雙目成像系統在油罐形變檢測中的可行性研究

陶金 焦光偉 管金發

摘 ? ? ?要： 油罐形變一直是油料存儲過程中的一大隱患，當前對油罐形變的檢測方法有圍尺法、光學垂準線法和全站儀法，但圍尺法工藝繁瑣費時費力，光學垂準法和全站儀法儀器較為昂貴，一般油庫很難裝配。隨著圖像建模技術的發展，圖像建模因其設備便宜、采集數據便利等優點，現已應用于房屋測量、古跡修復等領域。采用了圖像建模中的雙目成像系統對油罐進行測量，并以三維激光掃描儀測量同一油罐形成對照組，分別對油罐的容積、橢圓度、傾斜度等形變參數進行對照分析 ，驗證雙目成像系統應用于油罐形變檢測中的可行性。

關 ?鍵 ?詞：雙目成像;油罐形變;可行性

中圖分類號：TE821 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2019）12-2948-05

Abstract： The deformation of oil tanks has always been a major hidden danger in the oil storage process. At present， the methods for detecting the deformation of oil tanks include the sidebar method， the optical vertical line method， and the whole station instrument method. However， the process of the sidebar method is cumbersome， time-consuming， and laborious. The optical vertical method and the whole station instrument method are more expensive. With the development of image modeling technology， image modeling is now applied to the fields of house measurement and historic site restoration because of its cheap equipment and convenient data collection. In this paper， the binocular imaging system in image modeling was used to measure oil tanks. Three-dimensional laser scanner was used to measure the formation control group of the same oil tank. The factors， such as volume， ellipticity， inclination of the oil tank， were compared and analyzed to verify the feasibility of binocular imaging system in the deformation detection of oil tank.

Key words： Binocular imaging; Tank deformation; Feasibility

大型立式油罐是我國儲油的重要設備，主要用多節環形鋼板焊接而成，在油罐儲油的過程中，由于罐基礎不規則沉降、管壁受壓不均等原因，油罐會發生不同程度的變形，而這些因素都是影響油庫安全的重要隱患，因此在油庫巡檢過程中我們需要不定時觀測油罐的變形情況。當前常規的檢測方法主要有圍尺法[1]、光學參比法[2]、激光掃描技術[3]、光學三角法、爬壁機器軌跡法[4]等，雖然上述方法都較為精確，但卻存在儀器價格昂貴、測量工作繁瑣、數據龐大等缺點，不便于日常巡庫檢測。

當前隨著照片建模技術的不斷發展，利用照片采集數據構成較為簡單的三維模型成為了可能[4-5]，其高速性與便捷性更是其近幾年逐步興起的主要原因。本文主要是利用雙目立體成像原理[5-10]獲取布設在油罐外壁的特征點的空間坐標，再將多幅圖像中的特征點整合在同一坐標系下，根據每一板圈的特征點坐標對油罐容積、橢圓度、油罐傾斜度等參數進行計算，進而評估油罐的變形情況，最后與三維激光掃描儀所得到的數據做對比，進行誤差分析，從而探究雙目成像技術在油罐形變檢測工作中的可行性，為下一步油庫快速檢測提供一些方法和思路。

1 ?雙目成像系統原理與油罐模型

1.1 ?雙目立體視覺原理

雙目立體視覺原理是利用兩個已標定相機從不同視角對同一物體進行拍攝，再利用圖像中的投影關系還原出其三維坐標的辦法。為講解方便我們引入世界坐標（Xw，Yw，Zw），相機坐標（Xc，Yc，Zc），圖像坐標三個坐標系（X，Y，0）三個坐標系[11]（見圖1），世界坐標為雙目成像系統的整體坐標系，在該坐標系下同一組別的油罐特征點上的坐標值唯一;相機坐標是以拍攝相機中心為原點設置的坐標系，油罐上同一特征點在不同的相機坐標系下，其坐標值不同;圖像坐標是以投影面為原點所設置的坐標系，是油罐特征點投影到相片的二維坐標值。

1.2 ?油罐模型假設

因為油罐的形變復雜多樣，罐內受壓不均、地基沉降、銹蝕都會不同程度的影響著油罐的形狀，本文目的是為了驗證雙目成像系統在油罐形變初步檢測中是否可行，為得到明顯的對比數據，同時方便處理數據，本文做出如下簡化：

（1）油罐罐體因壓力原因由正圓形向多邊形轉化，但其變化不大可近似用擬合圓代替。同一板圈層的罐體近似為擬合圓柱體。

（2）本文設置特征點數目較少，其所得數據為離散數據，因此假設油罐形變為連續形變。

（3）兩種實驗都是外測法，用油罐的體積近似油罐的容積，不考慮油罐壁厚和附件的容積影響。

2 ?實驗的相關流程與數據采集

本文設置實驗組與標準組，以雙目成像系統為實驗組，三維激光掃描儀為標準組。三維激光掃描儀，具有更高的測量精度，并經多次實驗確定對油罐測量的體積誤差僅為0.002 3%，因此本文將三維激光掃描儀的數據設定為標準組，用以分析實驗組的數據誤差。

2.1 ?實驗的相關流程與數據采集

2.1.1 ?實驗器材

本文以某500 m3的油罐為測量對象，其直徑為9 m，高8.8 m，由七層圓環鋼板（每圈約1.25 m）焊接而成。在每層板圈上每間隔2 m貼上黑色圓形標志作為該油罐的特征點，根據拍攝距離和相機焦距、畫幅等因素確定，選取特征點半徑為3 cm，共98個。拍攝臺架由三腳架、QH60C滑軌、Q02云臺、Bosch GLM4000測距儀（因雙目測距無需知道相機離被測物的距離，該測距儀僅用于校正相機拍攝線與標定靶的正交關系），尼康D7000相機一臺，傳感器尺寸23.6×15.6 mm2，定焦18 mm。因為雙目成像需要兩臺相機在不同的位置對目標目進行拍攝，本文利用單臺相機在滑軌上滑動10 cm的固定距離實現拍攝所需要求。云臺與測距儀組合成正交標定校核裝置，控制相機拍攝線與標定靶正交;利用三角架、滑軌、相機自帶的水平儀控制拍攝的水平。

2.1.2 ?實驗流程

選定8個方位對油罐進行拍攝，因不同圖像中需要有共同的參照物，同時考慮到不同位置的外參不同，需重新標定相機，為實驗方便直接選取標定靶充當參照物，共設置8個0.21×0.21 m2的張友正標定靶，每個靶間隔45°，拍攝時相機拍攝線正交于標定靶，與逆時針方向移動相機臺架，對應每個標定靶分8個方位進行拍攝。

2.2 ?標準組器材及相關流程

2.2.1 ?實驗器材

以相同油罐作為測量對象，不用設置特征點。利用PENTAX S-3180V 三維激光掃描儀做對照組，PENTAX S-3180V測量范圍為0.3～187 m，分辨率為0.1 mm，光斑發散度小于0.3 mrad，最小光斑直徑3.5 mm。垂直視野范圍為 320°，分辨率為 0.0004°，精度為 0.007° rms;水平方向由基座控制旋轉，水平視野范圍為 360°，分辨率為 0.0002°，精度為 0.007° rms。

2.2.2 ?實驗流程

選定四個方位對油罐測量，每個站點之間設置3個標定靶（共12個）進行拍攝，3個標定靶呈銳角三角形放置，拍攝時以掃描儀自帶水平校訂控制拍攝水平，獲取三維點云數據。

3 ?數據處理與誤差分析

3.1 ?實驗組的數據處理

在上述實驗獲取8個不同方位的圖片后，利用張正友標定法[12]和python-opencv軟件實現對相機內外參數的標定[13-16]，獲得不同照片的內外參數矩陣，進而計算出每張圖片中的各自特征點以及相鄰45°標靶上的空間點的坐標。

同一空間點可以通過旋轉平移，從一個世界坐標系下轉化到另外一個世界坐標系下，兩組圖片中同一標靶上的多組空間點可以視為多組同一空間點在不同世界坐標系下的投影，其所對應的世界坐標可相互轉化，利用matlab軟件反解出公式：

中兩兩相鄰坐標系各自所對應的R，T參數，再根據R，T參數依次將所有圖片的特征點整合到同一世界坐標系下，即完成特征點的整合，整合后的油罐特征坐標見表1（因坐標點較多，僅列出底層，第一層的坐標點數據）。

完成油罐特征點坐標整合后，接下來利用油罐特征點的空間點坐標對油罐的油罐容積、橢圓度、傾斜度等參數進行計算，進而評估油罐的變形情況。

3.2 ?標準組的數據處理

因三維激光掃描儀每次掃描可以得到幾百萬甚至上億（根據掃描精度決定）的油罐壁點空間坐標，由于獲得的云點數據過于龐大，因此將油罐按0.02 m罐高進行切片，劃分為0.02 m高的小圓柱體，并參照雙目成像系統中設置的特征點的高差進行計算，從而得到與雙目成像系統對應高差下的每個圓柱體積、橢圓度以及傾斜度[17-19]。

3.3 ?油罐容積計算與對照組數據對比

油罐是利用環形鐵板逐圈焊接而成的金屬薄壁容器。在使用過程中，因罐內液體液位的變化，油罐的管壁的受力情況也在不斷變化，加之其他外界因素，油罐已經不能在視為標準的正圓容器[20]。因此我們利用每圈的特征點進行擬合圓計算得出每圈特征點的擬合圓心（x0，y0，z0），其擬合圓的半徑為：

標準組將油罐切片劃分成0.02m高的小圓形切片，雙目成像系統特征點高差進行統計，得到每層切片的體積，并根據雙目成像系統設置的特征點高差，對圓柱體體積進行累加，得到各個板圈圓柱體的體兩者數據比較見表2。

總體來看，實驗組數據和標準組中每一板圈的體積都大致相近。先對數據縱向對比，三維激光掃描儀所測數據中每層板圈的體積數據更加集中，最大差值為4.220 3 m3，雙目成像系統所測數據中每層板圈的體積數據更加離散，最大差值為4.873 3 m3。再對數據進行橫向對比，雙目成像系統相較于三維激光掃描所得數據總體偏大，兩者比較，在同一板圈下，最小體積差值為0.077 1 m3，最大體積差值為2.27 m3，兩者的體積最大誤差率為2.9%;油罐體積總誤差為5.787 m3，體積誤差率為1.04%，根據JJG 168-2005《立式金屬罐容積鑒定規程》規定油罐計量容積的差值不得超過0.2%，實驗組的數據精度相對較低，無法達到油罐容積計量的標準。

因此本文中的雙目成像系統可以反應油罐各個板圈體積變化的趨勢，可以對油罐的容積變化進行相對準確的記錄，但因無法達到計量精度要求，暫時無法成為油罐容積形變的計量依據。

3.4 ?罐體橢圓度計算與對照組數據對比

由于油罐是由環形鋼板焊接而成，其整體的形變受徑向的束縛，導致其逐漸變化為近似橢圓型的多邊型容器，因而為了解其徑向形變的程度，可以通過分析橢圓度來掌握其變形情況。橢圓度的公式為：

對數據進行橫向分析，三維掃描儀所測數據相對集中，且其數值偏差很小，最大數值差為0.48%，說明油罐的形變相對較小;雙目成像系統所測數據更加離散，且數值偏差較大，最大數值差為2.34%。

按照預想，雙目成像系統特征點數量少，無法全面反應出油罐局部的凹凸情況，而三維掃描儀因其數值點較多，其能更好的反應油罐的局部凹凸情況，因此雙目成像系統橢圓度應小于三維掃描儀。但實驗結果卻完全相反，考慮其原因，是雙目成像的精度影響到了油罐局部的凹凸度的判斷。根據三維激光掃描儀所測得數據，油罐的平均半徑約為4.496 m，雙目成像系統的相機的感應器的像素點為3 264×4 928，在15 m的測量距離測試下，每一個像素點所代表的實際距離為0.003 9 m，因拍攝模糊、相機放置角度等因素，選取多組油罐照片進行同一位置直徑對比，其產生的最大誤差為 13個像素點，約為0.050 7 m，其對應的橢圓度誤差為0.564%;加之相機鏡頭畸變的影響，本文的雙目成像系統精度已經無法準確的反應油罐的橢圓度。要想得到油罐的橢圓度，還應該從減小拍攝距離、提高相機的感應器分辨率、減小鏡頭畸變等方面提高雙目成像的精度。

3.5 ?油罐傾斜度計算與對照組數據對比

根據上述數據可以看出傾斜度的誤差相對較小，最大誤差是0.2265°，總的傾斜趨勢，大致相同，說明雙目成像系統可以很好的反應出油罐的傾斜程度。

4 ?結論

本文通過相機對油罐的拍攝測量，利用雙目成像系統對照片特征點數據進行計算，還原出油罐上空間點的坐標，同時以三維激光掃描儀對同一油罐進行測量，與雙目成像系統形成對照組，分析兩者的體積、傾斜度、橢圓度等參數的誤差后，得到的結論如下：

（1）對比體積、傾斜度參數，雙目成像系統與三維激光掃描誤差較小，并且有共同的傾斜方向，這說明在油罐整體形變的測量中，雙目成像系統還是可以很好的反應油罐的整體形變，對油罐的整體分析有較好的參考價值。

（2）對比橢圓度參數，雙目成像系統因測量精度的原因，無法精準的反應油罐的局部形變信息。如要提高的油罐拍攝精度，可以從減小拍攝距離，提高相機精度的方面對系統進行改變，以獲得更高的局部形變信息。

（3）總的來說，雙目成像系統可以用于油罐形變的檢測，但因本文所用設備限制精度較低，只能對油罐檢測進行提供一些定性的參考，還無法達到規定所要求的定量的標準，要增加測量的精度可以從增加特征點數量、提高拍攝器材的質量方面進行考慮，但同時這樣會增大工作量及器材的費用，因此還需要進一步權衡檢測效率和經濟適用性之間的關系。但隨著技術的不斷革新，雙目成像系統因其便利性、快捷性，勢必能更好的適應新時代的檢測要求。

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