管道漏磁檢測數據三維顯示方法研究

摘要：為滿足數據顯示方式多樣化的需要，基于VS2008開發環境和MFC應用程序框架，利用OpenCL豐富的三維圖形繪制功能和顏色渲染功能生成漏磁數據的三維視圖。實際測試結果表明：三維視圖能夠精確、直觀地反映數據變化的真實性，辨識度高，顏色過渡效果理想，增強可讀性和分析效率，對管道缺陷的識別與判斷具有重要意義。

關鍵詞：漏磁檢測；三維視圖；OpenCL；三角形剖分；插值

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）02-0084-04

引 言

隨著我國石油天然氣事業的發展，油氣管道的建設和使用也隨之繁榮。運輸用管道一般埋在地下或海底，其自身運行的安全性難以保證。因此，對在役油氣管道進行無損檢測，十分必要。

漏磁檢測是管道內檢測應用中最廣泛的一種無損檢測技術。針對檢測器采集到的數據，數據分析系統會對缺陷進行分析、識別、量化與評估，并將最終的處理結果以圖形化的方式呈現給用戶。美國的Tuboscope公司、德國的ROSEN公司最早采用曲線圖對漏磁數據進行顯示，做出了一定貢獻。國內對此方面的研究也卓有成效，天津大學的魏茂安等研究了漏磁灰度圖像方法，在此基礎上，曹麗娜等又實現了漏磁偽彩色圖像顯示，進一步增強了圖像質量。這些二維平面圖雖然可以反映出漏磁信號的變化規律，但呈現方式單一，辨識度不高，容易出現誤判，漏判等情況，難以滿足用戶對數據完整性和準確性的要求。

文章在準確定位管道缺陷與漏磁信號的對應關系下，研究一種精確、直觀的漏磁數據三維顯示方法，實現數據三維可視化，增強可讀性和分析效率。

1.數據格式

采集數據主要包含兩部分：磁數據和非磁數據。磁數據是指由磁敏傳感器采集到的漏磁信號，也是圖像顯示的源數據。非磁數據則主要包括一些與管道狀態和檢測器狀態有關的信息，如壁厚、壓差、里程數等。以主磁140通道檢測器為例，在檢測過程中，檢測器每走過2.0mm便通過觸發脈沖信號使所有主磁傳感器采集漏磁信號（每Im采集500次），每采集一次便可得到140個磁數據，稱為一個記錄塊。每收集到50個記錄塊后便采集一次非磁數據得到1個尾塊數據。50個記錄塊和1個尾塊數據形成1個數據塊，整個文件中的數據就是以數據塊的形式存儲的，如圖1所示。

2.三維環境搭建

2.1 0penGL簡介

開放性圖形庫（open graphics lihrary，OpenGL）是一個性能卓越的三維圖形標準，是圖形硬件的一種軟件接口。它易于使用且功能強大，在Windows系統下可實現建模、變換、模式設置、材質設置、紋理映射等諸多功能。處理數據流程如圖2所示。

2.2 三維變換

在屏幕上搭建三維場景時，視覺效果通常受4種基本變換的影響，即視點變換、模型變換、投影變換和視口變換。

視點變換在視點坐標系中進行，與世界坐標系遵循右手法則不同，它遵循左手法則，如圖3所示。

當矩陣初始化glLoadldentity（）后，可將glTrans-latef（）作視點變換。函數參數（x，y，z）表示視點在視點坐標系中移動的位置，這里x=-25.0，y=0.0，z=0.0，意思是將視點沿X負半軸移動25個單位。

模型變換在世界坐標系中進行，可對物體實施平移glTranslatef（）、旋轉glRotatef（）和縮放glScalef（）等操作。

投影變換類似于選擇相機鏡頭。調用透視投影函數glFrustum（），近大遠小，符合人們習慣，如圖4所示。在調用之前使用glMatrixMode（）說明當前矩陣方式是投影GL_PROJECTION。

視口變換則是將視景體內投影的物體顯示在二維的視口平面上。通常用glViewport（）來定義一個視口。參數值（0，0，winWidth.winHeight）指的是屏幕窗口的實際尺寸大小。

綜上所述，三維圖形轉換的流程如圖5所示。

2.3 坐標映射

在確定X坐標時，由于每次都是等間隔采集，因此只需獲得當前繪制數據的記錄號、屏幕最前方數據的記錄號以及確定每個記錄之間的間隔，即可算出該數據的橫坐標：

x=（N-No）n

（l）式中：X——當前繪制數據的橫坐標；

N——當前繪制數據的記錄號；

No——屏幕最前方數據的記錄號；

n——記錄之間的間隔。

在確定y坐標時，考慮到傳感器陣列沿周向均勻分布，將其映射為鐘點數。因此只需獲得0號通道鐘點數，傳感器排列方式和通道總數即可算出第n號通道所占分鐘數，以逆時針排列為例：式中：To——0號通道所占分鐘數；

n——所求通道的通道號；

M——主磁傳感器的通道總數。

若Tn<0，則使，最后將所占分鐘數轉化為具體鐘點數即可。

在確定Z坐標時，為防止圖像顯示不完整，我們采用動態繪圖法，即根據當前可顯示數據的最小值作為基準參考，對實際數據進行一定的處理再繪制。計算公式可表示為

Z=（a-anin）·p/q

（3）式中：a——當前繪制數據值；

amin——當前可顯示數據最小值；

q——當前可顯示數據最大值與最小值的差值；

p——沿Z軸方向的最大繪圖高度。

3.三維曲面生成

OpenGL常用三角形作為基本圖元生成三維圖形和曲面，以保證各個點在同一平面內，曲面生成即遍歷各數據點。采用三角形剖分算法，在外層的迭代中遍歷所有行，內層的迭代中遍歷所有列，列上數據點的遍歷順序需要滿足以下條件：

1）數據點按每3個l組的方式進行拆分。

2）每組3個點遵循同一排列次序（順時針）。

3）相鄰的2組之間存在2個交集點。

OpenGL提供了多種三角形圖元的繪制方法，其中GL_TRIANGLE_STRIP用于繪制一組相連的三角形。這種方法避免指定相互連接的三角形條帶中重復出現的頂點。曲面生成過程見圖6。

4.優化處理

4.1 數據插值

根據漏磁數據特點，我們選擇分段線性捅值【9]。在相鄰兩數值區間[a，b]中插入（n，-l）個數值，將該區間劃分為n段，各段點為xo=a，XI，x2…xn=b，在各個區間內做函數f（x）的線性捅值，設捅值函數為g（x）=gi（x），則：

將各個區間的捅值函數gi（x）連接起來，就可以得到了區間[a，6]的插值函數g（x），再根據線性插值的誤差公式進行收斂性判斷，從而完成插值操作以構造出更多的圖像數據，將原有的低分辨率的數據擴充為高分辨率的數據進行顯示，改善圖像質量。

4.2 顏色渲染

Z軸反映了數據值大小，還可加入顏色的變化。在OpenGL中可以指定頂點坐標的同時指定頂點顏色，若使用缺省設置，則會自動生成2個頂點顏色之間的過渡色。采用的是彩虹編碼法，R、G、B3種變換器的變換函數表達式為

5.軟件系統實現

本數據分析軟件系統以Visual Sludi0 2008作為開發環境，使用MFC應用程序框架對系統進行開發。在該系統中使用OpenGL類庫進行了三維視圖設計。

5.1 測試結果

選取2GB容量的勝利油田某段在役管道檢測數據進行三維顯示，效果理想。由圖7可見，存在兩處磁場強度異常的區域，紅色區域突出，數據值較高，藍色區域凹陷，數據值較小，綠色區域平緩，數據值穩定。對其分析可知兩處均為腐蝕缺陷。X軸里程范圍為2731.26～2733.96m，y軸鐘點范圍為1：16～5：31，Z軸最大值為173.6Gs（1 Gs=10-4T），最小值為91.2Gs，平均值為106.6Gs。

5.2 輔助操作

三維視圖可實現圖像拖動、數據跳轉和視圖縮放?？s放效果如圖8所示，其中（a）為原缺陷圖，（b）為放大后的缺陷圖。

此外，本軟件系統還實現了三維視圖與其他視圖的自由切換，并且支持同時打開多個窗口，系統內部通過全局映射機制以保證多種視圖的同步顯示與更新，保證了分析人員能夠全面綜合進行比對分析，快速定位管道缺陷，評價管道使用狀況，給出維護建議。

6.結束語

根據管道漏磁缺陷內檢測器提供的漏磁檢測數據，基于Visual Studi0 2008開發環境和MFC應用程序框架，利用OpenGL豐富的三維圖形繪制功能和顏色渲染功能生成數據三維視圖，經過測試，不同磁場強度對應不同顏色，從而精確、直觀地顯示出漏磁數據的分布特點。此外，圖像拖動、數據跳轉、縮放等人機交互操作的實現，強化了數據分析功能，幫助用戶在最短時間內了解了檢測數據的完整性和準確性，也有助于對缺陷進行識別和量化，大大提高了工作效率和工作質量。