為凹圓弧鏡面的圓弧中心到全景激光投射面的垂直距離，B為凹圓弧鏡面 的圓弧中心到圓柱形坐標(biāo)系軸線的距離，r為全景激光在管道內(nèi)壁上的反射光束在凹圓弧 鏡面的高度，r'為全景激光在管道內(nèi)壁上的反射光束的角度，R為凹圓弧鏡面的曲率半徑。
[0130] 在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，主動(dòng)式全景視覺(jué)傳感器由壁虎牽引移動(dòng)，隨著壁虎沿管道軸 線爬行，全景激光光源為管道內(nèi)壁提供管道斷截面全景掃描光，全方位視覺(jué)傳感器獲取全 景激光掃描的切片圖像；接著，需要在全景激光掃描的切片圖像上解析出激光投影位置信 息；本發(fā)明將上述處理過(guò)程稱(chēng)為全景激光截面法。
[0131] 激光投影位置信息是通過(guò)幀間差法進(jìn)行提取的，幀間差法通過(guò)對(duì)兩個(gè)相鄰位置所 獲得的全景激光掃描的切片圖像作差分運(yùn)算來(lái)獲得激光投射點(diǎn)的方法；當(dāng)壁虎爬行過(guò)程 中，前后位置所獲取的兩幀全景激光掃描的切片圖像，其幀與幀之間在沿管道軸線方向上 會(huì)出現(xiàn)較為明顯的差別，兩幀相減，得到兩幀圖像亮度差的絕對(duì)值，判斷它是否大于閾值來(lái) 分析提取全景切片圖像中的激光投射點(diǎn)。
[0132] 由于在檢測(cè)過(guò)程中會(huì)存在著噪聲的影響，得到的截面邊緣信息會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn) 象。因此需要通過(guò)局部連接法將不連續(xù)的截面邊緣進(jìn)行連接，連接算法思想是通過(guò)比較梯 度算子的響應(yīng)強(qiáng)度和梯度方向確定兩個(gè)點(diǎn)是否同屬一條邊，用公式（6)和公式（7)來(lái)進(jìn)行 判斷，
[0135] 式中，Vf(x，y)為管道內(nèi)壁鄰域內(nèi)的邊界點(diǎn)梯度值，Vf(x'，y'）為待確認(rèn)點(diǎn) 梯度值，Tv為梯度判斷閾值，a (x，y)為管道內(nèi)壁鄰域內(nèi)的邊界點(diǎn)梯度向量的方向角， a (x'，y'）為待確認(rèn)點(diǎn)梯度向量的方向角，Aa為梯度向量的方向角判斷閾值。
[0136] 當(dāng)公式（6)和公式（7)都成立時(shí)，表示待確認(rèn)點(diǎn)與管道內(nèi)壁鄰域內(nèi)的邊界點(diǎn)的梯 度值和方向角都是相似的，兩點(diǎn)是連接的，即待確認(rèn)點(diǎn)是屬于管道內(nèi)壁上的點(diǎn)；通過(guò)上述處 理得到了在圖像平面上的一條完整的封閉管道內(nèi)壁邊緣線；
[0137] 進(jìn)一步，針對(duì)全景圖像的成像特點(diǎn)，對(duì)得到的封閉管道內(nèi)壁邊緣線采用環(huán)形遍歷 的方式，以圖像中心位置為圓心，以相等的間隔角度以方位角β從0° - 360°進(jìn)行遍歷， 根據(jù)公式（5)計(jì)算得到用圓柱形坐標(biāo)系表示的管道內(nèi)部實(shí)際空間點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)；用公式 (8)將用圓柱形坐標(biāo)系表示的管道內(nèi)部實(shí)際空間點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為用笛卡爾坐標(biāo)系表示 的管道內(nèi)部實(shí)際空間點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)P(x，y，z);
[0139] 式中，Pr為管道內(nèi)壁上的點(diǎn)到坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離，β為方位角；
[0140] 為了對(duì)狹長(zhǎng)管道進(jìn)行3D建模，需要對(duì)牽引著主動(dòng)式3D立體全景視覺(jué)傳感器的 壁虎的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行估計(jì)；這里將檢測(cè)坐標(biāo)系建立在全景激光投射面與對(duì)稱(chēng)軸的交點(diǎn)上，使用 SFM算法，即運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)重建算法，對(duì)壁虎的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行估計(jì)，得到測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)變換的信息。
[0141] 具體管道3D建模過(guò)程如下：首先，全方位視覺(jué)傳感器獲得其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的全方向 圖像序列；然后利用SFM算法提取和跟蹤特征點(diǎn)，以獲得全方向圖像序列中的相對(duì)應(yīng)點(diǎn)； 接著用線性估計(jì)方法估計(jì)壁虎的運(yùn)動(dòng)，主要利用對(duì)應(yīng)點(diǎn)在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)拍攝的兩個(gè)圖像的位 置；最后為了更精確地估計(jì)壁虎的運(yùn)動(dòng)，用非線性估計(jì)方法重新估算壁虎的運(yùn)動(dòng)。
[0142] 特征點(diǎn)的提取和跟蹤：為了在全方位圖像序列中獲得圖像之間的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，首先在 第一幀圖像中提取特征點(diǎn)，然后沿著圖像序列跟蹤這些特征點(diǎn)；跟蹤特征點(diǎn)采用SIFT算 法，即尺度不變特征變換算法；然而，實(shí)際上全方位圖像的畸變和投影畸變會(huì)影響對(duì)應(yīng)特征 點(diǎn)米集和跟蹤；這是因?yàn)楝F(xiàn)有的SIFT算法是一種全局的算法，全景視覺(jué)在全局范圍內(nèi)難以 保證尺度不變特征變換條件，從而導(dǎo)致了誤跟蹤；為了提高SIFT算法的跟蹤精度，這里根 據(jù)壁虎在管道中的運(yùn)動(dòng)特征，將對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)采集和跟蹤規(guī)定在一個(gè)局部范圍內(nèi)，即通過(guò)劃 分跟蹤扇區(qū)方法；該方法是基于在全方位圖像序列中的兩幀之間相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的空間位置是不 會(huì)發(fā)生突變的假設(shè)，壁虎在前行過(guò)程中，相對(duì)應(yīng)點(diǎn)是在某一個(gè)扇區(qū)范圍內(nèi)從全景圖像的外 圈向圖像中心方向移動(dòng)的，或者是從圖像中心向全景圖像的外圈方向移動(dòng)的；有了扇區(qū)約 束條件來(lái)提尚SIFT算法的跟蹤精度；具體實(shí)現(xiàn)方法是：在第N幀圖像中提取特征點(diǎn)，然后 在第Ν+1幀圖像中的同一扇區(qū)內(nèi)跟蹤同一特征點(diǎn)。
[0143] 壁虎的運(yùn)動(dòng)估計(jì)：為了估計(jì)壁虎的運(yùn)動(dòng)，這里計(jì)算兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，即兩個(gè)不同位置的 檢測(cè)坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置和方位的差異信息的基本矩陣；本質(zhì)矩陣E用公式（9)表示；
向量，將公式（9)轉(zhuǎn)化成公式（10); (9) 分別為兩個(gè)全景圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的光線
[0150] 式中，XiX' i，yX i，ZiX' 〇 xj' 〇 yj' ；，zj' ；，XiZ' ;，y;z' ；，ZiZ';分別表示兩個(gè)全景圖 像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的光線向量rJPr'身量之間的乘積，式中，en，e12, e13, e21，e22, e23, e31，e32, e33分 別是矩陣e的元素。
[0151] 通過(guò)對(duì)8組相應(yīng)的光線向量r求解聯(lián)立方程獲得本質(zhì)矩陣E，計(jì)算方法用公式 (13)表示；
[0153] 其中，U = [U1, U2，…，un]T，本質(zhì)矩陣E是以UtU的最小特征值的特征向量e進(jìn)行計(jì) 算獲得的；
[0154] 從本質(zhì)矩陣E計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量t，由公式（14)所示，本質(zhì)矩陣E由旋轉(zhuǎn) 矩陣R和平移向量t = [tx, ty, tz]T，表示；
[0155] E = RT (14)
[0156] 這里T用下面矩陣表示。
[0158] 從本質(zhì)矩陣E計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣R和T 一種方法是采用奇異值方法，即SVD方法，該方 法屬于數(shù)值運(yùn)算方法；但是這種分解方法分解出的四組解間的幾何意義并不直觀，難以保 證分解結(jié)果是惟一正確解，而且實(shí)時(shí)性欠佳；因此，還需要對(duì)壁虎的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行再估計(jì)和尺度 匹配方法處理。
[0159] 壁虎的運(yùn)動(dòng)再估計(jì)：用SVD方法從本質(zhì)矩陣E來(lái)估計(jì)旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T未 必能得到良好的結(jié)果，這是因?yàn)樵赟VD方法中沒(méi)有考慮圖像中的各種錯(cuò)誤。因此，需要重新 估計(jì)壁虎運(yùn)動(dòng)中所獲取全景圖像內(nèi)的每個(gè)特征點(diǎn)的測(cè)量誤差；這里使用光束平差法對(duì)壁虎 的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行重新估計(jì)；該方法的思想是將特征重投影誤差總和最小化。
[0160] 尺度匹配方法：由于SFM算法中僅僅是對(duì)輸入的全景圖像進(jìn)行處理，并不包含任 何尺度的信息；因此，通過(guò)SFM算法還不能確定2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)之間的距離|t| ;然而，在全景激 光截面法處理結(jié)果中包括了尺度坐標(biāo)信息；因此，通過(guò)融合這兩種處理方法的結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn) 尺度匹配。
[0161] 首先，通過(guò)全景激光截面法測(cè)量一個(gè)管道內(nèi)壁點(diǎn)的三維坐標(biāo)；然后，用SFM算法測(cè) 量同一點(diǎn)的三維坐標(biāo)；最后，通過(guò)盡可能接近的三維坐標(biāo)同一點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)尺度匹配。
[0162] 當(dāng)同一點(diǎn)遠(yuǎn)離觀察點(diǎn)時(shí)，用兩種不同算法，即SFM算法和全景激光截面法，對(duì)同一 點(diǎn)進(jìn)彳丁處理所得到的坐標(biāo)值之間的最小偏差更為敏感；基于此，這里米用最小偏差坐標(biāo)值 之間的距離來(lái)計(jì)算尺度s'，如公式（16)所示；
[0164] 式中，pk= [X k, yk, zk]T表示全景激光截面法測(cè)量結(jié)果，
表示 SFM算法測(cè)量結(jié)果；
[0165] 紋理映射：圖8所示的是對(duì)管道的建模過(guò)程；在某一空間點(diǎn)對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行3D測(cè) 量后，隨著壁虎的爬行對(duì)下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行3D測(cè)量；將各個(gè)橫斷面的3D測(cè)量結(jié) 果進(jìn)行拼接，最后還需要進(jìn)行紋理映射，實(shí)現(xiàn)狹長(zhǎng)管道的自動(dòng)3D建模。
[0166] 畢竟壁虎的負(fù)重能力還是有限的，為了實(shí)時(shí)獲取狹長(zhǎng)管道內(nèi)壁的全景圖像并進(jìn)行 解析處理，這里采用無(wú)線通信方式將全方位視覺(jué)傳感器所獲取的全景圖像傳輸給管道檢測(cè) 分析系統(tǒng)，目前無(wú)線通信的能力已達(dá)到公里級(jí)，基本上能滿足管道檢測(cè)時(shí)圖像傳輸?shù)囊螅?管道檢測(cè)分析系統(tǒng)根據(jù)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)來(lái)的全景視頻圖像對(duì)被檢測(cè)的管道進(jìn)行檢測(cè) 與3D建模處理。
[0167] 實(shí)施例2
[0168] 其余與實(shí)施例1相同，所不同的是從本質(zhì)矩陣E計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣R和T方法；該方法 是：首先，利用本質(zhì)矩陣E秩2的屬性求出壁虎移動(dòng)前后間的平移量t，如公式（17)所示；
[0170] 式中，e,為本質(zhì)矩陣E的元素，Me。為e u的代數(shù)余子式；
[0171] 進(jìn)而求得滿足約束I |t| I2= 1的兩個(gè)平移量t i= 1，12= -1，其中，
[0173] 然后，利用求解旋轉(zhuǎn)矩陣方程組的方法求出壁虎移動(dòng)前后間的旋轉(zhuǎn)矩陣R ;
[0174] 將公式（18)代入到公式（14)計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣R，得到四組分解結(jié)果；最后，利用直 接求取空間3D點(diǎn)成像深度的方法快速?gòu)乃慕M分解結(jié)果中確定出滿足空間3D點(diǎn)可見(jiàn)性約束 的惟一正確解，計(jì)算方法如公式（19)給出；
[0176] 式中，K' ^K1分別為全方位視覺(jué)傳感器的內(nèi)外參數(shù)矩陣的逆矩陣，。i，。2分別 為相對(duì)應(yīng)點(diǎn)在壁虎移動(dòng)前后間的全景圖像中的成像深度，通過(guò)全景激光截面法測(cè)量得到； Rt為旋轉(zhuǎn)矩陣R的轉(zhuǎn)矩陣，t為平移向量，X，分別為相對(duì)應(yīng)點(diǎn)在壁虎移動(dòng)前后間的全景圖 像中的成像部分；
[0177] 只要公式（19)中的〇1，〇2均滿足大于零的約束，則對(duì)應(yīng)的R，t即為惟一正確解。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于生物機(jī)器人的微型無(wú)線主動(dòng)式全景視覺(jué)傳感器，其特征在于：所述基于生 物機(jī)器人的微型無(wú)線主動(dòng)式全景視覺(jué)傳感器包括壁虎和管道視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備；所述的管道視 覺(jué)檢測(cè)設(shè)備捆綁在所述的壁虎上，所述的壁虎向前爬行中牽引所述的管道視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備在 小口徑的狹長(zhǎng)管道中進(jìn)行拍攝管道內(nèi)壁的全景圖像； 所述的管道視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備主要包括無(wú)線通信單元、主動(dòng)式全景視覺(jué)傳感器和電源； 所述的主動(dòng)式全景視覺(jué)傳感器主要包括全方位視覺(jué)傳感器、LED帶光源和全景激光光 源； 所述的全方位視覺(jué)傳感器包括凹圓弧鏡面、凹圓弧鏡面蓋、透光玻璃、固定螺釘、外罩 和攝像單元； 所述的凹圓弧鏡面的軸心線上開(kāi)有一個(gè)螺