阵，包含了相机在三维空间的位置和旋转姿态信息，共6个自由度；
[0025]S23、从世界坐标系到相机图像坐标系的变换可视为一个自由度为6的透视变换H，已知管道的截面为圆，可视为二次曲线C，其经过透视变换之后为C`，满足如下关系：
[0026]C`＝H
‑
T
CH
‑1ꢀꢀꢀ
公式(3)，
[0027]可知C`为一个椭圆，有5个自由度，因此利用至少2张包含同一管道截面的图像，通过标记截面在图像中所呈现的椭圆，即可计算出相机的外部参数。
[0028]进一步的，所述步骤3)中，对一个虚拟相机，用矩阵M1和M2分别描述其内部参数和外部参数，令虚拟相机输出的图像分辨率与变焦相机一致，令图像左上角为图像所在二维坐标系的原点，则输出的图像满足公式(2)，从而输出虚拟相机的成像。
[0029]进一步的，在步骤4)中，测量虚拟管道成像上的待测病害点深度的方法，具体步骤如下：
[0030]S411、首先在三维仿真空间中放置一个截面，并令截面与管道内壁相交处可见；
[0031]S412、调整截面的位置，同时观察经过虚拟相机成像叠加后的管道图像，使待测病害点与截面的边缘重合，此时截面在管本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于现实增强和非侵入式直线管道病害测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)、使用具有变焦功能的相机，在管道外部，以固定姿态，用不同焦距采集管道内壁的图像信息，通过短焦距的图像获得管道离相机近距离的内壁信息，通过长焦距的图像获得远距离的内壁信息，并记录每个图像和拍摄该图像时相机对应的焦距；步骤2)、在上述采集到的管道内壁图像中，选择不少于2张管道最外侧截面清晰的图像，识别出图像中管道最外侧截面，利用圆到椭圆的透视矩阵计算出相机；步骤3)、根据已知直线管道的半径和长度，首先构建一个虚拟的三维圆管道，根据步骤1)中选取的一组焦距，分别构建一组虚拟相机，并按照步骤2)中计算出的相机外部参数放置该组虚拟相机，令每个虚拟相机，根据相机的内部参数和外部参数，输出虚拟管道对应的成像画面；步骤4)将上述三维圆管道在虚拟相机上的成像，以半透明的方式叠加在实际采集的图像上，作为现实增强图像，虚拟管道的成像和实际管道完全重合，通过测量虚拟管道成像上待测病害点的深度和已知深度截面上两点的距离，来完成管道实际待测病害点的测量。2.根据权利要求1所述的一种基于现实增强和非侵入式直线管道病害测量方法，其特征在于，在所述步骤1)中，当相机的轴线与管道轴线重合，对于画面上任意一点位置p，其距离画面中心的像素距离为d，那么点p对应的管道内壁与相机的距离l满足公式(1)；其中，u为相机的内参像元大小，单位为毫米，f为相机的焦距，范围为f
min
～f
max
，r为管道的半径。3.根据权利要求2所述的一种基于现实增强和非侵入式直线管道病害测量方法，其特征在于，在变焦相机的焦距范围内按照等距原则选取若干个焦距点，分别按照选取的焦距点调整相机焦距，各采集一副图像，当需要测量管道内某感兴趣点p的深度时，在采集到的一组图像中，选取p距离画面中心距离d最大的一副图像作为测量样本。4.根据权利要求1所述的一种基于现实增强和非侵入式直线管道病害测量方法，其特征在于，在所述步骤2)中，利用圆到椭圆的透视矩阵计算出相机的方法，包括如下步骤：S21、构建一个三维坐标系(oXYZ)，以管道离拍摄相机较近的一端截面的中心为坐标原点o，截面所在平面为XY平面，沿管道的轴线远离相机的方向作为Z轴；S22、用相机拍摄世界坐标系中坐标为(X
w
，Y
w
，z
w
)的点p
w
，该点在相机成像图像中的点为p
c
，坐标为(u，v)，则p
w
与p
c
关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙召敏，
申请(专利权)人：南京浩科威景数据科技有限公司，
类型：发明
国别省市：