一种基于单目视觉的船舶液体容器缺陷检测方法及系统与流程

本发明属于大型设备的内部异常检测领域，具体涉及一种基于单目视觉的船舶液体容器缺陷检测方法及系统。

背景技术：

船舶动力系统，包括众多大型液体容器，如各种水箱、冷凝器、滑油箱等，其状态关系到船舶机电系统整体运行安全。此类液体容器的缺陷，如漏液、污垢等，会影响液体容器的运行效果。当前对于漏液这类缺陷情况，一般通过水位传感器对水位进行监测，但当持续有液体进入情况下，容器内的微小漏液没无法进行测量，更多需要通过人工检查。对于内部污垢积存这类缺陷情况，也只能在容器停止运行情况下，进行人工检查。

目前，粒子图像测量技术piv，是一种通过在流体中释放示踪粒子，再对流体速度进行精确测量的非接触式测量方法。这种测量方法具有高精度、瞬态、无接触、全场测量的特点，适用于非定常流程的流速测量。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，发明人发现为准确捕捉低流速状态下示踪粒子的轨迹变化，可以采用高精度单目相机以获得粒子轨迹变化。因此，本发明提供了一种基于单目视觉的液体容器内部缺陷检测方法与系统，可将使用示踪粒子测量流体这一技术转用于船舶液体容器，其特征在于针对静止状态的液体容器内缺陷进行检测，其中，采用高精度单目相机获得轨迹变化曲线的二维投影线条而无需通过多目相机获得三维坐标与轨迹，即可探测静止液体内示踪粒子运动轨迹的异常，从而发现缺陷位置，实现对船舶静止液体容器内部微小裂缝的早期检测。

为实现上述目的，本发明本发明第一方面提供一种基于单目视觉的船舶液体容器缺陷检测方法，包括：

将多个示踪粒子均匀投放于所述液体容器内，在第一时间间距内连续采集包括多个所述示踪粒子位置的检测图像；

使用特征点跟踪算法依次提取所述示踪粒子在相邻检测图像间的位移轨迹；将对应连续多个所述位移轨迹进行叠加获取所述示踪粒子在所述第一时间间距内的位移轨迹图像；

根据所述位移轨迹图像中示踪粒子的轨迹判定所述液体容器中是否存在缺陷区域，及所述缺陷区域在液体容器中的位置信息；

其中，所述示踪粒子的密度大于所述液体容器中液体的密度。

进一步地，所述在第一时间间距内连续采集包括多个所述示踪粒子位置的检测图像包括：

将至少一检测光源投射至所述液体容器中所述示踪粒子分布区域；

使用至少一单目相机在第一时间间距内连续采集包括多个所述示踪粒子位置的多帧检测图像；

其中，所述示踪粒子为用于将所述检测光源散射的固体颗粒，所述示踪粒子的个数至少为10个。

进一步地，所述根据所述位移轨迹图像中示踪粒子的轨迹判定所述液体容器中是否存在缺陷区域包括：

如果所述位移轨迹图像中同时存在多个所述示踪粒子位移轨迹偏移和位移轨迹消失，则判定所述液体容器内存在缺陷区域。

进一步地，所述缺陷区域在液体容器中的位置信息包括：

在所述位移轨迹图像中建立第一坐标系，提取多个所述示踪粒子轨迹消失的像素点在所述第一坐标系中拟合，获取第一位置信息；

在所述液体容器中建立第二坐标系，根据所述移轨迹图像与液体容器的空间映射关系计算所述第一位置信息在所述第二坐标系对应的位置分布，从而获取所述缺陷区域在液体容器中的位置信息。

进一步地，所述使用特征点跟踪算法依次提取所述示踪粒子在相邻检测图像间的位移轨迹包括：

在所述检测图像中建立第三坐标系，根据金字塔lk特征点跟踪算法在连续的第n检测图像至第n+m检测图像中进行特征点匹配，提取同一所述示踪粒子的像素坐标；其中，所述m为1～10间的整数

根据所述像素坐标获取所述示踪粒子的位移轨迹，并由此依次获取对应示踪粒子在第三坐标系的多个位移轨迹。

进一步地，所述将对应连续多个所述位移轨迹进行叠加，获取所述示踪粒子在所述第一时间间距内的位移轨迹图像包括：

提取对应示踪粒子的位移轨迹在所述第三坐标系中进行叠加后，形成所述示踪粒子在所述第一时间间距内的位移轨迹图像。

本发明第二方面提供一种基于单目视觉的船舶液体容器缺陷检测系统，包括：

多个示踪粒子，用于均匀投放于所述液体容器中，所述示踪粒子的密度大于所述液体容器中液体的密度；

至少一检测光源，用于投射至所述液体容器中所述示踪粒子分布区域；

至少一单目相机，设置于所述液体容器内部空间上端，用于在第一时间间距内连续采集包括多个所述示踪粒子位置的多帧检测图像；

第一图像处理模块，用于使用特征点跟踪算法依次提取所述示踪粒子在相邻检测图像间的位移轨迹；将对应连续多个所述位移轨迹进行叠加，获取所述示踪粒子在所述第一时间间距内的位移轨迹图像；

第二图像处理模块，用于根据所述位移轨迹图像中示踪粒子的轨迹判定所述液体容器中是否存在缺陷区域，及所述缺陷区域在液体容器中的位置信息。

进一步地，所述示踪粒子为用于将所述检测光源散射的固体颗粒，所述示踪粒子的个数至少为10个。

进一步地，所述第二图像处理模块包括：

第一图像处理子模块，用于根据所述位移轨迹图像中是否同时存在多个所述示踪粒子位移轨迹偏移和位移轨迹消失，判定所述液体容器内是否存在缺陷区域；

第二图像处理子模块，用于在所述位移轨迹图像中建立第一坐标系，提取多个所述示踪粒子轨迹消失的像素点在所述第一坐标系中拟合，获取第一位置信息；还用于在所述液体容器中建立第二坐标系，根据所述移轨迹图像与液体容器的空间映射关系计算所述第一位置信息在所述第二坐标系对应位置分布，从而获取所述缺陷区域在液体容器中的位置信息。

本发明第三方面提供一种计算机可读介质，其存储电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备执行如上所述的方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

针对现有的船舶静止液体容器的微小裂缝和漏液，往往通过人工检查发现，难以有效早期检测的问题。本发明提出的基于单目视觉的液体容器内部缺陷检测方法与系统，可以有效利用示踪粒子技术，通过图像观测系统观察示踪粒子的轨迹变化，从而可在发生漏液时及时检测容器微小裂缝；一方面有效提高检测的精确度，一方面减少人工成本。

附图说明

图1为可以按照本发明实现的一种基于单目视觉的船舶液体容器缺陷检测系统结构示意图；

图2为可以按照本发明实现的一种基于单目视觉的船舶液体容器缺陷检测方法的位移轨迹图像的示例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，本发明涉及的术语“第一\第二”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述或图示的那些以外的顺序实施。

根据一种具体地实施方式，本发明提供一种基于单目视觉的船舶液体容器缺陷检测方法，包括：将多个示踪粒子均匀投放于液体容器内，在第一时间间距内连续采集包括多个示踪粒子位置的多帧检测图像；使用特征点跟踪算法依次提取示踪粒子在相邻检测图像间的位移轨迹；将对应连续多个位移轨迹进行叠加，获取示踪粒子在第一时间间距内的位移轨迹图像；根据位移轨迹图像中示踪粒子的轨迹判定液体容器中是否存在缺陷区域，及缺陷区域在液体容器中的位置信息；具体步骤包括：

步骤1，将单目相机布置于船舶液体容器内部空间的上部，同时搭配检测光源，构成一套立体视觉观测装置。

步骤2，如图1所示，在船舶液体容器的进口段，适量均匀投放示踪粒子，该示踪粒子密度略大于液体容器中的液体密度，优选该示踪粒子沉浸在液体容器底面，同时在该液体容器空间内部使用检测光源照射下，液体容器内部及该示踪粒子都可被单目相机良好观测。

具体地，示踪粒子为对该检测光源照射具有较好光散射特性的固体颗粒，示踪粒子的个数至少为10个。

步骤3，对于高速相机采集到的连续帧检测图像，对该连续帧检测图像利用特征点跟踪算法持续跟踪示踪粒子，可获得相邻帧间示踪粒子的位移轨迹，单目视觉情况下，可以获得示踪粒子的像素位移信息。

具体地，使用特征点跟踪算法依次提取示踪粒子在相邻检测图像间的位移轨迹，优选采用金字塔lk特征点跟踪算法。

更具体地，在检测图像中建立坐标系，根据金字塔lk特征点跟踪算法在相邻的第n检测图像和第n+m检测图像中进行特征点匹配，根据示踪粒子移动速度，检测图像帧间匹配间隔可以调整，例如可以同时提取第检测图像n至第n+m检测图像间同一特征点进行匹配，m为1～10间的整数，并提取同一示踪粒子的像素坐标；根据像素坐标获取示踪粒子的位移轨迹，并由此依次获取对应示踪粒子在该标系的多个位移轨迹。连续采集检测图像的频率可以根据示踪例子在不同特定液体中的移动特性而定，优选为不低于30fps。

更具体地，先根据金字塔lk特征点跟踪算法提取第一检测图像和第二检测图像中匹配对应的示踪粒子的像素坐标，再根据金字塔lk特征点跟踪算法提取第二检测图像和第三检测图像中匹配对应的示踪粒子的像素坐标，依次进行对应示踪粒子位移轨迹的像素坐标。

步骤4，通过对多帧检测图像的中示踪粒子位移轨迹进行叠加，可以获得一段时间内一批特定示踪粒子的连续变化轨迹，即位移轨迹图像。

具体地，将对应连续多个位移轨迹进行叠加，获取示踪粒子在第一时间间距内的位移轨迹图像。更具体地，提取对应示踪粒子的位移轨迹的像素坐标在检测图像坐标系中进行叠加后，形成示踪粒子在第一时间间距内的位移轨迹图像。

步骤5，根据位移轨迹图像中示踪粒子的轨迹判定液体容器中是否存在缺陷区域，及缺陷区域在液体容器中的位置信息。

具体地，根据位移轨迹图像中示踪粒子的轨迹判定液体容器中是否存在缺陷区域；更具体地，如果位移轨迹图像中同时存在多个示踪粒子位移轨迹偏移和位移轨迹消失，则判定液体容器内存在缺陷区域。

具体地，根据位移轨迹图像中示踪粒子的轨迹判定缺陷区域在液体容器中的位置信息；更进一步地，在位移轨迹图像中建立第一坐标系，提取多个示踪粒子轨迹消失的像素点在第一坐标系中拟合，获取第一位置信息；在液体容器中建立第二坐标系，根据移轨迹图像与液体容器的空间映射关系计算第一位置信息在第二坐标系对应的位置分布，从而获取缺陷区域在液体容器中的位置信息。

本实施例中，对于液体容器的微小裂缝情况，会持续在裂缝的漏液处发生示踪粒子的消失情况。反映到粒子轨迹即会出现部分粒子轨迹偏离主要轨迹方向，并出现部分粒子轨迹消失的情况，通过分析轨迹特征，则可判断出现裂缝，发生漏液，如图2所示。因此提取位移轨迹图像中多条粒子轨迹末端消失位置点的像素坐标，在位移轨迹图像坐标系中进行曲线拟合，获取在位移轨迹图像坐标系中该裂缝的形状和坐标位置，再将移轨迹图像坐标系和溶液的空间坐标系根据成像关系建立映射，根据映射可以大致估计微小裂缝的具体位置。

根据另一种具体地实施方式，本发明提供一种基于单目视觉的船舶液体容器缺陷检测系统，包括：

多个示踪粒子，用于均匀投放于液体容器中，示踪粒子的密度大于液体容器中液体的密度；更具体地，该示踪粒子可从溶液容器空间上方出口处进行投放，或者在溶液容器空间上方设置示踪粒子投放器。

至少一检测光源，用于投射至液体容器中示踪粒子分布区域；该检测光源为特殊光源可以将与单目相机形成立体视觉观测装置。

至少一单目相机，设置于液体容器内部空间上端，用于在第一时间间距内连续采集包括多个示踪粒子位置的多帧检测图像；优选地，单目相机为单目高速相机；

第一图像处理模块，用于使用特征点跟踪算法依次提取示踪粒子在相邻检测图像间的位移轨迹；将对应连续多个位移轨迹进行叠加，获取示踪粒子在第一时间间距内的位移轨迹图像；

第二图像处理模块，用于根据位移轨迹图像中示踪粒子的轨迹判定液体容器中是否存在缺陷区域，及缺陷区域在液体容器中的位置信息。

具体地，示踪粒子为对该检测光源照射具有较好光散射特性的固体颗粒，示踪粒子的个数至少为10个。

具体地，第二图像处理模块包括：

第一图像处理子模块，用于根据位移轨迹图像中是否同时存在多个示踪粒子位移轨迹偏移和位移轨迹消失，判定液体容器内是否存在缺陷区域；

第二图像处理子模块，包括图像拟合单元和位置判定单元，其中，

图像拟合单元，用于在位移轨迹图像中建立第一坐标系，提取多个示踪粒子轨迹消失的像素点在第一坐标系中拟合，获取第一位置信息；

位置判定单元，用于在液体容器中建立第二坐标系，根据移轨迹图像与液体容器的空间映射关系计算第一位置信息在第二坐标系对应位置分布，从而获取缺陷区域在液体容器中的位置信息。

具体地，第一图像处理模块包括：

第三图像处理子模块，包括位置提取单元和位移提取单元；其中，

位置提取单元，用于在检测图像中建立第三坐标系，根据金字塔lk特征点跟踪算法在相邻的第n检测图像至第n+m检测图像中进行特征点匹配，提取同一所述示踪粒子的像素坐标；

位移提取单元，用于根据像素坐标获取所述示踪粒子的位移轨迹，并由此依次获取对应示踪粒子在第三坐标系的多个位移轨迹。第四图像处理子模块，用于提取对应示踪粒子的位移轨迹在所述第三坐标系中进行叠加后，形成所述示踪粒子在所述第一时间间距内的位移轨迹图像。

根据本发明另一种具体地实施方式，提供一种计算机可读介质，其存储电子设备执行的计算机程序，当计算机程序在电子设备上运行时，使得电子设备执行如上的方法。

应当理解，本发明的流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。