劉放， 楊飛

(武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院， 武漢 430072)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng),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(xiàng)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(tuán)項(xiàng)目組進(jìn)行水平定向鉆長(zhǎng)距離取芯探測(cè)最長(zhǎng)鉆孔距離達(dá)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(duì)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(diǎn)在于原理簡(jiǎn)單、分析方便，但取芯時(shí)巖芯易斷裂、巖芯保存維護(hù)代價(jià)大且難以觀測(cè)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(cè)鉆孔孔壁，能有效克服鉆孔巖芯法的缺點(diǎn)。鉆孔成像技術(shù)自20世紀(jì)50年代以來(lái)經(jīng)歷了鉆孔照相、鉆孔電視、數(shù)字式全景鉆孔攝像三個(gè)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(shí)別[6]、結(jié)構(gòu)面自動(dòng)提取[7-8]等技術(shù)奠定基礎(chǔ)，是一種實(shí)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(hù)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(jī)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(shí)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(hù)罩作為光學(xué)視窗且防止水流、灰塵進(jìn)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(jìn)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(shí)際勘探工程中需要借助鉆機(jī)鉆桿將探管逐步推進(jìn)孔內(nèi)。透明保護(hù)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(jī)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(hù)罩將直接承受外界壓力，存在透明保護(hù)罩破裂、水流浸入探管內(nèi)部的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際上，在水平鉆孔內(nèi)，即使使用人工推桿推進(jìn)探管也會(huì)出現(xiàn)將透明保護(hù)罩撞裂的情況。文獻(xiàn)[13-14]仍使用鉆孔巖芯法進(jìn)行隧道水平孔地質(zhì)勘探，此方法相較于鉆孔成像法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且難以觀測(cè)鉆孔中裂縫信息。文獻(xiàn)[15-16]對(duì)傳統(tǒng)鉆孔成像算法進(jìn)行改進(jìn)，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(xiǎn)。文獻(xiàn)[17]給出一種超前水平鉆孔成像的裝置，然而對(duì)于探管碰撞并無(wú)保護(hù)手段。文獻(xiàn)[18]為探管增加防碰板，然而當(dāng)探管碰撞孔壁時(shí)，雖有防碰板作為緩沖，透明防護(hù)罩仍然承受較大壓力，依然存在透明防護(hù)罩破裂的風(fēng)險(xiǎn)。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(wú)法在水平定向孔勘探任務(wù)中安全使用。

針對(duì)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(hù)罩360°包圍攝像頭的約束，設(shè)計(jì)類“弓”形的探管結(jié)構(gòu)，且使用兩個(gè)相機(jī)互相彌補(bǔ)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(shí)，可以避免透明保護(hù)罩直接承受外界壓力，為水平定向孔成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)的強(qiáng)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(gè)相反方向側(cè)面各挖出1個(gè)半圓柱缺口用作相機(jī)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(gè)相機(jī)視野受探管壁遮擋，只能采集180°鉆孔圖像，因此使用兩個(gè)攝像頭，視野范圍合計(jì)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(duì)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(diǎn)與真實(shí)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(jìn)行，將相鄰的孔壁矩形圖像配準(zhǔn)、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(gè)相機(jī)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(diǎn)像素坐標(biāo);(xc,yc)表示圓環(huán)圖像中與(x,y)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)坐標(biāo);(Ox,Oy)表示圓環(huán)圖像中圓心的坐標(biāo);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(gè)攝像頭，且單個(gè)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(duì)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(duì)固定，在理想狀況下Δh為一固定值。但在實(shí)際勘探工程中，光照、探管抖動(dòng)等因素會(huì)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(jì)。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(jì)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(jì)算每?jī)蓚€(gè)方塊之間的匹配度，匹配度表示此兩個(gè)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(jì)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(jì)算方法。

本系統(tǒng)按照以下步驟計(jì)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(jì)算窗口中像素值方差，記方差最大處窗口起點(diǎn)行高為h1。

(2)在I1的高h(yuǎn)1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(gè)像素為步長(zhǎng)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(jì)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(jìn)行水平拼接即得到360°孔壁的全景圖。

步驟的關(guān)鍵在于計(jì)算兩方塊圖像之間的圖像匹配度。

計(jì)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(jì)算匹配度θSSD(xi,xj,r)，計(jì)算速度快但準(zhǔn)確度較低,計(jì)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(zhǔn)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(zhǔn)確，但增加了運(yùn)算時(shí)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(jì)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(qiáng)外力推進(jìn)的水平定向孔勘探任務(wù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了類“弓”形結(jié)構(gòu)的探管，避免透明保護(hù)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(gè)相反方向側(cè)面各挖出1個(gè)180°圓柱缺口用作相機(jī)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(jī)的拍攝窗口。需注意，探管中部?jī)蓚€(gè)視窗缺口以及其中的相機(jī)與光源需要對(duì)稱安裝，保證兩攝像頭畫面上光照亮度相同，同時(shí)這兩個(gè)視窗缺口所對(duì)應(yīng)圓周扇形角均應(yīng)不小于180°，以確保透過這兩個(gè)視窗缺口所拍攝的圖像組合起來(lái)能覆蓋鉆孔360°孔壁范圍。兩相機(jī)分別固定于探管視窗缺口一端，兩相機(jī)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(hù)罩將探管內(nèi)部進(jìn)行密封以防止空氣和井液進(jìn)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(shí)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：?jiǎn)螖z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(zhǔn)；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(duì)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(zhǔn)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(jì)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(biāo)值取匹配圖像與待匹配圖像的最佳匹配點(diǎn)，計(jì)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(shí)，模板圖像中心在待匹配圖像中的坐標(biāo)為(u,v),模板圖像中心在匹配圖像中坐標(biāo)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(duì)兩圖像重疊部分做權(quán)值ω相加進(jìn)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(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性要求選取合適的圖像匹配度計(jì)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(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)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(jìn)行測(cè)試。隧道工地現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(chǎng)Fig.5 tunnel construction site

圖6 單相機(jī)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(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，地圖管道的180°全景圖在細(xì)節(jié)處較為模糊，而圖7(a)中細(xì)節(jié)清晰，碎石與凹痕清晰可見。分析具體實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景：在測(cè)試地圖管道時(shí)，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(jìn)管道，在實(shí)驗(yàn)過程中，由于支撐板與地圖存在摩擦且手臂輕微抖動(dòng)，導(dǎo)致探管在管道中不能平穩(wěn)前進(jìn)，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(jī)推桿送入鉆孔，正常情況下探管無(wú)抖動(dòng)。所以為了獲得細(xì)節(jié)更清晰的全景圖，探管需要在鉆孔中盡量平穩(wěn)前進(jìn)。

圖7 單相機(jī)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(jì)算兩幅180°全景圖的圖像匹配度得到縱向偏差，進(jìn)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(shí)時(shí)性與準(zhǔn)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(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，所以本系統(tǒng)選取計(jì)算復(fù)雜但準(zhǔn)確度高的MSG(mahalanobis gradient compatibility)度量算法計(jì)算圖像匹配度。若工程需要實(shí)時(shí)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(shí)際上，在管道地圖中測(cè)試時(shí)，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(lái)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(zhǔn)確計(jì)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(shí)際工程中需要注意探管平穩(wěn)推進(jìn)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(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性與實(shí)用性，為水平定向孔鉆孔成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)使用兩組攝像頭互相彌補(bǔ)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(shí)驗(yàn)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(hù)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(jì)提供可行性。