專利名稱：一種強反光金屬結構件的在位測量中多次反光抑制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種強反光金屬結構件的在位測量中多次反光抑制方法，本方法可用于對強反光金屬結構件的在位測量。本發(fā)明屬于機器視覺技術領域。
背景技術：
大型金屬結構件在航空、航天、船舶、汽車等高端裝備制造領域應用十分廣泛，其加工精度對裝備的性能具有重要作用。傳統(tǒng)金屬整體結構件的材料主要為鋁合金或鈦合金，經過精密銑削加工之后結構件表面極為光滑，會出現(xiàn)強反光現(xiàn)象，使現(xiàn)有商用光學三維視覺測量儀器失效，無法正確測量金屬等強反光表面的三維形貌。尤其在基于自適應快速條紋投射的在線三維視覺檢測方法中，金屬結構件表面的強反光導致相機采集到的條紋圖像飽和或過暗，無法正確解相，出現(xiàn)大面積三維點云缺失，而且即便是測量出的三維點云，、其測量精度也較低。解決問題的關鍵在于提高測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍，使其與金屬表面反射率范圍一致。而且，現(xiàn)場測量環(huán)境下，環(huán)境光干擾不易控制，測量系統(tǒng)必須能夠適應現(xiàn)場環(huán)境光的要求，大幅提高了強反光金屬結構件在位測量的難度。因此，在強反光金屬結構件在位測量中，金屬表面強放光問題和多次反光問題是亟待解決的關鍵瓶頸，測量基礎理論和關鍵技術亟待突破。研究強反光表面三維形貌測量理論和方法，建立多次反光條件下新的測量理論，突破強反光金屬結構件在位測量中的技術瓶頸，建立完整的強反光金屬結構件在位測量中多次反光抑制理論和方法體系具有重要的應用和推廣價值。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是提出一種強反光金屬結構件的在位測量中多次反光抑制方法，將選擇性投射多次反光抑制技術、強反光表面的高動態(tài)范圍條紋圖像采集技術與高速、高動態(tài)范圍和選擇性投射的數(shù)字條紋投射器相結合，通過選擇性投射多次反光抑制技術實現(xiàn)對被測表面條紋的選擇性投射，通過強反光表面的高動態(tài)范圍條紋圖像采集技術實現(xiàn)提高合成高動態(tài)范圍條紋圖像，通過高速、高動態(tài)范圍和選擇性投射的數(shù)字條紋投射器實現(xiàn)投射的條紋具有較大的亮度變化范圍、較高的響應速度和刷新頻率，從而實現(xiàn)強反光金屬結構件的在位測量。本發(fā)明的技術解決方案為一種強反光金屬結構件的在位測量中多次反光抑制方法，其特征在于，它包括以下步驟步驟一利用基于平面靶標的相機標定算法，標定左相機、右相機和投射器內參數(shù)，標定出左相機與右相機之間的外參數(shù)和左相機與投射器之間的外參數(shù)。首先將平面靶標至于投射器和相機前，通過相機拍攝靶標計算圓心點坐標；然后投射橫縱條紋，計算圓心點坐標對應的相位，并由相位計算對應的數(shù)字投射器坐標，從而建立其靶標圓心三維坐標與投射器像平面上二維圖像坐標的關系；最后利用基于平面靶標的相機標定算法，標定投影儀內參數(shù)。
利用靶標作為中介標定出投影儀與左相機之間的外參數(shù)和左相機與右相機之間的外參數(shù)。步驟二 通過零件的CAD模型進行測量規(guī)劃。首先根據(jù)高斯球原理，確定測量傳感器的測量姿態(tài)(方位角)；然后根據(jù)測量傳感器單視場的測量范圍，確定每個姿態(tài)下測量傳感器的空間坐標。再根據(jù)坐標轉換原理，將傳感器的空間坐標轉換為機床下的坐標值。最后，就劃分出來了需要選擇性投射的各個面。步驟三計算被測工件和數(shù)字投射器之間的坐標關系。 即需要確定旋轉矩陣R和平移向量T。數(shù)字投射器與左相機坐標系之間的相對位姿可由數(shù)字投射器標定給出，左相機坐標系與拼接測量坐標系之間的相對位姿可由拼接測量系統(tǒng)給出，拼接測量坐標系與工件坐標系之間的相對位姿可由坐標對齊系統(tǒng)給出，由坐標系轉換關系可得到數(shù)字投射器與工件坐標系之間的相對位姿。步驟四將工件上需要測量的點投影到數(shù)字投射器上，確定出需要投射的區(qū)域。將工件上需要測量的點的坐標轉換成數(shù)字投射器坐標，由此確定出需要投射的區(qū)域，為選擇性投射做準備。步驟五投射的區(qū)域進行腐蝕及膨脹運算后，選擇性投射。根據(jù)步驟二對被測零件的測量規(guī)劃，根據(jù)投射面和現(xiàn)場環(huán)境的需要選擇性投射不同亮度的條紋圖像。步驟六利用左右相機拍攝投射需要測的各個面的條紋圖像。根據(jù)需要調節(jié)相機曝光時間拍攝待測面的圖像。步驟七相位解算與正確性分析。對拍攝的物體橫、豎正弦條紋的投影，進行相位解算和相位展開，獲得大量匹配點。相位解算采用四步相移法。對應的解相公式為
權利要求
1.一種強反光金屬結構件的在位測量中多次反光抑制方法，其特征在于，它包括以下步驟 步驟一利用基于平面靶標的相機標定算法，標定左相機、右相機和投射器內參數(shù)，標定出左相機與右相機之間的外參數(shù)和左相機與投射器之間的外參數(shù)；首先將平面靶標至于投射器和相機前，通 過相機拍攝靶標計算圓心點坐標；然后投射橫縱條紋，計算圓心點坐標對應的相位，并由相位計算對應的數(shù)字投射器坐標，從而建立其靶標圓心三維坐標與投射器像平面上二維圖像坐標的關系；最后利用基于平面靶標的相機標定算法，標定投影儀內參數(shù)，利用靶標作為中介標定出投影儀與左相機之間的外參數(shù)和左相機與右相機之間的外參數(shù)； 步驟二 通過零件的CAD模型進行測量規(guī)劃；首先根據(jù)高斯球原理，確定測量傳感器的測量姿態(tài)即方位角；然后根據(jù)測量傳感器單視場的測量范圍，確定每個姿態(tài)下測量傳感器的空間坐標；再根據(jù)坐標轉換原理，將傳感器的空間坐標轉換為機床下的坐標值；最后，就劃分出來了需要選擇性投射的各個面； 步驟三計算被測工件和數(shù)字投射器之間的坐標關系；即需要確定旋轉矩陣R和平移向量T ;數(shù)字投射器與左相機坐標系之間的相對位姿由數(shù)字投射器標定給出，左相機坐標系與拼接測量坐標系之間的相對位姿由拼接測量系統(tǒng)給出，拼接測量坐標系與工件坐標系之間的相對位姿由坐標對齊系統(tǒng)給出，由坐標系轉換關系得到數(shù)字投射器與工件坐標系之間的相對位姿； 步驟四將工件上需要測量的點投影到數(shù)字投射器上，確定出需要投射的區(qū)域；將工件上需要測量的點的坐標轉換成數(shù)字投射器坐標，由此確定出需要投射的區(qū)域，為選擇性投射做準備； 步驟五投射的區(qū)域進行腐蝕及膨脹運算后，選擇性投射；根據(jù)步驟二對被測零件的測量規(guī)劃，根據(jù)投射面和現(xiàn)場環(huán)境的需要選擇性投射不同亮度的條紋圖像； 步驟六利用左右相機拍攝投射需要測的各個面的條紋圖像；根據(jù)需要調節(jié)相機曝光時間拍攝待測面的圖像； 步驟七相位解算與正確性分析；對拍攝的物體橫、豎正弦條紋的投影，進行相位解算和相位展開，獲得大量匹配點； 相位解算采用四步相移法，對應的解相公式為￠(^) = 其中gi(x，y)為條紋圖像，O (x, y)為需要解算的相主值，i為相移次數(shù)； 利用外差多頻相位展開法進行相位展開，通過投射多級周期相差不大的條紋，根據(jù)外差原理，得到一個周期可覆蓋整個視場的條紋，利用這個條紋與其中一個原始投射條紋在零相位相同的情況下相位值與周期的反比關系，進行相位展開；根據(jù)實際需要，這里投射三種不同頻率的條紋，經過對物體的橫豎投影、拍照，相位解算和展開之后，左右相機的每一個像素對應著一對橫豎相位值，這些相位值以二維數(shù)組的形式存儲，橫、豎相位分別存在不同的數(shù)組中； 步驟八利用外差多頻相位展開法得到的最后的解相結果進行被測表面的三維復現(xiàn)，得到被測表面的三維點坐標。
全文摘要
一種強反光金屬結構件的在位測量中多次反光抑制方法，該方法能夠實現(xiàn)對強反光金屬結構件的在位測量，它有八大步驟。該方法首先對左右相機和投射器進行標定；再利用在位測量機床提供的參數(shù)求取投射器與工件坐標系的相對位姿；然后通過零件CAD的模型的各個面法線方向進行測量規(guī)劃；進而工件上需要測量的點投影到數(shù)字投射器上，確定出需要投射的區(qū)域后選擇性投射；最后通過對相機拍的圖片的相位解算完成物體的三維復現(xiàn)。本發(fā)明除了具有速度快、精度高和三維點云稠密等優(yōu)點外，還實現(xiàn)了無人工干預下的全自動在位測量，可操作性強，能夠滿足現(xiàn)場強反光金屬結構件在位快速測量的需求。
文檔編號G01B11/24GK102721375SQ20121021074
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權日2012年6月20日
發(fā)明者姜宏志, 孫健, 趙慧潔 申請人:北京航空航天大學