摘 要：傳統(tǒng)的石油鉆桿探傷主要依靠人工操作，完成整套工序需要大量的人力、物力，且效率低下，不能滿(mǎn)足大批管材快速探傷的要求。因此，開(kāi)發(fā)了一種生產(chǎn)效率高，成本低的石油鉆桿探傷系統(tǒng)。采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)結(jié)合具體硬件實(shí)現(xiàn)了石油鉆桿裂紋的自動(dòng)檢測(cè)和打標(biāo)。文章闡述了石油鉆桿探傷系統(tǒng)組成與功能，探傷流程，以及用到的關(guān)鍵技術(shù)。 關(guān)鍵詞：石油鉆桿;裂紋檢測(cè);Visual C++ 6.0;圖像處理 Abstract: Traditional Flaw-detection of oil drill pipe mostly depends on manual operation. It takes a great lot of manpower and material resources to complete entire working procedure with low efficiency which can’t fulfill the requirement of fast flaw-detecting of large quantities of oil drill pipes. Therefore the author developed a high produce efficiency and low cost flaw detection system of oil dill pipe. This system which adapts Visual C++6.0 technology and considers material hardware has realized automatic flaw detection and hit symbol on oil dill pipes. This paper narrates some important things such as system constitutions and functions, detection flow and key technologies used in the system. Key words: Oil Drill Pipe; Crack-detection; Visual C++ 6.0; Image Processing; 1 前言 　　原油開(kāi)采過(guò)程中，石油鉆桿是地面旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)與鉆鋌、鉆頭連接的主要部件，在油田的使用量非常大。它能否正常、安全地工作，是油田鉆井工程能否正常進(jìn)行的關(guān)鍵之一。鉆桿服役條件惡劣，在地下承受各種復(fù)雜交變載荷的作用，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，帶有裂紋的鉆桿繼續(xù)下井工作就有斷裂的危險(xiǎn)，一旦發(fā)生鉆柱斷裂造成埋井的情況，經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)數(shù)百萬(wàn)，嚴(yán)重影響鉆井工程的經(jīng)濟(jì)效益。因此，應(yīng)及時(shí)對(duì)鉆桿進(jìn)行裂紋檢測(cè)。傳統(tǒng)的石油鉆桿探傷主要依靠人工判讀，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，不能滿(mǎn)足大批鉆桿快速探傷的要求;個(gè)別油田引進(jìn)了國(guó)外管材探傷自動(dòng)化生產(chǎn)線，但是價(jià)格昂貴，生產(chǎn)成本過(guò)高。本文提出了一種利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行裂紋檢測(cè)的方法，將該方法應(yīng)用于石油鉆桿裂紋檢測(cè)可以很大程度上提高裂紋檢測(cè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。 2 系統(tǒng)組成和功能 　　首先對(duì)送檢鉆桿進(jìn)行預(yù)處理，如清洗、磁化、噴灑磁懸液等，然后才能送入紫外線檢測(cè)室進(jìn)行裂紋檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)主要由圖像獲取裝置、步進(jìn)裝置、打標(biāo)裝置、打印裝置和中控機(jī)（中心控制計(jì)算機(jī)，下同）組成。工業(yè)CCD攝像機(jī)獲取圖像后傳入中控機(jī)，中控機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行裂紋檢測(cè)，如果存在裂紋，則輸出打標(biāo)信號(hào)，將鉆桿打標(biāo)，并將結(jié)果存盤(pán)，生成裂紋信息報(bào)表，然后輸出步進(jìn)信號(hào)，檢測(cè)鉆桿下一段有無(wú)裂紋，否則，直接輸出步進(jìn)信號(hào)。 　　根據(jù)探傷過(guò)程的實(shí)際需要和客戶(hù)需求，系統(tǒng)具有如下功能和特點(diǎn)： 　?、?監(jiān)控圖像實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示; 　　② 圖像局部或全局處理，包括灰度化、二值化、文字編輯、噪聲消除、幾何放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、區(qū)域選擇等; 　?、?對(duì)缺陷圖像進(jìn)行標(biāo)識(shí)提示，提供裂紋屬性（大小、長(zhǎng)度、位置等）; 　?、?輸出打標(biāo)和步進(jìn)控制信號(hào); 　?、?檢測(cè)報(bào)表和圖像打印功能; 　?、?具有自動(dòng)、手動(dòng)兩種工作方式。 　　設(shè)計(jì)時(shí)考慮到用戶(hù)要求能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示監(jiān)控圖像，系統(tǒng)軟件采用單文檔雙視圖結(jié)構(gòu)。左邊視圖用于實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控圖像、放置一些操作按鈕、輸出檢測(cè)結(jié)果（用紅色醒目顯示）和檢測(cè)生成的裂紋屬性報(bào)表;右邊視圖作為圖像顯示窗口，在用戶(hù)選擇手動(dòng)檢測(cè)時(shí)作為圖像處理后的結(jié)果輸出窗口;兩個(gè)視圖中間藍(lán)色分割條正中設(shè)置了一個(gè)收放按鈕，用戶(hù)可以通過(guò)點(diǎn)擊來(lái)實(shí)現(xiàn)左邊視圖的隱藏和顯示，以獲得更多的圖像處理空間。運(yùn)行結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可以較好的滿(mǎn)足用戶(hù)需求，也使得界面美觀、大方。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)畫(huà)面如圖 1所示。 [align=center] 圖 1. 系統(tǒng)運(yùn)行圖[/align] 　　為了使探傷過(guò)程準(zhǔn)確快速，檢測(cè)軟件對(duì)獲得的鉆桿圖像（CCD攝像機(jī)直接獲取、鼠標(biāo)托放打開(kāi)、最近打開(kāi)文件列表打開(kāi)等）進(jìn)行了歸一化的處理，即把要處理的圖像格式進(jìn)行如下統(tǒng)一：① 歸一化調(diào)色板信息。圖像進(jìn)行灰度化處理時(shí)將圖像調(diào)色板信息進(jìn)行灰度級(jí)統(tǒng)一，調(diào)色板數(shù)組從第一個(gè)數(shù)據(jù)到最后一個(gè)數(shù)據(jù)依次為0～255,共256級(jí)。同時(shí)修改位圖信息頭中相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息，如biClrUsed=256，biBitCount=8等。② 歸一化圖像位圖數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)。根據(jù)歸一化調(diào)色板，對(duì)位圖數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，將單色位圖，16色位圖和沒(méi)有采用歸一化調(diào)色板的256色位圖進(jìn)行顏色索引值的統(tǒng)一，例如對(duì)于單色位圖也是采用0和255兩個(gè)索引值來(lái)填充數(shù)據(jù)區(qū)。歸一化的好處是位圖數(shù)據(jù)一個(gè)字節(jié)剛好可以表示一個(gè)象素，簡(jiǎn)化了程序處理的復(fù)雜度，提高了裂紋檢測(cè)速度。程序最后采用Visual C++6.0編程實(shí)現(xiàn)。 　　軟件運(yùn)行時(shí)，首先將24位彩色位圖進(jìn)行灰度化、二值化，再對(duì)二值化的圖像進(jìn)行濾波降噪，最后進(jìn)行裂紋的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行手動(dòng)檢測(cè)時(shí)獲得的圖像如下： 3 探傷流程 　　經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的石油鉆桿固定在裝有步進(jìn)裝置的底座上，送入熒光實(shí)驗(yàn)室，中控機(jī)發(fā)送步進(jìn)指令，鉆桿步進(jìn)到CCD攝像機(jī)視野;步進(jìn)停止后工業(yè)攝像機(jī)采集圖像送入中控機(jī)處理;中控機(jī)內(nèi)部石油鉆桿探傷軟件自動(dòng)將圖像灰度化、二值化，然后進(jìn)行中值濾波和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)開(kāi)、閉運(yùn)算進(jìn)行消噪，至此完成了石油鉆桿圖像的預(yù)處理操作。 　　探傷軟件對(duì)預(yù)處理后的鉆桿二值圖進(jìn)行橫向和縱向的掃描、投影運(yùn)算，若沒(méi)有得到可疑的目標(biāo)區(qū)域，則發(fā)送步進(jìn)指令，對(duì)下一段鉆桿進(jìn)行裂紋檢測(cè)，否則將目標(biāo)區(qū)域保存送入裂紋檢測(cè)模塊;裂紋檢測(cè)模塊運(yùn)用基于圓形度的裂紋檢測(cè)算法對(duì)可疑目標(biāo)區(qū)域進(jìn)一步判決，若不存在裂紋，則發(fā)送步進(jìn)指令，否則，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，輸出裂紋屬性信息，生成結(jié)果報(bào)表，同時(shí)輸出打標(biāo)信號(hào)，控制打標(biāo)裝置在裂紋處打上記號(hào)標(biāo)識(shí)。 　　最后發(fā)送步進(jìn)指令，對(duì)余下鉆桿進(jìn)行裂紋檢測(cè)，直到檢測(cè)完一條鉆桿。 　　整個(gè)流程中，圖像預(yù)處理是關(guān)鍵一環(huán)，預(yù)處理的好壞，直接關(guān)系到檢測(cè)的最終結(jié)果。目前制作的系統(tǒng)只能對(duì)一路視頻信號(hào)進(jìn)行裂紋檢測(cè)，由于鉆桿是圓柱形的，實(shí)際的運(yùn)行系統(tǒng)中，要做到同時(shí)對(duì)鉆桿進(jìn)行完全的檢測(cè)就要布置至少三個(gè)CCD攝像機(jī)，才能覆蓋鉆桿一周，在探傷軟件程序端要進(jìn)行多路信號(hào)處理的修改，采用多線程機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多路鉆桿裂紋并行檢測(cè)。探傷流程圖如圖 3所示。 4 關(guān)鍵技術(shù) 　　4.1 計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù) 　　人類(lèi)主要是通過(guò)視覺(jué)感知外界信息，人類(lèi)對(duì)外界信息的感知有80%以上是通過(guò)視覺(jué)得到的。自信號(hào)處理理論和計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，人們?cè)噲D用攝像機(jī)獲得環(huán)境圖像并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)視覺(jué)信息處理的全過(guò)程，這樣就形成了一門(mén)新興學(xué)科——計(jì)算機(jī)視覺(jué)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一門(mén)多學(xué)科交叉性很強(qiáng)的學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)、心理學(xué)、生理學(xué)、物理學(xué)、信號(hào)處理和數(shù)學(xué)等。近年來(lái)隨著各學(xué)科和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺(jué)已被廣泛應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)輔助診斷、工業(yè)機(jī)器人眼、物體三維形狀分析與識(shí)別、智能人機(jī)接口、智能監(jiān)控等領(lǐng)域。 　　4.2采用有針對(duì)性的裂紋圖像預(yù)處理方法 　　圖像預(yù)處理包括灰度化、二值化和噪聲消除。二值化過(guò)程中，由于裂紋區(qū)域在圖像中所占比例較小，故采用平均閾值法進(jìn)行二值化的結(jié)果要進(jìn)行閾值修正，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)為將平均閾值減去25個(gè)數(shù)量級(jí)為宜（灰度為256級(jí)）。 　　鉆桿的宏觀缺陷可分為兩類(lèi)。第一類(lèi)：縱向撕裂型外表面線性裂紋。該類(lèi)裂紋呈現(xiàn)在管體外表面，肉眼可見(jiàn)，寬度在0.5-2mm，深度在0.5mm以上，長(zhǎng)度小于50mm[5]，并且靠近“加厚過(guò)渡帶”。第二類(lèi)：內(nèi)部裂紋，系統(tǒng)不能檢測(cè)，故不做進(jìn)一步討論。針對(duì)第一類(lèi)縱向撕裂型外表面裂紋，縱向、細(xì)而長(zhǎng)是此類(lèi)裂紋具有的共同屬性，為此，在消噪階段采用有針對(duì)性的條形消噪模板，進(jìn)行二值形態(tài)學(xué)中的開(kāi)和閉運(yùn)算，可以有效地去除橫向干擾、塊狀噪聲和離散點(diǎn)噪聲，大大提高裂紋檢測(cè)的準(zhǔn)確性。 　　4.3 鉆桿圖像裂紋檢測(cè)算法 　　預(yù)處理后圖像經(jīng)掃描、投影，可以獲取可能是裂紋的目標(biāo)區(qū)域，檢測(cè)裂紋模塊將這些目標(biāo)區(qū)域作為輸入，進(jìn)行裂紋識(shí)別，主要是去除未能清洗掉的泥漿、水泥和腐蝕點(diǎn)等干擾因素形成的偽裂紋，得到真正的裂紋，最后輸出裂紋屬性信息。判定裂紋的算法是目前比較流行的圓形度判決算法，該算法根據(jù)可疑目標(biāo)區(qū)域的周長(zhǎng)l和面積s,計(jì)算: 　　c=4＊PI＊s/（l＊l）），其中PI=3.14159265 　　然后對(duì)result進(jìn)行閾值判決，決定是否是真正的裂紋, 　　 　　閾值threshold大小由實(shí)驗(yàn)確定，實(shí)驗(yàn)中采用0.3，大于此值不是裂紋，否則判定為裂紋，此時(shí)可以較好地去除二值圖中圓形和方形干擾，得到真正的細(xì)長(zhǎng)裂紋信息。 5 結(jié)束語(yǔ) 　　文章設(shè)計(jì)了一種石油鉆桿探傷系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、Visual C++6.0硬件訪問(wèn)控制技術(shù)、圖像平滑降噪預(yù)處理技術(shù)、裂紋檢測(cè)技術(shù)，使系統(tǒng)可靠、實(shí)用。另外系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，簡(jiǎn)單易用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的探傷方法是切實(shí)可行的。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： ①將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于石油鉆桿裂紋檢測(cè)中。②針對(duì)石油鉆桿裂紋檢測(cè)的具體情況，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套切實(shí)可行的探傷系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 張慶社. 石油專(zhuān)用鉆具螺紋熒光磁粉探傷及缺陷分析. 無(wú)損檢測(cè)，2004.5:256-257 　　[2] 任勇，李靜，張曦. 石油專(zhuān)用管材無(wú)損探傷自動(dòng)化生產(chǎn)線. 石油儀器，2003.10:24-26 　　[3] 李小鵬，馬曉煌. Delphi實(shí)現(xiàn)基于軍事信息網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng). 微計(jì)算機(jī)信息，2006.8:86-87 　　[4] 孫金立，陳新波，袁英民等. 用渦流屏蔽式探頭檢測(cè)油田鉆具接頭疲勞裂紋.無(wú)損檢測(cè)，2002.12:542-543 　　[5] 周夢(mèng)雄，彭國(guó)良，邱寧. 石油鉆桿裂紋分析. 鋼管，2004.10:11-13 作者簡(jiǎn)介： 　　安紅征，男，1983年2月生，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。 　　殷肖川，男，1961年1月生，教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。 　　王蓓，女，1979年5月生，碩士生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。