卞余兵
江苏龙源风力发电有限公司?
摘要：传统的二维声纳图像很难直观地呈现管道缺陷的分布情况，而三维成像方法可弥补二维图像不足，提高缺陷检测效果。本文提出一种实用管道三维成像方法，详细阐述了图像预处理、边缘检测、圆心检测以及三维可视化原理，并对工程现场排水管道进行实验。实验表明，该方法可以清晰地显示管道及其内部状况，为市政排水管网的维护提供了高效检测手段。
关键词：声纳检测、边缘检测、VTK
1.引言
城市排水管网是城市最重要基础设施之一，承担着城市污水、雨水排放的重要功能。如长期不加以检测和维护，会产生堵塞、变形、渗漏以及腐蚀等问题，影响排水功能，甚至会造成路面积水及坍塌，对城市交通及其他管道的使用造成极大的影响。因此，排水管网的定期检测与维护可以延长管道寿命，保障排水管网正常运行。目前，常用的排水管网检测方法主要有管道闭路电视内窥检测、声纳检测以及潜望镜等检测手段【1】。在众多检测手段中，声纳检测可实现不断流检测，因此在管道检测中使用广泛【2】。但声纳图像三维成像技术可直观发现察管道中缺陷分布情况，提高检测效率。
2.声纳三维成像原理
声纳检测方法通过换能器向管道中发射高频超声波，声波在遇到障碍物或者管壁后会发生反射，通过接收反射信号传播时间和幅值即可获得超声波传播方向上管道状况。当发射信号沿管道旋转一周后，即可获得管道截面处的超声回波能量分布图。同时进行周向扫描和径向扫描，从而获得前进方向上的一系列管道断面声纳图像。图1为实现管道三维成像的流程图。
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图1 三维成像流程图
2.1图像预处理
声纳图像是声纳回波信号的幅值图像，由于声纳在传播过程中衰减，声纳图像易受噪声干扰，且对比度不高。因此，图像需进行预处理，减小噪声，增强对比度是提高三维成像质量的重要保障。
首先对声纳图像进行去噪，为防止去除噪声时削弱图像边缘，采用双边滤波既可保持边界清晰又可去除噪声【3】。双边滤波数学表达如式（1）所示
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其中为高阈值，为低阈值，为取整符号，该变换将灰度值介于设定阈值之间的像素值拉伸到整个灰度范围，从而对目标区域图像进行增强。
在对图像进行降噪及灰度变换后，采用阈值分割将声纳图像中目标与背景分开，排除背景干扰，为之后圆心及边缘检测奠定基础。
2.2边缘检测
边缘是图像基本特征之一，通过边缘检测构建目标几何形状。常用的梯度方法很难在声纳图像中检测到较为连续的边缘，边缘点间拓补关系难以确定，不利于后续边缘点筛选。无边缘主动轮廓模型是基于区域的水平集模型【5】，使用区域统计量进行分割，即使边界数据非常微弱或是扩散，也可锁定目标。因此，对声纳图像边缘提取采用无边缘主动轮廓模型。假设有一幅图像P，包含两个区域，目标区域内的像素亮度为Pi，目标区域外像素亮度为Po。图像的拟合轮廓（即曲线C）可表示为
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其中，，，为可选的正则化参数，接下来应用水平集公式，即可获得一个离散形式的解更新该水平集，从而获取目标边界位置。
2.3圆心检测
在声纳检测的实施过程中，由于水流等因素的影响，会使声纳探头位置发生偏移。如不加以补偿，在三维成像时会使得管壁偏离实际位置，将无法获得连续的管道图像。通常情况下，待检测的管道形状为圆形，因此利用Hough圆变换可以检测出管道中心，将管道中心作为坐标原点，即可保证所有声纳图像坐标原点统一。Hough变换可通过式（5）给出的圆方程进行定义【6】
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对图像中所有边缘点可以按式（6）获得候选圆心位置，遍历所有边缘点后，对圆心位置进行统计，通过阀值确定圆心。在实际操作过程中，使用opencv中的HoughCircles( )函数，该函数采用霍夫梯度法提高Hough变换效率，结合梯度信息，对每个半径给出两个候选圆心，减少计算量，提高了检测效率。
2.4点云生成及三维显示
点云文件的生成及三维显示均在VTK中实现，VTK是一个开源、跨平台、支持并行处理的图形应用函数库，具有强大的三维图形功能【7】。本文采用VTK可视化管线对管道进行三维成像，首先将提取的边缘点坐标经过上述平移补偿，无效点删除后，按顺序读入VTK流水管线，并将读入的点加入vtkPolyData数据集。进行三维可视化时，直接导入生成点云，再利用VTK进行渲染，生成三维图像，结合VTK控制器，实现三维图像平移、旋转、缩放等功能，为用户提供多视角、全方位的三维图像交互。
3.实验结果与分析
为验证三维成像方法的检测效果，现场实测管径为800mm的水泥管道，对管道内壁进行连续旋转扫描。从原始声纳图像中可以看出管壁大致轮廓及液面位置。而液面下方还存在一段近似液面对称的管壁，是由管壁二次反射所产生的。预处理对图像，去除噪声，增强边缘。再利用无边缘主动轮廓模型边缘检测，该方法准确检测出管道轮廓位置。检测后的图像，显示圆圈与管道轮廓重合度较高，说明Hough圆变换可以有效检测出管道中心。将管段各个截面管壁轮廓点坐标存入文件，并通过VTK显示出来，效果良好。三维重构图像可以较好的反映出管壁，液面及管道内部情况，满足实际使用中对管道三维成像的需求，也验证了本文采用的三维成像方法的有效性。
4.结论
本文对市政排水管道声纳图像的三维成像方法进行研究，介绍了三维成像的原理和步骤，进行了市政排水管道实地测试，实现了市政排水管道三维成像，并获得良好的成像质量。通过成像后的三维图像可以清晰地观察管道内部状况，显示出管道的各种缺陷以及淤泥沉积情况，为市政排水管网的维护提供了高效的检测手段，具良好的市场应用前景。
参考文献
【1】李卫海, 林碧华, 廖海山. 城镇排水管道检测技术的发展与应用[J]. 广州建筑, 2009(1):33-37.
【2】黄贵. 电视和声纳检测技术在排水管道养护中的应用[J]. 科技信息, 2009(24):279-280.
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【4】冈萨雷斯, R.C.), 伍兹,等. 数字图像处理:英文版[M]. 电子工业出版社, 2010.
【5】Chan T F, Vese L A. Active contours without edges[M]. IEEE Press, 2001.
【6】瞿钧, 甘岚. 梯度Hough变换在圆检测中的应用[J]. 华东交通大学学报, 2007, 24(1):101-104.
【7】张晓东, 罗火灵. VTK图形图像开发进阶[M]. 机械工业出版社, 2015.