专利名称：一种基于光学的管道快速检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于光学的对管道快速检测的方法，特别涉及一种应用视觉测量技术对管道外形尺寸及型面进行快速测量的方法。
背景技术：
管道广泛应用于冶金、石油、船舶及城市水暖供应等工业部门中。在管道工程施工中，由于空间限制或设计需要，会大量使用弯管和弯头。弯管是指曲率半径较大，角度小于 10°的一根整管；弯头是指曲率半径较小、角度在12°、0°范围的较短的管子。无论是弯管还是弯头，其对接组合要求非常严格。准确测量其角度，正确使用弯管或弯头并实现快速安装，对于管道工程的质量、进度都十分重要；同时，在焊接安装过程中，管道外形会发生形变，准确检测出形变大小也对整个工程至关重要。因此，对管道外型尺寸及型面的全尺寸检测一直是业内的一个难题。传统检测方法的效率低、测量范围�。夏咽迪秩』蛉叽缂觳猓薹愀飨蛞煨愿春喜牧系娜×ρ阅芗觳�。如全站仪、三坐标机、经纬仪、激光跟踪仪等。全站仪的测量精度低，测量点设置数目增加将大大增加测量的工作量，不易实现。三坐标机虽然精度高，但对测量环境要求高、不便携、测量范围�。捌诨挂氖苯屑觳庾晗档慕⒓安饬勘喑�。经纬仪、激光跟踪仪可以在现场进行高精度测量，但由于是逐点测量方式， 测量效率偏低，无法达到全尺寸反求设计和生产检测所需的密集点云采集要求。因此目前的研究热点集中于融合了计算机视觉技术和摄影测量技术的非接触式光学测量方法，这种方法有着严谨的理论基�。砍叹哂薪洗蟮牡裕⒛芴峁┫嗟备叩木群徒细叩牟饬啃剩墙饩鲋写笮凸ぜ叽缂觳饽烟庖恢挚尚械姆桨�。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述问题，提供一种基于光学的管道快速检测方法，该方法检测速度快、精度高，且不会对管道表面造成伤害。本发明的技术方案是本发明基于光学的管道快速检测方法包括以下步骤 步骤一、去除被测管道表面的锈斑，并喷涂着色渗透探伤剂；
步骤二、在管道表面及周围布置标志点，所述标志点包括非编码标志点和编码标志点， 其中非编码标志点直接粘贴在管道表面，编码标志点布置于管道表面及周围；
步骤三、将标尺平放于管道旁边，标尺的两端是固定好的编码标志点，且两端编码标志点间的距离经过严格的校准；
步骤四、采用数码相机全方位对被测管道进行拍照，获取包含编码标志点、非编码标志点及标尺的一组照片；
步骤五、运行测量软件，在计算机中导入所拍照片组，进行图像处理，测量出照片组中标志点的二维坐标，然后根据二维坐标计算出所有标志点的空间三维坐标，结果中的非编码标志点点云即构成了被测管道的全局稀疏点模型；步骤六、采用双目光栅扫描方法，用两部摄像机同步拍摄由投影机投向物体表面的编码条纹，测量软件自动进行立体匹配和三维重建后获得管道表面局部的标志点及密集点云，根据该局部的标志点在全局稀疏点模型的位置完成该局部密集点云的全局坐标对齐； 重复采用上述双目光栅扫描方法得到所有已全局坐标对齐的局部密集点云，从而获得有一定数据冗余的管道整体密集点云模型；
步骤七、步骤六得到的管道整体密集点云模型有一定的数据冗余，在进行建模之前先对其进行处理，删除重叠部分点云，并将各局部密集点云进行合并，得到没有数据冗余的管道整体密集点云模型，也即管道测量模型；
步骤八、将管道测量模型与管道CAD设计模型的坐标系对齐，对管道测量模型进行坐标转换；
步骤九、对管道测量模型和管道CAD设计模型进行简单的矢量减运算，得到管道铸件表面每一个位置与管道CAD设计模型的偏差，通过编程实现并以3D的形式显示，或借助商业对比软件根据各个位置和方向的剖面图，生成2D的数据偏差。所述步骤四中全方位对被测管道进行拍照时，设置摄像站位置采用三个依次增加的高度，每个高度均环绕360度，拍摄要求如下
①以管道三维尺寸中最大值作为拍摄距离正直拍摄；
②使每个标志点被4个以上不同位置的摄像站所拍摄；
③使每个标志点的交会角在60° 120°范围内；
④使每个标志点的入射角小于45°；
⑤使每个摄像站都能拍摄尽量多的标志点，保持相邻摄像站拍摄的照片间有60%以上的重叠和公共点。所述步骤六具体为
①将非编码标志点点云表示的管道稀疏点模型数据从测量软件中导出，导入密集点云采集软件中，作为局部密集点云对齐时的参考；
②将双目光栅扫描设备正对管道表面某区域，左右两相机拍摄两张局部照片，根据空间前方交会算法计算出局部标志点的空间相对位置关系；
③调整双目光栅扫描设备与目标相对位置，使得计算出的非编码标志点的数目多于3
个；
④移动双目光栅扫描设备，在保证不留缝隙的情况下，逐区域扫描管道表面并自动对齐，得到有一定数据冗余的管道整体密集点云模型。本发明与现有技术全站仪、三坐标机、经纬仪、激光跟踪仪等相比，具有如下优占.
^ \\\ ·
1、由于采用C⑶作为传感器、为非接触式测量方式，不会伤及管道表面，也不受管道表面形状及粗糙度的影响，也不会耗损测量设备。2、由于采用逐区域扫描并由软件自动对齐，测量时间主要取决于管道表面的分区块数，相对于逐点测量方式，现场测量效率较高，后期的点云处理及模型对比可以离开现场处理。3、由于采用密集点云扫描方式，特别适用于管道表面测量点众多的任务，测量结果是密集点云表示的管道完整模型，可以在此基础上进行任意几何量的测量。
4、由于测量结果是完整的管道密集点云模型，在对比软件的帮助下，可以自动地进行全尺寸三维色谱分析、随意的定制偏差容限进行合格判定，检测结果直观、快捷。5、作为测量中间结果的管道点云模型，可以作为原始数据，进行逆向工程设计。6、由于采用CCD作为传感器，本方法中采用的测量设备价格便宜，测量成本低。
图1是本发明实施中计算机生成的三维标志点管道稀疏模型图2是本发明实施例中步骤六获得的具有一定数据冗余的管道整体密集点云模型； 图3是本发明实施例中步骤七获得的无数据冗余的管道整体密集点云模型，即管道测量模型；
图4是管道CAD设计模型；
图5是管道测量模型与管道CAD设计模型的3D对比照片； 图6是近景工业摄影测量基本原理图； 图7是摄像站布置视图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍。本实施例基于光学的管道快速检测方法，包括以下步骤 步骤一、被测管道表面预处理
去除被测管道表面的锈斑，并喷涂着色渗透探伤剂，以保证后续布置的标志点及标尺不会发生掉落和偏移。步骤二、在管道表面及周围布置标志点
所述标志点包括非编码标志点和编码标志点，其中非编码标志点直接粘贴在管道表面，一部分编码标志点粘贴在管道表面，另一部分编码标志点放置在管道周围。步骤三、布置标尺
将标尺平放在管道旁边，标尺是恢复管道实际尺寸的依据，其两端是固定好的编码标志点，且标尺两端的编码标志点间的距离经过严格的校准。步骤四、拍摄全局标志点照片序列
采用数码相机，全方位对被测管道进行拍照，获取包含编码标志点、非编码标准点及标尺的一组照片。如图7所示，全方位对被测管道进行拍照时，可根据管道的尺寸将摄像站分布于三个水平高度(如lm、l. 5m、aii)，每个高度环绕360度设置摄像站。为了保证标志点三维坐标解算的精度，除了选择高分辨率、镜头畸变小的专业数码相机外，还应满足如下的照片组拍摄原则
①以管道三维尺寸中最大值作为拍摄距离正直拍摄；
②尽可能使每个标志点被4个以上不同位置的摄像站所拍摄；
③尽可能使每个标志点的交会角在60° 120°之间；
④尽可能使每个标志点的入射角小于45°；
⑤尽可能使每个摄像站都能拍摄尽量多的标志点，保持相邻摄像站拍摄的照片间有60%以上的重叠和公共点。步骤五、计算照片组中标志点坐标
运行测量软件(该测量软件的测量基本原理参照图6所示)，在计算机中导入所拍照片组进行图像处理，测量出照片组中标志点的二维坐标，然后根据二维坐标计算出所有标志点在空间中的三维坐标，结果中的非编码标志点点云即构成了被测管道的全局稀疏点模型 (如图1)，该模型作为下一步局部密集点云采集后进行全局坐标对齐的依据。步骤六、被测管道表面局部密集点云采集及对齐
采用双目光栅扫描方法，用两部摄像机同步拍摄由投影机投向物体表面的编码条纹， 测量软件自动进行立体匹配和三维重建后获得管道表面局部的标志点及密集点云，根据该局部的标志点在全局稀疏点模型的位置完成该局部密集点云的全局坐标对齐；重复采用上述双目光栅扫描方法得到所有已全局坐标对齐的局部密集点云，而获得有一定数据冗余的管道整体密集点云模型。本步骤的具体方法如下
①将非编码标志点点云表示的管道模型(即管道稀疏点云模型)数据从测量软件中导出，导入密集点云采集软件中，作为局部密集点云对齐时的参考；
②将双目光栅扫描设备正对管道表面某区域，左右两相机拍摄两张局部照片，由于两相机相对位置及方向事先已标定出，为已知数据，因此根据空间前方交会算法可计算出局部标志点的空间相对位置关系；
③调整双目光栅扫描设备与目标的相对位置，使得计算出的非编码标志点的数目多于 3个；
④移动双目光栅扫描设备，在保证不留缝隙的情况下，逐区域扫描管道表面并自动对齐，得到有一定数据冗余的管道整体密集点云模型(如图2)。步骤七、密集点云预处理及建模
由于步骤六得到的管道整体密集点云模型有一定的数据冗余，在进行建模之前先对其进行处理，删除重叠部分点云，并将各局部密集点云进行合并，得到没有数据冗余的管道整体密集点云模型，也即管道测量模型；
具体实施时，本步骤可采用以下方法利用通用逆向工程软件(如Geomagic)对有数据冗余的管道整体密集点云模型进行去孤、降噪、平滑、抽稀后，最后对由标志点覆盖产生的空洞进行补洞处理，由此得到没有数据冗余的管道整体密集点云模型，即管道测量模型，见图3。步骤八、将管道测量模型与管道CAD设计模型(见图4)的坐标系对齐，对管道测量模型进行坐标转换
具体实施时，可将管道测量模型直接对齐到管道CAD设计模型的坐标系下，也可采用下述方法利用商用对比软件(如Geomagic Qualify)读入管道测量模型和管道CAD设计模型，执行“最佳全局配准”命令，以完成两模型的最优匹配。步骤九、管道测量模型与管道CAD设计模型的偏差对比
对管道测量模型和管道CAD设计模型进行简单的矢量减运算，得到管道铸件表面每一个位置与管道CAD设计模型的偏差，通过编程实现并以3D的形式显示，或借助商业对比软件根据各个位置和方向的剖面图，生成2D的数据偏差。CN 102538677 A具体实施时，本步骤可采用以下方法将管道测量模型和管道CAD设计模型对齐后，使用商用对比软件(如Geomagic Qualify)，运行“三维比较”命令，得到测量数据和管道 CAD设计模型的三维色谱偏差，如图5。当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于光学的管道快速检测方法，其特征在于包括以下步骤 步骤一、去除被测管道表面的锈斑，并喷涂着色渗透探伤剂；步骤二、在管道表面及周围布置标志点，所述标志点包括非编码标志点和编码标志点， 其中非编码标志点直接粘贴在管道表面，编码标志点布置于管道表面及周围；步骤三、将标尺平放于管道旁边，标尺的两端是固定好的编码标志点，且两端编码标志点间的距离经过严格的校准；步骤四、采用数码相机全方位对被测管道进行拍照，获取包含编码标志点、非编码标志点及标尺的一组照片；步骤五、运行测量软件，在计算机中导入所拍照片组，进行图像处理，测量出照片组中标志点的二维坐标，然后根据二维坐标计算出所有标志点的空间三维坐标，结果中的非编码标志点点云即构成了被测管道的全局稀疏点模型；步骤六、采用双目光栅扫描方法，用两部摄像机同步拍摄由投影机投向物体表面的编码条纹，测量软件自动进行立体匹配和三维重建后获得管道表面局部的标志点及密集点云，根据该局部的标志点在全局稀疏点模型的位置完成该局部密集点云的全局坐标对齐； 重复采用上述双目光栅扫描方法得到所有已全局坐标对齐的局部密集点云，从而获得有一定数据冗余的管道整体密集点云模型；步骤七、步骤六得到的管道整体密集点云模型有一定的数据冗余，在进行建模之前先对其进行处理，删除重叠部分点云，并将各局部密集点云进行合并，得到没有数据冗余的管道整体密集点云模型，也即管道测量模型；步骤八、将管道测量模型与管道CAD设计模型的坐标系对齐，对管道测量模型进行坐标转换；步骤九、对管道测量模型和管道CAD设计模型进行简单的矢量减运算，得到管道铸件表面每一个位置与管道CAD设计模型的偏差，通过编程实现并以3D的形式显示，或借助商业对比软件根据各个位置和方向的剖面图，生成2D的数据偏差。
2.根据权利要求1所述的基于光学的管道快速检测方法，其特征在于所述步骤四中全方位对被测管道进行拍照时，设置摄像站位置采用三个依次增加的高度，每个高度均环绕360度，拍摄要求如下①以管道三维尺寸中最大值作为拍摄距离正直拍摄；②使每个标志点被4个以上不同位置的摄像站所拍摄；③使每个标志点的交会角在60° 120°范围内；④使每个标志点的入射角小于45°；⑤使每个摄像站都能拍摄尽量多的标志点，保持相邻摄像站拍摄的照片间有60%以上的重叠和公共点。
3.根据权利要求1或2所述的基于光学的管道快速检测方法，其特征在于所述步骤六具体为①将非编码标志点点云表示的管道稀疏点模型数据从测量软件中导出，导入密集点云采集软件中，作为局部密集点云对齐时的参考；②将双目光栅扫描设备正对管道表面某区域，左右两相机拍摄两张局部照片，根据空间前方交会算法计算出局部标志点的空间相对位置关系；③调整双目光栅扫描设备与目标相对位置，使得计算出的非编码标志点的数目多于3个；④移动双目光栅扫描设备，在保证不留缝隙的情况下，逐区域扫描管道表面并自动对齐，得到有一定数据冗余的管道整体密集点云模型。
全文摘要
本发明公开了一种基于光学的管道快速检测方法，该方法主要包括以下步骤被测管道表面预处理；在管道表面及周围布置标志点；放置标尺；拍摄全局标志点照片序列；计算照片组中标志点坐标；被测管道表面局部密集点云采集及对齐；密集点云预处理及建模；将管道测量模型与管道CAD设计模型的坐标系对齐，对管道测量模型进行坐标转换；管道测量模型与管道CAD设计模型的偏差对比。该方法检测速度快、精度高，且不会对管道表面造成伤害。
文档编号G01B11/00GK102538677SQ20121001223
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者刘小波, 刘建立, 张龙, 梁晋, 郭晓东 申请人:苏州临点三维科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
