[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于玻璃管線三維運(yùn)動(dòng)分析的跨軸式圖像測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610144287.4
• 申請(qǐng)日: 2016-03-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105806319B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杜海;孟娟;李木國(guó)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01C11/00
• 分類(lèi)號(hào): G01C11/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專(zhuān)利中心21200
• 代理人: 梅洪玉,侯明遠(yuǎn)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于圖像測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及到圓柱型透明管線的三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量問(wèn)題，特別涉及基于雙目視覺(jué)的管線定位追蹤方法。

背景技術(shù)

在海洋工程管線模型實(shí)驗(yàn)中，常常利用圓柱型玻璃管線代替實(shí)際管線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，如渦激振動(dòng)研究以及采油管線的形態(tài)變化研究等。因此一種高精度的玻璃管線運(yùn)動(dòng)追蹤測(cè)量方法對(duì)管線的實(shí)驗(yàn)研究非常重要。目前對(duì)于管線的運(yùn)動(dòng)測(cè)量可以采用接觸式的測(cè)量方法，也可以采用非接觸式的測(cè)量方法，前者如采用加速度計(jì)測(cè)量法、應(yīng)變間接測(cè)量法等；后者如多普勒激光測(cè)振儀、立體視覺(jué)測(cè)量法等。但由于實(shí)驗(yàn)中的玻璃管線直徑比較小(直徑范圍：8mm～20mm)，采用加載傳感器的方式會(huì)干擾管線的運(yùn)動(dòng)，而多普勒測(cè)振的方法除了實(shí)驗(yàn)成本較高外也無(wú)法對(duì)管線上多個(gè)指定位置進(jìn)行準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)追蹤，且玻璃管線材質(zhì)的透明特性也使得基于激光多普勒效應(yīng)的測(cè)振設(shè)備無(wú)法得到正確的運(yùn)動(dòng)信息。立體視覺(jué)法使用圖像分析的方式對(duì)管線進(jìn)行測(cè)量，避免了對(duì)管線的直接接觸，在提高數(shù)據(jù)信息有效性的同時(shí)也降低了實(shí)驗(yàn)成本，并且在測(cè)量過(guò)程中僅需要在測(cè)量位置噴涂熒光劑，避免了因整體噴涂試劑而改變管線表面物理特性的問(wèn)題。此外，隨著攝像機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，攝像速度從30fps到7500fps以至更快，完全滿足了管線運(yùn)動(dòng)的測(cè)量要求。因此立體視覺(jué)法在柔性體運(yùn)動(dòng)測(cè)量方面得到了廣泛的應(yīng)用，如下述文獻(xiàn)：

[1]邱志成,張祥通.基于視覺(jué)的柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)量及其控制.振動(dòng)測(cè)試與診斷,2012,32(1):11-16.

[2]徐秀秀,郭毓,余臻,等.基于機(jī)器視覺(jué)的柔性臂振動(dòng)測(cè)量研究.2013, 41(S1):130-132.

[3]許暢,王聰,高晶波,等.基于攝像測(cè)量法的在軌柔性結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識(shí). 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,46(11):17-23.

[4]張春芳.基于雙目立體視覺(jué)的大型柔性結(jié)構(gòu)在軌振動(dòng)測(cè)量研究.哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014:1-62.

在這些應(yīng)用研究中，對(duì)目標(biāo)體的測(cè)量均采用了局部特征的追蹤方法，而這些局部特征即可以是目標(biāo)物自身特征，也可以是人工標(biāo)記，如粘貼反光片，布置發(fā)光LED燈等。這些特征的存在使得追蹤過(guò)程中同名點(diǎn)的對(duì)應(yīng)成為可能。然而，對(duì)于海洋工程實(shí)驗(yàn)中所應(yīng)用的透明玻璃管線而言，無(wú)法利用自身的紋理特征，而且利用表面粘貼主動(dòng)發(fā)光或被動(dòng)發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)的方式，僅是追蹤管線外壁某點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)管線除平移運(yùn)動(dòng)外，還存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將無(wú)法表征此位置管線軸心的運(yùn)動(dòng)(實(shí)驗(yàn)中玻璃管的直徑相對(duì)于管長(zhǎng)而言不可忽略)。此外，當(dāng)管線發(fā)生大角度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這些單側(cè)粘貼的標(biāo)記點(diǎn)會(huì)因遮擋而無(wú)法提取，導(dǎo)致追蹤失敗，并且在水下實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間在水中浸泡，而導(dǎo)致粘貼標(biāo)志物無(wú)法完全貼合管線，形成運(yùn)動(dòng)阻尼。

綜上所述，目前還沒(méi)有一種基于立體視覺(jué)原理的玻璃管線運(yùn)動(dòng)測(cè)量技術(shù)可以很好地解決實(shí)驗(yàn)水槽中透明玻璃管線運(yùn)動(dòng)的測(cè)量問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)海洋工程模型實(shí)驗(yàn)中玻璃管線的運(yùn)動(dòng)測(cè)量問(wèn)題，本發(fā)明將雙目視覺(jué)重構(gòu)技術(shù)與圖像識(shí)別定位技術(shù)相結(jié)合，提出一種用于玻璃管線三維運(yùn)動(dòng)分析的跨軸式圖像測(cè)量方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種用于玻璃管線三維運(yùn)動(dòng)分析的跨軸式圖像測(cè)量方法，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)、兩臺(tái)工業(yè)高速攝像機(jī)、一臺(tái)同步控制器、兩臺(tái)LED補(bǔ)光燈以及三角架所組成。兩臺(tái)攝像機(jī)固定在三角架上，并布置在管線軸線的兩側(cè)(跨軸布置)，互成一定角度觀測(cè)目標(biāo)管線，并通過(guò)傳輸導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)相連。同步控制器的控制端口與計(jì)算機(jī)相連，同步信號(hào)輸出端口與兩臺(tái)工業(yè)高速攝像機(jī)相連，負(fù)責(zé)圖像的同步采集控制。而兩臺(tái)LED補(bǔ)光燈分別布置在相機(jī)的兩側(cè)用于對(duì)測(cè)量玻璃管線進(jìn)行照明。在進(jìn)行測(cè)量前，首先在測(cè)量位置處圍繞玻璃管線一周?chē)娡恳徽瓗S色防水熒光漆，然后在其兩側(cè)各噴涂一窄帶黑色防水漆。分析時(shí)，首先在工業(yè)高速攝像機(jī)采集的圖像中對(duì)玻璃管線的熒光位置進(jìn)行檢測(cè)，然后對(duì)熒光位置進(jìn)行四邊形擬合，并計(jì)算其中心位置，最后沿極線方向搜索左右相機(jī)中標(biāo)記點(diǎn)的對(duì)應(yīng)位置，并進(jìn)行三維重構(gòu)，得到該時(shí)刻標(biāo)記位置的玻璃管線中心空間坐標(biāo)。當(dāng)完成不同時(shí)刻標(biāo)記位置的坐標(biāo)獲取后，便可繪制該位置處玻璃管線的運(yùn)動(dòng)曲線。具體方法描述如下：

步驟A：在玻璃管線的測(cè)量位置處環(huán)繞管線以“暗-亮-暗”方式噴涂防水熒光漆條紋(可選用黑色作為暗色，黃色作為亮色)，其中條紋的寬度依據(jù)相機(jī)的分辨率設(shè)置，在能夠成功識(shí)別的基礎(chǔ)上盡量窄(條紋寬度一般多于5pixels)。

步驟B：根據(jù)測(cè)試范圍的要求固定好工業(yè)高速攝像機(jī)的位置，調(diào)好工業(yè)高速攝像機(jī)參數(shù)。開(kāi)啟LED補(bǔ)光燈，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)節(jié)出光強(qiáng)度。