低溫壓力容器的無損視覺檢測方法研究

郝媛媛　張海燕

摘 要：為了提高對低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損傷檢測能力，提出一種基于高速主動紅外視覺成像分析的低溫壓力容器的無損視覺檢測方法。首先對低溫壓力容器的破損、磨損、裂縫等部位進(jìn)行紅外熱成像的三維視覺重建，然后采用多層次紋理映射方法進(jìn)行損傷特征點(diǎn)提取和檢測，將低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷特征點(diǎn)輸入到特征映射關(guān)系模型中，結(jié)合熱激勵源的差異性視覺狀態(tài)特征實(shí)現(xiàn)低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷的視覺重建，最后進(jìn)行仿真測試。結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行低溫壓力容器的無損視覺檢測的準(zhǔn)確性較高，對損傷點(diǎn)的定位精度較好。

關(guān)鍵詞： 低溫壓力容器； 無損檢測； 視覺檢測； 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

中圖分類號： TN911.73?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0118?04

Abstract： In order to improve the ability of detecting the damage of the low?temperature pressure vessel used in experiment， a low?temperature pressure vessel′s nondestructive vision detection method based on high?speed active infrared vision imaging analysis is proposed. The 3D vision of the infrared thermal imaging was reconstructed for the damaged， worn and cracked parts of the low?temperature pressure vessel. The multi?level texture mapping method is used to extract the features of the damaged point of the low?temperature pressure vessel used in experiment， and input them into the feature mapping relation model. The difference vision state characteristic of the thermal excitation source is combined to realize the vision reconstruction of the damaged low temperature pressure vessel used in experiment. The simulation test was carried out. The test results show that the method has high nondestructive vision detection accuracy of the low?temperature pressure vessel， and high location precision of the damaged point.

Keywords： low?temperature pressure vessel； nondestructive detection； vision detection； experimental facility

低溫壓力容器作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，需要容器保持無縫無損的良好工作狀態(tài)，通過對低溫壓力容器的損傷檢測，重建低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備的破損狀態(tài)特征，使其保持良好的工況。當(dāng)前對低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備的破損檢測方法主要是采用光學(xué)遙感圖像海陸分割方法[1]、B超聲波高磁檢測方法[2]和信號檢測和濾波方法[3?4]，通過分析無損狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的立體視覺信息，采用熱源激勵進(jìn)行壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷重，然而傳統(tǒng)方法在磨損嚴(yán)重或者破損較大的情況下，低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備的恢復(fù)特征很難保證連貫性，對此，本文提出一種基于高速主動紅外視覺成像分析的低溫壓力容器的無損視覺檢測方法，并得出有效性結(jié)論。

1 低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷三維重建

對低溫容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備的三維立體視覺是進(jìn)行視覺無損檢測的基礎(chǔ)，通過視覺重構(gòu)，能夠?qū)Φ蜏貕毫θ萜鲗?shí)驗(yàn)設(shè)備損傷進(jìn)行計(jì)算機(jī)重建，去除假目標(biāo)特征并進(jìn)行參數(shù)分析[5]，從而為容器的破損檢測提供依據(jù)。

1.1 低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷圖像采集

對需要進(jìn)行無損檢測的低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行圖像采集，采用熱紅外圖像的視覺重構(gòu)和特征采集方法進(jìn)行圖像采集和損傷特征提取[6]，從采集的圖像中提取低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷的特征點(diǎn)，低溫壓力容器的無損視覺檢測的圖像采集過程如圖1所示。圖1中對容器設(shè)備的無損視覺檢測采用極高頻成像的方法，低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用數(shù)字電磁圖像檢測，采集設(shè)備主要分為：采集微位移器、紅外成像儀、PC機(jī)、熱激勵源等[7?8]，對多次采集的圖像進(jìn)行亞像素匹配，提取低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷的特征點(diǎn)，假設(shè)[f1]為首次采集圖像，[fn]為損視覺檢測的輸出圖像，在三維特征視覺空間中，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷圖像采集的特征點(diǎn)如下：

根據(jù)壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷圖像的平面特征點(diǎn)和紅外熱成像采集，對低溫壓力容器的破損、磨損、裂縫等部位進(jìn)行紅外熱成像的三維視覺重建。

1.2 三維視覺重建描述

通過對低溫壓力容器的破損區(qū)域的三維視覺重建，能夠?qū)⒌蜏貕毫θ萜鲗?shí)驗(yàn)設(shè)備損傷平面特征點(diǎn)轉(zhuǎn)換為立體空間中的特征點(diǎn)，對低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備的正面和側(cè)面的圖像進(jìn)行有效的采集[9]，設(shè)備平面圖像中的特征點(diǎn)的位置標(biāo)記點(diǎn)和損傷紋理信息特征點(diǎn)的分布關(guān)系為：

2 低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備的無損視覺檢測實(shí)現(xiàn)

利用傳統(tǒng)算法進(jìn)行低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷檢測，假設(shè)破損比較嚴(yán)重或裂縫長度較長的情況下，將無法保證恢復(fù)特征的連貫性，從而降低了低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備檢測的準(zhǔn)確性，因此提出一種基于高速主動紅外視覺成像分析的低溫壓力容器的無損視覺檢測方法。

2.1 低溫壓力容器的多層次紋理映射關(guān)系模型

采用多層次紋理映射方法進(jìn)行損傷特征點(diǎn)提取和檢測，將低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷特征點(diǎn)輸入到特征映射關(guān)系模型中，利用破損低溫壓力容器三維紅外成像重建的效果，進(jìn)行穿透性紋理映射分析，其公式如下：[H=hy2+hz2+ha2 =（g（y，z，a）×Ty）2+（g（y，z，a）×Tz）2+（g（y，z，a）×Ta）2]

式中：[h]能夠用來描述破損低溫壓力容器特征點(diǎn)在不同方向上梯度紋理變化率；[g（y，z，a）]為低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備灰度；[T]是對應(yīng)的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

利用下述公式能夠進(jìn)行低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷平面的梯度坐標(biāo)系變換，得到損傷點(diǎn)的紋理映射坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

[v1=ME-YZw1=ME-YAv2=ME-（Ycosθ+Zsinθ）（Zcosθ-Ysinθ）w2=LD-（Xcosθ+Ysinθ）Z] （10）

式中，低溫壓力容器的紅外圖像采集裝置與熱成像儀的距離是已知的，在結(jié)構(gòu)相似度不變下，求得壓力容器平面特征點(diǎn)到立體特征點(diǎn)的像素值匹配，從而得到破損低溫壓力容器三維視覺破損點(diǎn)的具體位置。

設(shè)置低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷特征值能夠用[cq]進(jìn)行描述，對應(yīng)特征點(diǎn)的熱像儀成像焦距用[yq]進(jìn)行描述，損傷特征點(diǎn)空間轉(zhuǎn)換的相位用[φq]進(jìn)行描述，利用下述公式可以計(jì)算低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷二維圖像中鄰域特征點(diǎn)的差值：

[z=z0-mmCsin m] （11）

將[y2q=im2qj]代入到鄰域特征點(diǎn)的差值計(jì)算式中，得到壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷平面圖像的特征映射關(guān)系為：

[μz，a，v=q=1∞cqcos[yqv-y2qij（zcosρq）+φq]] （12）

式中：[j]能夠用來描述低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備不同損傷特征點(diǎn)之間的歐氏距離；[ρq]能夠用來描述低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備的破損區(qū)域面積。

根據(jù)傅里葉變換相關(guān)理論，可以計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷特征點(diǎn)之間的空間關(guān)系為：

[?w（z，v）?v+w（z，v）??w（z，v）+?r（z，v）?=?w（z，v）=0] （13）

式中：[w（z，v）]能夠用來描述低溫壓力容器多層次紋理映射的特征變化率；[r（z，v）]能夠用來描述不同空間位置特征點(diǎn)的灰度像素值；[?]是特征點(diǎn)的坐標(biāo)。

通過構(gòu)建上述方法低溫壓力容器的多層次紋理映射關(guān)系模型，采用多層次紋理映射方法進(jìn)行損傷特征點(diǎn)提取和檢測。

2.2 低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷的視覺檢測計(jì)算

在建立多層次紋理映射模型基礎(chǔ)上，將低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷特征點(diǎn)輸入到特征映射關(guān)系模型中，利用下述公式可以計(jì)算低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷特征點(diǎn)空間位置關(guān)系：

建立穿透性紋理映射雜質(zhì)區(qū)域，得到裂縫破損區(qū)域和完好區(qū)域的差異的特征信息為：

[Il（n1，n2）=14i1=01i2=01Il-1（2n1+i1，2n2+i2）] （16）

[Jl（n1，n2）=14i1=01i2=01Jl-1（2n1+i1，2n2+i2）] （17）

通過上述處理，實(shí)現(xiàn)了對壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損傷區(qū)域的優(yōu)化檢測。主要的步驟如下：

（1） 建立單面紋理映射模型。利用圖像的仿射不變性進(jìn)行特征匹配，降低低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷區(qū)域的噪點(diǎn)，采用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行紅外主動檢測，在差異性特征約束下，需要根據(jù)低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷的紋理圖像獲取紋理信息特征空間的幾何結(jié)構(gòu)，采用破損區(qū)域的差異性特征描述進(jìn)行三維視覺重構(gòu)，體現(xiàn)壓力容器無損視覺檢測的真實(shí)性。

（2） 建立穿透性紋理映射模型。利用容器設(shè)備的局部輪廓視覺特征進(jìn)行視覺特征點(diǎn)的三維空間重構(gòu)，將圖像融合技術(shù)應(yīng)用到紋理映射中，使獲取的破損低溫壓力容器特征分布在半透明的紅外熱成像像素特征點(diǎn)中，能夠與低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備周圍的環(huán)境融合。

（3） 建立穿透性紋理映射模型。在模型建立過程中，需要將低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備表面的紋理映射到容器的特征點(diǎn)分布的球面上，獲得三維紋理特性，結(jié)合熱激勵源的差異性視覺狀態(tài)特征實(shí)現(xiàn)低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷的視覺重建。

3 實(shí)驗(yàn)分析

通過實(shí)驗(yàn)測試分析驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的低溫壓力容器的無損視覺檢測中的性能，本實(shí)驗(yàn)采用工業(yè)級的極高頻掃描儀進(jìn)行低溫壓力容器化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的主動紅外成像采集，掃描的區(qū)域?yàn)?00 mm[×]300 mm[×]300 mm，主動紅外成像掃描的最小分辨率為2 lp/mm，實(shí)驗(yàn)過程中，首先對同一低溫壓力容器化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在同一位置進(jìn)行多次成像掃描，建立三維視覺低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷模型，得到正常的壓力容器加熱0 s和60 s時(shí)的視覺檢測圖像，以及存在損傷狀態(tài)下的壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備加熱到0 s和60 s的視覺檢測圖像如圖3～圖6所示。分析上述檢測結(jié)果得知，采用本文方法進(jìn)行低溫壓力容器無損視覺檢測，能準(zhǔn)確檢測到損傷特征點(diǎn)，在加熱60 s后，對損傷點(diǎn)的定位精度較好。圖7給出了不同方法進(jìn)行檢測的精度對比，分析對比結(jié)果得知，本文方法進(jìn)行壓力容器的無損視覺檢測，誤差能在較小的迭代次數(shù)下收斂到最小值，計(jì)算步數(shù)中收斂速度比傳統(tǒng)的方法快30%以上，檢測的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較好。

4 結(jié) 語

本文提出一種基于高速主動紅外視覺成像分析的低溫壓力容器的無損視覺檢測方法。對低溫壓力容器的破損、磨損、裂縫等部位進(jìn)行紅外熱成像的三維視覺重建，采用多層次紋理映射方法進(jìn)行損傷特征點(diǎn)提取和檢測，將低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷特征點(diǎn)輸入到特征映射關(guān)系模型中，結(jié)合熱激勵源的差異性視覺狀態(tài)特征實(shí)現(xiàn)低溫壓力容器實(shí)驗(yàn)設(shè)備損傷的視覺重建。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，采用本文方法進(jìn)行低溫壓力容器的無損視覺檢測的準(zhǔn)確性較高，對損傷點(diǎn)的定位精度較好，性能優(yōu)越。

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