基于双目视觉的乏燃料组件高精度测量方法

基于双目视觉的乏燃料组件高精度测量方法

曹,萌

辽宁红沿河核电有限公司，辽宁 大连 116000

摘要：本文阐述了一种用于水下强辐照环境下燃料组件的双目视觉测量方法，实现燃料组件的非接触式测量。

关键词：燃料组件；双目视觉；非接触测量

引言

作为核能发电的核心部件，燃料组件工作于堆芯水池，该水池在核电运行期间长期处于高温、高压和强辐射条件下，由于辐照、热应力等影响，燃料组件会发生一定的变形，过大的燃料组件变形会带来堆内装卸困难、组件表面破损、堆芯象限功率倾斜等问题。通过核燃料组件外形参数的测量，不仅可以为堆芯燃料组件顺利装载提供精确的参考数据，还可以通过测量值判断乏燃料组件能否再次循环利用。因此，提出一种简便、高效、适应性强、测量精度高的变形测量方法对于核电厂安全运行具有重要的意义。

1. 双目视觉测量原理

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双目视觉测量基于视差原理，通过左右两个相机从不用角度对物体进行拍摄，然后对获取的数字图像进行视差计算，结合两相机之间的空间位置关系求解空间被测点的三维坐标。视差是同一个空间点在两个相机成像中对应的X轴坐标的差值。视差的大小对应着物体与相机距离的远近，物体距离越远，视差越小，反之，视差越大。双目测量原理如图1所示。

图1 双目测量原理

、为平行的左右两个相机，基线T表示两个相机投影中心连线距离，相机焦距,空间观察点的坐标为系统分别在左相机和右相机上获取了空间点的图像，点在左、右图像的坐标系为、。由于两相机平行，左、右成像在同一平面上，即，则根据相似三角形原理，可以得出：

                             （1）

由式（1）推导可得，距离为：

                               （2）

根据三角形相似定理可得：

                               （3）

                               （4）

结合坐标系之间的变化关系、几何关系，可以计算图像中目标点的景深以及三维空间坐标。

2. 双目视觉测量方法

该方法首先对所有水下相机进行内参数标定，实现水下相机采集图像的径向畸变补偿；然后，对相邻相机进行双目模块组合，实现各组双目模块的内外参数标定，获取相机间的相对姿态关系；接着，根据双目模块的外参数进行坐标系变换，获取相机间的变换矩阵，实现多目视觉的测量模型建立；最后，对用户交互设置的目标测量点，基于点特征和区域灰度互相关法联合的方式，获取待测目标在双目模块内的坐标对，将其代入测量模型可得坐标对应目标的高精度测量值。

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2.1.双目测量模块内参数标定

将二维高精度标定板分别置于拟标定的水下相机视场内，依次平移和旋转标定板，使其遍历当前水下相机的全视场，内参数基于二阶径向畸变系数描述，系数的计算根据公式（5）：

                  (5)

式中，为无畸变的理想图像的归一化坐标，为有畸变的采集图像的归一化坐标。以式（5）为目标函数，根据多组标定板内的特征圆心坐标，采用最小二乘法实现最优化运算，获取畸变系数。

2.2.双目模块内外参数标定

将二维标定板分别置于拟标定的双目模块的重叠视场内，依次平移和旋转标定板，使其遍历整个重叠视场，以左相机光心为原点，则内参数、、和，外参数、与标定板内特征坐标的关系如公式（6）：

         (6)

式中，为传感器的像素坐标，为摄像机坐标，为世界坐标，，为光心参数，为旋转矩阵、为平移矩阵。

2.3.获取相机间变换矩阵

在测量应用中，相邻2台水下相机为1组双目模块，则对应变换矩阵为、、...、，双目模块间的变换矩阵为、、...、；而相应测量目标的测量值为对应双目模块内的三维坐标，在进行大尺寸目标测量时，需通过变换矩阵运算实现参考坐标系的统一。以燃料组件的长度测量为例，其上下端分别处于首部和尾部双目模块内，则测得的三维坐标为对应参考坐标系内的坐标，坐标值要进一步运算获取该大尺寸参数前，其中一组坐标需与模块间变换矩阵进行乘法运算，将两组坐标转换到同一坐标系中。

2.4.点特征和灰度互相关联合的图像配准

快速、精确地获取双目视场内的匹配点对有助于提升测量精度，由于工件参数多以角点为参考，本方法采用Harris点和灰度互相关法联合的方式，灰度互相关的计算根据公式（7）：

   (7)

式中，为左图坐标的像素点，为左图坐标的邻域像素均值，为右图坐标的像素点，为右图坐标的邻域像素均值，可实现对应右图中坐标的获取。通过视差原理，将获得的坐标对代入，实现三维坐标值的计算，再将三维坐标代入测量模型可得对应目标的高精度测量值。

3. 结语

本文所述的双目视觉测量方法有效应用水下双目视觉技术，相比单目非接触视觉检测方法，具有应用工况要求低、且操作简洁等优点；并且该方法可通过虚拟双目模块的方式实现多目视觉的相机间姿态标定，进而实现大型燃料组件参数的高精度测量。

参考文献：

[1] 刘浩然,张文明,刘斌.基于双目立体视觉实现物体三维测量的研究[J].光子学报,2009,38(7):1830-1834.

[2] 周科杰,冯常.基于双目视觉的三维测量技术研究[J].计算机测量与控制,2019(1):22-25,31.

[3] 王良丹.双目结构光视觉系统及三维重建方法实现[D].杭州:浙江工业大学,2017:20-21.

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