一種基于多相機匹配的三維變形測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多相機匹配的三維變形測量方法，在構件上粘貼標志點，并采用多個相機(≥3)同時拍攝構件表面標志點的變形圖像，采用攝影測量技術和立體視覺技術，計算出每幀中標志點的三維坐標，從而獲得每個標志點在受載時的位移和變形。
【專利說明】—種基于多相機匹配的三維變形測量方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及近景攝影測量技術，尤其涉及一種基于多相機匹配的三維變形測量方法。
【背景技術】
[0002]在現(xiàn)代工業(yè)中，許多針對機器設備的構件的運動分析絕大多數(shù)都是基于理論模擬來進行的。然而，在實際的生產(chǎn)過程中，構件形與應變情況多變，這些都會直接影響到設備的安全性能和工作能力。因此，通過快速，高精度的在線測量方獲取構件的變形情況，具有重大的意義。
[0003]目前三維變形測量的方法有多種，按相機的數(shù)量可以分為單目測量、雙目測量、多目測量等。單目測量和雙目測量的優(yōu)點在于其結(jié)構簡單、相機標定也簡單，因此應用比較廣泛。單目測量由于只有一個相機采集圖像，因此類似于點到面的匹配，容易引起歧義。在雙目測量進行相關點匹配時，僅考慮兩幅圖片，也很容易產(chǎn)生歧義，即沿某一極線搜索時有多個像點會被選為對應像點，類似于點到線的匹配。現(xiàn)有單目、雙目三維測量系統(tǒng)僅適合應用于稀疏、散亂的編碼點，對于密集陣列排布的非編碼點測量效果不理想的缺陷，如圖1、2所示。為了提高像點的匹配率，在雙相機立體攝影測量的基礎上，可以考慮增加一臺或多臺相機組成多相機立體攝影測量系統(tǒng)，如圖3所示，從多個不同角度下拍攝被測物體，利用多個約束即可消除或大大降低匹配出錯的可能性，類似于點到點的匹配，這時候出現(xiàn)誤匹配的概率就會非常低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術的不 足，本發(fā)明提出一種基于多相機匹配的三維變形測量方法，可消除非編碼標志點的誤匹配，改進測量結(jié)果。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明是采取如下操作步驟予以實現(xiàn)的:
[0006]一種基于多相機匹配的三維變形測量方法，應用于機器構件的變形測量，包括以下步驟:
[0007]第一步、在機器構件表面設置陣列的非編碼標志點；
[0008]第二步、進行相機標定，確定多相機之間空間坐標的轉(zhuǎn)換參數(shù)；
[0009]第三步、設置相機每秒拍攝幀數(shù)，利用計算機控制多相機同時對構件進行圖像采集;
[0010]第四步、對多相機所采集的每幀圖像進行分析計算，將各個相機所采集的每幀圖像中的相關點進行匹配；
[0011]第五步、根據(jù)采集圖像以及多相機匹配的結(jié)果進行三維重建，得到構件上各個點的三維坐標，通過分析構件上的點在變形過程中的變化情況，得到構件表面關鍵點的變形。
[0012]本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點:
[0013]1.在線數(shù)據(jù)測量，可離線數(shù)據(jù)計算；[0014]2.不僅可以測量稀疏、散亂的編碼點，還可以測量密集陣列的非編碼標志點；
[0015]3.匹配精度很高，能準確匹配相機拍攝到的非編碼點并重建出來。
[0016]4.由于能有效地消除非編碼標志點的誤匹配，計算精度高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]參照下面的說明，結(jié)合附圖，可以對本發(fā)明有最佳的理解。在附圖中，相同的部分可由相同的標號表不。
[0018]圖1單目匹配示意圖；
[0019]圖2雙目匹配的示意圖；
[0020]圖3多目匹配的示意圖；
[0021]圖4本發(fā)明的基于多相機匹配的三維變形測量方法流程圖；
[0022]圖5構件與相機的位置關系示意圖；
[0023]圖6多相機匹配流程圖；
【具體實施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及示例性實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的示例性實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的適用范圍。
[0025]如圖4所示，本發(fā)明提出的基于多相機匹配的三維變形測量方法流程如下。
[0026]第一步、機器構件表面設置陣列的非編碼標志點。
[0027]應當注意:(I)標志點應遍布構件表面，并且在關鍵點處以及容易識別的位置處較為密集。(2) —般直接粘貼在構件表面，與構件表面直接接觸，防止滑動。(3)標志點粘貼完成后，不得隨意增減標志點。
[0028]第二步、進行相機標定，得到相機三維坐標之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。
[0029]相機標定的實質(zhì)就是確定相機之間的空間坐標的轉(zhuǎn)換參數(shù)。標定借助于標定裝置，利用軟件算法計算出掃描頭的所有內(nèi)外部結(jié)構參數(shù)，以此正確計算測量點的坐標。多相機與構件的示意圖如圖5所示。在本特定實施例中，相機數(shù)目為三個。然而，本領域技術人員應當明了，相機數(shù)目也可以為三個以上，本發(fā)明對此不作限定。
[0030]相機標定的主要思路為:1.利用已知坐標的三維標定板在三相機公共視場內(nèi)自由移動，拍攝多張高質(zhì)量的標定相片。2.圖像處理得到相應像點的坐標。3.多組標定相片通過迭代優(yōu)化，得到相機三維坐標之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。
[0031 ] 考慮到標定過程要簡單化，可操作性強，在本實施例中，可以通過平移平面標定板來建立大尺寸三維標定場。具體方法如下:
[0032]將二維平面標定板人工托舉在三相機攝影測量系統(tǒng)前方，手持標定板在三相機公共視場范圍內(nèi)的上、中、下、左、中、右(從上往下3個位置，從左至右3個位置)，共9個位置通過平移、旋轉(zhuǎn)拍攝9組共27張不同姿態(tài)的照片。只要照片質(zhì)量合格，對平移、旋轉(zhuǎn)操作無特殊要求。這樣就建立了一個大范圍標定場。通過這些拍攝的照片，利用系統(tǒng)標定軟件完成對相機的標定。
[0033]第三步、設置相機每秒拍攝幀數(shù)，利用計算機控制多相機同時對構件進行圖像采集。
[0034]獲得所要求的幀數(shù)，或者達到規(guī)定拍攝時間之后，由計算機控制停止圖像采集。多相機與構件的相對位置如圖5所示。采集過程中，應注意:多相機的對應圖像應為同一時刻拍下的圖像，相機所采集的圖像應當清晰，并且在整個采集過程中，多個相機的相對位置不能發(fā)生變化，如人為碰撞等。
[0035]第四步、對多相機所采集的每幀圖像進行分析計算，將各個相機所采集的每幀圖像中的相關點進行匹配。
[0036]假定多相機的數(shù)目為N(N≥3)，參見圖6 (圖6中以三相機為例)，則多相機匹配的具體步驟為:
[0037](1)遍歷N個相機所拍攝的每一幀圖像中所有像素點的組合；
[0038](2)遍歷相機I中的所有像素點，并在相機2、相機3……相機N中尋找其匹配點；
[0039](3)進行匹配結(jié)果判定，匹配成功則累加成功匹配點的個數(shù)，否則重復步驟(2);
[0040](4)匹配結(jié)果判定完畢之后，判斷成功匹配點的個數(shù)是否保持不變，若是，則結(jié)束匹配，否則重復步驟(1)。
[0041]其中，所述匹配結(jié)果 判定的判定條件為:
[0042](I)每個非編碼標志點必須在至少N幀圖像上出現(xiàn)并且兩兩符合外極線約束條件；
[0043](2) N個圖像點兩兩三維重建獲得的N個物體點在空間里的聚集度小于給定值Ea，并且所述重建獲得的N個物體點在每幀圖像上的重投影誤差小于給定值Er。
[0044]第五步、根據(jù)采集圖像以及多相機匹配的結(jié)果進行三維重建，得到構件上各個點的三維坐標，通過分析構件上的點在變形過程中的變化情況，得到構件表面關鍵點的變形。
[0045]三維重建是本領域的現(xiàn)有技術，業(yè)內(nèi)存在諸多成熟的三維重建和分析應用軟件。在本實施例中，可以采用XJTUDIC軟件進行三維計算和分析，由于三維重建是現(xiàn)有技術，在此不再贅述。
[0046]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種基于多相機匹配的三維變形測量方法，應用于機器構件的變形測量，包括以下步驟: 第一步、在機器構件表面設置陣列的非編碼標志點； 第二步、進行相機標定，確定多相機之間空間坐標的轉(zhuǎn)換參數(shù)； 第三步、設置相機每秒拍攝幀數(shù)，利用計算機控制多相機同時對構件進行圖像采集； 第四步、對多相機所采集的每幀圖像進行分析計算，將各個相機所采集的每幀圖像中的相關點進行匹配； 第五步、根據(jù)采集圖像以及多相機匹配的結(jié)果進行三維重建，得到構件上各個點的三維坐標，通過分析構件上的點在變形過程中的變化情況，得到構件表面關鍵點的變形。
2.根據(jù)權利要求1所述的測量方法，所述第三步中，優(yōu)選的，當獲得所要求的幀數(shù)，或者達到規(guī)定拍攝時間之后，停止圖像采集。
3.根據(jù)權利要求1所述的測量方法，所述第四步中，假定多相機的數(shù)目為N(N^ 3)，則多相機匹配的具體步驟為: (1)遍歷N個相機所拍攝的每一幀圖像中所有像素點的組合； (2)遍歷相機I中的所有像素點，并在相機2、相機3……相機N中尋找其匹配點； (3)進行匹配結(jié)果判定，匹配成功則累加成功匹配點的個數(shù)，否則重復步驟(2); (4)匹配結(jié)果判定完畢之后，判斷成功匹配點的個數(shù)是否保持不變，若是，則結(jié)束匹配，否則重復步驟(1)。
4.根據(jù)權利要求3所述的測量方法，其中，所述匹配結(jié)果判定的判定條件為: (1)每個非編碼標志點必須在至少N幀圖像上出現(xiàn)并且兩兩符合外極線約束條件； (2)N個圖像點兩兩三維重建獲得的N個物體點在空間里的聚集度小于給定值Ea，并且所述重建獲得的N個物體點在每幀圖像上的重投影誤差小于給定值Er。
【文檔編號】G01B11/16GK103743352SQ201310699938
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權日:2013年12月18日
【發(fā)明者】梁晉, 李磊剛, 李成堯, 郭翔, 任茂棟, 于淼 申請人:西安交通大學