[发明专利]一种基于虚拟多目内窥镜的高炉料面三维重建方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于虚拟多目内窥镜的高炉料面三维重建方法及系统，通过利用料面下降形成的视差，建立料面与内窥镜的相对运动模型，在空间上虚构多目虚拟内窥镜，基于虚拟内窥镜和三角测量原理恢复特征点的空间坐标，从而获得稀疏的三维点云数据，根据高炉料面的布料环特征，利用稀疏的三维点云数据构建深度等高线以及构造一个能够反映料面分布的距离场函数，将深度等高线映射到三维空间中，并根据机械探尺数据进行定标，从而得到真实空间中的三维料面形貌，解决了现有技术无法准确获取高炉料面三维形貌的技术问题，实现了高温高压、弱光强粉尘恶劣环境下料面三维重建，从而为高炉炉顶布料操作提供直观可靠的三维料面形貌。

技术领域

本发明主要涉及高炉料面三维重建领域，特指一种基于虚拟多目内窥镜的高炉料面三维重建方法及系统。

背景技术

高炉是钢铁冶炼的主要设备，高炉炼铁是钢铁制造流程中能耗最大、危险性最高、排放最多的工序，约占我国工业总排放的10％，而高炉料面三维形貌极大影响了炉料和煤气在炉内合理的分布，是影响高炉冶炼能耗和排放的关键参数。准确获取三维料面形貌对炉顶合理布料，调节煤气流分布，进而降低能耗，保证高炉正常、稳定、持续、高效运行具有重要意义。然而，由于高炉冶炼过程中炉内高温高压、密闭弱光、强粉尘、多噪点的恶劣环境，高炉料面形貌的三维重建具有极大的挑战，现场难以准确获取高炉炉内三维料面形貌。

现有方法根据是否需要向场景发射光源分为主动视觉法和被动视觉法。主动视觉法包括三维激光扫描技术、相阵雷达技术等，这些方法通过向高炉料面发射激光或者雷达等，通过对反射的激光雷达数据去噪、点云处理等方法拟合得到三维料面，这些方法只能得到二维点云数据，无法直观获得料面图像，且容易受到炉内强粉尘的干扰，导致精度降低。被动视觉法一般先获取目标物体或场景的图像，再基于图像实现三维重建，无需额外的设备、操作简单、对场景环境无要求。根据相机的个数，被动视觉法可分为单目、双目、多目三维重建。基于单摄像头的三维重建使用图像为单视点的单幅或图像序列，通过二维图像特征推导出三维模型；双目三维重建，是通过立体匹配感知深度，一般至少需要通过两幅视图才能完成立体匹配获取视差信息，且立体匹配要求两幅视图重叠率需大过一定阈值；多目三维重建是在立体匹配的基础上，使用多摄像机系统拍摄得到的多目视图，利用摄像机参数和立体匹配原理实现三维重建。考虑到高炉冶炼过程会产生大量的煤气，对密闭性要求严格，因此在尽量不破坏高炉本体结构的前提下，获取高炉料面图像并实现三维重建十分重要。

中国专利CN109598791A《一种高炉料面成像三维模型重建方法及系统》公开了一种高炉料面三维模型重建方法和系统，系统包括位于高炉炉内至少两台热像仪、现场控制箱以及设置在控制室内的控制机柜、报警和显示器。利用红外热成像技术，通过采用高炉炉内多台热像仪，并引入计算机视觉的双目视觉技术，对高炉的布料信息进行分析处理，从而实现布料过程的料面图像进行三维立体重现，获得料面各点的高度。但通过红外热成像技术进行料面三维重建，受高炉炉内中心高温气流干扰，只能定性判断料面分布情况，难以准确获得料面形貌。

中国专利CN111273272B《用于高炉料面成像的3D雷达扫描器以及高炉料面检测系统》提供了一种用于高炉料面成像的3D雷达扫描器以及料面检测系统，高炉料面3D雷达扫描器可安装高炉顶部，测量高炉内多点料面高度信息，可实现对高炉内部形状进行连续测量，为现场操作人员调整布料工艺提供可视化数据依据。基于雷达的料位检测方法在料面检测运用最为广泛，但雷达扫描的数据不直观，只能得到有效点的料面高度数据，且由于高炉炉顶粉尘聚集分布，采用雷达检测料面形貌会受到粉尘的干扰导致误差较大。

发明内容

本发明提供的基于虚拟多目内窥镜的高炉料面三维重建方法及系统，解决了现有技术无法准确获取高炉料面三维形貌的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的基于虚拟多目内窥镜的高炉料面三维重建方法包括：

利用料面下降形成的视差，建立料面与内窥镜的相对运动模型，在空间上虚构多目虚拟内窥镜；