[發明專利]4路鉆孔孔壁視頻的柱面全景圖生成方法及裝置

有效

• 申請號: 201610323952.6
• 申請日: 2016-05-16
• 公開（公告）號: CN106023066B
• 公開（公告）日: 2017-10-03
• 發明（設計）人: 曹茂永;趙猛;滕升華;王毅
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G06T3/00
• 分類號: G06T3/00
• 代理公司: 北京雙收知識產權代理有限公司11241
• 代理人: 陳泉

技術領域

本發明屬于鉆孔全景成像技術領域，具體涉及一種相互垂直放置的4部攝像機系統的鉆孔柱面全景圖生成方法及裝置。

背景技術

在地質勘探中，一般采用常規鉆探獲取巖心來了解地質情況，但是存在鉆探工作量大，鉆探成本高，且鉆探過程一般難于直接觀察等缺點；此外，一些有重大工程地質意義的軟弱層(破碎泥化夾層、風化夾層等)和構造破碎帶，往往不易取得巖心，不能了解其地質條件，從而導致工程施工困難。隨著科學技術的發展，鉆孔成像技術在水利、土木、能源、交通、地質、礦山等行業都有廣泛的應用，是傳統的勘察方法無法比擬的。

鉆孔成像技術依靠光學原理使人們能直接觀測到鉆孔的內部。這一技術的出現是基于當代科學技術的發展，特別是在照相和攝像設備的小型化方面的突破。目前為止，鉆孔成像技術的發展經歷了3個階段：鉆孔照相、鉆孔電視、數字光學鉆孔成像。前兩個階段的技術特點是模擬方式下的定性觀察、描述和評價，其缺點是(1)定量分析性差；(2)結果表現方式少，處理手段有限；(3)不能提供較長孔壁圖像；(4)存在一定視覺死角；(5)受霧氣影響較大，對完整段反應較弱。數字光學成像技術是當今鉆孔成像技術發展過程中的一個里程碑，代表了當今科學技術的發展水平，其主要的創新點在于全景圖像的實現和數字技術的突破，而且更加實用化，各類工程中得到了大量的應用。克服了模擬方式下鉆孔成像技術的不足，推動了孔內探測技術向可視化、數字化領域的發展。

現有技術中存在的問題和缺陷：

通常模擬方式下鉆孔成像技術采用平面反射原理，當成像部件沿著鉆孔軸線成像時，只能得到鉆孔孔壁局部圖像。然而數字方式下鉆孔成像技術將平面反射鏡用錐面反射鏡代替，這時360度鉆孔孔壁經過錐面反射成像，得到360度鉆孔孔壁圖像(全景圖)。鉆孔一般是類似標準的圓柱形，且直徑已知，而由定位方法獲得全景圖像的方向和位置后，即可建立鉆孔孔壁的空間坐標系統，為數字化處理奠定基礎。但是，現有的數字式鉆孔成像技術也存在著一些問題：1)基本假設的局限性。通常鉆孔孔壁被認為是豎直向下，不適用水平孔和傾斜孔的測試，這嚴重地限制了對數字鉆孔成像技術的普遍應用；2)孔壁成像的單一性。利用錐面反射原理實現的全景圖是360度孔壁映射到平面圖像，并且對孔壁的觀察防線保持不變，實際上是一個降維的映射過程，有如下缺點：在實際鉆孔表面凸凹不平時會遮擋這種單一方向上的成像；不能觀察探頭前方的情況；在擴徑處返回光少使圖像成黑色；難以得到鉆孔徑向上延伸數據。

發明內容

針對上述現有技術中的不足，本發明提供一種克服了現有的數字攝像系統只能解決豎直孔壁以及孔壁成像的單一性問題的4路鉆孔孔壁視頻的柱面全景圖生成方法及裝置。

本發明所采取的技術方案是：

一種4路鉆孔孔壁視頻的柱面全景圖生成方法，包括如下步驟：

(1)選取四部攝像機，將四部攝像機連接成一體，構成攝像機組；在同一平面內背向同一中心點相互垂直放置，拍攝方向與鉆孔孔壁所在的圓柱面相互垂直；將攝像機組放入孔內；

(2)攝像機組沿孔壁縱向移動設定距離；

(3)鉆孔視頻攝像頭移動過程中某一時刻同時提取4張單個圖像文件；

(4)消除不同攝像機間的色差；

(5)分別將4張圖像通過柱面坐標變換公式轉化為孔壁信息的柱面投影圖；

(6)進行圖像配準；相鄰攝像頭間提取的圖像的柱面投影圖包含了相同的孔壁信息，根據圖像間的特征進行橫向拼接，就得到了某一時刻鉆孔孔壁的360度橫向拼接圖；

(7)保存橫向拼接圖像；

(8)判斷攝像機縱向移動是否完畢，攝像機縱向移動沒有完畢，返回步驟(2)，攝像機縱向移動完畢執行步驟(9)；

(9)相鄰圖像縱向拼接；

(10)得到鉆孔孔壁全景圖。

柱面投影變換的核心是投影變換公式中K為柱面投影空間，I表示原始圖像，I`是柱面投影圖像，坐標原點O選為圓柱中心；

假定圖像中心點就是光軸與圖像平面的交點，現在要得到O點觀察到的原始圖像，在柱面空間K上的柱面投影圖像I；

設柱面半徑為r，投影角為θ，圖像寬度為W，圖像高度為H，得到柱面圖像的寬度為2rsin(θ/2)，高度仍為H；

圖像的像素坐標均以圖像平面中的最左上角像素為坐標原點；

對圖像I上的任意一點P(x，y)，在柱面圖像I`上的對應點為P`(x`，y`)，對點P沿x一z平面和y—z的橫截面，可得柱面投影變換公式：

x`＝r*sin(θ/2)+r*sin(arctan(x-W/2)/r)