專利名稱：一種大型構件表面三維形貌視覺測量方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及三維形貌視覺測量技術領域，尤其涉及一種大型構件表面三維形貌視覺測量方法及系統(tǒng)。
背景技術：
大型構件表面三維形貌的測量是現(xiàn)代逆向工程和產品數(shù)字化設計及制造的基礎支撐技術，在許多領域特別是制造行業(yè)有著廣泛的應用，如汽車、飛機、船舶、航天器外形測量，大型模具測量，無縫鋼管等大型機械構件測量，大型天線安裝及變形監(jiān)測等。因此，研究大型構件表面三維形貌測量方法對保證國家重大裝備的順利研制和生產具有重要意義，是目前亟待解決的重要關鍵技術。目前，大型飛機工程已列入國家中長期科學與技術發(fā)展綱要，大型飛機設計、制造及裝配的數(shù)字化和自動化是該工程的重點攻關內容，大型構件如機艙、機翼、尾翼等三維形貌的測量及重構是亟需解決的重要關鍵技術之一。目前，大型構件表面三維形貌的測量的主要手段有三坐標測量機、激光跟蹤儀、全站儀、經緯儀、視覺測量系統(tǒng)等。三坐標測量機是完成三坐標測量的通用設備，具有很好的測量精度，主要缺點是測量效率低，且測量范圍較小，一般在1 2米之內。激光跟蹤儀、全站儀及由兩臺經緯儀構成雙目測量系統(tǒng)均較適于現(xiàn)場使用，測量范圍大，但主要缺點是測量效率低，且易出現(xiàn)測量盲區(qū)。隨著計算機技術、電子學、光學技術的日趨完善以及圖像處理、模式識別等技術的不斷進步，視覺檢測技術得到快速發(fā)展，已逐漸成為大型構件表面三維最主要的檢測手段， 其具有自動化程度高、量程大、精度高、非接觸等優(yōu)點。大型構件尺寸大，存在自身遮擋，單個視覺傳感器無法實現(xiàn)整個大型構件表面三維形貌動態(tài)測量。通?？蓪y量區(qū)域分成多個子區(qū)域，將各子區(qū)域三維數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系，獲得整個大型構件表面的三維形貌。根據(jù)全局統(tǒng)一方式的不同，視覺檢測主要分為兩大類流動式視覺檢測法和多傳感器視覺檢測法。流動式視覺檢測法通過單個視覺傳感器以流動方式測量整個大型構件表面的三維形貌，以粘貼在大型構件上的標志點或放置在大型構件前的靶標標志點為中介，將所有流動測量得到的子區(qū)域測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。比較典型的有美國GOM公司研制的 ATOS流動式三維光學測量系統(tǒng)和國內北京天遠公司研制的流動式三維掃描系統(tǒng)等。該方法優(yōu)點是設備簡單，操作方便，適合工業(yè)現(xiàn)場測量?，F(xiàn)有流動式測量方法一種需要在被測物體上黏貼標志點，該方法的缺點對于無法測量的軟性物體及不允許黏貼標志點的物體表面三維形貌測量具有局限性；另一種是需要在在測量現(xiàn)場安置全局統(tǒng)一設備，這里指的全局統(tǒng)一設備主要包括單、雙經緯儀，單、雙目視覺傳感器，激光跟蹤儀等，該方法的主要缺點存在全局統(tǒng)一設備價格昂貴，現(xiàn)場標定困難，且有視覺盲區(qū)等等。多傳感器視覺檢測法在測量前完成多視覺傳感器全局標定，測量時根據(jù)全局標定結果，將每個視覺傳感器測量的子區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。目前，多傳感器視覺檢測法比較典型的產品有美國Perceptron公司的車身幾何尺寸檢測系統(tǒng)和國內天津大學葉聲華院士課題組研制的轎車白車身視覺檢測系統(tǒng)等。該方法原理簡單，可以實現(xiàn)整個大型構件表面三維形貌的視覺測量，但存在多視覺傳感器現(xiàn)場全局標定困難，全局標定后系統(tǒng)測量精度容易受現(xiàn)場強振動環(huán)境影響較大等局限性。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種大型構件表面三維形貌視覺測量方法及系統(tǒng)，能夠簡便快速地實現(xiàn)大型構件表面三維形貌視覺測量。為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的一種大型構件表面三維形貌視覺測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括圖像采集系統(tǒng)、控制器、 計算機、一個三維光學測頭、多個平面靶標，所述平面靶標分布在大型構件的周圍，所述三維光學測頭和平面靶標連接所述控制器和圖像采集系統(tǒng)，所述控制器和圖像采集系統(tǒng)連接所述計算機；其中，所述三維光學測頭包括光柵式雙目視覺傳感器和寬視場攝像機；所述光柵式雙目視覺傳感器，用于進行大型構件表面不同子區(qū)域的三維形貌測量；所述寬視場攝像機，用于測量布置于大型構件周邊的平面靶標；所述計算機，用于以所述寬視場攝像機測量的平面靶標為中介，將所述光柵式雙目視覺傳感器測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。其中，所述光柵式雙目視覺傳感器進一步包括兩個攝像機和一個光柵激光器；所述計算機，還用于控制所述控制器點亮平面靶標上的特征點，觸發(fā)所述光柵激光器投射光柵光條；還用于采集圖像，算法實現(xiàn)和結果顯示；所述光柵式雙目視覺傳感器的兩個攝像機，用于進行所述光柵光條圖像的采集；所述寬視場攝像機，具體用于不同進行平面靶標圖像的采集。其中，所述光柵式雙目視覺傳感器的兩個攝像機，用于將拍攝的圖像通過所述圖像采集系統(tǒng)傳送給所述計算機；所述計算機，具體用于根據(jù)所述攝像機內部參數(shù)標定結果，對所述攝像機拍攝的圖像完成圖像畸變矯正后，進行光柵光條圖像中心點識別機定位；并根據(jù)所述兩個攝像機的光柵光條匹配結果及雙目立體視覺原理，得到光柵光條中心點的三維坐標。其中，所述計算機，具體用于根據(jù)預先選定的作為全局坐標系的平面靶標及識別定位的平面靶標特征點中心圖像坐標，得到寬視場攝像機坐標系到全局坐標系的轉換矩陣；利用所述轉換矩陣及預先得到的光柵式雙目視覺傳感器坐標系到寬視場攝像機坐標系的轉換矩陣，將測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。其中，所述寬視場攝像機，還用于當拍攝不到所述作為全局坐標系的平面靶標時， 通過拍攝到的平面靶標和所述作為全局坐標系的平面靶標之間坐標系的轉換矩陣、寬視場攝像機坐標系到全局坐標系的轉換矩陣以及光柵式雙目視覺傳感器坐標系到寬視場攝像機坐標系的轉換矩陣，將測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。一種大型構件表面三維形貌視覺測量方法，在大型構件的周圍分布有多個平面靶標，三維光學測頭和平面靶標連接控制器和圖像采集系統(tǒng)，所述控制器和圖像采集系統(tǒng)連接所述計算機；其中，所述三維光學測頭包括光柵式雙目視覺傳感器和寬視場攝像機；所述方法包括
三維光學測頭的光柵式雙目視覺傳感器進行大型構件表面不同子區(qū)域的三維形貌測量；三維光學測頭的寬視場攝像機測量布置于大型構件周邊的平面靶標；計算機以寬視場攝像機測量的平面靶標為中介，將所述光柵式雙目視覺傳感器測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。其中，在光柵式雙目視覺傳感器進行大型構件表面不同子區(qū)域的三維形貌的測量之前，所述方法還包括計算機控制控制器點亮平面靶標上作為特征點的LED光源，觸發(fā)所述光柵式雙目視覺傳感器的光柵激光器投射光柵光條，所述光柵式雙目視覺傳感器的兩個攝像機進行所述光柵光條圖像的采集；所述寬視場攝像機同步采集平面靶標圖像。其中，所述光學側頭的光柵式雙目視覺傳感器進行大型構件表面不同子區(qū)域的三維形貌的測量為計算機根據(jù)攝像機內部參數(shù)標定結果，對光柵式雙目視覺傳感器的兩個攝像機拍攝的圖像完成圖像畸變矯正后，進行光柵光條圖像中心點識別及定位；根據(jù)所述兩個攝像機的光柵光條匹配結果及雙目立體視覺原理，得到光柵光條中心點的三維坐標。其中，所述計算機以所述寬視場攝像機測量的平面靶標為中介，將光柵式雙目視覺傳感器測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系為根據(jù)預先選定的作為全局坐標系的平面靶標及識別定位的平面靶標特征點中心圖像坐標，得到寬視場攝像機坐標系到全局坐標系的轉換矩陣；利用所述轉換矩陣及預先得到的光柵式雙目視覺傳感器坐標系到寬視場攝像機坐標系的轉換矩陣，將測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。進一步地，所述方法還包括當所述三維光學測頭拍攝不到所述作為全局坐標系的平面靶標時，通過拍攝到的平面靶標和所述作為全局坐標系的平面靶標之間坐標系的轉換矩陣、寬視場攝像機坐標系到全局坐標系的轉換矩陣以及光柵式雙目視覺傳感器坐標系到寬視場攝像機坐標系的轉換矩陣，將測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。本發(fā)明將光柵式雙目視覺傳感器與寬視場攝像機結合在一起構成三維光學測頭， 通過一個三維光學測頭擺放至不同位置對大型構件不同的子區(qū)域進行測量，以布置在大型構件周邊的平面靶標為中介，將三維光學測頭每次測量得到的局部數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系下，實現(xiàn)大型構件表面三維形貌視覺測量。本發(fā)明中，局部數(shù)據(jù)的全局統(tǒng)一是以布置于被測物體周圍的平面靶標為中介實現(xiàn)的，不需要在被測物體上貼標記也不需要利用全局統(tǒng)一設備；同時平面靶標位置可以根據(jù)被測物體形狀進行靈活排放，沒有測量死角。


圖1為本發(fā)明大型構件表面三維形貌視覺測量系統(tǒng)的結構示意圖；圖2為本發(fā)明放置于三腳架上的三維光學測頭的結構示意圖；圖3為本發(fā)明平面靶標的結構示意6
圖4為本發(fā)明三維光學測頭的寬視場攝像機的結構示意圖；圖5為本發(fā)明大型構件表面三維形貌視覺測量方法的流程示意圖；圖6為本發(fā)明光柵式雙目視覺傳感器測量模型示意圖；圖7為本發(fā)明大型構件表面三維形貌視覺測量方法的全局統(tǒng)一過程的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的基本思想為系統(tǒng)包括圖像采集系統(tǒng)、控制器、計算機、一個三維光學測頭、多個平面靶標，所述平面靶標分布在大型構件的周圍，所述三維光學測頭和平面靶標連接所述控制器和圖像采集系統(tǒng)，所述控制器和圖像采集系統(tǒng)連接所述計算機；其中，所述三維光學測頭包括光柵式雙目視覺傳感器和寬視場攝像機；所述光柵式雙目視覺傳感器，用于進行大型構件表面不同子區(qū)域的三維形貌的測量；所述寬視場攝像機，用于測量布置于大型構件周邊的平面靶標；所述計算機，用于以所述寬視場攝像機測量的平面靶標為中介， 將所述光柵式雙目視覺傳感器測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下舉實施例并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。圖1示出了本發(fā)明大型構件表面三維形貌視覺測量系統(tǒng)的結構示意，如圖1所示， 所述系統(tǒng)包括圖像采集系統(tǒng)、控制器、計算機、一個三維光學測頭、多個平面靶標，所述平面靶標分布在被測物體的周圍，所述三維光學測頭和平面靶標連接所述控制器和圖像采集系統(tǒng)，所述控制器和圖像采集系統(tǒng)連接所述計算機；其中，參照圖2示出的本發(fā)明放置于三腳架上的三維光學測頭的結構，所述三維光學測頭包括光柵式雙目視覺傳感器和寬視場攝像機；所述光柵式雙目視覺傳感器，用于進行被測物體表面不同子區(qū)域的三維形貌測量；所述寬視場攝像機，用于測量布置于被測物體周邊的平面靶標；所述計算機，用于以所述寬視場攝像機測量的平面靶標為中介，將所述光柵式雙目視覺傳感器測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。具體地，參照圖2，所述光柵式雙目視覺傳感器進一步包括兩個攝像機和一個光柵激光器；所述寬視場攝像機通過機械裝置安裝在所述光柵式雙目視覺傳感器上，本實施例中，寬視場攝像機與光柵式雙目視覺傳感器之間的位置保持固定不動。平面靶標的結構如圖3所示，這里，圖3中的圓點為平面靶標的特征點，所述特征點為LED光源，各特征點位置經過預先的編碼設計，寬視場攝像機可以根據(jù)所述特征點的位置關系識別出平面靶標序號，本發(fā)明實施例中，平面靶標可以通過三腳架支撐布置在被測物體周圍。進一步地，所述計算機，用于控制所述控制器點亮平面靶標上的特征點，觸發(fā)所述光柵激光器投射光柵光條；同時計算機中測量軟件用于采集圖像，算法實現(xiàn)和結果顯示等。所述光柵式雙目視覺傳感器的兩個攝像機，用于進行所述光柵光條圖像的采集；所述寬視場攝像機，具體用于不同進行平面靶標圖像的采集。其中，所述寬視場攝像機為反射折射攝像機或魚眼攝像機。反射折射攝像機由一個針孔攝像機和其正前方的反射鏡面構成；反射折射攝像機可以分為兩類一類為單光心，另一類為非單光心。其中，單光心反射折射攝像機很容易生成透視圖像，在實際中有著廣泛的應用。
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單光心反射折射攝像機的反射鏡面可分為四種類型旋轉拋物面鏡、旋轉雙曲面鏡、旋轉橢球面鏡和平面鏡。不失一般性，為了便于理解，本實施例中以采用平面鏡的反射折射攝像機為例，進行詳細的介紹。參考圖4，寬視場攝像機由一個攝像機11與一個四面鏡 12構成，通過四面鏡12構成四個鏡像攝像機13、14、15、16，實現(xiàn)寬視場測量。進一步地，所述光柵式雙目視覺傳感器，具體用于根據(jù)攝像機內部參數(shù)標定結果矯正圖像畸變，進行光柵光條圖像中心點識別機定位；所述光柵數(shù)雙目視覺傳感器，具體用于根據(jù)所述兩個攝像機的光柵光條匹配結果及雙目立體視覺原理，得到光柵光條中心點的三維坐標。進一步地，所述寬視場攝像機，具體用于根據(jù)預先選定的作為全局坐標系的平面靶標及識別定位的平面靶標特征點中心圖像坐標，得到寬視場攝像機坐標系到全局坐標系的轉換矩陣；利用所述轉換矩陣及預先得到的光柵式雙目視覺傳感器坐標系到寬視場攝像機坐標系的轉換矩陣，將測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。進一步地，所述寬視場攝像機，還用于當拍攝不到所述作為全局坐標系的平面靶標時，通過拍攝到的平面靶標和所述作為全局坐標系的平面靶標之間坐標系的轉換矩陣、 寬視場攝像機坐標系到全局坐標系的轉換矩陣以及光柵式雙目視覺傳感器坐標系到寬視場攝像機坐標系的轉換矩陣，將測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。圖5示出了本發(fā)明大型構件表面三維形貌視覺測量方法的流程，如圖5所示，所述方法包括下述步驟步驟501，三維光學測頭的光柵式雙目視覺傳感器進行大型構件表面不同子區(qū)域的三維形貌測量；具體地，計算機根據(jù)攝像機內部參數(shù)標定結果，矯正光柵式雙目視覺傳感器采集圖像的圖像畸變后，進行光柵光條圖像中心點識別及定位；根據(jù)所述兩個攝像機的光柵光條匹配結果及雙目立體視覺原理，得到光柵光條中心點的三維坐標。另外，本步驟之前，還包括計算機控制控制器點亮平面靶標上作為特征點的LED 光源，觸發(fā)所述光柵式雙目視覺傳感器的光柵激光器投射光柵光條，所述光柵式雙目視覺傳感器的兩個攝像機進行所述光柵光條圖像的采集；所述寬視場攝像機同步采集平面靶標圖像。步驟502，三維光學測頭的寬視場攝像機測量布置于被測大型構件周邊的平面靶標；步驟503，計算機以寬視場攝像機測量的平面靶標為中介，將所述光柵式雙目視覺傳感器測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系具體地，根據(jù)預先選定的作為全局坐標系的平面靶標及識別定位的平面靶標特征點中心圖像坐標，得到寬視場攝像機坐標系到全局坐標系的轉換矩陣；這里可以任意選取一個平面靶標的坐標系作為全局坐標系。利用所述轉換矩陣及預先得到的光柵式雙目視覺傳感器坐標系到寬視場攝像機坐標系的轉換矩陣，將測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。當所述三維光學測頭拍攝不到所述作為全局坐標系的平面靶標時，通過拍攝到的平面靶標和所述作為全局坐標系的平面靶標之間坐標系的轉換矩陣、寬視場攝像機坐標系到全局坐標系的轉換矩陣以及光柵式雙目視覺傳感器坐標系到寬視場攝像機坐標系的轉換矩陣，將測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。應當理解，在實際視覺測量方法具體應用時，可以在三維光學測頭對被測物體進行多次不同子區(qū)域的測量完成后，再將得到的多個子區(qū)域三維數(shù)據(jù)全局統(tǒng)一到全局坐標系，進而實現(xiàn)大型構件表面三維形貌視覺測量；也可以在三維光學測頭每次對被測物體進行測量完成后，即將得到的該子區(qū)域三維數(shù)據(jù)全局統(tǒng)一到全局坐標系，經過多次測量以及全局統(tǒng)一后，實現(xiàn)大型構件表面三維形貌視覺測量。本發(fā)明還提供了上述大型構件表面三維形貌視覺測量方法的具體實施例，具體包括下述步驟步驟101，動態(tài)視覺測量系統(tǒng)標定。A、三維光學測頭中攝像機內部參數(shù)標定將平面靶標在攝像機前自由移動五次以上，提取平面靶標特征點圖像坐標， 采用張正友在2000年11月發(fā)表的文章“A flexible new technique for camera calibration [J]. IEEE Trans, on Pattern Analysis and Machine Intelligence，，中i^ilj 的攝像機標定方法分別標定三維光學測頭中攝像機的內部參數(shù)。B、三維光學測頭中光柵式雙目視覺傳感器標定采用周富強在2006年6月發(fā)表的文章“基于未知運動一維靶標的雙目視覺傳感器標定[J]，機械工程學報”中提到的雙目視覺傳感器標定方法，將一維靶標在雙目視覺傳感器前移動兩次以上，雙目視覺傳感器中攝像機拍攝一維靶標圖像，提取一維靶標圖像特征點。求解兩個攝像機之間的本質矩陣，以一維靶標特征點之間距離已知為約束條件標定光柵式雙目視覺傳感器兩個攝像機之間的旋轉矩陣和平移矢量隊2，t12。C、三維光學測頭中四個鏡像攝像機和光柵式雙目視覺傳感器的全局校準采用張廣軍在2009年7月發(fā)表的文章“基于雙平面靶標的多視覺傳感器現(xiàn)場校準[J]，機械工程學報”中提到的多視覺傳感器全局校準方法，將雙平面靶標在兩個帶校準視覺傳感器前自由移動三次以上，兩個視覺傳感器拍攝平面靶標圖像，以兩個平面靶標之間位置不變?yōu)榧s束條件，計算兩個視覺傳感器之間的轉換矩陣。最后通過兩兩校準方式計算寬視場攝像機中四個鏡像式攝像機坐標系之間的轉換矩陣Taj(i，j = 1，2，3，4)，TcijT 標中的i，j分別表示鏡像攝像機的序號，例如Ta2表示鏡像攝像機1到鏡像攝像機2的轉換矩陣。以鏡像式攝像機13為基礎建立寬視場攝像機坐標系(當然也可以以其他任意一個鏡像式攝像機為基礎建立寬視場攝像機坐標系)，計算光柵式雙目視覺傳感器坐標系到寬視場攝像機坐標系的轉換矩陣Th。步驟102，計算機通過控制器控制平面靶標上的LED光源點亮，同時觸發(fā)三維光學測頭中的光柵激光器投射光柵光條、兩個攝像機采集光柵光條圖像到計算機內存中，寬視場攝像機同步采集全局統(tǒng)一用平面靶標圖像。步驟103，光柵光條圖像中心快速識別及定位；采用 Steger 在 1998 年 2 月發(fā)表的論文“An unbiased detector of curvilinear structures, IEEE Transaction on Pattern Analysis Machine Intelligence.，，提至Ij白勺光條圖像中心提取方法提取光柵光條圖像中心點。首先計算圖像各點Hessian(海森)矩陣， 根據(jù)光條圖像灰度曲面特征，通過各圖像點的Hessian矩陣中特征值和特征向量判斷光條中心候選點，再通過鏈接方式將光條中心候選點鏈接在一起形成光條圖像數(shù)據(jù)。最后采用光條空間位置約束結合雙目立體視覺中的極線約束實現(xiàn)左右攝像機中光條的識別定位。步驟104，光柵式雙目視覺傳感器局部三維重建；在圖6中，光柵光條點P分別在左、右攝像機成像，利用雙目立體視覺模型解算點 P在雙目視覺傳感器坐標系下的三維坐標。以左攝像機坐標系為基礎建立雙目視覺傳感器坐標系。設P1和P2分別為光柵光條點P在左右攝像機圖像坐標系下無畸變圖像齊次坐標。 I1 Sp1在左攝像機圖像中的極線，I2為P2在右攝像機圖像中的極線。左攝像機坐標系為 0clxclyclzcl,右攝像機坐標系為0。^。2Υ。2ζ。2。左攝像機坐標系到右攝像機坐標系的旋轉矩陣和平移向量為隊2，t12。R12，t12在步驟101中已經求得。光柵式雙目視覺傳感器的測量模型如式(1)p]Γπ⑴
^2=^2^12 ^12 J ^式中A1和A2分別為左右攝像機內部參數(shù)，PpP2為非零比例系數(shù)。在實際測量中，攝像機成像系統(tǒng)中往往存在鏡頭畸變。設Pd = (ud, vd, 1)τ為有畸變圖像齊次坐標，P = (U，ν, 1)τ為無畸變圖像齊次坐標，Pn = (un, Vn, 1)τ為歸一化圖像齊次坐標，則本實施例中擬采用的鏡頭畸變模型可表示為ud = u+ (U-U0) (k!r2+k2r4)(2)vd = ν+ (v-v0) (k!r2+k2r4)式中r = ^xl + yl Jk1^k2為鏡頭徑向畸變系數(shù)；(uQ，V0)為攝像機主點坐標。根據(jù)步驟103中匹配上的光條中心點圖像坐標，通過式(1)，可以得到光條中心點在光柵式雙目視覺傳感器坐標系下三維坐標，實現(xiàn)光柵式雙目視覺傳感器局部三維重建。步驟105，平面靶標光點中心識別及定位；本發(fā)明的實施例在靶標上采用LED光源作為靶標發(fā)光特征點(簡稱光點)，解決背景光對光點圖像中心提取精度的影響。LED光源生成的光點圖像灰度分布符合高斯分布，光點圖像中心也就是光點圖像灰度曲面的頂點。本發(fā)明采用公開號為CN101408985，
公開日為2009年4月15日，發(fā)明名稱為“一種圓形光斑亞像素中心提取方法及裝置”的中國專利申請中提到的光點圖像中心提取方法實現(xiàn)全局統(tǒng)一用平面靶標光點中心定位，該方法首先計算圖像各點的Hessian矩陣，根據(jù)由 Hessian中特征值組成的判決式定位光點中心的像素級坐標，再通過二次泰勒展開式表示光點圖像中心鄰居區(qū)域的灰度曲面，根據(jù)曲面頂點性質確定光點中心的亞像素圖像坐標。另外，為了便于識別，在平面靶標特征點之間位置已知，且采用編碼設計，可根據(jù)特征點位置識別出平面靶標序號。步驟106，局部三維掃描數(shù)據(jù)的全局統(tǒng)一本發(fā)明采用布置在被測物體周圍的平面靶標作為中介來實現(xiàn)局部三維掃描數(shù)據(jù)的全局統(tǒng)一，以寬視場攝像機中的一個鏡像攝像機為基礎建立三維光學測頭坐標系。如圖7 所示，描述了本發(fā)明實施例采用的全局統(tǒng)一過程光柵式雙目視覺傳感器測量被測物體的某一子區(qū)域的表面三維形貌，寬視場攝像機拍攝布置在被測物理周邊的平面靶標，計算視
10場中平面靶標坐標之間的轉換矩陣Tti…Ui表示第i個平面靶標，tj表示第j個平面靶標) 及寬視場攝像機坐標系到全局坐標系的轉換矩陣T。, tl U1表示平面靶標1的坐標系作為全局坐標系)，以寬視場攝像機共同視場中平面靶標為中介，實現(xiàn)三維光學測頭局部測量數(shù)據(jù)的全局統(tǒng)一。不失一般性，選取平面靶標1坐標系作為全局坐標系。將三維光學測頭放置在被測物體前，保證寬視場攝像機可以拍攝到平面靶標。在光柵式雙目視覺傳感器進行局部三維測量同時，寬視場攝像機拍攝全局統(tǒng)一用平面靶標，利用非共線特征點的編碼位置識別出平面靶標序號，同時根據(jù)張正友的文章“A flexible new technique for camera calibration [J]. IEEE Transaction on Pattern Analysis and Machine Intelligence" 提到的方法計算出寬視場攝像機坐標系與全局坐標系的轉換矩陣T。, tl及平面靶標之間的轉換矩陣 Tti,tj(i，j = 1，2，3)。通過式C3)可以將光條中心點局部三維坐標全局統(tǒng)一到全局坐標系。Pg = TcjtlThP0(3)式中Ptj為光柵式雙目視覺傳感器測量得到的光柵光條中心點在光柵式雙目視覺傳感器坐標系下三維坐標，Pg為Ptj在全局坐標系下三維坐標。由于現(xiàn)場測量環(huán)境復雜，存在遮擋等因數(shù)，在每次測量時，寬視場攝像機有可能拍攝不到作為全局坐標系的平面靶標1，這時可根據(jù)在之前測量得到的平面靶標之間的轉換矩陣，通過寬視場攝像機拍攝的平面靶標將局部三維數(shù)據(jù)全局統(tǒng)一到全局坐標系。例如，寬視場攝像機拍攝不到平面靶標1，但可以拍攝到平面靶標3，具體全局統(tǒng)一過程見式(4)。Pg = Tt3,tlTc,t3ThP0(4)綜上所述，本發(fā)明將光柵式雙目視覺傳感器與寬視場攝像機結合在一起構成三維光學測頭，通過一個三維光學測頭擺放至不同位置，多次測量被測物體不同的子區(qū)域，以布置在被測物體周邊的平面靶標為中介，將三維光學測頭每次測量得到的局部數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系下，實現(xiàn)大型構件表面三維形貌視覺測量。本發(fā)明中，局部數(shù)據(jù)的全局統(tǒng)一是以布置于被測物體周圍的平面靶標為中介實現(xiàn)的，不需要在被測物體上貼標記也不需要利用全局統(tǒng)一設備；同時平面靶標位置可以根據(jù)被測物體形狀進行靈活排放，沒有測量死角。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種大型構件表面三維形貌視覺測量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括圖像采集系統(tǒng)、控制器、計算機、一個三維光學測頭、多個平面靶標，所述平面靶標分布在大型構件的周圍，所述三維光學測頭和平面靶標連接所述控制器和圖像采集系統(tǒng)，所述控制器和圖像采集系統(tǒng)連接所述計算機；其中，所述三維光學測頭包括光柵式雙目視覺傳感器和寬視場攝像機；所述光柵式雙目視覺傳感器，用于進行大型構件表面不同子區(qū)域的三維形貌測量；所述寬視場攝像機，用于測量布置于大型構件周邊的平面靶標；所述計算機，用于以所述寬視場攝像機測量的平面靶標為中介，將所述光柵式雙目視覺傳感器測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光柵式雙目視覺傳感器進一步包括兩個攝像機和一個光柵激光器；所述計算機，還用于控制所述控制器點亮平面靶標上的特征點，觸發(fā)所述光柵激光器投射光柵光條；還用于采集圖像，算法實現(xiàn)和結果顯示；所述光柵式雙目視覺傳感器的兩個攝像機，用于進行所述光柵光條圖像的采集；所述寬視場攝像機，具體用于不同進行平面靶標圖像的采集。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光柵式雙目視覺傳感器的兩個攝像機，用于將拍攝的圖像通過所述圖像采集系統(tǒng)傳送給所述計算機；所述計算機，具體用于根據(jù)所述攝像機內部參數(shù)標定結果，對所述攝像機拍攝的圖像完成圖像畸變矯正后，進行光柵光條圖像中心點識別機定位；并根據(jù)所述兩個攝像機的光柵光條匹配結果及雙目立體視覺原理，得到光柵光條中心點的三維坐標。
4.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機，具體用于根據(jù)預先選定的作為全局坐標系的平面靶標及識別定位的平面靶標特征點中心圖像坐標，得到寬視場攝像機坐標系到全局坐標系的轉換矩陣；利用所述轉換矩陣及預先得到的光柵式雙目視覺傳感器坐標系到寬視場攝像機坐標系的轉換矩陣，將測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。
5.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述寬視場攝像機，還用于當拍攝不到所述作為全局坐標系的平面靶標時，通過拍攝到的平面靶標和所述作為全局坐標系的平面靶標之間坐標系的轉換矩陣、寬視場攝像機坐標系到全局坐標系的轉換矩陣以及光柵式雙目視覺傳感器坐標系到寬視場攝像機坐標系的轉換矩陣，將測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。
6.一種大型構件表面三維形貌視覺測量方法，其特征在于，在大型構件的周圍分布有多個平面靶標，三維光學測頭和平面靶標連接控制器和圖像采集系統(tǒng)，所述控制器和圖像采集系統(tǒng)連接所述計算機；其中，所述三維光學測頭包括光柵式雙目視覺傳感器和寬視場攝像機；所述方法包括三維光學測頭的光柵式雙目視覺傳感器進行大型構件表面不同子區(qū)域的三維形貌測量；三維光學測頭的寬視場攝像機測量布置于大型構件周邊的平面靶標；計算機以寬視場攝像機測量的平面靶標為中介，將所述光柵式雙目視覺傳感器測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，在光柵式雙目視覺傳感器進行大型構件表面不同子區(qū)域的三維形貌的測量之前，所述方法還包括計算機控制控制器點亮平面靶標上作為特征點的LED光源，觸發(fā)所述光柵式雙目視覺傳感器的光柵激光器投射光柵光條，所述光柵式雙目視覺傳感器的兩個攝像機進行所述光柵光條圖像的采集；所述寬視場攝像機同步采集平面靶標圖像。
8.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述光學側頭的光柵式雙目視覺傳感器進行大型構件表面不同子區(qū)域的三維形貌的測量為計算機根據(jù)攝像機內部參數(shù)標定結果，對光柵式雙目視覺傳感器的兩個攝像機拍攝的圖像完成圖像畸變矯正后，進行光柵光條圖像中心點識別及定位；根據(jù)所述兩個攝像機的光柵光條匹配結果及雙目立體視覺原理，得到光柵光條中心點的三維坐標。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，所述計算機以所述寬視場攝像機測量的平面靶標為中介，將光柵式雙目視覺傳感器測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系為根據(jù)預先選定的作為全局坐標系的平面靶標及識別定位的平面靶標特征點中心圖像坐標，得到寬視場攝像機坐標系到全局坐標系的轉換矩陣；利用所述轉換矩陣及預先得到的光柵式雙目視覺傳感器坐標系到寬視場攝像機坐標系的轉換矩陣，將測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法還包括當所述三維光學測頭拍攝不到所述作為全局坐標系的平面靶標時，通過拍攝到的平面靶標和所述作為全局坐標系的平面靶標之間坐標系的轉換矩陣、寬視場攝像機坐標系到全局坐標系的轉換矩陣以及光柵式雙目視覺傳感器坐標系到寬視場攝像機坐標系的轉換矩陣，將測量得到的不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種大型構件表面三維形貌視覺測量方法及系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括圖像采集系統(tǒng)、控制器、計算機、一個三維光學測頭、多個平面靶標，平面靶標分布在被測物體的周圍，三維光學測頭和平面靶標連接控制器和圖像采集系統(tǒng)，控制器和圖像采集系統(tǒng)連接計算機；其中，三維光學測頭包括光柵式雙目視覺傳感器，用于進行大型構件表面不同子區(qū)域的三維形貌的測量；寬視場攝像機，用于測量平面靶標；計算機以寬視場攝像機測量的平面靶標為中介，將不同子區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系。本發(fā)明以平面靶標為中介，不需要在被測物體上貼標記也不需要利用全局統(tǒng)一設備；同時平面靶標位置可以根據(jù)被測物體形狀進行靈活排放，沒有測量死角。
文檔編號G01B11/24GK102445164SQ20111030874
公開日2012年5月9日 申請日期2011年10月12日 優(yōu)先權日2011年10月12日
發(fā)明者劉震, 孫軍華, 尚硯娜, 張廣軍 申請人:北京航空航天大學