一种获取钻孔全息模型的设备与方法
【专利摘要】本发明公开了一种获取钻孔全息模型的设备与方法，通过捕捉钻孔孔壁的二维全景图像和孔壁表面的三维点云图并进行整合处理，得到钻孔三维全息模型。该设备主要由窥视探头、数据连接线、主机、配套软件等组成，其中窥视探头为多功能复合型，包含图像获取模块、激光测距模块、多种传感器、置中装置与外壳等。窥视探头在钻孔中行进时，图像获取模块与激光测距模块分别获得钻孔孔壁图像与孔壁表面到窥视探头轴心的距离，结合传感器数据，经处理得到钻孔二维全景图片与三维点云图，整合后得到钻孔的全息模型。该发明改进了传统钻孔窥视仪只能获取窥视视频或二维图像的缺陷，能得到包含钻孔裂隙深度等信息的钻孔三维全息模型，适用于各种钻孔探测领域。
【专利说明】
一种获取钻孔全息模型的设备与方法
技术领域
[0001]本发明涉及钻孔信息获取技术方法，特别涉及一种利用摄像头与激光测距探头来实现钻孔全息模型获取的设备与方法，属于钻孔信息捕捉与处理领域。
技术背景
[0002]对于地球科学、地质工程、采矿工程等学科与行业，经常需要通过打钻孔来获得地质体的内部信息，主要方法分为钻孔取芯与钻孔窥视两种。在这两种方法中，钻孔取芯在地质勘探阶段应用更多，可以通过对钻取获得的岩芯的地质成分、岩石力学性质等参数进行测试，进而推测地质体特征，但是该方法中钻孔岩芯的运输和保存是一个很大的问题;另一种方法钻孔窥视则更加灵活，适用于各类孔径的钻孔，能够以视频或图片的方式记录钻孔信息，而且只要钻孔没有坍塌破坏，就可以对钻孔进行重复窥视，但是钻孔窥视设备仅能获得探头行进过程中的视频，或通过对视频的处理获得钻孔孔壁的二维图片。总而言之，目前通过钻孔取芯和钻孔窥视两种方法获得的钻孔信息不够完整，无法获得钻孔内的裂隙深度、表面纹理等空间数据。
[0003]因此，为了能够更好地获取地质体内部信息，仅通过钻孔取芯和普通的钻孔窥视方法是不够的，而是需要对钻孔孔壁的二维全景图片与三维点云图进行获取，进一步将两者结合，最终获得被测钻孔的三维全息模型。通过钻孔的三维全息模型，能够更好地了解地质体内部情况，进而指导现场工程实践。
【发明内容】
[0004]如上所述，为了能够获得钻孔更完整的信息，本发明公开了一种获取钻孔全息模型的设备与方法，通过捕捉钻孔孔壁的二维全景图像和孔壁表面的三维点云图并进行处理，最终得到钻孔三维全息模型。该发明改进了传统钻孔窥视仪只能获取窥视视频或图像的缺陷，能够获取更加完整的钻孔信息，可应用于各种钻孔探测领域。
[0005]本发明是一种获取钻孔全息模型的设备与方法，其特征是:主要由窥视探头、数据连接线、主机、配套软件等部分组成。
[0006]如上所述，该设备的窥视探头为多功能复合型，包含图像获取模块、激光测距模块、多种传感器、置中装置与外壳等。
[0007]窥视探头的图像获取模块包括补光灯、反光镜、摄像头，其中补光灯照亮钻孔孔壁，反光镜一般为半球形或圆锥形，位于摄像头对面，将被补光灯照亮的孔壁图像反射到摄像头中，实现摄像头拍摄补光灯照亮区域的钻孔孔壁。
[0008]窥视探头的激光测距模块包含激光测距探头、旋转式平面反光镜，其中旋转式平面反光镜所在平面与窥视探头轴心呈45度夹角，激光测距探头发射的激光经过平面反光镜反射垂直照射在孔壁上，平面反光镜进行高速旋转时，反射后的激光就会随之旋转对整个截面进行测距。
[0009]窥视探头包含陀螺仪、加速计、电子罗盘、重力传感器等传感器，，能够感知并记录钻孔窥视探头行进过程的速度、轴心方向、旋转角度、进深等多种数据。
[0010]窥视探头还包含其他必要组件，例如保护探头内部组件的外壳，保证探头位于钻孔中心的置中装置等，其中窥视探头的外壳在图像获取模块、激光测距模块两处需要为透明材质。
[0011]如上所述，该设备的主机包含处理器、存储器、显示屏、电源等组件，实现对图像、测距、传感器等数据的处理、存储、显示等功能。
[0012]如上所述，该设备的配套软件能够结合陀螺仪、加速计等传感器数据，将摄像头拍摄的钻孔图片与激光扫描测距获得的距离信息进行处理与拼接，得到钻孔孔壁的二维全景图片与三维点云图，最终合成钻孔的三维全息模型。
[0013]本发明的优点为:
[0014]①本发明结合摄像头与激光测距探头，能够获得钻孔孔壁的二维全景图像与三维点云图，得到的钻孔信息更加完善；
[0015]②本发明结合了多种传感器，能够实现实时感知窥视探头在钻孔中行进过程的速度、轴心方向、旋转角度、进深等多种数据；
[0016]③本发明通过将钻孔孔壁二维全景图像、三维点云图、多传感器数据相结合，最终能够得到钻孔的三维全息模型，结合一定范围内的多个钻孔全息模型能够得到大范围的地质体精确赋存特征。
【附图说明】
[0017]图1是获取钻孔全息模型设备的窥视探头结构示意图；
[0018]图2是利用该设备与方法获取钻孔全息模型的技术流程图。
【具体实施方式】
[0019]本发明的窥视探头中包含摄像头和激光测距探头等部件，可分别获得窥视探头在行进过程中的钻孔孔壁图像和孔壁到窥视探头轴心的距离;窥视探头中还包含陀螺仪、加速计、电子罗盘、重力传感器等多种传感器，能够实时感应并记录窥视探头行进过程的速度、轴心方向、旋转角度、进深等多种数据。通过对这些钻孔孔壁图像、孔壁到探头轴心距离、多传感器数据进行综合处理，最终可以得到钻孔的三维全息模型。本发明的窥视探头外壳还有置中装置，能够保证窥视探头在使用过程中一直位于钻孔中间，提高二维图像与三维点云图的捕捉精度。该发明改进了传统钻孔窥视仪只能获取窥视视频或图像的缺陷，能够获取更加完整的钻孔信息与三维全息模型，是各类钻孔窥视工作中的理想设备与方法。
[0020]本发明是一种获取钻孔全息模型的设备与方法，由三个主要部分构成，分别是:窥视探头、数据连接线、主机、以及配套数据处理与模型生成软件。本发明所使用的窥视探头为多功能复合型，包含图像获取模块、激光测距模块、多种传感器、置中装置与外壳等。
[0021]窥视探头的图像获取模块的功能是获取窥视探头行进过程的钻孔孔壁图像，主要包含摄像头、补光灯、球面/锥面反光镜等部件，摄像头和补光灯的方向都与窥视探头轴向平行，且正对反光镜。摄像头、补光灯、反光镜周围的窥视探头外壳材质为透明材质，它们的工作原理是:补光灯的光线打在球面或锥面反光镜上，反光镜将光线反射后穿过透明外壳打在钻孔孔壁上，孔壁被照亮后反射的光线穿过透明外壳，经过反光镜反射后进入了摄像头，这样摄像头就能够将四周的钻孔孔壁的画面进行记录。
[0022]窥视探头的激光测距模块的功能是获取窥视探头行进过程的钻孔孔壁与窥视探头轴心之间距离，主要包含激光测距探头、平面反光镜等部件，其中激光测距探头方向与窥视仪探头轴向平行，而与平面反光镜的倾向呈45度夹角，反光镜可以轴心为中心快速旋转，且周围的外壳材质为透明，这样能够保证激光测距探头射出的激光经反光镜反射后垂直打在钻孔孔壁上。其工作原理是:激光测距探头射出的激光经过平面反光镜反射后，垂直打在钻孔孔壁上，这是就知道了这个点距离激光测距探头的距离，随着反光镜的快速旋转，测距激光也会对整个钻孔孔壁平面进行扫描，进而获得该平面上所有点与激光测距探头之间的距离;进一步随着窥视探头的行进，激光测距探头就能够获得经过的钻孔孔壁所有点与激光测距探头之间的距离。
[0023]窥视探头还内置有许多类型的传感器，例如陀螺仪、加速计、电子罗盘、重力传感器等，能够在窥视探头行进过程的速度、轴心方向、旋转角度、进深等多种数据进行捕捉与记录。
[0024]同时，钻孔窥视探头还需要配备置中装置等其他附件，以实现窥视探头的正常使用。置中装置是能够将窥视探头固定在钻孔中心的装置，一般是机械式构件，通过滚轮、弹簧片等不同形式实现窥视探头的置中功能。
[0025]本发明的窥视探头与主机之间是通过数据线连接的，主机包含的部件有处理器、内存、存储器、显示器、电源等，还包括配套软件。
[0026]利用主机与处理软件，可以将摄像头捕捉的钻孔孔壁画面、激光测距探头捕捉的到钻孔孔壁距离信息、与传感器的数据进行处理，进而得到钻孔孔壁的二维全景图片以及三维点云图，再将全景图片与点云图进行结合，最终得到钻孔的三维全息模型。
[0027]为了更加清晰地描述该发明的【具体实施方式】，结合示意图对其进行描述。
[0028]图1展示了本发明一种获取钻孔全息模型的设备与方法中所用的窥视探头的结构示意图，主要包括:窥视探头外壳U、多种传感器12、激光测距探头13、旋转式平面反光镜14、摄像头15、补光灯16、球面/锥面反光镜17、数据连接线18等。其中:窥视探头外壳11需要满足高强度、防水、防尘等要求，能够保护好内部的各种精密组件，另外在激光测距、摄像头捕捉画面处的外壳材质需要是透明的；多种传感器12包括但不限于陀螺仪、加速机、电子罗盘、重力传感器等类型，这些传感器的主要作用是实时记录钻孔窥视过程中，窥视探头的速度、轴心方向、旋转角度、进深等多种数据，配合摄像头拍摄与激光测距结果进一步分析;激光测距探头13与旋转式平面反光镜14共同组成了激光测距模块，其中13发出的激光垂直射向14，经14反射后垂直射向钻孔孔壁，经孔壁反射后再经过14反射，回到13，这样就测得了激光从射出到钻孔孔壁的距离，减去13到14的距离，就是窥视探头中心到钻孔孔壁的实际距离;摄像头15、补光灯16、球面/锥面反光镜17共同组成了图像获取模块，首先从16射出光线，经过17的反射，照射在四周的钻孔孔壁上，孔壁反射后的光线有一部分经17反射后被15捕捉到，这样摄像头15就拍摄到了其周围钻孔孔壁的画面;多种传感器12、激光测距模块13和14、图像获取模块15、16和17得到的多组数据都是经过数据连接线18传递至设备主机，进行后续处理的。
[0029]图2展示了利用本发明获取钻孔全息模型的技术流程。其中:
[0030]步骤S21，将钻孔窥视探头放置在待测钻孔中并启动设备，窥视探头行进方向可分为内进式和外出式，若使用内进式则将窥视探头放置在钻孔边缘，工作时将窥视探头往钻孔深部送，而外出式则需要提前将窥视探头送入待测钻孔的最深部，工作时将窥视探头往钻孔外部拉，两种方式得到的窥视效果是相同的。
[0031]步骤S22，利用手动或自动的方式使钻孔窥视探头在钻孔中行进，过程中图像获取模块、激光测距模块、多种传感器等同时工作，分别得到窥视探头经过区域的钻孔孔壁图像(以视频方式存储)、窥视探头经过区域的钻孔孔壁表面(凹凸纹理、裂隙等)到窥视探头轴心的距离、窥视探头的工作状态(包括速度、轴心方向、旋转角度、进深等多种数据)。这些数据是原始数据，经过数据连接线传送至设备的主机进行下一步的处理。
[0032]步骤S23，分别将钻孔孔壁图像数据、钻孔孔壁到窥视探头中心的距离数据，与钻孔窥视探头的工作状态数据进行结合，经软件处理后得到钻孔孔壁二维全景图片与钻孔孔壁三维云点图:
[0033]二维全景图片:将钻孔窥视视频进行截图，然后将截图进行极坐标到直角坐标转换，再结合窥视探头对应时间的工作状态对每张截图进行裁剪，最后将所有裁剪后的截图进行按顺序对接就得到了钻孔孔壁的二维全景图片；
[0034]三维云点图:将激光测距模块得到的任意时间点的测距结果与该时间钻孔窥视探头的工作状态相结合，将该时刻每一个测距结果为半径围绕着中心点进行排列，得到该时刻钻孔孔壁一个截面的点云图，接着对下一时刻进行相同处理，最后将得到的每个钻孔截面的点云图按照顺序排列，就得到了整个钻孔孔壁的三维点云图。
[0035]步骤S24，将得到的三维点云图进行处理，转化为网格图，就得到了钻孔孔壁的三维网格化模型，然后将二维全景图片按照位置对应关系作为网格模型的贴图，最终就得到了钻孔的三维全息模型。
[0036]通过该设备与方法得到的三维全息模型，不仅包括钻孔孔壁的图片，还包括孔壁的表面纹理、裂隙深度等空间信息，因此使用者能够获得更加全面、精确的钻孔信息，进而得到更加准确的地质体特征。
[0037]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本方法的技术人员在本发明披露的方法范围内，可轻易想到的改动或变化，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1.一种获取钻孔全息模型的设备与方法，其特征是:主要由窥视探头、数据连接线、主机、配套软件等部分组成。2.如权利要求1所述的获取钻孔全息模型的设备与方法，其特征在于:该设备的窥视探头为多功能复合型，包含图像获取模块、激光测距模块、多种传感器、置中装置与外壳等。3.如权利要求1、2所述的获取钻孔全息模型的设备与方法，其特征在于:窥视探头的图像获取模块包括补光灯、反光镜、摄像头，其中补光灯照亮钻孔孔壁，反光镜一般为半球形或圆锥形，位于摄像头对面，将被补光灯照亮的孔壁图像反射到摄像头中，实现摄像头拍摄补光灯照亮区域的钻孔孔壁。4.如权利要求1、2所述的获取钻孔全息模型的设备与方法，其特征在于:窥视探头的激光测距模块包含激光测距探头、旋转式平面反光镜，其中旋转式平面反光镜所在平面与窥视探头轴心呈45度夹角，激光测距探头发射的激光经过平面反光镜反射垂直照射在孔壁上，平面反光镜进行高速旋转时，反射后的激光就会随之旋转对整个截面进行测距。5.如权利要求1、2所述的获取钻孔全息模型的设备与方法，其特征在于:窥视探头包含陀螺仪、加速计、电子罗盘、重力传感器等传感器，能够感知并记录钻孔窥视探头行进过程的速度、轴心方向、旋转角度、进深等多种数据。6.如权利要求1、2所述的获取钻孔全息模型的设备与方法，其特征在于:窥视探头还包含其他必要组件，例如保护探头内部组件的外壳，保证探头位于钻孔中心的置中装置等，其中窥视探头的外壳在图像获取模块、激光测距模块两处需要为透明材质。7.如权利要求1所述的获取钻孔全息模型的设备与方法，其特征在于:该设备的主机包含处理器、存储器、显示屏、电源等组件，实现对图像、测距、传感器等数据的处理、存储、显$.? 會 K。8.如权利要求1所述的获取钻孔全息模型的设备与方法，其特征在于:该设备的配套软件能够结合陀螺仪、加速计等传感器数据，将摄像头拍摄的钻孔图片与激光扫描测距获得的距离信息进行处理与拼接，得到钻孔孔壁的二维全景图片与三维点云图，最终合成钻孔的三维全息模型。
【文档编号】E21B47/00GK105971583SQ201610478914
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】聂百胜, 张辉, 何学秋, 李祥春, 柳先锋
【申请人】中国矿业大学(北京)