一种基于反射棱镜的视觉测量系统三维光路分析方法技术方案

本发明专利技术属于油气装备检测技术领域，尤其涉及一种基于反射棱镜的视觉测量系统三维光路分析方法。该种基于反射棱镜的视觉测量系统三维光路分析方法可以更全面、更完善地描述基于反射棱镜的视觉测量系统最终视场的几何参数，提供更充足的数据支撑，使得搭建的视觉测量系统更能满足测量系统成像需求。一种基于反射棱镜的视觉测量系统三维光路分析方法，其中该分析方法中包括有搭建视觉测量系统，并对其结构参数进行定义；建立视觉测量系统的光路模型；计算反射棱镜作用下视觉测量系统的可视距离；计算反射棱镜作用下视觉测量系统的视觉可视范围等步骤特征。范围等步骤特征。范围等步骤特征。

【技术实现步骤摘要】
一种基于反射棱镜的视觉测量系统三维光路分析方法


[0001]本专利技术属于油气装备检测
，尤其涉及一种基于反射棱镜的视觉测量系统三维光路分析方法。

技术介绍

[0002]在油气领域，油管内螺纹可用于连接油管、钻杆等多个部件，因此其质量是衡量油气装备开采能力和安全性的重要指标，若内螺纹几何参数不合格将引发油气泄漏、油管滑脱等一系列事故。为避免油管事故发生，需对内螺纹几何参数进行检测。然而，油管内螺纹空间狭小，常规检测设备难以探入。视觉测量则具有高精度、高效率、非接触、可达性好等优点，在内螺纹几何参数检测方面极具潜力。具体的，基于反射棱镜的视觉测量系统由两个相机和一个反射棱镜组成；通过双目视觉系统即可以获取到检测目标的三维形貌信息，但现在双目视觉系统在油管内螺纹内的视场不可达，无法进行全面检测。因此，在双目视觉前方、油管内螺纹内部放置一个反射棱镜；通过其反射作用，使双目视觉系统对油管内螺纹视场可达。也就是说，基于反射棱镜的视觉测量系统可以全面有效地检测到油管内螺纹的三维形貌信息，并根据不同检测要求，对视觉系统进行三维光路分析，以最终确定视场的几何参数，对于合理设计基于反射棱镜的视觉测量系统具有重要意义。
[0003]其中，合肥工业大学的田野等在仪表技术与传感器期刊上发表了名为“基于机器视觉的内螺纹检测的实现方法”的论文，该论文针对内螺纹的特点，设计了合理的照明与成像系统，并对采集的内螺纹图像进行图像处理，最终得到螺母内螺纹参数。然而，在油管内螺纹参数测量中，只靠相机视野很难观测到内螺纹全貌，相机视野不可达。华南农业大学的赵祚喜等专利技术的专利号为CN 109099838 A“一种基于折反射的单目立体视觉系统三维信息测量方法”提出一种单目立体视觉测量方法，根据待测物体大小建立折反射的单目立体视觉系统，包括多个反射镜和一个相机，通过反射镜反射光线和分割相机视野，但该方法仅在二维层面分析计算视觉系统参数，未涉及在三维层面的光路分析和计算。
[0004]因此，综上所述，亟待本领域技术人员研究一种全新的基于反射棱镜的视觉测量系统三维光路分析方法，以从根本上克服现有基于反射棱镜的视觉测量系统的使用缺陷，并满足油气领域油管内螺纹的检测需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于反射棱镜的视觉测量系统三维光路分析方法，该分析方法可以更全面、更完善地描述基于反射棱镜的视觉测量系统最终视场的几何参数，提供更充足的数据支撑，使得搭建的视觉测量系统更能满足测量系统成像需求。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于反射棱镜的视觉测量系统三维光路分析方法，包括有如下步骤：步骤（1）、搭建视觉测量系统，并对其结构参数进行定义；步骤（2）、建立视觉测量系统的光路模型；
步骤（3）、计算反射棱镜作用下视觉测量系统的可视距离；步骤（4）、计算反射棱镜作用下视觉测量系统的视觉可视范围。
[0007]较为优选的，所述步骤（1）可具体描述为：以左相机、右相机、一个反射棱镜、待检测内螺纹为对象搭建组成视觉测量系统；根据右手螺旋法则，在空间中建立坐标系；其中，平面水平，轴与内螺纹的轴线重合，且指向内螺纹方向；左相机与右相机水平放置于平面上，且光轴相交，相对于平面对称；反射棱镜底面与平面平行，顶点与轴重合；对反射棱镜进行如下定义：底边为正方形，且底边边长的一半为，顶面与底面的倾斜角为，原点到底面的距离为，顶点与原点的距离为；其中，。
[0008]较为优选的，其特征在于，所述步骤（2）可具体描述为：令右相机的光心为：，则左相机的光心满足，，其中，；将反射棱镜放置于初始位置，反射棱镜底面四个顶点的坐标分别为、、和；令空间点、、、绕轴旋转，旋转矩阵为；则旋转后的空间点、、、分别表示为：
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式（1）；其中，为反射棱镜绕轴旋转的角度；将坐标系中的一空间点坐标标记为；，该空间点坐标经反射棱镜的某一镜面反射后得到的空间点坐标，满足：
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式（2）；其式（2）中，为第个镜面的映射矩阵，为单位矩阵，为该镜面的单位法向量，为坐标原点到该镜面的距离；右相机光心和左相机光心在反射面作用下的虚拟点和，满足：
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式（3）；其中，将反射面上的点表示为：，平面法向量，坐标原点到平面的距离，反射面的映射矩阵，满足：
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式（4）；右相机光心和左相机光心在反射面作用下的虚拟点和，满足：
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式（5）；其中，将反射面上的点表示为：，平面法向量，坐标原点到平面的距离，反射面的映射矩阵，满足：
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式（6）。
[0009]较为优选的，所述步骤（3）可具体描述为：将虚拟点和反射面的顶点、、相连接，形成射线、和围成区域，将虚拟点与反射面的顶点、、相连接，形成射线、和围成区域；求解射线、和围成区域与射线、和围成区域的交集，即得到放置反射棱镜后公共视场的过平面；所述放置反射棱镜后公共视场的过平面交点，满足：;将虚拟点和反射面的顶点、、相连接，形成射线、和
围成区域，将虚拟点与反射面的顶点、、相连接，形成射线、和围成区域；求解射线、和围成区域与射线、和围成区域的交集，即得到放置反射棱镜后公共视场的过平面；所述放置反射棱镜后公共视场的过平面交点，满足：；将虚拟点和反射面的顶点、、相连接，形成射线、和围成区域，将虚拟点和反射面的顶点、、相连接，形成射线、和围成区域；求解射线、和围成区域与射线、和围成区域的交集，即得到放置反射棱镜后公共视场的过平面；所述放置反射棱镜后公共视场的过平面交底，满足：；将虚拟点和反射面的顶点、、相连接，形成射线、和围成区域，将虚拟点和反射面的顶点、、相连接，形成射线、和围成区域；求解射线、和围成区域与射线、和围成区域的交集，即得到放置反射棱镜后公共视场的过平面；所述放置反射棱镜后公共视场的过平面交底，满足：；其中，已知过点的直线的方向向量为，平面上的一点和平面法向量分别为和，令且，则线面交点，满足：
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式（7）；射线上一点，方向向量表示为：
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式（8）；平面上一点，平面法向量表示为：
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式（9）；将点、方向向量、点和平面法向量带入式（7），得到空间点的坐标为：
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式（10）；即反射棱镜反射面和反射面作用下视觉测量系统的可视距离，满足：；射线上一点，方向向量表示为：
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式（11）；平面上一点，平面法向量表示为：
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式（12）；将点、方向向量、点和平面法向量带入式（7），得到空间点的坐标为：
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式（13）；则反射棱镜反射面和反射面作用下视觉测量系统可视距离，满足：。
[0010]较为优选的，所述步骤（4）可具体描述为：假设为圆锥在反射棱镜顶点处半径，为圆锥半锥角，第个反射面第条直线的单位方向向量为，直线上一点为，则直线与圆锥的交点，满足：
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式（14）；其式（14）中，，，；对于反射棱镜平面，分别求解、、与圆锥面的交点，得到，则经反射棱镜平面和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于反射棱镜的视觉测量系统三维光路分析方法，其特征在于，包括有如下步骤：步骤（1）、搭建视觉测量系统，并对其结构参数进行定义；所述步骤（1）可具体描述为：以左相机、右相机、一个反射棱镜、待检测内螺纹为对象搭建组成视觉测量系统；根据右手螺旋法则，在空间中建立坐标系；其中，平面水平，轴与内螺纹的轴线重合，且指向内螺纹方向；左相机与右相机水平放置于平面上，且光轴相交，相对于平面对称；反射棱镜底面与平面平行，顶点与轴重合；对反射棱镜进行如下定义：底边为正方形，且底边边长的一半为，顶面与底面的倾斜角为，原点到底面的距离为，顶点与原点的距离为；其中，；步骤（2）、建立视觉测量系统的光路模型；所述步骤（2）可具体描述为：令右相机的光心为：，则左相机的光心满足，，其中，；将反射棱镜放置于初始位置，反射棱镜底面四个顶点的坐标分别为、、和；令空间点、、、绕轴旋转，旋转矩阵为；则旋转后的空间点、、、分别表示为：
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式（1）；其中，为反射棱镜绕轴旋转的角度；将坐标系中的一空间点坐标标记为；，该空间点坐标经反射棱镜的某一镜面反射后得到的空间点坐标，满足：
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式（2）；
其式（2）中，为第个镜面的映射矩阵，为单位矩阵，为该镜面的单位法向量，为坐标原点到该镜面的距离；右相机光心和左相机光心在反射面作用下的虚拟点和，满足：
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式（3）；其中，将反射面上的点表示为：，平面法向量，坐标原点到平面的距离，反射面的映射矩阵，满足：
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式（4）；右相机光心和左相机光心在反射面作用下的虚拟点和，满足：
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式（5）；其中，将反射面上的点表示为：，平面法向量，坐标原点到平面的距离，反射面的映射矩阵，满足：
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式（6）；步骤（3）、计算反射棱镜作用下视觉测量系统的可视距离；步骤（4）、计算反射棱镜作用下视觉测量系统的视觉可视范围。2.根据权利要求1所述的一种基于反射棱镜的视觉测量系统三维光路分析方法，其特征在于，所述步骤（3）可具体描述为：将虚拟点和反射面的顶点、、相连接，形成射线、和围成区域，将虚拟点与反射面的顶点、、相连接，形成射线、和围成区域；求解射线、和围成区域与射线、和围成区域的交集，即得到放置反射棱镜后公共视场的过平面；所述放置反射棱镜后公共视场的过平面交点，满足：;将虚拟点和反射面的顶点、、相连接，形成射线、和围成区域，将虚拟点与反射面的顶点、、相连接，形成射线...

【专利技术属性】
技术研发人员：李肖，李伟，刘国柱，陈怀远，殷晓康，袁新安，周晶玉，陈兴佩，胡栋，翟永军，
申请(专利权)人：济宁市特种设备检验研究院泰安市特种设备检验研究院，
类型：发明
国别省市：