一種360°全景管道內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李 進(jìn)，陳 桂，汪 峰

（揚(yáng)州誠(chéng)德鋼管有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225215）

無(wú)縫鋼管及壓力管道受材料特性和使用環(huán)境影響，其內(nèi)壁極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋、腐蝕坑等缺陷[1-4]，內(nèi)窺鏡[5-10]作為一種間接目視檢測(cè)[11]手段，能夠直觀地發(fā)現(xiàn)此類(lèi)缺陷。管道實(shí)際生產(chǎn)和運(yùn)行檢修過(guò)程中由于品種、規(guī)格繁多，檢測(cè)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，需要不同型號(hào)的內(nèi)窺鏡設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。通常對(duì)于內(nèi)孔較小的管道利用一個(gè)前視攝像頭就能有效觀察到內(nèi)壁360°的區(qū)域，但對(duì)于內(nèi)孔較大的管道，目前的解決方法大多是用側(cè)視攝像頭旋轉(zhuǎn)的方式來(lái)解決，可旋轉(zhuǎn)側(cè)視攝像頭受內(nèi)窺鏡檢測(cè)速度和被檢產(chǎn)品內(nèi)徑尺寸的限制，檢測(cè)大直徑管道時(shí)，為保證掃查覆蓋率，爬行車(chē)行走速度會(huì)大大降低，否則會(huì)造成攝像頭掃查不完整導(dǎo)致漏檢，同時(shí)攝像頭持續(xù)的旋轉(zhuǎn)會(huì)造成炫目，長(zhǎng)時(shí)間觀察容易形成視覺(jué)疲勞影響檢測(cè)結(jié)果。這里提出了一種全新的技術(shù)理念，采用多個(gè)攝像頭進(jìn)行無(wú)縫拼接，從而實(shí)現(xiàn)100%全覆蓋的內(nèi)壁360°全景[12-13]掃查，大大提升了實(shí)際檢測(cè)工況的可靠性和檢測(cè)效率。

1 裝置介紹

360°全景管道內(nèi)窺鏡裝置由爬行器和終端計(jì)算機(jī)構(gòu)成，兩者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，爬行器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，爬行器為驅(qū)動(dòng)裝置，主要承載攝像頭組合對(duì)鋼管或管道實(shí)施掃查，其組成包括4 個(gè)等陣列布置的攝像頭組合、攝像頭高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)輪、前端電腦板及補(bǔ)光燈等。

圖1 爬行器結(jié)構(gòu)示意

終端計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)前端攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行圖像的剪切與拼接處理，最終輸出處理完成的圖像供觀察與分析。

2 技術(shù)要點(diǎn)

2.1 攝像頭研究現(xiàn)狀與選用

攝像頭按光電傳感器的類(lèi)別可以分為CCD（電荷耦合元件）和CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）兩種[14]，而這兩種攝像頭均各有利弊。傳統(tǒng)意義上講，CCD 攝像頭的圖像成像效果要優(yōu)于COMS，但隨著生產(chǎn)工藝水平的改進(jìn)，當(dāng)下COMS 與CCD 攝像頭的成像效果差距已經(jīng)越來(lái)越小，且相比CCD鏡頭，COMS 功耗、電路抗干擾能力、高集成度均有著明顯的優(yōu)勢(shì)，這有利于提高內(nèi)窺鏡的續(xù)航能力和空間利用，因此可優(yōu)先選擇分辨率1 920×1 080以上的COMS 攝像頭。

為達(dá)到周向360°全覆蓋，所選攝像頭的視場(chǎng)角應(yīng)保證圖像無(wú)畸變的情況盡量大，使用的攝像頭數(shù)量應(yīng)能保證檢測(cè)內(nèi)孔直徑范圍完全覆蓋。鏡頭尺寸越小視場(chǎng)角越大，視場(chǎng)角越大畸變?cè)絿?yán)重，而視場(chǎng)角越小其單個(gè)攝像頭的覆蓋范圍也隨之變小。試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，采用4 個(gè)視場(chǎng)角為90°～110°的攝像頭進(jìn)行組合較為合適。

2.2 攝像頭布置

為實(shí)現(xiàn)4 個(gè)攝像頭圖像處理的一致性，可將4個(gè)攝像頭以方形陣列布置，視場(chǎng)覆蓋如圖2 所示。

圖2 視場(chǎng)覆蓋示意

組合攝像頭能夠完全覆蓋的最小內(nèi)孔直徑d 取決于攝像頭方形陣列的邊長(zhǎng)a（以相對(duì)布置的鏡頭焦點(diǎn)距離計(jì)）和所選攝像頭視場(chǎng)角α，即：

2.3 圖像處理

2.3.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

因高清CMOS 攝像頭直接采集的圖像格式為MJPG（一種視頻編碼格式），采集一張分辨率為1 920×1 080 的圖片的數(shù)據(jù)大小約為6.75 MB，為保證圖像的流暢性，其攝像頭幀率需達(dá)到30 fps，即每秒鐘采集30 張圖片，該內(nèi)窺鏡采用了4 個(gè)攝像頭，其每秒需要傳輸數(shù)據(jù)6.75×4×30=810 MB；由此可見(jiàn)，若采用原始數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的傳輸量非常大，不利于檢測(cè)的實(shí)施。因此，需在前端爬行器中設(shè)置電腦板，將采集的原始MJPG 格式圖像數(shù)據(jù)按H.265 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行20～30 倍的壓縮，并傳輸?shù)浇K端計(jì)算機(jī)。

2.3.2 圖像拼接

因多個(gè)攝像頭采集的圖像存在重疊區(qū)，為確保相鄰攝像頭采集到的同一缺陷不被重復(fù)顯示，需讓同一時(shí)間點(diǎn)上的4 張圖片實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接，如圖2 所示，相鄰兩個(gè)攝像頭的重疊區(qū)（陰影部分）可由計(jì)算機(jī)在拼接圖像前進(jìn)行剪切處理，剪切掉其中一個(gè)攝像頭的重疊部分，剪切部分的弧長(zhǎng)度取決于攝像頭方形陣列的邊長(zhǎng)a、視場(chǎng)角α 及鋼管內(nèi)徑D，重疊區(qū)弧長(zhǎng)δ 按照公式（2）計(jì)算：

2.3.3 圖像顯示

將拼接完成的圖片按時(shí)間先后順序進(jìn)行播放即可形成流暢的檢測(cè)視頻，檢測(cè)視頻顯示界面如圖3所示，X 軸方向表示周向360°，Y 軸方向表示爬行器行走距離，通過(guò)坐標(biāo)可以很方便地對(duì)管道缺陷進(jìn)行定位。

圖3 檢測(cè)視頻顯示界面

2.4 缺陷的定位與測(cè)量

實(shí)現(xiàn)缺陷軸向方向上的定位需依靠爬行器步進(jìn)電機(jī)的編碼功能，由編碼器可得出行走的距離，即鏡頭中心距起始點(diǎn)的距離。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有缺陷存在，移動(dòng)爬行器位置將缺陷置于圖像Y 軸中心線(xiàn)處（圖3黑線(xiàn)處），此時(shí)編碼器的顯示值即為缺陷距軸向位置，但需要注意編碼器顯示值的修正，攝像頭到爬行器尾部之間的距離應(yīng)為編碼器初始值。

缺陷的周向定位可根據(jù)每個(gè)攝像頭排布時(shí)的視場(chǎng)角區(qū)間分配，在拼接圖像周向方向建立角度標(biāo)尺，等分360°，缺陷所對(duì)應(yīng)的角度位置即為缺陷的周向位置。

可利用圖像虛擬標(biāo)尺測(cè)量缺陷尺寸。終端計(jì)算機(jī)拼接完成的圖像成矩形，其圖像分辨率為固定值，圖像在X 軸和Y 軸方向上的像素所對(duì)應(yīng)實(shí)際檢測(cè)管道軸向最大視場(chǎng)寬度和內(nèi)孔周長(zhǎng)成比例關(guān)系，即顯示圖像中缺陷所占用的像素值與實(shí)際長(zhǎng)度的比例是固定的，缺陷像素值乘以相應(yīng)方向的比例參數(shù)即為缺陷的實(shí)際長(zhǎng)度。

軸向、周向以及斜向缺陷的比例參數(shù)m，n，p可按公式（3）～（5）計(jì)算得出：

式中 L，W —— 圖像X，Y 軸方向像素；

A —— 攝像頭軸向最大視場(chǎng)寬度，mm；

B ——鋼管的內(nèi)孔周長(zhǎng)，mm。

實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)缺陷后，可利用軟件測(cè)量功能調(diào)用虛擬標(biāo)尺標(biāo)定缺陷，計(jì)算機(jī)通過(guò)自動(dòng)計(jì)算實(shí)時(shí)顯示標(biāo)定缺陷的實(shí)際長(zhǎng)度。

2.5 攝像頭視場(chǎng)角的校準(zhǔn)

為得到較精確的組合圖像，需對(duì)攝像頭的標(biāo)稱(chēng)視場(chǎng)角度和焦點(diǎn)位置進(jìn)行校準(zhǔn)[15]?？蓪z像頭垂直對(duì)準(zhǔn)帶刻度的直尺，通過(guò)改變攝像頭與標(biāo)尺之間的距離來(lái)測(cè)量攝像頭的視場(chǎng)角。因攝像頭在X，Y 兩個(gè)坐標(biāo)方向視場(chǎng)角不一致，測(cè)量X 軸方向的視場(chǎng)角時(shí)標(biāo)尺應(yīng)水平放置，測(cè)量Y 軸方向的視場(chǎng)角時(shí)標(biāo)尺應(yīng)豎直放置。

攝像頭視場(chǎng)角度校準(zhǔn)如圖4 所示，標(biāo)尺置于位置1 時(shí)讀出圖像可見(jiàn)的標(biāo)尺范圍值T1，標(biāo)尺置于位置2 時(shí)讀出圖像可見(jiàn)的標(biāo)尺范圍值T2，測(cè)量出位置1 與位置2 之間的直線(xiàn)距離ΔL，視場(chǎng)角可按公式（6）計(jì)算得出：

圖4 攝像頭視場(chǎng)角度校準(zhǔn)示意

根據(jù)測(cè)得的視場(chǎng)角和圖像可見(jiàn)的標(biāo)尺范圍值T可推算出焦點(diǎn)與標(biāo)尺之間的距離，即T/2tan α。

3 精度測(cè)試

采用圖5 所示的18%中性灰度卡分別貼于內(nèi)徑300，400，500 mm 鋼管內(nèi)壁，用內(nèi)窺鏡掃查直至發(fā)現(xiàn)寬度0.8 mm，長(zhǎng)度44 mm 的“+”“×”字圖形。

圖5 18%中性灰度卡

利用虛擬標(biāo)尺分別測(cè)量灰度卡中水平線(xiàn)、豎直線(xiàn)、45°斜線(xiàn)、135°斜線(xiàn)的長(zhǎng)度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 灰度卡測(cè)試數(shù)據(jù) mm

從測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，360°全景內(nèi)窺鏡方案可有效地組合4 個(gè)攝像頭，根據(jù)給定的攝像頭參數(shù)及檢測(cè)的內(nèi)孔直徑可實(shí)現(xiàn)多圖像自動(dòng)剪切和拼接，從而進(jìn)行單窗口大范圍的觀察；同時(shí)可以對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)定位與任何方向的測(cè)量，測(cè)量誤差可控制在1 mm 范圍，這對(duì)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果起到了重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

提出了一種采用組合攝像頭技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管及壓力管道內(nèi)壁實(shí)施檢測(cè)的360°全景內(nèi)窺鏡方案，闡述了攝像頭的選用與布置的方法，著重說(shuō)明了實(shí)現(xiàn)圖像傳輸、圖像拼接以及缺陷測(cè)量技術(shù)的要點(diǎn)。

360°全景內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)方案可彌補(bǔ)傳統(tǒng)管道內(nèi)窺鏡的不足，通過(guò)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)圖像處理將多個(gè)攝像頭圖像拼接成一個(gè)360°全景圖像，極大程度降低肉眼觀察的視覺(jué)疲勞，大大提升實(shí)際工作中的檢測(cè)精度和效率。較高的清晰度和缺陷定位、測(cè)量精度，能夠直觀發(fā)現(xiàn)鋼管及壓力管道內(nèi)壁存在的各種表面缺陷，并可快速地對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定量分析。