基于MultiDIC的多相机全域储罐变形检测系统.pdf

化工机械2023 年化工机械DOI:10.20031/ki.0254鄄6094.202304004基于 MultiDIC 的多相机全域储罐变形检测系统徐海丰1李晓鹏1刘祥彪1李伟1商海2马新安3渊1.东北石油大学机械科学与工程学院曰2.东华大学机械工程学院曰3.华东理工大学机械与动力工程学院冤摘要基于多相机三维数字图像相关技术渊MultiDIC冤搭建储罐全域变形检测系统袁并在实验环境下对储罐模型进行基础沉降检测以及倾斜度和椭圆度的测量遥 通过与实测数据对比袁并进行误差分析袁为实现储罐全域尧全自动在线检测提供新的方法和思路遥关键词储罐变形检测3D鄄DIC多相机全域检测中图分类号TQ053.2文献标识码A文章编号0254鄄6094渊2023冤04鄄0456鄄10基金项目院黑龙江省重点研发计划渊GZ20210122冤曰东北石油大学青年基金项目渊2019QNL鄄16冤遥作者简介院徐海丰渊1987-冤袁讲师袁从事石油装备无损检测技术研究袁遥引用本文院徐海丰袁李晓鹏袁刘祥彪袁等.基于 MultiDIC 的多相机全域储罐变形检测系统咱J暂.化工机械袁2023袁50渊4冤院456-465.立式储罐是我国重要的石化能源储存设备袁在生产运行过程中袁由于受自身材质尧介质重量及外界环境等因素的影响袁造成其基础发生不均匀沉降尧罐壁发生不同程度的几何变形袁给储罐安全带来巨大的隐患咱1暂遥因此袁从国家层面和石油天然气行业分别推出国家标准咱2暂和行业标准咱3袁4暂来规范立式储罐在建造和使用过程中的几何变形检测遥目前工程上的检测方法有全站仪法咱5暂尧光学参比线法咱6暂尧爬壁机器人技术咱7暂尧三维激光扫描技术咱8暂等袁虽然具有较高的精度袁但是机动性差尧效率低袁同时存在安全风险高尧数据计算量大等问题袁不便于日常巡库检测遥随着机器视觉技术的快速发展和不断成熟袁利用相机采集的图片数据来构造三维模型逐渐成为可能咱9暂遥 董帅等利用三维数字图像相关法渊3D鄄DIC冤实现了复杂口腔印模的三维重构咱10暂袁张贵阳等通过优化被测物体与多相机网络之间的位置和姿势参数袁进一步提高了三维变形全场测量的精度咱11暂遥 储罐变形检测方面袁陶金等首次基于双目立体成像原理搭建了储罐形变检测系统袁通过与三维激光扫描仪测量对比袁验证了双目成像系统在储罐变形检测中的可行性咱12暂遥 然而双目成像无法实现储罐全域检测袁尽管可以通过相机滑轨对图像进行拼接袁 但无法避免引入定位误差袁降低检测精度遥 为此袁笔者基于多相机三维数字图像相关技术搭建储罐全域变形检测系统袁并在实验环境下对储罐模型进行基础沉降检测尧倾斜度和椭圆度的测量袁 最后通过与实测数据对比袁进行误差分析袁为实现储罐全域尧全自动尧在线检测提供新的方法和思路遥1多相机全域MultiDIC原理为了实现全域三维建模和测量袁SOLAV D等提出了多相机的MultiDIC算法咱13暂袁该算法解决了相机对之间的定位矫正和三维图像拼接的问题遥目前袁MultiDIC算法已成功应用于材料力学咱14袁15暂和生物力学咱16袁17暂等领域遥1.1双目相机3D鄄DIC基本原理双目相机3D鄄DIC是实现MultiDIC的基础袁而3D鄄DIC首先由LOU P F等咱18暂提出袁其基本原理咱1921暂渊图1冤是将双目立体视觉原理咱2225暂渊图2冤与数字图像相关匹配技术相结合遥 通过立体相机对从不同角度查看关注区域渊Region of Interest袁ROI冤袁拍摄参考配置和当前所需配置的一系列图像袁还原被测物表面各点变形前后的三维空间坐标袁进而得到物体表面形貌及三维变形信息遥 已有研究工作者对3D鄄DIC测量的准确性进行了评估咱2629暂袁结果表明该技术能够实现对实体表面的位移和应变高精度的非接触测量遥456第 50 卷第 4 期化工机械化工机械图13D鄄DIC原理图图2双目视觉原理图相机成像通常采用针孔相机模型袁 通过对4个坐标系的变换袁可将世界坐标系中一点P渊x袁y袁z冤映射为像素坐标系上一点I渊xp袁yp冤袁即院xp=fxR11x+R12y+R13z+TxR31x+R32y+R33z+Tz+Cxyp=fyR21x+R22y+R23z+TyR31x+R32y+R33z+Tz+Cy渊1冤其中袁Rij渊i袁j=1袁2袁3冤与Tx袁Ty袁Tz分别表示变换的旋转矩阵和平移矢量曰Cx袁Cy分别表示像素坐标系下的光心横纵坐标曰fx袁fy分别表示横纵方向的每毫米焦距所对应的像素遥可整理为院xp=L1x+L2y+L3z+L4L9x+L10y+L11z+1yp=L5x+L6y+L7z+L8L9x+L10y+L11z+1渊2冤其中袁Lj渊j=1袁2袁噎袁11冤为相机隐参数渊DirectLinear Transformation袁DLT冤遥通过建立像素点坐标与世界坐标的直接线性关系袁用最小二乘法计算出相机的内外参数的过程袁也就是相机标定的过程袁标定所得参数可为后续的三维重建提供必要条件遥 需要注意的是袁这里采用的相机模型是一个理想化的无畸变模型袁在使用高失真或低质量镜头时袁该模型的精度难以得到保证袁因此常常需要对相机进行畸变矫正遥由式渊2冤可知袁在标定完成后袁仅凭像素坐标系上一点依然无法求解该点对应的三维坐标袁但若知道该点在另一像素坐标系上的对应关系袁则可以建立约束进而确定该点的位置袁这也是双目立体视觉的基本原理遥1.2多相机全域MultiDIC工作原理笔者采用MultiDIC开源算法对多相机对图像进行全域融合遥 MultiDIC核心的数字图像相关的搜索匹配算法采用经典的DIC开源代码Ncoor咱30暂遥MultiDIC算法的工作流程如图3所示院第0步袁通过棋盘格标定获得相机的畸变参数 渊非必须步骤袁已进行相机畸变标定的可以跳过此步冤曰 第1步袁固定相机对三维标定物拍照袁 计算得到相机的图3MultiDIC算法流程457化工机械2023 年化工机械DLT参数曰第2步袁使用Ncoor工具包计算每个相机拍到ROI的位移和应变曰第3步袁通过第2步的计算结果与第1步的相机DLT参数和第0步的相机畸变参数相结合袁 对每组相机对的图像重构三维点云袁结合表面融合算法得到被测物体整体三维云图曰第4步袁结合第3步的三维云图计算被测物体整体的位移和应变并将结果可视化遥2多相机全域储罐变形检测系统存储石油化工产品的立式储罐袁由于存储介质的易燃易爆有毒等危险属性袁储罐的运行和维护过程都受到严格管控遥 因此袁在实验环境下搭建多相机全域储罐变形检测系统遥2.1实验平台储罐变形检测系统包括储罐模型尧多相机阵列尧灯光照明以及固定支架袁如图4所示遥图4多相机全域储罐变形检测系统2.1.1储罐模型笔者共准备了3台储罐模型袁如图5所示遥 图5a为圆筒标定罐渊准360 mm伊400 mm冤袁用于相机的立体标定袁确定相机在三维空间中的位置遥 图5b为均布散斑的钢制圆筒罐渊准360 mm伊400 mm冤袁与标定罐一样袁均为标准圆筒袁用于储罐沉降和倾斜度等刚性位移的测量实验遥 图5c为塑料板焊接的储罐模型渊准370 mm伊260 mm冤袁由多块PE塑料板材焊接而成遥 由于采用手工热熔焊接袁罐体并非标准圆筒袁存在一定的椭圆度遥 而采用塑料材质袁在加入一定高度的水之后罐体会容易产生变形遥 因此该塑料储罐模型用于不同液位的椭圆度测试遥 为使储罐具备足够的特征信息袁对储罐表面进行哑光处理袁并利用散斑印章法与马克笔标记法在储罐罐壁上制作随机散斑遥2.1.2工业相机文中所选用的相机来自杰瑞微通电子科技公司所生产的USB工业相机 渊HF899冤袁 焦距为2.8 mm袁视场角为90毅袁分辨率为1920伊1080遥 采用8个相机等间距环绕布置袁 相机之间夹角为45毅袁分布位置如图4a所示遥2.1.3灯源及支架支架选用角钢材料袁横向角钢分别位于平台图53种储罐模型458第 50 卷第 4 期化工机械化工机械下部和中部袁 下部横向角钢用于搭载摄像头袁中部横向角钢用于固定灯带遥 灯带采用长为7 m的LED灯带袁 为系统提供稳定光源袁 解决环境光干扰袁确保图像的稳定性遥2.2相机标定2.2.1单相机畸变矫正由于相机存在畸变且无法忽略袁因此每个相机都需要用棋盘格进行畸变矫正咱31暂遥 棋盘格中的每个格子为20 mm伊20 mm正方形袁 格子阵列10伊7遥 标定时固定相机位置袁以不同方向尧不同倾角尧不同距离移动标定板袁拍摄25张标定照片遥 图6为1号相机进行棋盘标定时所获取的照片遥 经由MATLAB标定工具箱的角点提取袁 通过单应矩阵计算出相机内参与畸变参数遥 8个相机分别进行这一步骤袁最终得到各个相机的畸变参数用于后续畸变矫正遥图6相机标定2.2.2多相机立体标定为实现储罐的全域检测袁 采用圆柱标定罐渊图5a冤对相机内外参数进行立体标定咱32暂袁从而在同一个三维坐标系中识别8个相机的坐标和姿态遥 圆柱标定罐的罐壁均匀排布控制点矩阵袁控制点矩阵为26行111列袁点阵间距为10 mm遥将标定罐置于检测系统中央袁调整标定罐位置与相机位置袁使标定罐位于各相机视场角范围之内袁如图7a所示遥 进行图像采集后袁利用标定程序捕捉控制点位置渊图7b冤袁求解出各相机的内外参数和DLT参数袁 最后根据控制点捕捉统计误差渊图7c冤来确定系统是否满足检测精度要求遥图7立体标定过程459化工机械2023 年化工机械3储罐变形检测实验及分析根据相关国家标准咱2暂和行业标准咱3袁4暂袁储罐变形检测主要包括基础沉降检测袁储罐倾斜度和椭圆度检测遥 因此袁分别设计3个实验来验证多相机全域储罐变形检测系统的可行性和准确性遥3.1储罐基础沉降检测实验储罐在使用过程中袁由于物料介质的循环输入尧输出袁造成基础在垂直方向上产生沉降遥 针对此袁设计了储罐基础沉降实验方案遥 首先袁将均布散斑的标准钢制圆筒罐放置于实验平台中央袁并在圆筒罐下方放置两块10 mm厚的标准试块作为其基础袁如图8a所示遥调用python鄄opencv自编程序控制8台相机进行散斑图像批量采集袁经MATLAB平台的MultiDIC程序对多相机照片进行计算和分析袁获得圆筒罐的初始三维云点图袁如图8b所示遥 然后袁依次去掉两个试块袁并对圆筒罐进行拍摄和MultiDIC计算袁分别获得沉降10 mm和20 mm储罐沉降位移云图渊图8c尧d冤遥 提取图8c尧d中的位移云图数据袁 分别计算各点位移平均值袁得到第1次沉降量为9.84 mm袁 第2次沉降量为19.61 mm遥由此计算得到两次基础沉降测量的相对误差分别为1.60%和1.95%遥 由此可见袁多相机全域检测系统对储罐垂直方向位移的检测具有较高精度遥图8储罐沉降检测实验460第 50 卷第 4 期化工机械化工机械3.2储罐倾斜度检测实验当储罐发生倾斜时袁罐壁一侧受力情况发生变化袁导致罐壁承压不均匀袁加速储罐变形袁从而引起重大的安全事故和财产损失遥 因此袁储罐倾斜度测量是储罐年度检查的重要内容之一遥 图9a为储罐倾斜度检测实验平台袁其中虚线AB为底圆的直径遥 在B点下方放置20 mm厚度的垫块袁通过钢尺测量抬升高度BC为21 mm遥 此时袁罐体发生倾斜袁 罐底圆心O和罐顶圆心O忆连线OO忆与z轴线的夹角琢即为倾斜度袁如图9b所示遥图9b中的琢也可通过B点抬升高度与直径AB比值的反三角函数来计算渊图9c冤院琢=arcsin渊BCAB冤渊3冤根据式渊3冤袁求得琢=3.33毅遥为了方便跟踪B点位移袁将B点设置为标记点袁经过MultiDIC计算袁得到储罐倾斜前和倾斜后的位移云图 渊图10冤遥 由图可以看出袁B点坐标由渊190.70袁17.08袁39.74冤 变为渊184.90袁16.68袁60.39冤袁其中x袁y的坐标也发生微小变化袁 可能在调整罐体倾斜度时发生微小转动造成遥 z轴坐标则由39.74 mm增加到60.39 mm袁增加了20.65 mm遥根据式渊3冤袁求得琢=3.27毅袁与实测值之间的相对误差仅1.83%遥图9储罐倾斜度测量实验3.3储罐椭圆度检测实验钢制立式储罐一般由多层环形钢板焊接而成袁其整体形变受径向约束袁在焊缝处往往留存有一定的焊接残余应力遥 在生产过程中随着物料图10储罐倾斜实验位移云图461化工机械2023 年化工机械循环进出袁罐壁应力重新分配袁导致其逐渐变化为近似椭圆形的容器袁通过分析储罐椭圆度可以掌握其径向变形程度遥 椭圆度e的公式为院e=渊a-b冤/d0渊4冤式中a要要要储罐长轴曰b要要要储罐短轴曰d0要要要储罐公称直径遥随着罐内液位的增加袁其罐壁承受压力随之会增加袁储罐的椭圆度也将发生变化遥 因此袁分别进行0%尧45%和90%液位下的椭圆度测试遥 为了保证储罐存在一定椭圆度袁选用图5c所示的塑料板焊接储罐模型遥 将储罐模型放置在相机阵列中央袁如图4b所示袁然后分别针对不同液位下的储罐模型进行拍照袁经MultiDIC计算袁分别获得0%尧45%和90%液位下的三维位移云图渊俯视冤如图11所示遥图11不同液位下的储罐模型位移云图渊俯视冤通过对储罐点阵坐标数据分析和计算袁获取储罐模型不同液位下的长轴与短轴数值袁并根据式渊4冤计算其椭圆度袁结果列于表1遥 由表1可知袁随着液位增加袁长轴不断缩短袁短轴不断加长袁其椭圆度不断降低遥 这表明袁随着液位增加储罐模型更趋于标准的圆遥045渊-171.70袁-55.62冤渊-169.20袁-55.95冤渊204.50袁40.18冤渊199.70袁39.92冤渊60.13袁-171.70冤渊59.79袁-176.00冤渊-21.12袁171.80冤渊-21.80袁172.40冤90渊-166.40袁-52.48冤渊194.60袁40.21冤渊60.08袁-178.20冤渊-22.60袁173.80冤388.20381.15372.70352.97357.82361.579.786.483.09液位/%坐标/渊mm袁mm冤长轴mm短轴mm椭圆度%长轴点1长轴点2短轴点1短轴点2表1椭圆度实验值渊多相机全域测量系统冤对不同液位下的储罐模型位移云图数据进行拉格朗日应变计算袁获得不同液位下的应变云图袁如图12所示遥 由图可知袁罐壁承受内压的情况下袁应变主要集中在焊缝处袁这是因为焊缝为不连续结构袁 不管是材质还是厚度都与母板不同袁容易造成应力集中遥 同时也发现环尧纵焊缝交接462第 50 卷第 4 期化工机械化工机械045渊386.02袁349.34冤渊381.04袁355.58冤渊388.14袁351.28冤渊380.24袁356.64冤渊387.06袁350.64冤渊381.38袁361.34冤渊387.08袁350.88冤渊380.06袁353.64冤90渊374.46袁364.58冤渊376.34袁362.46冤渊375.48袁362.42冤渊375.28袁365.26冤387.08380.01375.39350.54356.80363.6810.156.453.25液位/%渊长轴袁短轴冤多次测量值/渊mm袁mm冤椭圆度%第1次第2次第3次第4次平均值/mm长轴短轴处的应变集中区域要明显高于其他位置遥图12不同液位下储罐模型的应变云图为了验证储罐椭圆度的测量精度袁同时采用高精度加长爪游标卡尺渊量程0500 mm袁爪长200 mm冤 对储罐模型的长轴与短轴进行多次测量袁求取平均值袁并根据式渊4冤计算储罐椭圆度袁列于表2中遥 将不同液位下多相机测量储罐椭圆度和游标卡尺测量储罐椭圆度绘于图13进行对比袁发现两者的计算结果非常接近袁最大相对误差为4.92%袁测量精度在工程可接受范围之内遥表2椭圆度实测值渊长爪游标卡尺测量值冤图13储罐椭圆度对比图由于多相机拍照和MultiDIC计算过程都是通过计算机编程自动完成袁该系统能实现储罐在线几何变形检测袁对于大型尧易燃尧易爆尧有毒介质的储罐几何变形检测尤为重要遥 该系统不仅能节省劳动成本袁同时也可以避免检测人员和设备进入罐区施工而带来的潜在风险遥 与现有的全站仪法和三维激光扫描法相比袁该检测系统能够实时监测储罐变形状况袁尤其是进出料过程不同液位所造成的罐壁变形和基础沉降袁 及时发现危险袁保障储罐安全运行遥4结论4.1多相机全域储罐变形检测系统能够对储罐463化工机械2023 年化工机械模型进行360毅全域三维重建袁 利用数字图像相关渊DIC冤算法能够实时追踪储罐表面点阵的实际位移袁对储罐的整体分析有很好的参考价值遥4.2在实验环境下袁储罐模型垂直位移相关的基础沉降检测误差为1.95%袁 旋转角度相关的倾斜度检测误差为1.83%袁 几何尺寸相关的椭圆度检测误差为4.92%遥 该系统针对储罐变形检测误差均控制在5%范围内遥4.3该系统能够计算并显示不同液位 渊或工况冤下罐壁应变分布袁发现罐壁焊缝存在应变集中现象袁环尧纵焊缝交接处尤为严重遥 罐壁全域应变测量有助于实现罐壁的应力分析袁对储罐的安全监测具有重要意义遥4.4该系统能够实现对储罐的全域尧 全自动尧非接触尧在线变形检测袁在节省劳动成本的同时可以避免检测人员和设备进入罐区施工而带来的潜在风险遥 对于大型尧易燃尧易爆尧有毒介质的储罐变形检测尤为重要遥参考文献咱1暂冯萌袁郭巍.大型储罐几何形体变形检测方法的研究与应用咱J暂.工程勘察袁2016袁44渊6冤院74-78.咱2暂中华人民共和国住房和城乡建设部.立式圆筒形钢制焊接储罐施工规范院GB 50128要2014咱S暂.北京院中国计划出版社袁2014.咱3暂石油工业油气储运专业标准化技术委员会.油罐的检验尧修理尧改建及翻建院SY/T 6620要2014咱S暂.北京院石油工业出版社袁2014.咱4暂石油工业油气储运专业标准化技术委员会.立式圆筒形钢制焊接油罐操作维护修理规程院SY/T 5921要2011咱S暂.北京院石油工业出版社袁2011.咱5暂廉聪珍.关于立式罐容量计量全站仪法量传与测距准确度实验咱J暂.中国计量袁2016渊10冤院107.咱6暂魏进祥袁杨天富.用光学参比线法标定立式圆筒形油罐容积咱J暂.石油炼制与化工袁1995袁26渊7冤院57-59.咱7暂徐泽亮袁马培荪袁高雪官.基于爬壁机器人技术的油罐容积测量新方法的研究 咱J暂.机械科学与技术袁2003袁22渊3冤院348-350.咱8暂祁志江袁张柱柱袁焦光伟袁等.基于三维激光扫描技术的油罐变形检测方法 咱J暂.油气储运袁2018袁37渊1冤院74-79.咱9暂乔杰袁郭隽菡袁兰天亮.利用照片建模技术重建文物的三维数据模型咱J暂.文物保护与考古科学袁2011袁23渊1冤院68-71.咱10暂董帅袁戴云彤袁董萼良袁等.应用多相机三维数字图像相关实现口腔印模三维重构 咱J暂.光学学报袁2015袁35渊8冤院167-172.咱11暂张贵阳袁霍炬袁杨明袁等.多相机网络联合约束优化的高精度三维变形全场测量 咱J暂.光学精密工程袁2021袁29渊7冤院1653-1666.咱12暂陶金袁焦光伟袁管金发袁等.双目成像系统在油罐形变检测中的可行性研究 咱J暂.当代化工袁2019袁48渊12冤院2948-2952.咱13暂SOLAV D袁MOERMAN K M袁JAEGER A 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Mechanical and Power Engineering袁East China University of Science and Technology冤AbstractBased on multi鄄camera three鄄dimensional digital image correlation technology 渊MultiDIC冤,the full鄄field deformation detection system for the storage tank was built and the foundation settlement,inclination,andellipticity of the tank model were measured in the experimental environment.The error analysis carried out bycomparing with the measured data provides a new method and idea for realizing full鄄field,online auto鄄detectionof the storage tanks.Key wordsstorage tank袁 deformation detection袁 3D鄄DIC袁 multi鄄camera袁 full鄄field detection465