陶金 焦光偉 管金發(fā)

摘 ? ? ?要： 油罐形變一直是油料存儲(chǔ)過程中的一大隱患，當(dāng)前對(duì)油罐形變的檢測方法有圍尺法、光學(xué)垂準(zhǔn)線法和全站儀法，但圍尺法工藝繁瑣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，光學(xué)垂準(zhǔn)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(shù)的發(fā)展，圖像建模因其設(shè)備便宜、采集數(shù)據(jù)便利等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已應(yīng)用于房屋測量、古跡修復(fù)等領(lǐng)域。采用了圖像建模中的雙目成像系統(tǒng)對(duì)油罐進(jìn)行測量，并以三維激光掃描儀測量同一油罐形成對(duì)照組，分別對(duì)油罐的容積、橢圓度、傾斜度等形變參數(shù)進(jìn)行對(duì)照分析 ，驗(yàn)證雙目成像系統(tǒng)應(yīng)用于油罐形變檢測中的可行性。

關(guān) ?鍵 ?詞：雙目成像;油罐形變;可行性

中圖分類號(hào)：TE821 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 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(chǔ)油的重要設(shè)備，主要用多節(jié)環(huán)形鋼板焊接而成，在油罐儲(chǔ)油的過程中，由于罐基礎(chǔ)不規(guī)則沉降、管壁受壓不均等原因，油罐會(huì)發(fā)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(shí)觀測油罐的變形情況。當(dāng)前常規(guī)的檢測方法主要有圍尺法[1]、光學(xué)參比法[2]、激光掃描技術(shù)[3]、光學(xué)三角法、爬壁機(jī)器軌跡法[4]等，雖然上述方法都較為精確，但卻存在儀器價(jià)格昂貴、測量工作繁瑣、數(shù)據(jù)龐大等缺點(diǎn)，不便于日常巡庫檢測。

當(dāng)前隨著照片建模技術(shù)的不斷發(fā)展，利用照片采集數(shù)據(jù)構(gòu)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(shè)在油罐外壁的特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)，再將多幅圖像中的特征點(diǎn)整合在同一坐標(biāo)系下，根據(jù)每一板圈的特征點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)油罐容積、橢圓度、油罐傾斜度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而評(píng)估油罐的變形情況，最后與三維激光掃描儀所得到的數(shù)據(jù)做對(duì)比，進(jìn)行誤差分析，從而探究雙目成像技術(shù)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(tǒng)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(gè)已標(biāo)定相機(jī)從不同視角對(duì)同一物體進(jìn)行拍攝，再利用圖像中的投影關(guān)系還原出其三維坐標(biāo)的辦法。為講解方便我們引入世界坐標(biāo)（Xw，Yw，Zw），相機(jī)坐標(biāo)（Xc，Yc，Zc），圖像坐標(biāo)三個(gè)坐標(biāo)系（X，Y，0）三個(gè)坐標(biāo)系[11]（見圖1），世界坐標(biāo)為雙目成像系統(tǒng)的整體坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系下同一組別的油罐特征點(diǎn)上的坐標(biāo)值唯一;相機(jī)坐標(biāo)是以拍攝相機(jī)中心為原點(diǎn)設(shè)置的坐標(biāo)系，油罐上同一特征點(diǎn)在不同的相機(jī)坐標(biāo)系下，其坐標(biāo)值不同;圖像坐標(biāo)是以投影面為原點(diǎn)所設(shè)置的坐標(biāo)系，是油罐特征點(diǎn)投影到相片的二維坐標(biāo)值。

1.2 ?油罐模型假設(shè)

因?yàn)橛凸薜男巫儚?fù)雜多樣，罐內(nèi)受壓不均、地基沉降、銹蝕都會(huì)不同程度的影響著油罐的形狀，本文目的是為了驗(yàn)證雙目成像系統(tǒng)在油罐形變初步檢測中是否可行，為得到明顯的對(duì)比數(shù)據(jù)，同時(shí)方便處理數(shù)據(jù)，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(zhuǎn)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(shè)置特征點(diǎn)數(shù)目較少，其所得數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)，因此假設(shè)油罐形變?yōu)檫B續(xù)形變。

（3）兩種實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的相關(guān)流程與數(shù)據(jù)采集

本文設(shè)置實(shí)驗(yàn)組與標(biāo)準(zhǔn)組，以雙目成像系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)組，三維激光掃描儀為標(biāo)準(zhǔn)組。三維激光掃描儀，具有更高的測量精度，并經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)確定對(duì)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(shù)據(jù)設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)組，用以分析實(shí)驗(yàn)組的數(shù)據(jù)誤差。

2.1 ?實(shí)驗(yàn)的相關(guān)流程與數(shù)據(jù)采集

2.1.1 ?實(shí)驗(yàn)器材

本文以某500 m3的油罐為測量對(duì)象，其直徑為9 m，高8.8 m，由七層圓環(huán)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(biāo)志作為該油罐的特征點(diǎn)，根據(jù)拍攝距離和相機(jī)焦距、畫幅等因素確定，選取特征點(diǎn)半徑為3 cm，共98個(gè)。拍攝臺(tái)架由三腳架、QH60C滑軌、Q02云臺(tái)、Bosch GLM4000測距儀（因雙目測距無需知道相機(jī)離被測物的距離，該測距儀僅用于校正相機(jī)拍攝線與標(biāo)定靶的正交關(guān)系），尼康D7000相機(jī)一臺(tái)，傳感器尺寸23.6×15.6 mm2，定焦18 mm。因?yàn)殡p目成像需要兩臺(tái)相機(jī)在不同的位置對(duì)目標(biāo)目進(jìn)行拍攝，本文利用單臺(tái)相機(jī)在滑軌上滑動(dòng)10 cm的固定距離實(shí)現(xiàn)拍攝所需要求。云臺(tái)與測距儀組合成正交標(biāo)定校核裝置，控制相機(jī)拍攝線與標(biāo)定靶正交;利用三角架、滑軌、相機(jī)自帶的水平儀控制拍攝的水平。

2.1.2 ?實(shí)驗(yàn)流程

選定8個(gè)方位對(duì)油罐進(jìn)行拍攝，因不同圖像中需要有共同的參照物，同時(shí)考慮到不同位置的外參不同，需重新標(biāo)定相機(jī)，為實(shí)驗(yàn)方便直接選取標(biāo)定靶充當(dāng)參照物，共設(shè)置8個(gè)0.21×0.21 m2的張友正標(biāo)定靶，每個(gè)靶間隔45°，拍攝時(shí)相機(jī)拍攝線正交于標(biāo)定靶，與逆時(shí)針方向移動(dòng)相機(jī)臺(tái)架，對(duì)應(yīng)每個(gè)標(biāo)定靶分8個(gè)方位進(jìn)行拍攝。

2.2 ?標(biāo)準(zhǔn)組器材及相關(guān)流程

2.2.1 ?實(shí)驗(yàn)器材

以相同油罐作為測量對(duì)象，不用設(shè)置特征點(diǎn)。利用PENTAX S-3180V 三維激光掃描儀做對(duì)照組，PENTAX S-3180V測量范圍為0.3～187 m，分辨率為0.1 mm，光斑發(fā)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(zhuǎn)，水平視野范圍為 360°，分辨率為 0.0002°，精度為 0.007° rms。

2.2.2 ?實(shí)驗(yàn)流程

選定四個(gè)方位對(duì)油罐測量，每個(gè)站點(diǎn)之間設(shè)置3個(gè)標(biāo)定靶（共12個(gè)）進(jìn)行拍攝，3個(gè)標(biāo)定靶呈銳角三角形放置，拍攝時(shí)以掃描儀自帶水平校訂控制拍攝水平，獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 ?數(shù)據(jù)處理與誤差分析

3.1 ?實(shí)驗(yàn)組的數(shù)據(jù)處理

在上述實(shí)驗(yàn)獲取8個(gè)不同方位的圖片后，利用張正友標(biāo)定法[12]和python-opencv軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定[13-16]，獲得不同照片的內(nèi)外參數(shù)矩陣，進(jìn)而計(jì)算出每張圖片中的各自特征點(diǎn)以及相鄰45°標(biāo)靶上的空間點(diǎn)的坐標(biāo)。

同一空間點(diǎn)可以通過旋轉(zhuǎn)平移，從一個(gè)世界坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)化到另外一個(gè)世界坐標(biāo)系下，兩組圖片中同一標(biāo)靶上的多組空間點(diǎn)可以視為多組同一空間點(diǎn)在不同世界坐標(biāo)系下的投影，其所對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)可相互轉(zhuǎn)化，利用matlab軟件反解出公式：

中兩兩相鄰坐標(biāo)系各自所對(duì)應(yīng)的R，T參數(shù)，再根據(jù)R，T參數(shù)依次將所有圖片的特征點(diǎn)整合到同一世界坐標(biāo)系下，即完成特征點(diǎn)的整合，整合后的油罐特征坐標(biāo)見表1（因坐標(biāo)點(diǎn)較多，僅列出底層，第一層的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)）。

完成油罐特征點(diǎn)坐標(biāo)整合后，接下來利用油罐特征點(diǎn)的空間點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)油罐的油罐容積、橢圓度、傾斜度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而評(píng)估油罐的變形情況。

3.2 ?標(biāo)準(zhǔn)組的數(shù)據(jù)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(jù)掃描精度決定）的油罐壁點(diǎn)空間坐標(biāo)，由于獲得的云點(diǎn)數(shù)據(jù)過于龐大，因此將油罐按0.02 m罐高進(jìn)行切片，劃分為0.02 m高的小圓柱體，并參照雙目成像系統(tǒng)中設(shè)置的特征點(diǎn)的高差進(jìn)行計(jì)算，從而得到與雙目成像系統(tǒng)對(duì)應(yīng)高差下的每個(gè)圓柱體積、橢圓度以及傾斜度[17-19]。

3.3 ?油罐容積計(jì)算與對(duì)照組數(shù)據(jù)對(duì)比

油罐是利用環(huán)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(nèi)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(jīng)不能在視為標(biāo)準(zhǔn)的正圓容器[20]。因此我們利用每圈的特征點(diǎn)進(jìn)行擬合圓計(jì)算得出每圈特征點(diǎn)的擬合圓心（x0，y0，z0），其擬合圓的半徑為：

標(biāo)準(zhǔn)組將油罐切片劃分成0.02m高的小圓形切片，雙目成像系統(tǒng)特征點(diǎn)高差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到每層切片的體積，并根據(jù)雙目成像系統(tǒng)設(shè)置的特征點(diǎn)高差，對(duì)圓柱體體積進(jìn)行累加，得到各個(gè)板圈圓柱體的體兩者數(shù)據(jù)比較見表2。

總體來看，實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)組中每一板圈的體積都大致相近。先對(duì)數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ?，三維激光掃描儀所測數(shù)據(jù)中每層板圈的體積數(shù)據(jù)更加集中，最大差值為4.220 3 m3，雙目成像系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)中每層板圈的體積數(shù)據(jù)更加離散，最大差值為4.873 3 m3。再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，雙目成像系統(tǒng)相較于三維激光掃描所得數(shù)據(jù)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(jù)JJG 168-2005《立式金屬罐容積鑒定規(guī)程》規(guī)定油罐計(jì)量容積的差值不得超過0.2%，實(shí)驗(yàn)組的數(shù)據(jù)精度相對(duì)較低，無法達(dá)到油罐容積計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)。

因此本文中的雙目成像系統(tǒng)可以反應(yīng)油罐各個(gè)板圈體積變化的趨勢，可以對(duì)油罐的容積變化進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的記錄，但因無法達(dá)到計(jì)量精度要求，暫時(shí)無法成為油罐容積形變的計(jì)量依據(jù)。

3.4 ?罐體橢圓度計(jì)算與對(duì)照組數(shù)據(jù)對(duì)比

由于油罐是由環(huán)形鋼板焊接而成，其整體的形變受徑向的束縛，導(dǎo)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向分析，三維掃描儀所測數(shù)據(jù)相對(duì)集中，且其數(shù)值偏差很小，最大數(shù)值差為0.48%，說明油罐的形變相對(duì)較小;雙目成像系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)更加離散，且數(shù)值偏差較大，最大數(shù)值差為2.34%。

按照預(yù)想，雙目成像系統(tǒng)特征點(diǎn)數(shù)量少，無法全面反應(yīng)出油罐局部的凹凸情況，而三維掃描儀因其數(shù)值點(diǎn)較多，其能更好的反應(yīng)油罐的局部凹凸情況，因此雙目成像系統(tǒng)橢圓度應(yīng)小于三維掃描儀。但實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jù)三維激光掃描儀所測得數(shù)據(jù)，油罐的平均半徑約為4.496 m，雙目成像系統(tǒng)的相機(jī)的感應(yīng)器的像素點(diǎn)為3 264×4 928，在15 m的測量距離測試下，每一個(gè)像素點(diǎn)所代表的實(shí)際距離為0.003 9 m，因拍攝模糊、相機(jī)放置角度等因素，選取多組油罐照片進(jìn)行同一位置直徑對(duì)比，其產(chǎn)生的最大誤差為 13個(gè)像素點(diǎn)，約為0.050 7 m，其對(duì)應(yīng)的橢圓度誤差為0.564%;加之相機(jī)鏡頭畸變的影響，本文的雙目成像系統(tǒng)精度已經(jīng)無法準(zhǔn)確的反應(yīng)油罐的橢圓度。要想得到油罐的橢圓度，還應(yīng)該從減小拍攝距離、提高相機(jī)的感應(yīng)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(jì)算與對(duì)照組數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看出傾斜度的誤差相對(duì)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(tǒng)可以很好的反應(yīng)出油罐的傾斜程度。

4 ?結(jié)論

本文通過相機(jī)對(duì)油罐的拍攝測量，利用雙目成像系統(tǒng)對(duì)照片特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，還原出油罐上空間點(diǎn)的坐標(biāo)，同時(shí)以三維激光掃描儀對(duì)同一油罐進(jìn)行測量，與雙目成像系統(tǒng)形成對(duì)照組，分析兩者的體積、傾斜度、橢圓度等參數(shù)的誤差后，得到的結(jié)論如下：

（1）對(duì)比體積、傾斜度參數(shù)，雙目成像系統(tǒng)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(tǒng)還是可以很好的反應(yīng)油罐的整體形變，對(duì)油罐的整體分析有較好的參考價(jià)值。

（2）對(duì)比橢圓度參數(shù)，雙目成像系統(tǒng)因測量精度的原因，無法精準(zhǔn)的反應(yīng)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(jī)精度的方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(tǒng)可以用于油罐形變的檢測，但因本文所用設(shè)備限制精度較低，只能對(duì)油罐檢測進(jìn)行提供一些定性的參考，還無法達(dá)到規(guī)定所要求的定量的標(biāo)準(zhǔn)，要增加測量的精度可以從增加特征點(diǎn)數(shù)量、提高拍攝器材的質(zhì)量方面進(jìn)行考慮，但同時(shí)這樣會(huì)增大工作量及器材的費(fèi)用，因此還需要進(jìn)一步權(quán)衡檢測效率和經(jīng)濟(jì)適用性之間的關(guān)系。但隨著技術(shù)的不斷革新，雙目成像系統(tǒng)因其便利性、快捷性，勢必能更好的適應(yīng)新時(shí)代的檢測要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱海軍， 舒丹， 張贊牢，等. 立式金屬油罐容積標(biāo)定系統(tǒng)的研制[J]. 內(nèi)蒙古石油化工， 2004， 30（2）：5-7.

[2]魏進(jìn)祥， 楊天富. 用光學(xué)參比線法標(biāo)定立式圓筒形油罐容積[J]. 石油煉制與化工， 1995（7）：57-59.

[3]莊正杰， 王立光， 管亮， 等. 三維激光掃描技術(shù)在立式罐容量計(jì)量中的應(yīng)用綜述[J]. 當(dāng)代化工， 2018（2）：403-406.

[4]徐澤亮. 基于爬壁機(jī)器人技術(shù)的油罐容積測量新方法的研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2003（3）：348-350.

[5]喬杰. 利用照片建模技術(shù)重建文物的三維數(shù)據(jù)模型[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2011（1）：68-71.

[6]王保云， 周文， 潘良波，等. 基于2維照片構(gòu)建建筑物三維模型的研究[J]. 電子技術(shù)與軟件工程， 2016（24）：89-91.

[7]蔣文娟. 基于雙目立體視覺的三維重建[D]. 南京航空航天大學(xué)， 2008.

[8]伊璐. 基于立體視覺的場景三維重建技術(shù)研究[D].西安理工大學(xué)，2017.

[9]余金洋. 基于雙目立體視覺的平面擬合技術(shù)研究[D]. 湖南大學(xué)， 2013.

[10]劉勇. 基于圖像的空間三維數(shù)據(jù)獲取及建模[D]. 武漢大學(xué)， 2004.

[11]錢凌燕. 立體視覺三維重建相關(guān)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京理工大學(xué)， 2012.

[12]ZHANG ?Zhengyou. ?A ?flexible ?new ?technique ?for ?camera calibration[J]. ?IEEE ?Transactions ?on ?Pattern ?Analysis ?and Machine Intelligence， 2000， 22（11）： 1330-1334.

[13]李鵬， 王軍寧. 攝像機(jī)標(biāo)定方法綜述[J]. 山西電子技術(shù)， 2007（4）：77-79.

[14]余金洋. 基于雙目立體視覺的平面擬合技術(shù)研究[D]. 湖南大學(xué)， 2013.

[15]王訓(xùn)四. 視覺測量系統(tǒng)中的標(biāo)定技術(shù)及其應(yīng)用研究[D]. 合肥工業(yè)大學(xué)， 2004.

[16]張輝， 張麗艷， 韋虎. 雙目立體測量系統(tǒng)標(biāo)定的三步法[J]. 中國機(jī)械工程， 2009， 20（16）：0-2015.

[17]邵錫惠. 大型油罐的近景攝影測量——變形觀測和容積計(jì)算[J]. 勘察科學(xué)技術(shù)， 1989（6）：47-51.

[18]焦光偉， 祁志江， 張柱柱，等. 基于三維激光掃描技術(shù)的變形立式油罐容積檢定[J]. 后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 2017， 33（2）：9-13.

[19]祁志江 ， 張柱柱 ， 焦光偉 ， 等. 基于三維激光掃描技術(shù)的油罐變形檢測方法[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)， 2018.

[20]范繼義. 金屬油罐的變形與整修[J]. 石油庫與加油站， 2006， 15（3）：39-44.