[发明专利]一种基于多目视觉的管线测量方法

权利要求书

1.一种基于多目视觉的管线测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)图像采集和预处理

步骤1、搭建图像采集系统，通过分布在管道前后两侧的双目相机进行图片抓取，获得拍摄的管道灰度图；对所述灰度图进行二值化处理，使背景与所述管道互相区分；采用轮廓对比技术，对二值化图片进行目标区域ROI提取，获取管道轮廓信息；

(2)中心线及外径提取

步骤2.1、根据管道轮廓信息，采用欧式距离变换法计算管道内每点到管道轮廓的欧氏距离，获取管道的距离变换图，记录管道轮廓内部每个点到管道边界的欧式距离；

步骤2.2、通过图像处理搜索管道边界，获取管道两侧端点的像素坐标，采用Dijkstra最小路径算法，以中心线一侧端点为起点，另一侧端点为终点，得到两点之间的最小路径，即管道的中心线，记为管线；

步骤2.3、采用局部特征点离散方法来减少特征值，将中心线视为函数，所求特征点即是函数的一部分驻点，对所有的驻点进行优化，得到中心线特征点点集；

步骤2.4、采用基于形体质心的边缘检测方法，获取中心线特征点点集中每个特征点对应的外径大小并存储；

(3)相机标定及多相机矩阵转换

步骤3.1、通过相机标定得到由旋转矩阵和平移矩阵组成的外参数以及相机的内参数，根据内外参数获得世界坐标系下管道坐标向相机窗口像素坐标转换的矩阵；

步骤3.2、根据相机外参信息进行相机坐标系转换，对后侧相机与前侧相机采用同一个标定板同时标定，求出后侧相机坐标系向前侧相机坐标系转换所需的旋转矩阵以及平移矩阵；

(4)管道中心线匹配和外径扩展

步骤4.1、对前侧、后侧相机所得的中心线特征点分别进行视口变换恢复，透视投影变换恢复，视图变换恢复，模型变换恢复，得到前、后侧相机中心指向前，后侧相机成像平面的两组射线族；

步骤4.2、根据步骤3.2获得的旋转矩阵和平移矩阵将后侧相机中心指向后侧相机成像平面的射线族转化为在前侧相机坐标系下的射线族；

步骤4.3、采用动态匹配法，根据步骤2.2得出的中心线端点，从一侧端点开始进行匹配，根据此动态方法依次匹配直到另一侧端点，得到管道中心线的空间位置，由一组折线段表示；具体地，

根据图像处理环节得出的端点信息，从一侧端点开始进行匹配，记录此端点所对应的射线，以此为基准射线；

根据双目成像原理，选择在前侧相机坐标系下前侧相机中心指向前侧相机成像平面投影点的基准射线和下条射线，组成一个平面，选择该坐标系下后侧相机中心指向后侧相机成像平面投影点的基准射线和下条射线组成另一个平面，两个平面求交线；交线与四条射线形成四个交点，根据此前记录的基准射线，选择这两射线与交线的交点为基准点，远离此交点的第一个点就是这次匹配获得的待测管道中心线特征点，将此点作为下次匹配时的基准点，此点对应的射线族下次匹配中向后选择一个射线；经过匹配，得到待测管道中心线的空间特征点，连接即可得到待测管道中心线；

步骤4.4、将每个视图下中心线特征点处的外径进行扩展，获取待测管线全部方位的外径信息；采用基于最小二乘法的曲线拟合方法，将特征点处外径大小视为函数值，特征点距离端点距离视为自变量，对这一系列点进行多项式曲线拟合，按照偏差平方和最小的原则选择拟合曲线，最终得到的函数即为距离端点不同距离下的外径长度；

根据待测管道中心线在前侧相机坐标系下的空间坐标和外径信息即可重建待测管道。

2.根据权利要求1所述的一种基于多目视觉的管线测量方法，其特征在于：所述步骤2.4中所述基于形体质心的边缘检测方法如下：

不考虑噪声情况下，图像信息的一维数学模型简单表示为：

f(x)＝u(x)*g(x)

其中：u(x)为原始理想信号,f(x)为一维图像信息；g(x)为点扩散函数，一般近似为高斯函数:

将u(x)分别设置为理想阶跃边缘，理想脉冲边缘，理想屋脊边缘，经过点扩散函数作用后，尖锐的边缘被平滑成模糊边缘，对导数进行对称性分析，得出边界的计算公式为：

对公式进行离散化，f_i为f(x)在x_i处的采样值，x_i处的微分值利用此处的前向差分和后向差分的均值代替如下：

可将公式改为：

计算差分矩阵，使用行差分模板和列差分模板分别与管线灰度图片做卷积，记录所得的矩阵D₁,D₂；根据管线矩阵的统计特性选取差分阈值T；算选取计算区间，对矩阵D₁,D₂中的元素小于T者置0，两个矩阵的非零连续区间就是边缘过渡区间；利用离散化的公式计算边源点值，存入灰度图像边缘；根据中心线特征点点集，外径大小就是在距离变换中得到的像素数加上前面计算出来的边缘点值。