一種大型復(fù)合板材幾何參數(shù)視覺測量方法
【專利摘要】本發(fā)明一種大型復(fù)合板材幾何參數(shù)視覺測量方法屬于視覺測量領(lǐng)域，涉及一種大型復(fù)合板材幾何參數(shù)視覺測量方法，該方法可以現(xiàn)對大型復(fù)合板材的現(xiàn)場快速三維重建以及幾何參數(shù)測量。該方法采用雙目視覺測量系統(tǒng)、激光跟蹤儀系統(tǒng)及室內(nèi)藍(lán)牙定位系統(tǒng)進(jìn)行測量，在被測量的復(fù)合板材上布置特征點(diǎn)，在這些特征點(diǎn)上粘貼反射標(biāo)靶；搭建雙目視覺測量系統(tǒng)，雙目視覺測量系統(tǒng)由左、右兩臺相機(jī)、連續(xù)型線激光器及自動位置控制平臺構(gòu)成；布置激光跟蹤儀系統(tǒng)，安裝室內(nèi)藍(lán)牙定位系統(tǒng)，完成測量工作。該方法可以快速精確地實(shí)現(xiàn)對大型復(fù)合板材的視覺標(biāo)定工作，提高了相鄰圖像拼接的精度，進(jìn)而從整體上提高了數(shù)據(jù)測量精度，改良了傳統(tǒng)測量方法低效率、低精度、低穩(wěn)定性的缺點(diǎn)。
【專利說明】一種大型復(fù)合板材幾何參數(shù)視覺測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于視覺測量領(lǐng)域，涉及一種大型復(fù)合板材幾何參數(shù)視覺測量方法，該方 法可以實(shí)現(xiàn)對大型復(fù)合板材的現(xiàn)場快速三維重建以及幾何參數(shù)測量。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)︼w機(jī)運(yùn)輸能力的要求的不斷提高，大型飛機(jī)在航空運(yùn)輸中的 應(yīng)用越來越廣泛，飛機(jī)制造過程中所使用的大型復(fù)合材料對其制造成型以及裝配檢測提出 更高要求。為了保證飛機(jī)生產(chǎn)制造中高可靠度低損耗的連接裝配，大型復(fù)合板材的在線高 精度參數(shù)測量是確保飛機(jī)安全的必要條件，現(xiàn)階段針對大型復(fù)合板材的參數(shù)測量國內(nèi)外主 要有以下幾種方法：三坐標(biāo)測量機(jī)測量法、激光跟蹤儀測量法、室內(nèi)GPS測量法、激光雷達(dá) 測量法以及機(jī)器視覺法等。三坐標(biāo)測量法是接觸式測量，速度慢、效率低，而且容易劃傷工 件表面；激光跟蹤儀測量法容易受工作環(huán)境影響且價(jià)格昂貴，單點(diǎn)測量效率低；室內(nèi)GPS測 量法自動化程度低，設(shè)備布置復(fù)雜，操作較為繁瑣；激光雷達(dá)測量法是逐點(diǎn)掃描，工作時(shí)受 環(huán)境條件影響大；而傳統(tǒng)的機(jī)器視覺法需要使用標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定過程復(fù)雜，圖像拼接 精度不高，針對大型零部件的測量效果難以令人滿意。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明了一種大型復(fù)合板材幾何參數(shù)視覺測量方 法，其目的是針對航空航天領(lǐng)域生產(chǎn)過程中，大型復(fù)合板材成型、裝配及檢測過程實(shí)施現(xiàn)場 快速三維重建和參數(shù)測量，以達(dá)到快速、高精度以及柔性測量。將激光跟蹤儀系統(tǒng)引入視覺 測量系統(tǒng)，能準(zhǔn)確快速得到測量點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，擺脫傳統(tǒng)標(biāo)定板的束縛；同時(shí)加入藍(lán) 牙室內(nèi)定位系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確獲知相機(jī)移動的位置信息，提高圖像拼接的精度，進(jìn)而從整體上 提高數(shù)據(jù)測量精度。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種大型復(fù)合板材幾何參數(shù)視覺測量的方法，其特征 是，該方法采用雙目視覺測量系統(tǒng)、激光跟蹤儀系統(tǒng)及室內(nèi)藍(lán)牙定位系統(tǒng)進(jìn)行測量；方法的 具體實(shí)現(xiàn)過程如下：
[0005] 首先，在被測量的復(fù)合板材10上布置特征點(diǎn)，在這些特征點(diǎn)上粘貼反射標(biāo)靶9;
[0006] 然后，搭建雙目視覺測量系統(tǒng)，雙目視覺測量系統(tǒng)由左、右兩臺相機(jī)8、4、連續(xù)型線 激光器6及自動位置控制平臺7構(gòu)成；將可旋轉(zhuǎn)的自動控制平臺7放置在被測量的復(fù)合板 材10前面合適位置上；將左、右相機(jī)8、4分別安裝在自動控制平臺7的兩側(cè)，將連續(xù)型線激 光器6安裝在自動控制平臺7上，在左、右相機(jī)8、4中間，連續(xù)型線激光器6由激光發(fā)射器 以及功率控制器構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)功率的大小發(fā)射出亮度可調(diào)的激光光束；
[0007] 最后，布置激光跟蹤儀系統(tǒng)，激光跟蹤儀系統(tǒng)由激光跟蹤儀2和安裝在復(fù)合板材 10上的反射標(biāo)靶9及計(jì)算機(jī)控制器3組成；用于實(shí)現(xiàn)距離測量；安裝室內(nèi)藍(lán)牙定位系統(tǒng)，室 內(nèi)藍(lán)牙定位系統(tǒng)是由藍(lán)牙信號發(fā)射裝置5和三個(gè)藍(lán)牙信號接收裝置1構(gòu)成；藍(lán)牙信號發(fā)射 裝置5安裝在自動控制平臺7上，在連續(xù)型線激光器2的后側(cè)，藍(lán)牙信號接收裝置1有三個(gè) 分別安裝在室內(nèi)空間三個(gè)不共線的位置點(diǎn)，通過藍(lán)牙信號接收裝置1接收藍(lán)牙信號，根據(jù) 接收藍(lán)牙信號的強(qiáng)弱，將信息反饋至計(jì)算機(jī)，通過三角定位原理可以將藍(lán)牙信號發(fā)射裝置5 的位置信息顯示出來，實(shí)現(xiàn)對左、右相機(jī)8、4的定位，準(zhǔn)確得到相機(jī)的位置信息，根據(jù)相機(jī) 位移信息，完成相鄰拍攝圖像的拼接工作；
[0008] 測量方法的具體步驟如下：
[0009] 1)利用左、右相機(jī)8、4從兩個(gè)不同視角對在被測量的復(fù)合板材10進(jìn)行拍攝，獲取 復(fù)合板材的圖像信息，根據(jù)二維圖像信息得到特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)[u￥]'再對大型復(fù)合板 材10表面進(jìn)行掃描，得到的每張圖像中均有激光光條，采用Hough變換的方法來提取光條 的邊緣，也就是在像素坐標(biāo)系下，設(shè)光條邊緣的參數(shù)直線方程為
[0010] P=UiCosΘ+ViSinθ (1)
[0011] 其中，P為坐標(biāo)原點(diǎn)與直線的距離，Θ為直線與U軸夾角；將圖像坐標(biāo)系中每個(gè) 像素點(diǎn)[UiVi]T帶入公式（1)中分別構(gòu)成一條曲線，其曲線交點(diǎn)為（Ρ，Θ)，則可得出空間 直線的參數(shù)為：
[0012] k=-cotΘ (2)
[0013]b=P/sinθ (3)
[0014] 進(jìn)而可得到光條兩邊緣的直線方程：
[0015] y=X(-cot θχ) +pχ/sinθχ(4)
[0016] y = χ (-cot θ r) + ρ r/sin θ r (5)
[0017] 其中，（ΡρΘD為左邊緣直線方程的對應(yīng)參數(shù)，（ρμΘJ為右邊緣直線方程的對 應(yīng)參數(shù)；由于光條邊緣直線近似平行，故光條寬度D可采用兩平行直線間距離公式進(jìn)行計(jì) 算：

【權(quán)利要求】
1. 一種大型復(fù)合板材幾何參數(shù)視覺測量的方法，其特征是，該方法采用雙目視覺測量 系統(tǒng)、激光跟蹤儀系統(tǒng)及室內(nèi)藍(lán)牙定位系統(tǒng)進(jìn)行測量；方法的具體實(shí)現(xiàn)過程如下： 首先，在被測量的復(fù)合板材（10)上布置特征點(diǎn)，在這些特征點(diǎn)上粘貼反射標(biāo)靶（9);然后，搭建雙目視覺測量系統(tǒng)，雙目視覺測量系統(tǒng)由左、右兩臺相機(jī)（8、4)、連續(xù)型線激 光器（6)及自動位置控制平臺（7)構(gòu)成；將可旋轉(zhuǎn)的自動控制平臺（7)放置在被測量的復(fù) 合板材（10)前面合適位置上；將左、右相機(jī)（8、4)分別安裝在自動控制平臺（7)的兩側(cè)，將 連續(xù)型線激光器（6)安裝在自動控制平臺（7)上，在左、右相機(jī)（8、4)中間，連續(xù)型線激光 器（6)由激光發(fā)射器以及功率控制器構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)功率的大小發(fā)射出亮度可調(diào)的激光光 束； 最后，布置激光跟蹤儀系統(tǒng)，激光跟蹤儀系統(tǒng)由激光跟蹤儀（2)和安裝在復(fù)合板材 (10)上的反射標(biāo)靶（9)及計(jì)算機(jī)控制器（3)組成，用于實(shí)現(xiàn)距離測量；安裝室內(nèi)藍(lán)牙定位 系統(tǒng)，室內(nèi)藍(lán)牙定位系統(tǒng)是由藍(lán)牙信號發(fā)射裝置（5)和三個(gè)藍(lán)牙信號接收裝置（1)構(gòu)成； 藍(lán)牙信號發(fā)射裝置（5)安裝在自動控制平臺（7)上，在連續(xù)型線激光器（2)的后側(cè)，藍(lán)牙信 號接收裝置（1)有三個(gè)分別安裝在室內(nèi)空間三個(gè)不共線的位置點(diǎn)，通過藍(lán)牙信號接收裝置 (1)接收藍(lán)牙信號，根據(jù)接收藍(lán)牙信號的強(qiáng)弱，將信息反饋至計(jì)算機(jī)，通過三角定位原理可 以將藍(lán)牙信號發(fā)射裝置（5)的位置信息顯示出來，實(shí)現(xiàn)對左相機(jī)（8)以及右相機(jī)（4)的定 位，準(zhǔn)確得到相機(jī)的位置信息，根據(jù)相機(jī)位移信息，完成相鄰拍攝圖像的拼接工作； 測量方法的具體步驟如下： 1)利用左、右相機(jī)（8、4)從兩個(gè)不同視角對在被測量的復(fù)合板材（10)進(jìn)行拍攝，獲取 復(fù)合板材的圖像信息，根據(jù)二維圖像信息得到特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)[uν]τ;再對大型復(fù)合板 材（10)表面進(jìn)行掃描，得到的每張圖像中均有激光光條，采用Hough變換的方法來提取光 條的邊緣，也就是在像素坐標(biāo)系下，設(shè)光條邊緣的參數(shù)直線方程為 P = UiCosΘ+ViSinθ (1) 其中，P為坐標(biāo)原點(diǎn)與直線的距離，Θ為直線與u軸夾角；將圖像坐標(biāo)系中每個(gè)像素 點(diǎn)[UiVi]T帶入公式（1)中分別構(gòu)成一條曲線，其曲線交點(diǎn)為（Ρ，Θ)，則可得出空間直線 的參數(shù)為： k = -cot Θ (2) b =P/sin θ (3) 進(jìn)而可得到光條兩邊緣的直線方程：y =X(-cot θ χ) + p χ/sin θ χ (4) y = χ (-cot θ r) + ρ r/sin Θ r (5) 其中，（P1,S1)為左邊緣直線方程的對應(yīng)參數(shù)，（PuΘJ為右邊緣直線方程的對應(yīng)參 數(shù)；由于光條邊緣直線近似平行，故光條寬度D可采用兩平行直線間距離公式進(jìn)行計(jì)算： k= -(cotΘx+cotΘr)/2 (6)
其中，k為平均斜率，用于計(jì)算兩平行線間距離；采用結(jié)構(gòu)相似度圖像質(zhì)量評價(jià)模型： SSIM (x, y) = [I (x, y) ]α [c (χ, y) ]0 [s (χ, y) ]γ(8) 對左、右圖像進(jìn)行評價(jià)，若滿足結(jié)構(gòu)光提取閾值，可直接根據(jù)邊緣直線方程，采用幾何 中心法確定光條中心；故光條中心直線方程可聯(lián)立兩邊緣直線方程求取角平分線來獲得； 將激光光條信息提取出來； 2) 用激光跟蹤儀系統(tǒng)測量復(fù)合板材（10)上特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)[XwYwZW]T，再結(jié)合 二維像素坐標(biāo)[uν]τ，根據(jù)攝像機(jī)針孔成像模型，得到下面的等式：
求解出相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣A和外參數(shù)矩陣[Rt]，從而快速實(shí)現(xiàn)相機(jī)參數(shù)標(biāo)定； 3) 通過藍(lán)牙信號接收裝置（1)接收藍(lán)牙信號，根據(jù)接收藍(lán)牙信號的強(qiáng)弱，將信息反饋 至計(jì)算機(jī)，通過三角定位原理可以將藍(lán)牙信號發(fā)射裝置（5)的位置信息顯示出來，實(shí)現(xiàn)對 左相機(jī)（8)以及右相機(jī)（4)的定位，準(zhǔn)確得到相機(jī)的位置信息，根據(jù)相機(jī)位移信息，完成相 鄰拍攝圖像的拼接工作； 4) 在完成視覺標(biāo)定以及圖像拼接和光條提取工作后，根據(jù)下述方程（10)、（11)聯(lián)立求 解： S1tM1X= 0 (10) S21M2X=O (11) 其中，S11和S2T代表同一直線在左右相機(jī)拍攝圖像中的中的直線方程，M1和M2代表左 右相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)矩陣相乘得到的投影矩陣； 得到圖像上直線在空間中的對應(yīng)位置，將大型復(fù)合板材（10)的邊緣通過這種方式重 建出來，就得到大型復(fù)合板材（10)的幾何尺寸信息，從而完成測量。
【文檔編號】G01B11/00GK104457569SQ201410708310
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】劉巍, 楊帆, 李曉東, 高鵬, 張洋, 賈振元, 高航 申請人:大連理工大學(xué)