[发明专利]一种破损圆柱形排水管道内壁三维重建方法

说明书

本发明提供了一种破损圆柱形排水管道内表面三维重建方法，包括如下步骤：通过标定获取不同倍率的相机内参数，将摄像机装载到管道机器人；利用机器人拍摄管壁序列图像，并实时记录机器人拍摄图像时的行进位移、相机相对管道底部的距离、相机的姿态信息；为虚拟管道模型的无病害管壁区域选取纹理。为摄像机拍摄到的每个病害区域创建模型纹理，方式如下：从序列图像中提取病害的序列图像，选取一张高质量图像并矫正，利用矫正图像、记录的机器人与相机信息，获取若干三维空间点对应的像素值，利用已知空间点的像素重建病害管壁纹理；利用所有纹理重构三维管道场景；本发明可由普通的摄像机实现，成本低，重建图像质量高，有利于工作人员更好观测病害区域、准确评估病害。

技术领域

本发明涉及视觉重建技术领域，具体涉及一种破损圆柱排水管道内壁三维重建方法。

背景技术

城市地下排水管道主要用于输送生活污水并及时排除雨水，在城市中起到了至关重要的作用。管道通常埋于地下，常处于潮湿的环境中，很容易发生腐蚀、裂缝等缺陷，排水系统故障引发的路面塌陷、污水管道外溢、城市内涝等频频发生。为了有效预防此类灾害，获取管道病害数据，并及时监测评价变的尤其重要。目前，在工程中，普遍采用重建的方法评估病害指标，这些重建方法主要分为接触式检测方法和非接触式检测方法。

接触式检测方法，需要人为控制测量仪，费时费力。非接触式方法主要包括是基于激光扫描法和机器视觉法，激光扫描法利用激光扫描管道内表面得到管道表面点云数据，但由于实际管道内结构复杂，获取的点云数据量庞大，计算时间长，噪声大，不利于分析、人机交互。机器视觉法对管道内壁拍摄的序列图像进行特征提取、特征点匹配以及进行基础矩阵估计算法实现管道侧壁的三维重建，该方法需要对每幅图像提取特征、匹配，因此计算量很大。

为了解决上述问题，如何在获取管道内壁三维结构的同时，又能快速地三维重构实现多视角观察，改善人机交互体验，获取描述地下排水管道病害情况的关键指标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种破损圆柱排水管道内壁三维重建方法，该方法可用于地下排水管道内壁病害检测，其利用三维显微测量技术和摄像机标定技术获取并处理数据源，利用小孔成像模型、三维点云数据的插值拟合技术、OpenGL成像技术，将局部病害数据源重建为管道内壁纹理平面图，利用所有病害纹理重构图重建整个管道三维场景，解决了现有管道内壁三维重建数据采集复杂、三维模型重建速度慢，人机交互体验差等问题，重建后的内壁纹理平面图对病害评测指标分析提供了更有意义的参考价值，工作人员可以更加直观的多视角的观测病害。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种破损圆柱排水管道内壁三维重建方法，包括以下步骤：

S110设备准备阶段：利用张正友标定方法对CCD摄像机标定，获取不同摄像机倍率下对应的摄像机内参矩阵M₁、畸变参数，建立摄像机倍率与M₁之间的映射表，并将摄像机装在管道机器人机身，机器人控制摄像机实现绕101轴的轴向旋转、绕102轴的水平旋转；

S120数据采集阶段：利用管道机器人拍摄管道内壁序列图像，实时记录管道机器人拍摄图像时的管道半径R，行进位移w、摄像机与管道底部内壁的距离h、以及摄像机的轴向旋转角度β、水平旋转角度α和摄像机倍率m；

S130数据处理阶段：从S120拍摄的排水管道序列图像中挑选每个管道内壁病害区域的序列图像，利用管道内壁有效病害区域占所在照片的百分比和聚焦评估函数为每个有效病害区域选取一张高质量的二维图像，并对筛选后的每幅图像利用S110得到的畸变参数校正，得到每个病害的校正图像；