本發(fā)明涉及一種計(jì)量檢測(cè)技術(shù)，特別是一種基于cmos圖像傳感器測(cè)量管道空間方位的方法。
背景技術(shù)：
：工程測(cè)量中，空間角度測(cè)量非常普遍，特別是管道的空間位置測(cè)量。一般管道軌跡往往與導(dǎo)向設(shè)計(jì)軌跡存在較大差異，特別是竣工后的測(cè)量技術(shù)滯后，致使地下管線工程竣工資料數(shù)據(jù)和管線實(shí)際空間位置坐標(biāo)誤差較大，不利于地下管線建設(shè)和社會(huì)利用。因此準(zhǔn)確掌握竣工管道的地下空間位置十分重要，它不僅是評(píng)價(jià)工程質(zhì)量的指標(biāo)，而且能為后續(xù)新建管線的軌跡設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)，以避免管線相交。傳統(tǒng)進(jìn)行管道彎曲角度測(cè)量通常采用兩種方式：一是用角度測(cè)量?jī)x，此種方式的數(shù)據(jù)采集存在后期處理工作量大，采集數(shù)據(jù)精度低，記錄點(diǎn)選取受環(huán)境影響較大，不連續(xù)等缺點(diǎn)；二是利用基于電子羅盤的探測(cè)頭在管內(nèi)行走，將測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)電纜傳輸給上位機(jī)處理計(jì)算出三維軌跡，但電子羅盤通過(guò)電纜傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中會(huì)受到環(huán)境磁場(chǎng)的干擾，造成方位數(shù)據(jù)失準(zhǔn)，測(cè)量精度降低，因此其只適用于無(wú)異常磁場(chǎng)干擾的環(huán)境中。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種基于cmos圖像傳感器測(cè)量管道空間方位的方法，該方法操作簡(jiǎn)便，測(cè)量精度更高。該方法包括以下步驟：包括以下步驟：步驟1，將激光光源和cmos圖像傳感器設(shè)置于萬(wàn)向節(jié)兩端的機(jī)械定心固定端，且激光光源和cmos圖像傳感器之間設(shè)置衰減片和氣泡熒光環(huán)，設(shè)定激光光源的初始位置使其位于管道中心且發(fā)出的激光與管道中心軸重合；步驟2，激光光源移動(dòng)且cmos圖像傳感器從初始位置開(kāi)始每移動(dòng)一定距離采集一幀圖像；步驟3，對(duì)采集的圖像上的激光光斑和氣泡熒光環(huán)進(jìn)行處理獲取激光光點(diǎn)在光敏面的像素位置和熒光環(huán)上氣泡的方向，并記錄每個(gè)激光光點(diǎn)中心位置和熒光環(huán)氣泡的位置；步驟4，將每個(gè)像素光斑中心轉(zhuǎn)為實(shí)際光斑中心物理位置坐標(biāo)；步驟5，對(duì)光斑中心的實(shí)際物理位置坐標(biāo)、熒光環(huán)氣泡的朝向，基于最小二乘法曲線擬合算法擬合出管道的方位曲線。本發(fā)明基于cmos圖像傳感器采集激光光斑圖像，巧妙利用激光光斑中心在圖像上的位移信息轉(zhuǎn)換成管道空間方位信息。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)：(1)在探測(cè)的過(guò)程中，兩個(gè)機(jī)械定心結(jié)構(gòu)，有效的保證激光光源，衰減片，氣泡熒光環(huán)，cmos圖像傳感器的中心盡可能和管道的中心軸處于同一條水平線上，可以測(cè)量彎曲角度更大的管道。(2)激光器出射光束雖然準(zhǔn)直性很好，但是功率很大。如果光敏面上的光照度過(guò)大，就會(huì)使得光電接收系統(tǒng)的輸出飽和而無(wú)法工作。現(xiàn)有技術(shù)多是利用圖像傳感器采集激光的反射光斑，而在本發(fā)明中采用的是中性密度衰減片，對(duì)出射激光進(jìn)行大幅度的衰減，使其透射率極低。因此可以滿足cmos圖像傳感器的采集要求。(3)采用高分辨率的cmos圖像傳感器，能夠高效的滿足測(cè)量的精度和廣度要求。(4)現(xiàn)有的電子羅盤通過(guò)電纜傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中會(huì)受到環(huán)境磁場(chǎng)的干擾，造成方位數(shù)據(jù)失準(zhǔn)，測(cè)量精度降低。本發(fā)明基于圖像分析處理，不受周圍管道密集程度的影響，不受周圍電磁輻射的影響。(5)氣泡熒光環(huán)會(huì)成像在cmos圖像傳感器上，從圖像上可以看到的熒光環(huán)上的氣泡的位置。由于地球重心引力作用，氣泡方向永遠(yuǎn)都是朝向上方。由氣泡的當(dāng)前朝向，就可以判斷管道彎曲的方向。(6)本設(shè)計(jì)使用簡(jiǎn)單方便，測(cè)量精度高，設(shè)備輕便，且具有適用方法靈活的特點(diǎn)。下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明方法流程圖。圖2是本發(fā)明激光光斑檢測(cè)原理圖。圖3是本發(fā)明管道空間分布檢測(cè)裝置原理圖。圖4是本發(fā)明激光光斑和氣泡熒光環(huán)成像模型圖。圖5是本發(fā)明曲線擬合示意圖。具體實(shí)施方式結(jié)合圖1，一種基于cmos圖像傳感器測(cè)量管道空間方位的方法，激光光源發(fā)射的激光束透過(guò)中性密度衰減片，穿過(guò)氣泡熒光環(huán)，成像在cmos圖像傳感器上。經(jīng)由圖像數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，對(duì)獲取的激光光斑和氣泡熒光環(huán)圖像進(jìn)行分析和處理，包括灰度處理、自適應(yīng)中值濾波、最大類間差法得到二值化圖像，然后利用灰度重心法計(jì)算出激光光點(diǎn)在光敏面的像素位置和熒光環(huán)上氣泡位置。用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將像素光斑中心轉(zhuǎn)為實(shí)際物理光斑中心。當(dāng)定心裝置每前進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)停頓一次，讀取此位置處上激光光斑的位置。以此類推，得到管道內(nèi)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位置，進(jìn)而擬合出整條管道的空間方位曲線。結(jié)合圖1，具體包括以下步驟：步驟1，將激光光源和cmos圖像傳感器設(shè)置于萬(wàn)向節(jié)兩端的機(jī)械定心固定端，且激光光源和cmos圖像傳感器之間設(shè)置衰減片和氣泡熒光環(huán)，設(shè)定激光光源的初始位置使其位于管道中心且發(fā)出的激光與管道中心軸重合；步驟2，激光光源移動(dòng)且cmos圖像傳感器從初始位置開(kāi)始每移動(dòng)一定距離采集一幀圖像；步驟3，對(duì)采集的圖像上的激光光斑和氣泡熒光環(huán)進(jìn)行處理獲取激光光點(diǎn)在光敏面的像素位置和熒光環(huán)上氣泡的方向，并記錄每個(gè)激光光點(diǎn)中心位置和熒光環(huán)氣泡的位置；步驟4，將每個(gè)像素光斑中心轉(zhuǎn)為實(shí)際光斑中心物理位置坐標(biāo)；步驟5，對(duì)光斑中心的實(shí)際物理位置坐標(biāo)、熒光環(huán)氣泡的朝向，基于最小二乘法曲線擬合算法擬合出管道的方位曲線。設(shè)備選取與安裝包括：在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，cmos圖像傳感器的分辨率越大，所達(dá)到的精度越高，但圖片大小過(guò)大會(huì)影響計(jì)算與傳輸，選擇合適的分辨率是很重要的。本發(fā)明期望精度能達(dá)到10-3m，則要求至少像素能夠反映10-3m，這里選用的300w的cmos像素相機(jī)，分辨率為2048*1536。激光光源選用小型he-ne激光器，其額定功率為4.0mw，額定電流為6.0ma。根據(jù)測(cè)量原理圖所示，包括兩個(gè)定心機(jī)構(gòu)，兩個(gè)定心機(jī)構(gòu)分別固定著兩個(gè)固定端，兩個(gè)固定端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接起來(lái)，其中一個(gè)固定端固定一個(gè)cmos圖像傳感器等圖像采集和傳輸設(shè)備，構(gòu)成固定端，使得cmos攝像機(jī)能夠獲取接受面的全部清晰圖像。另一個(gè)固定端固定一個(gè)激光器，構(gòu)成激光器固定端。激光器射出的激光束通過(guò)衰減片和氣泡熒光環(huán)，落在圖像傳感器上。當(dāng)定心裝置每前進(jìn)一定距離，cmos圖像傳感器都會(huì)采集圖像。在獲取激光光點(diǎn)中心位置和熒光環(huán)氣泡的位置之前對(duì)采集的圖像進(jìn)行如下預(yù)處理：在本發(fā)明所提出的基于中，對(duì)獲取圖像的預(yù)處理主要是利用opencv對(duì)圖像先將初始圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像，之后進(jìn)行自適應(yīng)中值濾波、最大類間差法得到二值化圖像，最終圖像上僅剩激光點(diǎn)的圓斑輪廓和熒光環(huán)的輪廓。先使用opencv中的videocapture來(lái)打開(kāi)攝像頭，這個(gè)類是用來(lái)處理視頻文件或者攝像頭視頻流的類，可控制攝像頭的打開(kāi)與關(guān)閉，利用cap>>frame，可將視頻流讀入硬件平臺(tái)，并保存在矩陣frame中，以便對(duì)視頻中每一幀圖像進(jìn)行處理。由于本發(fā)明中攝像頭采集的視頻為彩色，處理時(shí)應(yīng)先將其處理成灰度圖像，rgb格式的灰度圖像r、g、b三個(gè)分量都相等，且等于灰度值。在opencv中，實(shí)現(xiàn)rgb顏色空間到灰度圖的轉(zhuǎn)換的函數(shù)聲明是：cvcvtcolor(constcvarr*src，cvarr*dst，intcode)，即將原圖像src轉(zhuǎn)化為dst，code代表顏色空間轉(zhuǎn)換參數(shù)，可使用這個(gè)函數(shù)對(duì)每一幀彩色圖像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換。具體函數(shù)實(shí)現(xiàn)為cvtcolor(frame，edges，cv_bgr2gray)，其中frame即原始圖像，edges為灰度圖像。圖像去噪是圖像預(yù)處理中常用的一個(gè)步驟，常用的圖像去噪算法有自適應(yīng)中值濾波，高斯濾波等。其中適應(yīng)性中值濾波更適用于有突變的白點(diǎn)或黑點(diǎn)的這種椒鹽噪聲。圖像噪聲主要來(lái)源于圖像獲取和傳輸過(guò)程，常見(jiàn)的噪聲有加性噪聲、乘性噪聲、量化噪聲以及椒鹽噪聲等。因此，本發(fā)明采用自適應(yīng)中值濾波來(lái)消除噪聲。otsu算法也稱最大類間差法，有時(shí)也稱之為大津算法。otsu使用的是聚類的思想，把圖像的灰度數(shù)按灰度級(jí)分成2個(gè)部分，使得兩個(gè)部分之間的灰度值差異最大，每個(gè)部分之間的灰度差異最小，通過(guò)方差的計(jì)算來(lái)尋找一個(gè)合適的灰度級(jí)別來(lái)劃分。所以可以在二值化的時(shí)候采用otsu算法來(lái)自動(dòng)選取閾值進(jìn)行二值化。otsu算法被認(rèn)為是圖像分割中閾值選取的最佳算法，計(jì)算簡(jiǎn)單，不受圖像亮度和對(duì)比度的影響。opencv的二值化操作中，使用函數(shù)otsu(iplimage*src))使圖像變成二值化圖像。激光光斑中心位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換具體包括：首先計(jì)算激光光點(diǎn)的像素位置，本發(fā)明重心法是一種內(nèi)部區(qū)域表示法，假設(shè)含有激光圓斑輪廓區(qū)域的二值圖像為g(i,j)則激光圓斑的中心坐標(biāo)，可由公式求出整個(gè)圖像白色像素點(diǎn)的中心位置即激光點(diǎn)中心位置。其中i、j分別為圖像像素的行列位置，m、n分別為圖像的像素行列總數(shù)。再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，所用公式為：其中，(xd,yd)為激光光點(diǎn)的中心坐標(biāo)，(u,v)為光斑實(shí)際物理坐標(biāo)系的坐標(biāo)，dx、dy為像素在像素坐標(biāo)軸上的物理尺寸，θ為像素坐標(biāo)系兩個(gè)坐標(biāo)軸之間的角度。已知cmos圖像傳感器每個(gè)像素物理尺寸大小為4.7*10-5m，像素坐標(biāo)系兩個(gè)坐標(biāo)軸之間的角度為θ≤90°。則實(shí)際空間物理位置坐標(biāo)為如下表所示，單位為m。轉(zhuǎn)換坐標(biāo)12345678x/m0.1000.4350.7561.1081.5012.1032.4432.926y/m0.1990.7891.3441.9912.4972.7733.0753.319步驟四：曲線擬合和平面方位重建最小二乘法(又稱最小平方法)是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡(jiǎn)便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。使用matlab函數(shù)polyfit(x,y,n)，x、y為數(shù)據(jù)點(diǎn)，n為多項(xiàng)式階數(shù)，返回p為冪次從高到低的多項(xiàng)式系數(shù)向量p。x必須是單調(diào)的。矩陣s用于生成預(yù)測(cè)值的誤差估計(jì)。多項(xiàng)式曲線求值函數(shù)：polyval(p,x)返回對(duì)應(yīng)自變量x在給定系數(shù)p的多項(xiàng)式的值。根據(jù)上表，利用matlab最小二乘法曲線擬合可得管道的平面方位圖。當(dāng)前第1頁(yè)12