專利名稱：一種基于光學的管道快速檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光學的對管道快速檢測的方法，特別涉及一種應用視覺測量技術(shù)對管道外形尺寸及型面進行快速測量的方法。
背景技術(shù)：
管道廣泛應用于冶金、石油、船舶及城市水暖供應等工業(yè)部門中。在管道工程施工中，由于空間限制或設計需要，會大量使用彎管和彎頭。彎管是指曲率半徑較大，角度小于 10°的一根整管；彎頭是指曲率半徑較小、角度在12°、0°范圍的較短的管子。無論是彎管還是彎頭，其對接組合要求非常嚴格。準確測量其角度，正確使用彎管或彎頭并實現(xiàn)快速安裝，對于管道工程的質(zhì)量、進度都十分重要；同時，在焊接安裝過程中，管道外形會發(fā)生形變，準確檢測出形變大小也對整個工程至關(guān)重要。因此，對管道外型尺寸及型面的全尺寸檢測一直是業(yè)內(nèi)的一個難題。傳統(tǒng)檢測方法的效率低、測量范圍小，較難實現(xiàn)三維全場或全尺寸檢測，無法滿足各向異性復合材料的全場力學性能檢測。如全站儀、三坐標機、經(jīng)緯儀、激光跟蹤儀等。全站儀的測量精度低，測量點設置數(shù)目增加將大大增加測量的工作量，不易實現(xiàn)。三坐標機雖然精度高，但對測量環(huán)境要求高、不便攜、測量范圍小，前期還要耗時進行檢測坐標系的建立及測量編程。經(jīng)緯儀、激光跟蹤儀可以在現(xiàn)場進行高精度測量，但由于是逐點測量方式， 測量效率偏低，無法達到全尺寸反求設計和生產(chǎn)檢測所需的密集點云采集要求。因此目前的研究熱點集中于融合了計算機視覺技術(shù)和攝影測量技術(shù)的非接觸式光學測量方法，這種方法有著嚴謹?shù)睦碚摶A(chǔ)，量程具有較大的彈性，并能提供相當高的精度和較高的測量效率，是解決中大型工件全尺寸檢測難題一種可行的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述問題，提供一種基于光學的管道快速檢測方法，該方法檢測速度快、精度高，且不會對管道表面造成傷害。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明基于光學的管道快速檢測方法包括以下步驟 步驟一、去除被測管道表面的銹斑，并噴涂著色滲透探傷劑；
步驟二、在管道表面及周圍布置標志點，所述標志點包括非編碼標志點和編碼標志點， 其中非編碼標志點直接粘貼在管道表面，編碼標志點布置于管道表面及周圍；
步驟三、將標尺平放于管道旁邊，標尺的兩端是固定好的編碼標志點，且兩端編碼標志點間的距離經(jīng)過嚴格的校準；
步驟四、采用數(shù)碼相機全方位對被測管道進行拍照，獲取包含編碼標志點、非編碼標志點及標尺的一組照片；
步驟五、運行測量軟件，在計算機中導入所拍照片組，進行圖像處理，測量出照片組中標志點的二維坐標，然后根據(jù)二維坐標計算出所有標志點的空間三維坐標，結(jié)果中的非編碼標志點點云即構(gòu)成了被測管道的全局稀疏點模型；步驟六、采用雙目光柵掃描方法，用兩部攝像機同步拍攝由投影機投向物體表面的編碼條紋，測量軟件自動進行立體匹配和三維重建后獲得管道表面局部的標志點及密集點云，根據(jù)該局部的標志點在全局稀疏點模型的位置完成該局部密集點云的全局坐標對齊； 重復采用上述雙目光柵掃描方法得到所有已全局坐標對齊的局部密集點云，從而獲得有一定數(shù)據(jù)冗余的管道整體密集點云模型；
步驟七、步驟六得到的管道整體密集點云模型有一定的數(shù)據(jù)冗余，在進行建模之前先對其進行處理，刪除重疊部分點云，并將各局部密集點云進行合并，得到?jīng)]有數(shù)據(jù)冗余的管道整體密集點云模型，也即管道測量模型；
步驟八、將管道測量模型與管道CAD設計模型的坐標系對齊，對管道測量模型進行坐標轉(zhuǎn)換；
步驟九、對管道測量模型和管道CAD設計模型進行簡單的矢量減運算，得到管道鑄件表面每一個位置與管道CAD設計模型的偏差，通過編程實現(xiàn)并以3D的形式顯示，或借助商業(yè)對比軟件根據(jù)各個位置和方向的剖面圖，生成2D的數(shù)據(jù)偏差。所述步驟四中全方位對被測管道進行拍照時，設置攝像站位置采用三個依次增加的高度，每個高度均環(huán)繞360度，拍攝要求如下
①以管道三維尺寸中最大值作為拍攝距離正直拍攝；
②使每個標志點被4個以上不同位置的攝像站所拍攝；
③使每個標志點的交會角在60° 120°范圍內(nèi)；
④使每個標志點的入射角小于45°；
⑤使每個攝像站都能拍攝盡量多的標志點，保持相鄰攝像站拍攝的照片間有60%以上的重疊和公共點。所述步驟六具體為
①將非編碼標志點點云表示的管道稀疏點模型數(shù)據(jù)從測量軟件中導出，導入密集點云采集軟件中，作為局部密集點云對齊時的參考；
②將雙目光柵掃描設備正對管道表面某區(qū)域，左右兩相機拍攝兩張局部照片，根據(jù)空間前方交會算法計算出局部標志點的空間相對位置關(guān)系；
③調(diào)整雙目光柵掃描設備與目標相對位置，使得計算出的非編碼標志點的數(shù)目多于3
個；
④移動雙目光柵掃描設備，在保證不留縫隙的情況下，逐區(qū)域掃描管道表面并自動對齊，得到有一定數(shù)據(jù)冗余的管道整體密集點云模型。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)全站儀、三坐標機、經(jīng)緯儀、激光跟蹤儀等相比，具有如下優(yōu)占.
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1、由于采用C⑶作為傳感器、為非接觸式測量方式，不會傷及管道表面，也不受管道表面形狀及粗糙度的影響，也不會耗損測量設備。2、由于采用逐區(qū)域掃描并由軟件自動對齊，測量時間主要取決于管道表面的分區(qū)塊數(shù)，相對于逐點測量方式，現(xiàn)場測量效率較高，后期的點云處理及模型對比可以離開現(xiàn)場處理。3、由于采用密集點云掃描方式，特別適用于管道表面測量點眾多的任務，測量結(jié)果是密集點云表示的管道完整模型，可以在此基礎(chǔ)上進行任意幾何量的測量。
4、由于測量結(jié)果是完整的管道密集點云模型，在對比軟件的幫助下，可以自動地進行全尺寸三維色譜分析、隨意的定制偏差容限進行合格判定，檢測結(jié)果直觀、快捷。5、作為測量中間結(jié)果的管道點云模型，可以作為原始數(shù)據(jù)，進行逆向工程設計。6、由于采用CCD作為傳感器，本方法中采用的測量設備價格便宜，測量成本低。


圖1是本發(fā)明實施中計算機生成的三維標志點管道稀疏模型圖2是本發(fā)明實施例中步驟六獲得的具有一定數(shù)據(jù)冗余的管道整體密集點云模型； 圖3是本發(fā)明實施例中步驟七獲得的無數(shù)據(jù)冗余的管道整體密集點云模型，即管道測量模型；
圖4是管道CAD設計模型；
圖5是管道測量模型與管道CAD設計模型的3D對比照片； 圖6是近景工業(yè)攝影測量基本原理圖； 圖7是攝像站布置視圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步介紹。本實施例基于光學的管道快速檢測方法，包括以下步驟 步驟一、被測管道表面預處理
去除被測管道表面的銹斑，并噴涂著色滲透探傷劑，以保證后續(xù)布置的標志點及標尺不會發(fā)生掉落和偏移。步驟二、在管道表面及周圍布置標志點
所述標志點包括非編碼標志點和編碼標志點，其中非編碼標志點直接粘貼在管道表面，一部分編碼標志點粘貼在管道表面，另一部分編碼標志點放置在管道周圍。步驟三、布置標尺
將標尺平放在管道旁邊，標尺是恢復管道實際尺寸的依據(jù)，其兩端是固定好的編碼標志點，且標尺兩端的編碼標志點間的距離經(jīng)過嚴格的校準。步驟四、拍攝全局標志點照片序列
采用數(shù)碼相機，全方位對被測管道進行拍照，獲取包含編碼標志點、非編碼標準點及標尺的一組照片。如圖7所示，全方位對被測管道進行拍照時，可根據(jù)管道的尺寸將攝像站分布于三個水平高度(如lm、l. 5m、aii)，每個高度環(huán)繞360度設置攝像站。為了保證標志點三維坐標解算的精度，除了選擇高分辨率、鏡頭畸變小的專業(yè)數(shù)碼相機外，還應滿足如下的照片組拍攝原則
①以管道三維尺寸中最大值作為拍攝距離正直拍攝；
②盡可能使每個標志點被4個以上不同位置的攝像站所拍攝；
③盡可能使每個標志點的交會角在60° 120°之間；
④盡可能使每個標志點的入射角小于45°；
⑤盡可能使每個攝像站都能拍攝盡量多的標志點，保持相鄰攝像站拍攝的照片間有60%以上的重疊和公共點。步驟五、計算照片組中標志點坐標
運行測量軟件(該測量軟件的測量基本原理參照圖6所示)，在計算機中導入所拍照片組進行圖像處理，測量出照片組中標志點的二維坐標，然后根據(jù)二維坐標計算出所有標志點在空間中的三維坐標，結(jié)果中的非編碼標志點點云即構(gòu)成了被測管道的全局稀疏點模型 (如圖1)，該模型作為下一步局部密集點云采集后進行全局坐標對齊的依據(jù)。步驟六、被測管道表面局部密集點云采集及對齊
采用雙目光柵掃描方法，用兩部攝像機同步拍攝由投影機投向物體表面的編碼條紋， 測量軟件自動進行立體匹配和三維重建后獲得管道表面局部的標志點及密集點云，根據(jù)該局部的標志點在全局稀疏點模型的位置完成該局部密集點云的全局坐標對齊；重復采用上述雙目光柵掃描方法得到所有已全局坐標對齊的局部密集點云，而獲得有一定數(shù)據(jù)冗余的管道整體密集點云模型。本步驟的具體方法如下
①將非編碼標志點點云表示的管道模型(即管道稀疏點云模型)數(shù)據(jù)從測量軟件中導出，導入密集點云采集軟件中，作為局部密集點云對齊時的參考；
②將雙目光柵掃描設備正對管道表面某區(qū)域，左右兩相機拍攝兩張局部照片，由于兩相機相對位置及方向事先已標定出，為已知數(shù)據(jù)，因此根據(jù)空間前方交會算法可計算出局部標志點的空間相對位置關(guān)系；
③調(diào)整雙目光柵掃描設備與目標的相對位置，使得計算出的非編碼標志點的數(shù)目多于 3個；
④移動雙目光柵掃描設備，在保證不留縫隙的情況下，逐區(qū)域掃描管道表面并自動對齊，得到有一定數(shù)據(jù)冗余的管道整體密集點云模型(如圖2)。步驟七、密集點云預處理及建模
由于步驟六得到的管道整體密集點云模型有一定的數(shù)據(jù)冗余，在進行建模之前先對其進行處理，刪除重疊部分點云，并將各局部密集點云進行合并，得到?jīng)]有數(shù)據(jù)冗余的管道整體密集點云模型，也即管道測量模型；
具體實施時，本步驟可采用以下方法利用通用逆向工程軟件(如Geomagic)對有數(shù)據(jù)冗余的管道整體密集點云模型進行去孤、降噪、平滑、抽稀后，最后對由標志點覆蓋產(chǎn)生的空洞進行補洞處理，由此得到?jīng)]有數(shù)據(jù)冗余的管道整體密集點云模型，即管道測量模型，見圖3。步驟八、將管道測量模型與管道CAD設計模型(見圖4)的坐標系對齊，對管道測量模型進行坐標轉(zhuǎn)換
具體實施時，可將管道測量模型直接對齊到管道CAD設計模型的坐標系下，也可采用下述方法利用商用對比軟件(如Geomagic Qualify)讀入管道測量模型和管道CAD設計模型，執(zhí)行“最佳全局配準”命令，以完成兩模型的最優(yōu)匹配。步驟九、管道測量模型與管道CAD設計模型的偏差對比
對管道測量模型和管道CAD設計模型進行簡單的矢量減運算，得到管道鑄件表面每一個位置與管道CAD設計模型的偏差，通過編程實現(xiàn)并以3D的形式顯示，或借助商業(yè)對比軟件根據(jù)各個位置和方向的剖面圖，生成2D的數(shù)據(jù)偏差。CN 102538677 A具體實施時，本步驟可采用以下方法將管道測量模型和管道CAD設計模型對齊后，使用商用對比軟件(如Geomagic Qualify)，運行“三維比較”命令，得到測量數(shù)據(jù)和管道 CAD設計模型的三維色譜偏差，如圖5。當然，上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓人們能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明主要技術(shù)方案的精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于光學的管道快速檢測方法，其特征在于包括以下步驟 步驟一、去除被測管道表面的銹斑，并噴涂著色滲透探傷劑；步驟二、在管道表面及周圍布置標志點，所述標志點包括非編碼標志點和編碼標志點， 其中非編碼標志點直接粘貼在管道表面，編碼標志點布置于管道表面及周圍；步驟三、將標尺平放于管道旁邊，標尺的兩端是固定好的編碼標志點，且兩端編碼標志點間的距離經(jīng)過嚴格的校準；步驟四、采用數(shù)碼相機全方位對被測管道進行拍照，獲取包含編碼標志點、非編碼標志點及標尺的一組照片；步驟五、運行測量軟件，在計算機中導入所拍照片組，進行圖像處理，測量出照片組中標志點的二維坐標，然后根據(jù)二維坐標計算出所有標志點的空間三維坐標，結(jié)果中的非編碼標志點點云即構(gòu)成了被測管道的全局稀疏點模型；步驟六、采用雙目光柵掃描方法，用兩部攝像機同步拍攝由投影機投向物體表面的編碼條紋，測量軟件自動進行立體匹配和三維重建后獲得管道表面局部的標志點及密集點云，根據(jù)該局部的標志點在全局稀疏點模型的位置完成該局部密集點云的全局坐標對齊； 重復采用上述雙目光柵掃描方法得到所有已全局坐標對齊的局部密集點云，從而獲得有一定數(shù)據(jù)冗余的管道整體密集點云模型；步驟七、步驟六得到的管道整體密集點云模型有一定的數(shù)據(jù)冗余，在進行建模之前先對其進行處理，刪除重疊部分點云，并將各局部密集點云進行合并，得到?jīng)]有數(shù)據(jù)冗余的管道整體密集點云模型，也即管道測量模型；步驟八、將管道測量模型與管道CAD設計模型的坐標系對齊，對管道測量模型進行坐標轉(zhuǎn)換；步驟九、對管道測量模型和管道CAD設計模型進行簡單的矢量減運算，得到管道鑄件表面每一個位置與管道CAD設計模型的偏差，通過編程實現(xiàn)并以3D的形式顯示，或借助商業(yè)對比軟件根據(jù)各個位置和方向的剖面圖，生成2D的數(shù)據(jù)偏差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學的管道快速檢測方法，其特征在于所述步驟四中全方位對被測管道進行拍照時，設置攝像站位置采用三個依次增加的高度，每個高度均環(huán)繞360度，拍攝要求如下①以管道三維尺寸中最大值作為拍攝距離正直拍攝；②使每個標志點被4個以上不同位置的攝像站所拍攝；③使每個標志點的交會角在60° 120°范圍內(nèi)；④使每個標志點的入射角小于45°；⑤使每個攝像站都能拍攝盡量多的標志點，保持相鄰攝像站拍攝的照片間有60%以上的重疊和公共點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于光學的管道快速檢測方法，其特征在于所述步驟六具體為①將非編碼標志點點云表示的管道稀疏點模型數(shù)據(jù)從測量軟件中導出，導入密集點云采集軟件中，作為局部密集點云對齊時的參考；②將雙目光柵掃描設備正對管道表面某區(qū)域，左右兩相機拍攝兩張局部照片，根據(jù)空間前方交會算法計算出局部標志點的空間相對位置關(guān)系；③調(diào)整雙目光柵掃描設備與目標相對位置，使得計算出的非編碼標志點的數(shù)目多于3個；④移動雙目光柵掃描設備，在保證不留縫隙的情況下，逐區(qū)域掃描管道表面并自動對齊，得到有一定數(shù)據(jù)冗余的管道整體密集點云模型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光學的管道快速檢測方法，該方法主要包括以下步驟被測管道表面預處理；在管道表面及周圍布置標志點；放置標尺；拍攝全局標志點照片序列；計算照片組中標志點坐標；被測管道表面局部密集點云采集及對齊；密集點云預處理及建模；將管道測量模型與管道CAD設計模型的坐標系對齊，對管道測量模型進行坐標轉(zhuǎn)換；管道測量模型與管道CAD設計模型的偏差對比。該方法檢測速度快、精度高，且不會對管道表面造成傷害。
文檔編號G01B11/00GK102538677SQ20121001223
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者劉小波, 劉建立, 張龍, 梁晉, 郭曉東 申請人:蘇州臨點三維科技有限公司