专利名称：数字式全景钻孔摄像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一套数字式全景钻孔摄像装置，可用于钻孔内的地质调查。
工程地质调查常用钻孔电视或全景钻孔电视(如于景良等，全景式孔内彩色电视系统的研制及其应用，大坝观测与土工测试，1996，20(4)，P30—P32)。钻孔电视通过在钻孔内移动的装有45°平面反射镜的探头摄取钻孔孔壁的局部图像，并在监视器上显示与观察。若需要观察完整的钻孔孔壁图像，则必须进行360°施转。全景钻孔电视则通过在钻孔内移动的装有双曲面反射镜和透镜的探头摄取钻孔孔壁的360°桩面图像于摄像管靶面上，再通过螺旋扫描电路可实现在监视器上同时显示展开360°柱面图像并用于观察。这二种钻孔电视的根本区别是观察范围不同，但是它们的共同点是只能用于对钻孔内的地质现象进行观察，不能对它们进行准确地计算与分析(如确定结构面产状、间距、隙宽等)，也就不能进行更深入地统计与分析。
本实用新型的目的是针对上述二种钻孔电视存在的问题，提出一种可用于在钻孔内对地质结构进行观察、测量、统计与分析的一套数字式全景钻孔摄像系统。它可以实现图像的数字化及计算机处理，实现钻孔孔壁的展开360°柱面图像的实时显示，实现地质资料的计算机统计、分析与处理。
为了达到上述目的，本实书新型采用了截头的中心钻孔的锥面反射镜形成钻孔孔壁的水平360°的全景图像，数字式全景钻孔摄像装置，它由探头⑥、深度脉冲发生器⑩、绞车⑨、图像卡⑧、计算机系统(11)组成，其特征在于探头中的反射镜制成圆锥型并截头，圆锥型反光镜的中心钻孔，探头中罗盘的指北针表面涂上一层不反光材料，罗盘的指南针表面涂上一层反光材料。位于锥面反射镜下部的磁性罗盘图像经锥面反射镜的中心孔与全景图像同时被位于锥面反射镜上部的CCD摄像机摄取，该图像经电缆传输至位于地面的图像卡中进行数字化，该数字化图像可以经过还原变换算法和消隐算法，显示展开360°柱面图像和三维柱状图像，位于地面升降装置上的深度脉冲发生器将探头所在的深度值与所获得的数字化图像建立对应关系，同时深度值也用于自动控制捕获图像，通过对罗盘图像的识别，可以得到与罗盘图像同时摄取的全景图像的方位，再由对应的深度值，就可以确定全景图像的空间坐标。在确定空间坐标之后，可以对钻孔内的地质结构进行测量，测量的结果存放于地质资料数据库，利用这些数据库就可以进行地质资料的统计与分析。
本实用新型的优点是(1)探头的结构简单，便于维护；(2)现场操作简单，由深度自动控制捕获图像，不需人工操作；(3)全景图像包含的信息量大，并为数字图像；(4)观察场面大，可以同时观察钻孔孔壁的展开360°柱面图像；(5)图像处理、资料提取、结果统计与分析计算机化；(6)具有良好的发展空间。
以下结合附图对本实用新型作进一步详细的描述
图1探头的组成框架图图2数字式全景钻孔摄像系统的组成框架图图3全景图像与罗盘的组合图像图4坐标变换系统图图5展开360°圆柱面图像图6深度脉冲发生器结构图数字式全景钻孔摄像系统，它由探头、深度脉冲发生器、绞车、图像卡、计算机系统组成。由
图1可知，本实用新型的光学系统由锥面反射镜(1)、光源(2)、磁性罗盘(3)和CCD摄像机(4)组成，位于带有透明窗口(5)的探头(6)内部。锥面反射镜(1)由金属材料制成，截头并中心钻孔，其锥面需要经过抛光处理使之成为镜面；磁性罗盘(3)的南北二针需要进行处理，使指北针表面涂上一层不反光材料，使指南针表面涂上一层反光材料。光源(2)经探头(6)上的透明窗口(5)照射钻孔孔壁，被摄部分的光线作为入射光线经过探头(6)上的透明窗口(5)到达锥面反射镜(1)，锥面反射镜(1)将入射光线反射到位于锥面反射镜(1)上部的CCD摄像机(4)内形成全景图像，同时能够明显区分磁性罗盘(3)中的南北二针的图像经过锥面反射镜(1)的中心孔也达到CCD摄像机(4)，使得全景图像与方位图像同处一幅图像内，如图3所示，该方位图像标明了该全景图像的水平方位。
如图(3)所示的全景图像和罗盘方位图像合并通过电缆(7)进入计算机(11)。被摄部分的深度由绞车(9)上的深度脉冲发生器(10)获取，如图6所示深度脉冲发生器(10)由测量轮(12)、光电编码(13)和控制器(14)组成，深度值通过电缆进入计算机(11)。前述的数字化图像中的全景图像是圆柱图像经过变换后形成的。以中心点为圆点的不同半径的圆周代表圆柱面上不同深度的圆周，具体地说就是半径小的圆周表示圆柱面上的圆周位于其上部，半径大的圆周表示圆柱面上的圆周位于其下部；以中心点为起点的射线代表圆柱面上的一条径向线。根据全景图像与圆柱面图像的对应关系，如图4中所示的坐标，有如下的关系式
0°≤θ＜360°(1)r1≤r≤r2其中R为圆柱面的半径，h为圆柱体高；r1为全景图像中内圆的半径；r2为全景图像中外圆的半径由图3及(1)式，可以对前述的数字化图像中的全景图像进行还原展开，其方法是以某一射线为起始线，绕中心点顺时针方向等角度旋转直至起始线；射线上的起始点为内圆与射线的交点，终止点为外圆与射线的交点，在起始点与终止点之间等距分布点。按上述方法可以展开钻孔孔壁的360°柱面图像，但是缺少方位指示，为此需要识别罗盘方位，识别罗盘方位的方法是，在前述的数字化图像的方位图像中设定一个圆，在这个圆周上的象素值会因罗盘的南北指针明显不同而出现较大差异，根据其差异，可以确定指北针在前述的数字化图像中的角度θ，以角度值为θ的射线代表的圆柱面上的径向线为正北向。在前述的全景图像还原展开的方法中，是以某一射线为起始线，在这里，某一射线可以用指向右边的射线，在全景图像展开后，再进行方位设定，它的优点是可以进行快速的还原展开，用于实时显示；某一射线也可以用指向指北针的方向的射线，其展开后的圆柱面图像的方位是固定的，它可用于以后的计算分析。
由(1)式可以确定圆柱面上每一点的空间坐标，根据计算机图形学中的消隐算法，可以实现模拟三维钻孔岩芯及其显示三维图像。具体实施方法是(1)选定某一观测方向，例如与轴线的夹角为45°，且指向正北的方向(2)按此方向作平行投影变换；(3)与此方向相反的圆柱面的一半被另一半所遮挡，不应被显示出来；(4)被显示的部分按照它在平行投影变换后的位置显示出来，即可形成三维图像；(5)改变观测方向，使之能观测任一部的三维图像。
图5所示的是由前述的数字化图像中的全景图像展开的360°柱面图像，该图像内每一点的坐标是由(1)式确定的，通过获取该图像内的相应点，就可以得到相应的物理意义。例如为确定结构面产状需要获取结构面上的三个点，通过展开的360°柱面图像找到所要确定的结构面，在其上获取三个点，根据这三个点的空间坐标即可计算出由这三个点组成的平面的法方向，如果法方向的Z分量为负值即法方向指向下部，则应取其反方向，保证法方向指向上部，法方向与Z轴的夹角就为该结构面的倾角，法方向在XY平面即水平面上的投影即为该结构面的倾向。
权利要求1.一种用于钻孔内对地质现象进行探测的数字式全景钻孔摄像装置，它由探头(6)、深度脉冲发生器(10)、绞车(9)、图像卡(8)、计算机系统(11)组成；其特征在于探头中的反射镜制成圆锥型并截头，圆锥型反光镜的中心钻孔，探头中罗盘的指北针表面涂上一层不反光材料，罗盘的指南针表面涂上一层反光材料，全景图像和罗盘方位图像合并通过电缆(7)进入计算机。
2.根据权利要求1所述的数字式全景钻孔摄像装置，其特征是探头中的圆锥型反射镜是由金属材料制成。
3.根据权利要求1所述的数学式全景钻孔摄像装置，其特征是深度脉冲发生器由测量轮(12)、光电编码(13)、控制器(14)组成，深度值通过电缆进入计算机。
专利摘要一种用于钻孔内对地质现象进行探测的数字式全景钻孔摄像装置，它由探头、深度脉冲发生器，绞车、图像卡、计算机系统组成，其特征是探头中的反射镜制成圆锥形并截头，圆锥形反光镜的中心钻孔，探头中罗盘的指北针表面涂上一层不反光材料，罗盘的指南针表面涂上一层反光材料，全景图像和罗盘方位图像合并与深度值通过电缆进入计算机。它能实现数字化的全景图像，在计算机上还原显示钻孔孔壁的360°平面展开图像及其虚拟岩芯的三维图像。适用于水利、土木、能源、交通、采矿等领域的工程地质勘探，工程安全监测及工程质量检测。
文档编号G03B19/02GK2354158SQ98232288
公开日1999年12月15日 申请日期1998年12月29日 优先权日1998年12月29日
发明者葛修润, 白世伟, 王川婴 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所