基于投影模型的油气管道内壁缺陷图像可视化检测方法技术

一种基于投影模型的油气管道内壁缺陷图像可视化检测方法，针对常见油气管道损伤，采用CCTV管道内窥检测系统反馈缺陷图像信息，针对具有缺陷特征的管道全景图像，通过Otsu和区域标记算法，自动定位管道图像中心，通过成像前后比例关系推导投影函数，建立三维管道投影模型，匹配并展开全景图像，能够消除非线性失真影响，清晰还原管道缺陷特征区域，提高小缺陷定量分析的可靠性，为后续管道缺陷可视化分析提供了理论依据，本发明专利技术操作过程简单,使得非专业人员也可以实现简洁，快捷的缺陷管道特征区域分析,具有一定的实用性和推广意义。征区域分析,具有一定的实用性和推广意义。征区域分析,具有一定的实用性和推广意义。

【技术实现步骤摘要】
基于投影模型的油气管道内壁缺陷图像可视化检测方法


[0001]本专利技术涉及管道缺陷检测
，具体涉及一种基于投影模型的油气管道内壁缺陷图像可视化检测方法。

技术介绍

[0002]石油作为重要的工业资源和国家战略资源，很大程度上影响着国家工业领域的发展状况。目前，国内外在油气运输过程中都会由于各种因素的影响，导致油管、套管存在着很多损伤和各类井下事故，其中较为常见的有套管破损、套管变形、井下落鱼、井漏、结垢、腐蚀等情况。这些情况不仅影响到石油开采工作，也可能造成油气运输管道所在地层的环境污染。为了确保石油资源的高效运输和地层环境保护，及时对油气管道故障进行检修显得十分重要。油气管道缺陷分析是油气运输管道故障检测和勘探开发的重要手段，在维修管道之前需要通过一些对应的测量手段去判断油井出现的问题及程度，以便给出相应的工程作业方案。
[0003]油井管道最常见的问题是套管破损，其位置和破坏程度可以通过图像检测来确定，以便于修复过程。分布式光纤是一种通过监测管道压力或温度差来检测和定位管道泄漏的有效方法。光纤系统已被证明可用于监测深井管道泄漏，如油田生产井。但油气运输由重力管道而不是压力管道组成，因此光纤不适用于地下油气运输系统的破损检测。目前，闭路电视(CCTV)是最受欢迎的油气管道检查设备，因为它的成本低于下扫描仪评估技术(集)相机，地面穿透雷达(GPR)，声纳和红外热像仪。然而，由于需要检测的图像数量巨大，人的疲劳和主观性以及工程师的时间消耗可能成为通过闭路电视图像检测和分析管道缺陷的障碍。但随着图像处理和人工智能技术被用作诊断系统，有效的提升了工程师解释检查图像中的地下油气管道缺陷检测效率。
[0004]在图像处理技术中，基于数学形态学的图像分割已广泛应用于模式识别研究。腐蚀和膨胀是形态学分割的两个基本操作，通常是串联操作，用于对感兴趣的对象进行图像增强。然而，环境噪声或闭路电视在管道内移动速度过快时，往往会导致摄像机获取的图像存在非线性失真，从而导致肉眼无法准确获取管内缺陷区域的详细信息。所以对于新型管道检测系统，要求对特定识别图像局部展开，以减弱或消除失真影响。全景图像展开过程中，传统的展开算法往往基于图像的直接映射，这类算法恢复后图像清晰度降低，并且在摄像机偏移中心时，无法避免非线性失真的影响。
[0005]传统检测技术对油气管道缺陷的发现和修复相对滞后，对于管道缺陷的实际状况认识不够清晰明确，判断过程存在主观性和盲目性，可能会导致加大后期检测修复的各种费用成本。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供基于投影模型的油气管道内壁缺陷图像可视化检测方法，使用闭路电视(CCTV)反馈缺陷图像信息，通过Otsu和区域
标记算法，自动定位管道图像中心；通过针孔相机成像前后比例关系推导投影函数，建立三维管道线性投影模型；通过SIFT特征点匹配算法，融合展开图像，重建无失真管道内壁表面图像；展开的缺陷图像清晰度高，消除了非线性失真影响，有效、准确地对油气管道缺陷区域进行分析，为后续油气管道可视化分析提供了理论依据。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]基于投影模型的油气管道内壁缺陷图像可视化检测方法，具体包括以下步骤：
[0009]步骤1、管道缺陷图像获取；通过CCTV管道内窥检测系统获取管道图像，对管道内的包括结垢、腐蚀、穿孔、裂纹状况进行探测，实时观察并保存录像资料，将录像传输到地面；
[0010]步骤2、管道图像区域分割；设置阈值对管道缺陷图像区域分割，划分并标记每一处圆度区域，对比圆度大小，通过逐一排序筛选最大的圆度，确定目标区域；
[0011]步骤3、图像中心点定位、三维投影模型匹配；将最大圆度区域作为图像中心所属区域，计算该区域的形心作为缺陷管道图像中心坐标，预设固定值的内圆半径、外圆半径，确定各图像相同尺寸的有效展开区域；
[0012]步骤4、区域展开映射，保存预先确定的有效区域，通过MATLAB模拟摄像机成像过程，将物理单位表示的三维管道经投影函数转换成二维线性拟合圆，建立三维投影模型，并作为实际相机的线性成像模型与有效区域匹配，消除非线性失真的影响；
[0013]步骤5、利用上述步骤3确定的图像中心点坐标作为极坐标原点，将环形区域笛卡尔坐标I(x(r,θ),y(r,θ))转为极坐标I(r,θ)，以投影模型外圆周长及投影半径差值为长和宽，将环形有效区域动态展开为矩形图像。
[0014]所述步骤2通过截取具有缺陷特征的单帧管道图像，利用灰度变换，增强中央黑色区域；通过综合数学形态学边缘检测，采用Otsu算法自动分割管壁图像，通过阈值的设置去除无效的连通区域；剩余区域中，中心区域最接近圆形，用区域标记算法对剩余区域进行不同颜色的标记，计算每个区域的圆度；
[0015]步骤2所述区域的圆度定义公式如下：
[0016][0017]其中a为区域像素数，p为区域边界长度，e为区域与圆的相似度。
[0018]所述步骤3具体为：对步骤2标记后的连通区域，设置阈值范围，排除低于最大圆形度值的特征区域的干扰，提取中心区域，并计算中心区域的形心作为管道图像的中心点坐标。
[0019]步骤3所述阈值范围为1.2
‑
1.5之间。
[0020]所述步骤4根据三维空间物体投影关系，建立物平面与像平面的线性成像模型：模型假设s为管道投影成像大小，单位pix；D为空间物体的物理尺寸，单位mm；b为像平面与镜头的距离，单位mm；a为物平面与镜头的距离，即a＝nf，单位mm；再假设CCTV管道内窥检测系统的摄像机的像元dx＝dy且边长为p，单位为mm/pix，根据物线性投影关系，可得到投影函数关系式：
[0021]即
[0022]式中，k＝b/p为相机常数，单位为pix，物体像的大小与物体尺寸成正比，与物体和镜头所在平面之间距离成反比；由于像平面与物平面距离o未知，p大小无法确定，因此，k的大小需要通过摄像机标定获得；
[0023]依据投影函数关系式假设摄像机有效视角范围内管道景深为L、管道与CCTV管道内窥检测系统的摄像机镜头所在平面的距离为DL、摄像机常数为k、管径为OD、像平面到物平面的距离a大小已知，根据上述参数，确定管道投影外圆半径r1和内圆半径r2的大小为：
[0024][0025][0026]由于管道投影半径为固定值，同一视频每帧图像具有相同模型结构，以外圆半径r1和内圆半径r2的投影半径包裹区域作为管道图像有效区域用来生成矩形图像；将有效区域看作具有深度架构的二维图像，以摄像机镜位置为起始点，从外圆半径r1和内圆半径r2的缩进过程，体现CCTV管道内窥检测系统的摄像机由近到远的成像过程；有效区域投影半径r随DL到DL+L的距离动态变化趋势为：
[0027][0028]通过半径值r
i
定位管道z＝z
i
时单层环形有效区域；该区域相当于一条拟合的圆形曲线，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于投影模型的油气管道内壁缺陷图像可视化检测方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤1、管道缺陷图像获取；通过CCTV管道内窥检测系统获取管道图像，对管道内的包括结垢、腐蚀、穿孔、裂纹状况进行探测，实时观察并保存录像资料，将录像传输到地面；步骤2、管道图像区域分割；设置阈值对管道缺陷图像区域分割，划分并标记每一处圆度区域，对比圆度大小，通过逐一排序筛选最大的圆度，确定目标区域；步骤3、图像中心点定位、三维投影模型匹配；将最大圆度区域作为图像中心所属区域，计算该区域的形心作为缺陷管道图像中心坐标，预设固定值的内圆半径、外圆半径，确定各图像相同尺寸的有效展开区域；步骤4、区域展开映射，保存预先确定的有效区域，通过MATLAB模拟摄像机成像过程，将物理单位表示的三维管道经投影函数转换成二维线性拟合圆，建立三维投影模型，并作为实际相机的线性成像模型与有效区域匹配，消除非线性失真的影响；步骤5、利用上述步骤3确定的图像中心点坐标作为极坐标原点，将环形区域笛卡尔坐标I(x(r,θ),y(r,θ))转为极坐标I(r,θ)，以投影模型外圆周长及投影半径差值为长和宽，将环形有效区域动态展开为矩形图像。2.根据权利要求1所述的基于投影模型的油气管道内壁缺陷图像可视化检测方法，其特征在于：所述步骤2通过截取具有缺陷特征的单帧管道图像，利用灰度变换，增强中央黑色区域。通过综合数学形态学边缘检测，采用Otsu算法自动分割管壁图像，通过设置合适阈值去除无效的小连通区域。剩余区域中，中心区域最接近圆形，用区域标记算法对剩余区域进行不同颜色的标记，计算每个区域的圆度。3.根据权利要求1或2所述的基于投影模型的油气管道内壁缺陷图像可视化检测方法，其特征在于：步骤2所述区域的圆度定义公式如下：其中a为区域像素数，p为区域边界长度，e为区域与圆的相似度。4.根据权利要求1所述的基于投影模型的油气管道内壁缺陷图像可视化检测方法，其特征在于：所述步骤3具体为：对步骤2标记后的连通区域，设置阈值范围，排除低于最大圆形度值的特征区域的干扰，提取中心区域，并计算中心区域的形心作为管道图像的中心点坐标。5.根据权利要求1所述的基于投影模型的油气管道内壁缺陷图像可视化检测方法，其特征在于：步骤3所述阈值范围约为1.2
‑
1.5之间。6.根据权利要求1所述的基于投影模型的油气管道内壁缺陷图像可视化检测方法，其特征在于：所述步骤4根据三维空间物体投影关系，建立物平面与像平面的线性成像模型：模型假设s为管道投影成像大小，单位pix；D为空间物体的物理尺寸，单位mm；b为像平面与镜头的距离，单位mm；a为物平面与镜头的距离，即a＝nf，单位mm；再假设摄像机的像元dx＝dy且边长为p，单位为mm/pix，根据物线性投影关系，可得到投影函数关系式：即
式中，k＝b/p为相机常数，单位为pix，物体像的大小与物体尺寸成正比，与物体和镜头所在平面之间距离成反比；由于像平面与物平面距离o未知，p大小无法确定，因此，k的大小需要通过摄像机标定获得；依据投影函数关系式假设摄像机有效视角范围内管道景深为L、管道与摄像机镜头所在平面的距离为DL、摄像机常数为k、管径为OD、像平面到物平面的距离a大小已知，根据上...

【专利技术属性】
技术研发人员：张家田，张志威，耿傲婷，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：