專利名稱：基于圓結構光視覺檢測三維數據點的管道缺陷檢測方法
技術領域：
本發明屬于管道缺陷檢測領域。
背景技術：
管道作為常用氣體和液體的傳輸手段，其截面形狀、管壁形貌等對流動流體的動態性能有著顯著的影響。管道內壁缺陷、腐蝕、使用過程中的破損等對生產的安全性有重要影響，因而對管道內壁缺陷進行無損檢測，盡早發現缺陷，對于減少事故的發生和避免經濟損失具有重要意義。目前針對管道內表面的缺陷檢測方法主要有(1)天津大學宋麗梅等人基于單幅圖像恢復三維形貌的基本原理，從影響灰度的因素出發，根據單幅測量圖像中的灰度信息，確定圖像灰度與物體表面法矢的關系，進而得到物體表面的三維坐標。通過判斷測點深度與標準深度的差別，識別每個工件是否存在深度缺陷。但是采集圖像的灰度與物體可見表面的幾何形狀、光源的入射強度和方向、攝像機相對物體的方位和距離、物體表面的反射特性等因素有關，因此缺陷檢測精度較低。(2)Osama Moselh等人通過圖像灰度信息來對圖像進行特征提取和模式識別，并對自來水管和下水道管進行表面缺陷檢測。但該方法直接采用二維圖像灰度信息判斷管道內表面缺陷，不能獲取缺陷的深度信息，同時受管道材質、光照等因素影響較大。同樣該方法由于直接依賴于圖像灰度信息，具有一定的不直觀性，且測量精度有待提高。(3)浙江大學吳恩啟等人基于位置敏感器(PSD)、形貌檢測器等設備提出了一種適于管道內壁缺陷檢測和三維測量的計算模型和測量方法。當管道無缺陷時，由形貌檢測器得到的離散點組成完整的圓；否則，離散點組成的是一條三維曲線，有缺陷部位的點在Z 向的坐標發生突變。該方法雖然能很好的檢測出管道內壁對應截面的形貌信息，但只能實現管道內任意一點精確的三維測量，需要多次掃描才能實現一個截面的測量，且整個測量過程依賴于系統參數，具有一定的局限性。通過分析上述幾種管道內表面檢測方法可知，上述缺陷檢測技術存在以下不足1)基于圖像灰度信息判斷管道缺陷檢測不能獲取缺陷高精度的深度信息，且會受到管道材質，光照等外界因素的影響，缺陷檢測精度較低。2)基于位置敏感器的管道缺陷檢測方法可以獲取精確的三維信息，但測量方式為單點檢測，需要掃描裝置多次測量才能獲取一個管道截面的精確三維信息，存在掃描結構復雜，測試效率低的缺點。

發明內容
針對目前管道內表面缺陷檢測方法不足，利用圓結構光視覺測量系統獲取管道內表面大量精確三維數據點，發明一種基于法矢夾角突變法實現缺陷部位的快速檢測和精確定位的方法，該發明具有檢測高效、精確的特點，且能快速、精確地實現管道內壁缺陷的可視化。本發明基于圓結構光視覺檢測原理，對圓結構光獲取的管道內壁三維數據進行數據精簡后，通過比較同一圓周上相鄰點之間法矢夾角的突變來檢測管道缺陷，并基于VC++ 程序語言利用OpenGL對管道內壁形貌三維重構。該方法由于直接對管道內壁點云數據進行處理，具有簡單精確的特點，且能快速、精確地實現管道內壁缺陷的可視化。1.基于圓結構光視覺檢測三維數據點的管道缺陷檢測方法，其特征在于圓結構光投射器向管道內壁投射結構光，圓錐曲面結構光和管道內表面相交形成明亮的圓形閉合光條，位于管道內的攝像機拍攝內表面光條圖像，經圖像采集卡傳輸到計算機，由計算機對獲取的管道內表面光條圖像進行光條中心的亞像素特征提取，基于光學三角法計算出管道內表面三維信息；測量時管道沿軸向移動，攝像機獲得多幅管道內壁不同軸向位置的圖像，進而計算得出整個管道內表面的三維信息；基于每個圓結構光光條獲取的管道內表面三維數據點以一個圓周的形式存在，獲取η個三維數據點；每個點的切向量和法向量相垂直；圓周上任意一點的切向量垂直于圓周半徑，而法向量則和半徑重合；對于同一圓周上的任意兩個相鄰點Pi，Pi+1，假設其法向量分別為ni，ni+1，則這兩點之間的法矢夾角θ為
權利要求
1.基于圓結構光視覺檢測三維數據點的管道缺陷檢測方法，其特征在于 圓結構光投射器向管道內壁投射結構光，圓錐曲面結構光和管道內表面相交形成明亮的圓形閉合光條，位于管道內的攝像機拍攝內表面光條圖像，經圖像采集卡傳輸到計算機， 由計算機對獲取的管道內表面光條圖像進行光條中心的亞像素特征提取，基于光學三角法計算出管道內表面三維信息；測量時管道沿軸向移動，攝像機獲得多幅管道內壁不同軸向位置的圖像，進而計算得出整個管道內表面的三維信息；基于每個圓結構光光條獲取的管道內表面三維數據點以一個圓周的形式存在，獲取η 個三維數據點；每個點的切向量和法向量相垂直；圓周上任意一點的切向量垂直于圓周半徑，而法向量則和半徑重合；對于同一圓周上的任意兩個相鄰點Pi,Pi+1，假設其法向量分別為I^rv1,則這兩點之間的法矢夾角θ為 θ = arccos(^' ^+1)設定無缺陷時相鄰點的法矢量的夾角閾值為θ ,threshold,當檢測到圓周上相鄰點之間的法矢量夾角θ > e_threshold時；則判定該相鄰點處存在缺陷，即相鄰兩點之間的法矢夾角θ會在缺陷點處發生突變；且設第i+Ι個點Pi+1的坐標為(xi+1，yi+1，zi+1)，則該點到管道內壁圓心的距離d為^ = V ~xo)2+ (yl+i-y0)2+ (Λ+ι ~ζο)2其中，κ，y。，、為管道內壁圓心坐標，該圓心坐標通過對圓周上三維點的坐標擬合得到；如果d > r_upper并且θ - θ —threshold > 0，則此點處管道內壁為凹陷，Pi+1為缺陷點；如果d<r_loWer并且θ - θ Jhreshold > 0，則此點處管道內壁為凸起；其中，r_upper 分別為管道半徑的上下限閾值；r_upper上限閾值取為大于管道半徑0. 05cm,r_ lower下限閾值取為小于管道半徑0. 05cm ； θ threshold根據管道圓周上獲取的三維數據點的個數確定，即θ ,threshold = 360/n，其中η為管道圓周上數據點總個數。
全文摘要
基于圓結構光視覺檢測三維數據點的管道缺陷檢測方法屬于對管道內壁缺陷進行無損檢測領域。管道作為常用氣體和液體的傳輸手段，其截面形狀、管壁形貌等對流動流體的動態性能有著顯著的影響。該方法利用圓結構光視覺檢測系統獲取的三維數據點的結構特點，采用同一圓周上相鄰點法矢量夾角突變來判定缺陷，判定方法簡單有效。該缺陷檢測方法獲取的三維數據點而不是基于二維灰度圖像進行管道缺陷的判定，準確率和精度都大大提高。
文檔編號G01N21/89GK102565081SQ201210009580
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者于濤, 張艷輝, 王穎, 趙利強, 金翠云 申請人:北京化工大學