【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于视觉测量，具体涉及一种小口径管道视觉三维测量系统及方法。
技术介绍
1、精密管道是一种广泛应用于重型装备的关键部件，例如用于石油勘探的钻铤钻杆、武器装备的炮管、地下水油气输送动力管等。这种类型的关键部件长期处在高热、高压的恶劣工作环境中，各种气液体对内表面长时间的侵蚀和摩擦使其容易发生损坏，进而影响系统的精准控制，甚至会威胁到系统的安全运行，造成环境污染等不良后果。因此研究精密管道内表面的三维测量和重建，对延长其使用寿命和保障设备性能具有重要意义。
2、精密管道内部空间受限且光学特性不明显，其口径比普通管道小，通常小于300mm，而检测精度要求较高，要求直径和同轴度的测量精度小于0.1mm，实现这类小口径精密管道内表面的高精度三维重建仍是一项困难的任务。传统的管道无损检测方法有超声波检测、涡流检测、磁场检测等，这些方法利用物理特性在缺陷处的突变检测管道内异常，多为对管道内表面缺陷的定性识别，无法直观、定量获取管道内表面三维形貌。现有的管道视觉测量方法一定程度上克服了传统管道检测方法的弊端，可以获取管道内表面三维形貌且具有较高的灵活性，但是在小口径管道精密检测任务中还存在以下问题：
3、(1)单相机方法通常可以提供较大的测量视场，但是由于单一视点无法进行三维重建，单相机方法需要通过实际或虚拟移动相机提供多个视点，硬件结构复杂；
4、(2)多相机方法具有更高的三维重建精度，而且不需要其他装置提供多个视点从而避免了其他装置的加工和标定引入的误差，但是测量系统体积大，难以应用于小口径管道
技术实现思路
1、为克服现有视觉三维测量方法测量精度低和难以应用于受限空间的不足，本专利技术提供一种小口径管道视觉三维测量系统及方法，在双目立体视觉原理的基础上引入象限视野分割的思想，构建了针对小口径管道的视觉三维测量系统，设计了管道内表面三维点云重建和管道参数测量算法，采用板级工业相机结合测量系统结构参数设计，为受限空间内的高精度三维测量提供了新的视觉方案和硬件基础。
2、为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种小口径管道视觉三维测量系统，包括图像采集装置、特征投射装置及外壳；图像采集装置包括位于中央的主相机和分布在主相机周围4个辅相机，4个辅相机分别为辅相机i、辅相机ii、辅相机iii和辅相机iv；沿主相机的光轴方向，辅相机i位于主相机右下方，辅相机ii位于主相机左下方，辅相机iii位于主相机左上方，辅相机iv位于主相机右上方，4个辅相机的光轴向主相机的方向倾斜与主相机的部分图像构成双目；主相机的图像分为象限i,ii,iii,iv；辅相机i的图像与主相机的图像的象限i构成双目，辅相机ii是图像与主相机的图像的象限ii构成双目，辅相机iii的图像与主相机的图像的象限iii构成双目，辅相机iv的图像与主相机的图像的象限iv构成双目；特征投射装置包括环形激光器、支撑杆和电动导轨，电动导轨固定在图像采集装置的后方，支撑杆固定在电动导轨的移动平台上，环形激光器固定在支撑杆的头部，环形激光器在电动导轨的驱动下在管道内多处投射环形激光。
4、进一步地，所述主相机与每个辅相机的距离为10～50mm，每个辅相机的光轴与主相机的光轴夹角为0°～20°，主相机分辨率为每个辅相机分辨率的2～4倍。
5、所述小口径管道视觉三维测量系统的测量原理的实现为：
6、(1)将主相机图像以图像中心为原点，平行于图像边缘的方向将其分为4个象限i,ii,iii,iv的图像，主相机象限i图像与辅相机i图像构成双目图像，主相机象限ii图像与辅相机ii图像构成双目图像，主相机象限iii图像与辅相机iii图像构成双目图像，主相机象限iv图像与辅相机iv图像构成双目图像；
7、(2)将分割后的4个主相机图像视为由4个虚拟相机拍摄的图像，建立4个虚拟相机的相机坐标系，建立辅相机i，辅相机ii，辅相机iii，辅相机iv的相机坐标系，构建虚拟相机和辅相机构成的4对双目测量模型；
8、(3)根据环形激光拟合的椭圆周上的特征点求解虚拟相机和辅相机构成的4对双目测量模型，得到4个辅相机坐标系下4段弧形点云的三维坐标；
9、(4)将4段弧形点云坐标通过辅相机之间的位置关系转换到同一坐标系下，得到管道的全局三维点云。
10、本专利技术还提供一种小口径管道视觉三维测量方法，包括以下步骤：
11、步骤一、将小口径管道视觉三维测量系统固定在待测管道内部，环形激光器在特征投射装置的电动导轨的驱动下在管道内移动100mm，每移动1mm图像采集装置采集一次图像；
12、步骤二、将主相机图像以图像中心为原点，平行于图像边缘的方向将其分为4个象限i,ii,iii,iv图像，主相机象限i图像与辅相机i图像构成双目图像，主相机象限ii图像与辅相机ii图像构成双目图像，主相机象限iii图像与辅相机iii图像构成双目图像，主相机象限iv图像与辅相机iv图像构成双目图像；
13、步骤三、将分割后的4个主相机图像视为由4个虚拟相机拍摄的图像，建立4个虚拟相机的相机坐标系，建立辅相机i，辅相机ii，辅相机iii，辅相机iv的相机坐标系，构建虚拟相机和辅相机构成的4对双目测量模型；
14、步骤四、提取主相机图像和辅相机i图像，辅相机ii图像，辅相机iii图像，辅相机iv图像中的环形激光特征的中心线，根据提取出的光条中心线，利用椭圆拟合算法对目标环形特征进行拟合，得到主相机图像和辅相机i图像,辅相机ii图像,辅相机iii图像中环形特征的拟合椭圆；
15、步骤五、在主相机图像中的拟合椭圆上等间隔选取若干个点作为待匹配的特征点，计算主相机特征点作为极点在辅相机图像上对应的极线，计算辅相机极线与辅相机拟合椭圆的交点，再将交点作为极点计算主相机图像上对应的极线，筛选主相机图像极线与拟合椭圆交点中距离初始选取的待匹配特征点距离最近的点，计算点对应的辅相机极点，辅相机极点为与主相机特征点构成立体匹配的特征点对；
16、步骤六、根据虚拟相机和辅相机构成的4对双目测量模型和立体匹配的特征点对，计算得到受管道内壁形貌调制的环形特征在空间中的坐标，实现对管道内表面的三维点云重建；
17、步骤七、对每个位置的环形激光三维点云进行最小二乘空间椭圆拟合，得到每个位置椭圆中心坐标，对管道全局三维点云进行最小二乘圆柱面拟合，得到管道内半径、中心坐标、轴线方向、同轴度等参数。
18、本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：
19、(1)本专利技术在双目立体视觉原理的基础上引入象限视野分割的思想，构建了针对小口径管道的视觉三维测量系统，设计了管道内表面三维点云重建和管道参数测量算法，为受限空间内的高精度三维测量提供了新的视觉方案。
20、(2)本专利技术采用板级工业相机结合测量系统结构参数设计，从管道内半径约束、测量系统视野约束和测量精度等方面分析和设计结构参数设计，为小口径管道内的视觉测量提供本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种小口径管道视觉三维测量系统，其特征在于，包括图像采集装置(1)、特征投射装置(2)及外壳(3)；图像采集装置(1)包括位于中央的主相机(4)和分布在主相机周围4个辅相机，4个辅相机分别为辅相机I(5)、辅相机II(6)、辅相机III(7)和辅相机IV(8)；沿主相机(4)的光轴方向，辅相机I(5)位于主相机(4)右下方，辅相机II(6)位于主相机(4)左下方，辅相机III(7)位于主相机(4)左上方，辅相机IV(8)位于主相机(4)右上方，4个辅相机的光轴向主相机(4)的方向倾斜与主相机(4)的部分图像构成双目；主相机的图像分为象限I,II,III,IV；辅相机I(5)的图像与主相机的图像的象限I构成双目，辅相机II(6)是图像与主相机的图像的象限II构成双目，辅相机III(7)的图像与主相机的图像的象限III构成双目，辅相机IV(8)的图像与主相机的图像的象限IV构成双目；特征投射装置(2)包括环形激光器(9)、支撑杆(10)和电动导轨(11)，电动导轨(11)固定在图像采集装置(1)的后方，支撑杆(10)固定在电动导轨(11)的移动平台上，环形激光器(9)固定在支撑杆
2.根据权利要求1所述的一种小口径管道视觉三维测量系统，其特征在于：所述主相机与每个辅相机的距离为10～50mm，每个辅相机的光轴与主相机的光轴夹角为0°～20°；主相机的分辨率为每个辅相机的分辨率的2～4倍。
3.根据权利要求1或2所述的一种小口径管道视觉三维测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种小口径管道视觉三维测量系统，其特征在于，包括图像采集装置(1)、特征投射装置(2)及外壳(3)；图像采集装置(1)包括位于中央的主相机(4)和分布在主相机周围4个辅相机，4个辅相机分别为辅相机i(5)、辅相机ii(6)、辅相机iii(7)和辅相机iv(8)；沿主相机(4)的光轴方向，辅相机i(5)位于主相机(4)右下方，辅相机ii(6)位于主相机(4)左下方，辅相机iii(7)位于主相机(4)左上方，辅相机iv(8)位于主相机(4)右上方，4个辅相机的光轴向主相机(4)的方向倾斜与主相机(4)的部分图像构成双目；主相机的图像分为象限i,ii,iii,iv；辅相机i(5)的图像与主相机的图像的象限i构成双目，辅相机ii(6)是图像与主相机的图像的象限ii构成双目，辅相机iii(7)的图像与主...
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