基于雙攝像頭組合成像的鉆孔成像系統(tǒng)

劉放， 楊飛

(武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院， 武漢 430072)

隨著中國經(jīng)濟迅速增長,隧道建設(shè)重心逐漸向西部等地質(zhì)環(huán)境惡劣的地區(qū)偏移,各類大埋深、高海拔隧道將逐步建成，充分了解地質(zhì)情況在隧道建設(shè)、煤礦勘探等領(lǐng)域起著極為重要的作用[1-2]。例如，在川藏線雅安至林芝段地質(zhì)勘探工程中，四川省地礦局項目組曾克服孔內(nèi)涌水量大、水壓高等困難，完成903.28 m的水平取芯鉆孔；在天山勝利隧道地質(zhì)勘探工程中，中交一公局集團項目組進行水平定向鉆長距離取芯探測最長鉆孔距離達2 271 m，因此，在隧道地質(zhì)勘探等任務(wù)中，高地應(yīng)力、高水壓等惡劣的勘探環(huán)境都對地質(zhì)勘探設(shè)備的質(zhì)量提出更高的要求[3]。目前，地質(zhì)鉆探方法包括鉆孔成像法、鉆孔巖芯法等方法。鉆孔巖芯法采集、觀察、分析巖芯，優(yōu)點在于原理簡單、分析方便，但取芯時巖芯易斷裂、巖芯保存維護代價大且難以觀測巖芯中裂隙開度和確定裂隙走向[4]。鉆孔成像法使用攝像頭觀測鉆孔孔壁，能有效克服鉆孔巖芯法的缺點。鉆孔成像技術(shù)自20世紀50年代以來經(jīng)歷了鉆孔照相、鉆孔電視、數(shù)字式全景鉆孔攝像三個階段[5]，其逐步走向數(shù)字化、智能化，并為巖體孔隙結(jié)構(gòu)識別[6]、結(jié)構(gòu)面自動提取[7-8]等技術(shù)奠定基礎(chǔ)，是一種實用的鉆孔勘探技術(shù)。

傳統(tǒng)數(shù)字式全景鉆孔成像探管包含微處理器、深度儀、攝像頭，透明保護罩、電源等。在鉆孔成像勘探工程中，成像探管逐步深入鉆孔，采集孔壁圖像信息并傳輸給上位機程序處理，獲得鉆孔孔壁全景圖。傳統(tǒng)單攝像頭或多攝像頭鉆孔成像方案均要求攝像頭同時獲取同一深度的360°全周孔壁圖像[9-11]，因此探管在攝像頭外安裝360°透明保護罩作為光學(xué)視窗且防止水流、灰塵進入探管。這種結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)成像探管在垂直孔環(huán)境下憑自身重力深入鉆孔，碰壁造成的探管損壞有限，可以在垂直孔勘探工程中安全使用。但隧道勘探等工程通常進行水平定向孔鉆探[12]，水平定向鉆孔常遭遇含水巖層，由于孔內(nèi)水壓高、推桿重量大，因此在實際勘探工程中需要借助鉆機鉆桿將探管逐步推進孔內(nèi)。透明保護罩360°包圍攝像頭的傳統(tǒng)探管在此情況下存在如下問題：由于鉆機推力大且不易調(diào)節(jié)，且探管易阻塞于突出巖壁或碎石，若探管受擠壓則透明防護罩將直接承受外界壓力，存在透明保護罩破裂、水流浸入探管內(nèi)部的風(fēng)險。實際上，在水平鉆孔內(nèi)，即使使用人工推桿推進探管也會出現(xiàn)將透明保護罩撞裂的情況。文獻[13-14]仍使用鉆孔巖芯法進行隧道水平孔地質(zhì)勘探，此方法相較于鉆孔成像法費時費力，且難以觀測鉆孔中裂縫信息。文獻[15-16]對傳統(tǒng)鉆孔成像算法進行改進，能獲得圖像質(zhì)量更好的鉆孔全景圖，但仍然是傳統(tǒng)探管結(jié)構(gòu)，在水平定向孔鉆探工程中存在損壞的風(fēng)險。文獻[17]給出一種超前水平鉆孔成像的裝置，然而對于探管碰撞并無保護手段。文獻[18]為探管增加防碰板，然而當(dāng)探管碰撞孔壁時，雖有防碰板作為緩沖，透明防護罩仍然承受較大壓力，依然存在透明防護罩破裂的風(fēng)險。即現(xiàn)有的鉆孔成像系統(tǒng)[19-20]受限于成像探管結(jié)構(gòu)，無法在水平定向孔勘探任務(wù)中安全使用。

針對上述傳統(tǒng)成像探管在水平鉆孔成像勘探遇到的問題，現(xiàn)提出一種雙攝像頭組合鉆孔成像系統(tǒng)，打破傳統(tǒng)成像方案中透明保護罩360°包圍攝像頭的約束，設(shè)計類“弓”形的探管結(jié)構(gòu)，且使用兩個相機互相彌補被探管壁遮擋的視野，借助雙攝像頭組合成像算法得到兩幅180°鉆孔全景圖并拼接成360°鉆孔全景圖。這樣在生成圖像質(zhì)量良好的同時，可以避免透明保護罩直接承受外界壓力，為水平定向孔成像系統(tǒng)設(shè)計提供新思路。

1 雙攝像頭組合成像原理

由于在水平定向孔鉆探工程中，探管易在鉆機的強外力作用下撞擊孔壁而損壞，提出一種雙攝像頭鉆孔成像探管方案及相應(yīng)的全景成像算法，探管成像原理如圖1所示。探管外壁上2個相反方向側(cè)面各挖出1個半圓柱缺口用作相機的拍攝窗口，保留部分做支撐結(jié)構(gòu)承受探管前后端壓力。由于每個相機視野受探管壁遮擋，只能采集180°鉆孔圖像，因此使用兩個攝像頭，視野范圍合計覆蓋360°鉆孔孔壁，并提出一種雙攝像頭組合成像算法，算法由單攝像頭鉆孔成像算法與180°全景圖拼圖算法組成。

圖1 雙攝像頭組合成像原理圖Fig.1 Imaging principle of integral imaging of dual-camera

1.1 單攝像頭鉆孔成像

對于單攝像頭鉆孔成像，已有大量研究取得良好效果[21-23]。單攝像頭鉆孔成像原理為從原始圖像中取圓環(huán)區(qū)域，根據(jù)圖像像素點與真實孔壁的映射關(guān)系，將此圓環(huán)圖像映射為孔壁矩形圖像，隨著勘探任務(wù)進行，將相鄰的孔壁矩形圖像配準、拼接，最終得到鉆孔孔壁360°全景圖。本系統(tǒng)單攝像頭鉆孔成像亦符合上述原理，區(qū)別在于本系統(tǒng)單個相機只采集180°井壁圖像，映射公式為

xc=Ox-(Rmax-y)sin(?x)

(1)

yc=Oy-(Rmax-y)cos(?x)

(2)

(3)

wimg=(Rmin+Rmax)π/2

(4)

himg=Rmax-Rmin

(5)

式中：(x,y)表示孔壁矩形圖像中任意一點像素坐標;(xc,yc)表示圓環(huán)圖像中與(x,y)對應(yīng)的像素點坐標;(Ox,Oy)表示圓環(huán)圖像中圓心的坐標;Rmax為圓環(huán)圖像的外徑；Rmin為圓環(huán)圖像的內(nèi)徑；wimg、himg為孔壁矩形圖像的寬和高。根據(jù)映射公式可將孔壁圓環(huán)圖像映射為孔壁矩形圖像，再經(jīng)過圖像匹配、圖像拼接得到180°鉆孔全景圖。

1.2 180°全景圖拼圖算法

由于本系統(tǒng)包含兩個攝像頭，且單個攝像頭只采集180°孔壁圖像，則在完成180°全景圖拼接后還需將兩幅180°全景圖拼接成360°全景圖。

記兩攝像頭生成的180°全景圖分別為I1與I2，由于兩攝像頭在探管上處于不同高度，所以I1與I2在同一圖像高度下并不對應(yīng)同一鉆孔孔壁高度，為了將兩幅180°孔壁全景圖拼接成360°孔壁全景圖，本系統(tǒng)需求取I1與I2由探管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的圖像高度偏移Δh。需注意，兩攝像頭位置相對固定，在理想狀況下Δh為一固定值。但在實際勘探工程中，光照、探管抖動等因素會影響180°全景圖的拼接質(zhì)量，即同一段孔壁映射在I1與I2上的圖像高度存在較小的差別，若以固定的Δh拼接I1與I2，則誤差必將累計。所以，為降低誤差干擾，求取I1與I2的圖像高度偏移Δh極為必要。本系統(tǒng)借助圖像拼圖算法的思想計算圖像高度偏移Δh。圖像拼圖算法從散亂的圖像碎片方塊中恢復(fù)完整圖像，原理為根據(jù)圖像碎片方塊邊界的像素值計算每兩個方塊之間的匹配度，匹配度表示此兩個圖像方塊在完整拼圖中相鄰的程度。以下首先給出本系統(tǒng)計算圖像高度偏移Δh的具體步驟，再介紹可選用的圖像匹配度計算方法。

本系統(tǒng)按照以下步驟計算出圖像I1與I2的高度偏移Δh，將兩幅180°全景圖拼接成360°全景圖。

(1)取I1左右任一邊界上大小為m×1的窗口，窗口遍歷I1邊界，計算窗口中像素值方差，記方差最大處窗口起點行高為h1。

(2)在I1的高h1邊界處取大小為m×m的矩形像素塊，記為Rect1，在I2中與步驟(1)中I1相反邊界自上往下以一個像素為步長取大小為m×m的像素塊，記為Rect2j。

(3)選取合適匹配度度量算法，遍歷計算Rect1與Rect2j的鄰近匹配度θj，θj越小表示Rect1與Rect2j越可能是相鄰的圖像塊，遍歷過程中記θj最小處Rect2j的行高為h2。

(4)可得到Δh=h2-h1，將I1、I2以Δh為高度偏移進行水平拼接即得到360°孔壁的全景圖。

步驟的關(guān)鍵在于計算兩方塊圖像之間的圖像匹配度。

計算拼圖碎片方塊圖像之間匹配度的度量算法包括SSD(sumof squared difference)度量算法、(Lp)q度量算法、MGC(mahalanobis gradient compatibility)度量算法[24]。

SSD算法根據(jù)兩碎片方塊圖像邊界像素值之間的差異計算匹配度θSSD(xi,xj,r)，計算速度快但準確度較低,計算M×M大小碎片方塊圖像公式為

xj(row,1,c)]2

(6)

式(6)中：xi(row,M,c)表示碎片方塊圖像i第row行第M列c通道的像素值;xj(row, 1,c)表示碎片方塊圖像j第row行第1列c通道的像素值;r表示xi與xj之間的放置關(guān)系。

(Lp)q度量在SSD度量算法基礎(chǔ)上加入了p、q參數(shù)，提高了準確度，公式為

(7)

MSG度量[25]不僅考慮碎片方塊圖像邊界像素值，還加入了方塊邊界像素值梯度，使得匹配度結(jié)果更為準確，但增加了運算時間，公式為

θMGC(xi,xj,r)=DLR(xi,xj)+DRL(xj,xi)

(8)

(9)

GijLR=xj(row,1,c)-xi(row,M,c)

(10)

(11)

GiL(row,c)=xi(row,M,c)-xi(k,M-1,c)

(12)

式中：SiL表示xj左邊緣RGB通道3×3協(xié)方差矩陣；GijLR(row)表示從xi右側(cè)到xj左側(cè)在第row行的梯度；μiL表示xi右邊界梯度均值;GiL表示xi右邊界的梯度。

根據(jù)工程需求選取合適的匹配度算法，然后按照步驟計算圖像高度偏移Δh，最終得到360°鉆孔孔壁全景圖。

2 雙攝像頭組合成像系統(tǒng)

為了勝任強外力推進的水平定向孔勘探任務(wù)本系統(tǒng)設(shè)計了類“弓”形結(jié)構(gòu)的探管，避免透明保護罩直接承受外界壓力，借助雙攝像頭組合成像算法得到兩幅180°鉆孔全景圖并拼接成360°孔壁全景圖。

2.1 雙攝像頭全景成像探管

探管結(jié)構(gòu)如圖2所示，雙攝像頭組合成像探管主要由攝像頭、光源、透明窗口等組成。探管整體為內(nèi)中空的圓柱艙體，探管外壁上2個相反方向側(cè)面各挖出1個180°圓柱缺口用作相機的拍攝窗口，探管內(nèi)部類“弓”形結(jié)構(gòu)能承受探管前后端壓力且留足相機的拍攝窗口。需注意，探管中部兩個視窗缺口以及其中的相機與光源需要對稱安裝，保證兩攝像頭畫面上光照亮度相同，同時這兩個視窗缺口所對應(yīng)圓周扇形角均應(yīng)不小于180°，以確保透過這兩個視窗缺口所拍攝的圖像組合起來能覆蓋鉆孔360°孔壁范圍。兩相機分別固定于探管視窗缺口一端，兩相機光軸盡量保持重合且平行于探管中軸線。視窗缺口內(nèi)安裝LED燈珠作光源，提供均勻合適的光照，透明防護罩將探管內(nèi)部進行密封以防止空氣和井液進入探管內(nèi)部。探管主體部分如圖3所示。

圖2 探管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of probe structure

圖3 探管主體部分實物圖Fig.3 Main part of the probe

2.2 鉆孔孔壁全景圖生成算法流程

本系統(tǒng)鉆孔孔壁全景圖生成算法流程分為兩部分：單攝像頭鉆孔成像算法以及兩幅180°全景圖拼接算法。

單攝像頭鉆孔成像算法包括：圓環(huán)內(nèi)徑、外徑、圓心的參數(shù)選擇；圓環(huán)圖像展開；圖像配準；圖像融合。

圓環(huán)的參數(shù)由人工選擇，本系統(tǒng)結(jié)合成像探管的特殊結(jié)構(gòu)對傳統(tǒng)的圓環(huán)展開算法略作調(diào)整，參照式(1)～式(5)。

本系統(tǒng)使用塊匹配算法作為圖像配準算法，截取匹配圖像Ia(x,y)上部分圖像作為匹配模板IT(x,y)，模板在待匹配圖像Ib(x,y)上遍歷，計算匹配模板與待匹配圖像的相似度Ф(x,y)，根據(jù)相似度極值處坐標值取匹配圖像與待匹配圖像的最佳匹配點，計算相似度公式為

(13)

(14)

(15)

(16)

式中：φ(x,y)為互相關(guān)值；‖IT(x,y)‖、‖Ib(x,y)‖分別表示模板圖像與待匹配圖像的自相關(guān)值；M、N分別為模板圖像的寬和高；U、V分別為待匹配圖像的寬和高。

在遍歷過程中，記Ф(x,y)取最大值時，模板圖像中心在待匹配圖像中的坐標為(u,v),模板圖像中心在匹配圖像中坐標值為(x,y),則匹配圖像與待匹配圖像的偏移為dx,dy，即

(17)

本系統(tǒng)對兩圖像重疊部分做權(quán)值ω相加進行圖像融合,即

It(x,y)=ωIa(x,y)+(1-ω)Ib(x+dx,y+dy)

(18)

式(18)中：It(x,y)為180°孔壁全景圖。

得到兩幅180°孔壁圖像后，根據(jù)具體施工工程的實時性與準確性要求選取合適的圖像匹配度計算方法，按照1.2節(jié)中所介紹的圖像拼接步驟，得到360°孔壁全景圖。雙攝像頭組合成像算法流程如圖4所示。

圖4 雙攝像頭組合成像算法流程圖Fig.4 Flowchart of integral imaging of dual-camera

3 實驗與分析

為了驗證雙攝像頭組合鉆孔成像系統(tǒng)的可行性，本系統(tǒng)在鋪設(shè)世界地圖的直徑100 mm的管道與成都某隧道工地進行測試。隧道工地現(xiàn)場如圖5所示，系統(tǒng)采集的原始圖像如圖6所示，單幅180°孔壁圖像如圖7所示，由兩幅180°孔壁圖像自動拼接生成的360°孔壁全景圖如圖8所示。

圖5 隧道施工現(xiàn)場Fig.5 tunnel construction site

圖6 單相機原始圖像Fig.6 original image by a single camera

圖7中單幅180°孔壁全景圖由單攝像頭鉆孔成像算法生成，可以看出，隧道鉆孔獲得的單幅180°孔壁圖像光照均勻，紋理清晰。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，地圖管道的180°全景圖在細節(jié)處較為模糊，而圖7(a)中細節(jié)清晰，碎石與凹痕清晰可見。分析具體實驗場景：在測試地圖管道時，管道水平放置，本文在探管下安裝支撐板使探管盡量處于管道中心，然后人工將探管推進管道，在實驗過程中，由于支撐板與地圖存在摩擦且手臂輕微抖動，導(dǎo)致探管在管道中不能平穩(wěn)前進，從而影響生成180°全景圖的圖像質(zhì)量；而在隧道鉆孔中，探管由鉆機推桿送入鉆孔，正常情況下探管無抖動。所以為了獲得細節(jié)更清晰的全景圖，探管需要在鉆孔中盡量平穩(wěn)前進。

圖7 單相機180°全景圖Fig.7 Panorama generated by a single camera

圖8中360°孔壁全景圖由180°拼圖算法生成，算法的關(guān)鍵在于通過計算兩幅180°全景圖的圖像匹配度得到縱向偏差，進而根據(jù)縱向偏差拼接成360°孔壁全景圖。在1.2節(jié)中介紹了多種匹配度度量算法，在實時性與準確性方面各有優(yōu)劣，由于本系統(tǒng)采用離線拼圖的工作方式，對實時性要求不高，所以本系統(tǒng)選取計算復(fù)雜但準確度高的MSG(mahalanobis gradient compatibility)度量算法計算圖像匹配度。若工程需要實時觀察鉆孔全景圖，則可以使用SSD或(Lp)q算法。

圖8 隧道鉆孔360°全景圖Fig.8 360° panoramic generated by dual-camera combination

實際上，在管道地圖中測試時，本系統(tǒng)出現(xiàn)過原始圖像上存在光斑、兩原始圖像光照不一致的問題，分析原因后發(fā)現(xiàn)是光源光照角度導(dǎo)致這些問題，多次調(diào)整光源與攝像頭高度后解決此問題。

總體來說，本系統(tǒng)能生成光照均勻、亮度合適、紋理清晰的180°孔壁全景圖，并準確計算出兩幅180°

全景圖的縱向偏移，生成圖像質(zhì)量良好的360°全景圖。在實際工程中需要注意探管平穩(wěn)推進鉆孔、根據(jù)工程需求選取適當(dāng)?shù)钠ヅ涠人惴ㄅc探管兩處光照需要均勻一致等問題。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種雙攝像頭組合成像鉆孔成像系統(tǒng)，使之適用于水平定向孔成像勘探任務(wù)，并通過實驗驗證其可行性與實用性，為水平定向孔鉆孔成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與成像算法提供了新的思路。研究得出如下結(jié)論。

(1)減少視窗面積，使用探管本身作為支撐結(jié)構(gòu)，同時使用兩組攝像頭互相彌補視野缺失，是一種防止探管前后端受擠壓而損壞的可行方案。

(2)實驗結(jié)果表明，雙攝像頭組合成像模型能獲得圖像質(zhì)量良好的360°孔壁圖，能滿足鉆孔勘探工程所需。

(3)雙攝像頭組合成像打破了傳統(tǒng)成像方案中透明保護罩360°包圍攝像頭的約束，為更多的成像探管結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可行性。