专利名称：孔内表面的光学检测方法
技术领域：
本发明涉及孔内表面的检测方法，尤其涉及采用光学及图像处理
的方法进行4企测的孔内表面的光学^r测方法。
背景技术：
孔是指如输送天然气的管道、热交换器管道和液压缸等，这类零 件广泛应用于生产、生活及军事等领域，在实际生产和使用过程中， 需要经常对孔内表面进行4全测，确定内表面的加工状态和磨损、划伤 及脱落等缺陷，判断是否合格以及消除安全隐患，分析孔类零件的寿 命特性，为孔类零件的研究和加工提供科学依据。
传统的孔内表面检测技术有涡流探伤法、磁粉探伤法和超声探伤 法等，涡流探伤法容易受到外部条件的影响，磁粉探伤只适用于特定 材料制成的管道，超声探伤则需要水等耦合剂，这些方法都存在一定 的缺陷。光学检测技术属于非接触检测方法，受检测条件限制小，检 测速度快，检测精度较高，检测结果容易进行图形化直观表达，因此， 光学检测技术在孔内表面检测中取得越来越广泛的应用。许森林等在 文章《一种细小管道管壁缺陷探测系统》(机械工程师，2003.(1).53-54) 中提供了一种微细管道摄像装置，CCD相机垂直孔内表面安装，获取 内表面某一角度的局部图像。该装置主要的缺点是需要通过旋转机构 获取孔内表面360度图像，增加了系统的复杂程度。专利号为 93235613.3的实用新型专利中公开了 一种管内壁环视光学装置，CCD 相机沿孔轴线安装，采用该装置解决了需要通过旋转机构获取孔内表 面360度图像的问题，但只能观察孔内壁的局部，而不能获得整体的 图像，不利于对孔的检测。
发明内容
本发明针对现有检测方法存在的技术问题，提供一种孔内表面快
速、自动检测方法，通过采用光学技术手段，实现孔内表面360度范
围精确检测。
本发明的技术方案1具体包括以下步骤a.将照明光源放入孔内 并使其发光照明孔内周面；b.用沿孔轴线方向设置的成像装置拾取 照明光源照射到孔内壁上反射回来的光；c.使照明光源和成像装置 沿孔轴线同步移动，并对由成像装置识别到的信号进行处理，获得孔 内表面展开图像。
通过采用技术方案1,可实现对孔内表面的精确检测，而且条件 限制小，检测速度快，检测范围广，检测精度高，检测结果容易进行 图形化直观表达。
技术方案2的特征在于，在技术方案1的基础上还具有如下步骤 用定心机构将照明光源和成像装置定位在孔内，照明光源和成像装置 同轴。
这样可保证检测的准确性，易于对检测到的结果进行处理。 技术方案3的特征在于，在技术方案1的基础上还具有如下步骤
由伺服电机驱动照明光源和成像装置沿孔轴线匀速运动，成像装置进
行均匀采样，获取一系列不同轴向位置的孔内表面展开图像，相邻两
图像之间重叠部分沿孔轴线距离大于等于0。
这样可进一步保证检测的准确性，并按阶段获得待测孔整个内表
面上不同轴向位置的多幅展开图像。
技术方案4的特征在于，在技术方案3的基础上还具有如下步骤
顺序读取多幅图像，保证前 一 幅图像和后 一 幅图像之间存在重叠区
域，确定前后两幅图像的拼接方式，形成一幅新图像，循环此操作直
到将所有的图像拼接形成 一 幅完整的图像。
这样，可获得较大的视野范围内的精确的完整的图像。 与现有技术相比，本发明的有益效果还在于(l)通过图像坐
标系变换的方法，从原始图像直接得到孔内表面展开图像，无需旋转
机构， 一次实现内表面360度范围检测；(2)通过灰度相关性确定 两幅图像的最佳匹配位置，对内表面展开图像进行拼接，实现孔内表 面的大范围快速检测。
图1是光学传感器的结构示意图。 图2是孔内表面成像原理示意图。 图3是图像拼接原理示意图。 图4是图像几何变换结果示例图。 图5是图像拼接前效果图。 图6是图像拼接结果图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明所采用的光学传感器包括照明光源、成像装置和基座。 本实施方式中，照明光源为LED光源1，成^f象装置为CCD相才几2。 当然照明光源也可以为其它用于照明的光源，如白炽灯等，成像装置 也可以采用CMOS等其它成像装置。基座用于固定照明光源和成像 装置，对形状没有特别的限定。
图1中，基座3包括照明光源用基座5和成像装置用基座4,两 者可分体设置也可一体设置。其中，照明光源用基座5为圆锥台状， 其远离成像装置用基座4 一侧直径较小，成像装置用基座4为圓柱状， 两者同轴，并分别沿轴线形成贯穿孔6和贯穿孔7。 CCD相机2贯穿 该贯穿孔6和贯穿孔7设置并固定，其镜头位于贯穿孔6侧。CCD 相才几2也可以在贯穿孔6和贯穿孔7内以可移动定位的方式i殳置，调 节CCD相机2从贯穿孔6伸出的距离以便于获得孔内壁清晰的图像。 例如可采用在图1中CCD相机2左或右侧设置沿贯穿孔6轴线方向 的弹簧，在贯穿孔6的远离照明光源用基座5—侧设置固定件。也可
设置电机来驱动CCD相机2沿贯穿孔6轴线方向移动。照明光源用 基座5的圆锥台侧表面上配置LED光源1, LED光源1以环状沿垂 直于圆锥台轴线的外圓周面配置，其包括多个LED。
LED光源1以上述方式配置可效果较好地实现照明，当然也可以 以其它方式设置，只要达到照明目的即可。而且照明光源用基座5也 可以不是圓锥台状，而是圓柱状或其它形状。设置LED光源1时应 避免LED光源1发出的光不经过孔内表面反射而直接照射到CCD相 机2中。
本实施方式中LED光源1以围绕CCD相机2的方式设置，但本 发明并不限于此方式，LED光源1也可以和CCD相机2相向设置， 为了避免LED光源1发出的光不经过孔内表面反射而直接照射到 CCD相机2中，在LED光源1和CCD相机2之间设置遮光部件阻止 LED光源l发出的光直接照射即可。
将光学传感器沿其轴线放入孔内，为便于测量，可用定心机构对 其进行定位，使照明光源和成像装置与孔同轴。定心机构可选用现有 技术中的定心装置，如三爪定向装置等。
使LED光源1发光，照明孔内周面，CCD相机2拾取LED光源 1照射到孔内壁上反射回来的光，在CCD相机2中成像(参照图4)。
具体成像过程如图2所示，AB为孔内的一段圆柱面，镜头光轴 同孔轴线重合，C点为光心，CCD成像面到光心的距离为Co,即为 有效焦距。根据小孔成像原理，该圆柱面在CCD成像面上所成像为 介于a与b之间的圓环区域。设图像上任意 一 点p ，其象素坐标为(u，v)， dx、 dy为CCD ^象元的4黄向及纵向尺寸，(uc，vc)为主点坐标，即光轴 同CCD成〗象面的交点，则p点在CCD成j象面坐标系oxy中的坐标可 由下式计算得到<formula>formula see original document page 6</formula>
该点的极坐标表示为
l6> = g(_v/x) ( 2 )
根据小孔成像原理，象素点p所对应的场景点P的物理坐标为 、=i
上式采用柱坐标表示，R为孔半径，f为有效焦距，根据(1) ~ (3)式，任意一图像点经反投影变换后得到该点对应的场景点，所 有点进行相同变换后便重构出孔内一段圆柱面，将该圓柱面展开，经 重新投影得到内表面360度展开图像，实现孔内表面全向检测。
由伺服电机驱动光学传感器沿孔轴线以速度V勻速运动，传感器 以每隔时间t进行一次采样的方式均匀采样，获取一系列不同轴向位 置的孔内表面展开图像，相邻两图像之间重叠部分沿孔轴线距离大于
等于o,优选重叠部分宽度大于o,以便于孔内表面展开图像的拼接。
拼接可在信号处理装置中进行。当然，光学传感器也可以不以匀速运 动，传感器也可以不隔相同时间进行均匀采样，而是不均匀采样。但 为便于对信号进行处理，优选均匀采样。
图3描述了内表面展开图像的拼接原理，通过拼接实现孔内表面
大范围检测。图像拼接常用的方法有基于特征点匹配和基于灰度匹配 两种，基于灰度匹配算法的基本原理是计算两幅图像的相关矩阵，确 定最佳匹配位置，算法的特点是精度高，抗干扰性强。由于前后两幅 展开图只可能沿竖直方向发生偏移，因此，只需沿竖直方向进行一维 搜索就可以确定拼接位置，为了便于计算，用象素点灰度级差的平方
和代替相关矩阵衡量匹配位置的优劣，图3中粗实线矩形框表示第一 幅图像，细实线矩形框表示第二幅图像，两幅图像的宽度(孔内表面 周长)相等，都为w。但本发明不限于此，该方法也适用于两幅图亏象 的宽度不相等的情况，因相邻两图像之间重叠部分沿孔轴线距离大于 等于0，所以拼接不受两幅图像宽度的影响。h表示第一幅图像在孔
轴线方向上的距离，传感器均匀采样时，第二幅图像在孔轴线方向上
的距离也为h。匹配过程从A点开始，沿箭头指向进行逐行扫描，Rl、 R2、 R3代表三个不同的区域，定义
<formula>formula see original document page 8</formula>问题转化为求U^e[W),使F(i 2^凡
拼接之后图像灰度级定义为
<formula>formula see original document page 8</formula>
(5)
在(5)式中，只是简单的定义区域R2的灰度级为两幅图像灰度 级的平均值，这种算法相对简单，但是当两幅图像有较大光照差别的 时候，在拼接处会有明显的拼接痕迹，为了消除光照差别的影响，对 区域R2的灰度级定义作适当修改。如图3区域R2内任意一点P,根 据P点的位置计算,、厶的权值，P点越靠上端，,的权值越大，重新 定义的灰度级表达式为
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中
(6)
实施例
按照上面叙述的步骤，采用图1所示的光学传感器对一孔内表面 进行检测，为了便于验证算法的有效性，在孔内表面贴上特殊图案， 伺服电机驱动传感器沿孔轴线匀速运动，计算机给出触发信号，控制
传感器均匀采样，首先根据(1) ~ (3)式进行图像反投影变换，得 到内表面360度展开图像，图4中上图为由光学传感器采样获取的孔 内表面原始图像，图中Cl和C2两个圓之间的环形区域为图像处理 的有效区域，两个圆的圆心和半径在操作过程中设定，图4中下图为 该有效区域经重新投影后得到的孔内表面展开图像；然后根据(4) ~
(6)式描述的方法对多段内表面展开图像进行拼接，可获得较大的
视野范围，图5为多幅内表面展开图像，相邻两幅图像之间具有一定 的重合区域，以该重合区域为匹配依据，得到如图6所示的拼接结果。
权利要求
1.一种孔内表面的光学检测方法，其特征在于，包括如下步骤a.将照明光源放入孔内并使其发光照明孔内周面；b.用与孔同轴安装的成像装置拾取照明光源照射到孔内壁上反射回来的光；c.使照明光源和成像装置沿孔轴线同步移动，并对由成像装置识别到的信号进行处理，获得孔内表面展开图像。
2. 如权利要求1所述的孔内表面的光学检测方法，其特征在于， 还具有如下步骤用定心机构将照明光源和成像装置定位在孔内，照明光源和成像装置同轴。
3. 如权利要求1所述的孔内表面的光学检测方法，其特征在于， 还具有如下步骤由伺服电机驱动照明光源和成像装置沿孔轴线匀速运动，成像装置进行均匀采样，获取一系列不同轴向位置的孔内 表面展开图像，相邻两图像之间重叠部分沿孔轴线距离大于等于0。
4. 如权利要求3所述的孔内表面的光学检测方法，其特征在于， 还具有如下步骤顺序读取多幅图像，保证前一幅图像和后一幅图像之间存在重叠区域，确定前后两幅图像的拼接方式，形成一幅新 图像，循环此操作直到将所有的图像拼接形成一幅完整的图像。
全文摘要
本发明提供一种孔内表面的光学检测方法，其具体包括以下步骤a.将照明光源放入孔内并使其发光照明孔内周面；b.用沿孔轴线方向设置的成像装置拾取照明光源照射到孔内壁上反射回来的光；c.使照明光源和成像装置沿孔轴线同步移动，并对由成像装置识别到的信号进行处理，获得孔内表面展开图像。可实现对孔内表面的精确检测，而且条件限制小，检测速度快，检测范围广，检测精度高，检测结果容易进行图形化直观表达。
文档编号G01N21/954GK101109716SQ20071014285
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月1日 优先权日2007年8月1日
发明者冯忠伟, 周世圆, 徐春广, 朱文娟, 肖定国, 娟 郝 申请人:北京理工大学