一種大型零件的單目視覺測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大型零件的單目視覺測量方法，屬于測量【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明通過采用攝像機(jī)轉(zhuǎn)站的方法對待測器件的最優(yōu)視點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃分析，克服了攝像機(jī)一次測量的有限性，擴(kuò)大了測量的范圍，當(dāng)攝像機(jī)在一個(gè)有效視場內(nèi)測量完畢后，移動(dòng)攝像機(jī)到另一個(gè)位置，保證轉(zhuǎn)站球位姿不發(fā)生變化，同時(shí)旋轉(zhuǎn)測桿使貼有標(biāo)志點(diǎn)的一面正對攝像機(jī)，并記錄測桿的旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)通過轉(zhuǎn)站球和轉(zhuǎn)站球上每一個(gè)標(biāo)記孔，可以得到轉(zhuǎn)站后和轉(zhuǎn)站前的相互關(guān)系，通過它們之間的相互關(guān)系可以將若干組坐標(biāo)值進(jìn)行空間拼接，實(shí)現(xiàn)利用現(xiàn)有儀器對大型零件三維形貌的重構(gòu)。
【專利說明】一種大型零件的單目視覺測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大型零件的單目視覺測量方法，屬于測量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來大尺寸的曲面在汽車工業(yè)、船舶和航天器外形等方面得到廣泛的應(yīng)用，隨著現(xiàn)代加工制造和生產(chǎn)作業(yè)的發(fā)展需要，大型零件三維幾何尺寸的測量已成為現(xiàn)代逆向工程和產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)及制造的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，而且越來越多的裝配、質(zhì)量控制、在線檢測、工業(yè)產(chǎn)品的工裝定位等領(lǐng)域也迫切需要解決大型零件的三維測量。
[0003]隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子學(xué)、光學(xué)技術(shù)的日趨完善以及圖像處理、模式識(shí)別等技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)視覺測量技術(shù)得到快速發(fā)展，已逐漸成為大型零件表面三維信息最主要的測量手段。目前基于單目視覺的大型零件測量技術(shù)主要有:幾何相似法測量、幾何形狀約束法測量、結(jié)構(gòu)光法測量、幾何光學(xué)法測量和輔助靶標(biāo)測量，其中只有輔助靶標(biāo)測量可以實(shí)現(xiàn)空間不可見點(diǎn)的測量。
[0004]靶標(biāo)上一般設(shè)計(jì)有具有鮮明特征的標(biāo)記來產(chǎn)生標(biāo)志點(diǎn)，按照標(biāo)志點(diǎn)發(fā)光與否，靶標(biāo)可分為無光源靶標(biāo)和有光源靶標(biāo)兩類，其中無光源靶標(biāo)是利用靶標(biāo)上的特制圖案產(chǎn)生標(biāo)志點(diǎn)，通常為獲得理想標(biāo)志點(diǎn)圖像，還需使用特定光源照射靶標(biāo)，此種靶標(biāo)受環(huán)境影響較大；有光源祀標(biāo)利用發(fā)光體，例如LED產(chǎn)生標(biāo)志點(diǎn),傳統(tǒng)有光源祀標(biāo)通過二值法確定光點(diǎn)區(qū)域，利用重心法或橢圓擬合法提取標(biāo)志點(diǎn)中心，由于圖像的二值化處理以及標(biāo)志點(diǎn)不同角度成像，通過重心法或橢圓擬合法所提出的光點(diǎn)中心并非對應(yīng)于空間中同一點(diǎn)，使得測量精度降低。
[0005]專利號為CN200910058832，提供了一種基于相位標(biāo)靶的光學(xué)三坐標(biāo)測量方法，該測量方法的測量原理是攝像機(jī)獲取相位標(biāo)靶中特征圖像屏上的特征圖像，通過相移條紋分析法或傅立葉條紋分析法計(jì)算出相位分布，建立標(biāo)靶電子顯示屏上各點(diǎn)與攝相機(jī)像素點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而確定標(biāo)靶測頭觸點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，通過移動(dòng)相位標(biāo)靶對被測物體表面進(jìn)行多點(diǎn)測量，以計(jì)算出物三維面形，這種相位標(biāo)靶用于光學(xué)三維測量時(shí)，與有3個(gè)以上標(biāo)記點(diǎn)的輔助標(biāo)祀相比較，由于特征點(diǎn)數(shù)量的大量增多，以及基于相位計(jì)算的特征點(diǎn)精確提取，使其測量結(jié)果更為精確和可靠，但是由于攝像機(jī)的一次測量視場有限，決定了對于某些大型工件進(jìn)行測量時(shí)，攝像機(jī)和被測零件保持一個(gè)相對位置不可能將所有零件上待測點(diǎn)測量完畢，這大大限制了測量的范圍和此系統(tǒng)對于大型零件的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種大型零件的單目視覺測量方法，以解決目前單目視覺測量過程中測量范圍有限導(dǎo)致無法將大型零件中所有待測點(diǎn)測量完畢的問題。
[0007]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而提供一種大型零件的單目視覺測量方法，該測量方法通過輔助靶標(biāo)上的轉(zhuǎn)站球?qū)崿F(xiàn)攝像機(jī)的轉(zhuǎn)戰(zhàn)測量，所使用的輔助靶標(biāo)包括一測桿，測桿上方轉(zhuǎn)動(dòng)裝配有轉(zhuǎn)站球，該轉(zhuǎn)站球表面上均勻布設(shè)有標(biāo)記孔，該測桿上還固定安裝有一能隨測桿轉(zhuǎn)動(dòng)的測量棒，該測量棒的一個(gè)面上設(shè)置有標(biāo)志點(diǎn)，所述轉(zhuǎn)站球下方固定設(shè)置有刻有角度值的轉(zhuǎn)站臺(tái)；
[0008]所述測量方法測量時(shí)，使輔助靶標(biāo)上設(shè)置有標(biāo)志點(diǎn)的一面正對攝像機(jī)，通過攝像機(jī)獲取靶標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)的特征圖像信息，當(dāng)攝像機(jī)在一個(gè)有效視場內(nèi)測量完畢后，移動(dòng)攝像機(jī)到另一個(gè)位置，保證轉(zhuǎn)站球位姿不發(fā)生變化，同時(shí)旋轉(zhuǎn)測桿使貼有標(biāo)志點(diǎn)的一面正對攝像機(jī)，并記錄測桿的旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)通過轉(zhuǎn)站球和轉(zhuǎn)站球上每一個(gè)標(biāo)記孔，得到轉(zhuǎn)站后和轉(zhuǎn)站前的相互關(guān)系，通過它們之間的相互關(guān)系將得到的若干組坐標(biāo)值進(jìn)行空間拼接以實(shí)現(xiàn)對大型零件形貌的重構(gòu)。
[0009]所述的測量方法包括以下步驟:
[0010]I)對攝像機(jī)視覺測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確定相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對輔助靶標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，確定在輔助靶標(biāo)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)站球各孔中心、測棒上各標(biāo)志點(diǎn)中心和測頭坐標(biāo)；
[0011]2)將輔助靶標(biāo)測棒貼有標(biāo)志點(diǎn)的一面正對攝像機(jī)，通過攝像機(jī)獲取靶標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)的特征圖像信息；
[0012]3)對采集到的靶標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)的特征圖像信息進(jìn)行圖像處理得到各標(biāo)志點(diǎn)中心像素坐標(biāo)；
[0013]4)根據(jù)針孔成像原理建立系統(tǒng)測量模型，將標(biāo)志點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到測量標(biāo)志點(diǎn)中心在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，計(jì)算出輔助靶標(biāo)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣，根據(jù)所計(jì)算出的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣以及測頭中心在輔助靶標(biāo)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，計(jì)算出測頭中心的世界坐標(biāo)值；
[0014]5)當(dāng)攝像機(jī)在一個(gè)有效視場內(nèi)測量完畢后，移動(dòng)攝像機(jī)到另一個(gè)位置，開始另一位置的測量，直到將大型零件的所有曲面測量完畢；
[0015]6)根據(jù)轉(zhuǎn)站球上每一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)的孔在輔助靶標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值和像面坐標(biāo)系中位置的相互關(guān)系，將得到的各組三維坐標(biāo)值進(jìn)行空間拼接，最終實(shí)現(xiàn)對大型零件物體三維形貌的重構(gòu)。
[0016]所述步驟2)在測量時(shí)，測棒軸線位于轉(zhuǎn)站臺(tái)O刻度處，且輔助靶標(biāo)測棒貼有標(biāo)志點(diǎn)一面正對攝像機(jī)，當(dāng)輔助靶標(biāo)上的剛體測量頭與曲面待測點(diǎn)垂直接觸時(shí)，測頭上的開關(guān)同步控制攝像機(jī)來獲取靶標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)的特征圖像信息，圖像采集卡對圖像進(jìn)行采集。
[0017]所述步驟4)中輔助靶標(biāo)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的變換公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種大型零件的單目視覺測量方法，其特征在于，該測量方法通過輔助靶標(biāo)上的轉(zhuǎn)站球?qū)崿F(xiàn)攝像機(jī)的轉(zhuǎn)戰(zhàn)測量，所使用的輔助靶標(biāo)包括一測桿，測桿上方轉(zhuǎn)動(dòng)裝配有轉(zhuǎn)站球，該轉(zhuǎn)站球表面上均勻布設(shè)有標(biāo)記孔，該測桿上還固定安裝有一能隨測桿轉(zhuǎn)動(dòng)的測量棒，該測量棒的一個(gè)面上設(shè)置有標(biāo)志點(diǎn)，所述轉(zhuǎn)站球下方固定設(shè)置有刻有角度值的轉(zhuǎn)站臺(tái)； 所述測量方法測量時(shí)，使輔助靶標(biāo)上設(shè)置有標(biāo)志點(diǎn)的一面正對攝像機(jī)，通過攝像機(jī)獲取靶標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)的特征圖像信息，當(dāng)攝像機(jī)在一個(gè)有效視場內(nèi)測量完畢后，移動(dòng)攝像機(jī)到另一個(gè)位置，保證轉(zhuǎn)站球位姿不發(fā)生變化，同時(shí)旋轉(zhuǎn)測桿使貼有標(biāo)志點(diǎn)的一面正對攝像機(jī)，并記錄測桿的旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)通過轉(zhuǎn)站球和轉(zhuǎn)站球上每一個(gè)標(biāo)記孔，得到轉(zhuǎn)站后和轉(zhuǎn)站前的相互關(guān)系，通過它們之間的相互關(guān)系將得到的若干組坐標(biāo)值進(jìn)行空間拼接以實(shí)現(xiàn)對大型零件形貌的重構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型零件的單目視覺測量方法，其特征在于，所述的測量方法包括以下步驟: 1)對攝像機(jī)視覺測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確定相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對輔助革巴標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，確定在輔助靶標(biāo)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)站球各孔中心、測棒上各標(biāo)志點(diǎn)中心和測頭坐標(biāo)； 2)將輔助祀標(biāo)測棒貼有標(biāo)志點(diǎn)的一面正對攝像機(jī)，通過攝像機(jī)獲取祀標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)的特征圖像信息； 3)對采集到的靶標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)的特征圖像信息進(jìn)行圖像處理得到各標(biāo)志點(diǎn)中心像素坐標(biāo)； 4)根據(jù)針孔成像原理建立系統(tǒng)測量模型，將標(biāo)志點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到測量標(biāo)志點(diǎn)中心在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，計(jì)算出輔助靶標(biāo)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣，根據(jù)所計(jì)算出的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣以及測頭中心在輔助靶標(biāo)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，計(jì)算出測頭中心的世界坐標(biāo)值； 5)當(dāng)攝像機(jī)在一個(gè)有效視場內(nèi)測量完畢后，移動(dòng)攝像機(jī)到另一個(gè)位置，開始另一位置的測量，直到將大型零件的所有曲面測量完畢； 6)根據(jù)轉(zhuǎn)站球上每一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)的孔在輔助靶標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值和像面坐標(biāo)系中位置的相互關(guān)系，將得到的各組三維坐標(biāo)值進(jìn)行空間拼接，最終實(shí)現(xiàn)對大型零件物體三維形貌的重構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大型零件的單目視覺測量方法，其特征在于，所述步驟2)在測量時(shí)，測棒軸線位于轉(zhuǎn)站臺(tái)O刻度處，且輔助靶標(biāo)測棒貼有標(biāo)志點(diǎn)一面正對攝像機(jī)，當(dāng)輔助靶標(biāo)上的剛體測量頭與曲面待測點(diǎn)垂直接觸時(shí)，測頭上的開關(guān)同步控制攝像機(jī)來獲取靶標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)的特征圖像信息，圖像采集卡對圖像進(jìn)行采集。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大型零件的單目視覺測量方法，其特征在于，所述步驟4)中輔助靶標(biāo)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的變換公式為: fx、?χ/λ WJ
yw (R' Λ yf zW L0' 1J Zf I1 J 、ι y 其中，(xf, yf, Zf, 1)T和(xw，yw, zw, 1)T分別是P在輔助靶標(biāo)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；V是由輔助靶標(biāo)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，t'是由輔助靶標(biāo)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的平移向量。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大型零件的單目視覺測量方法，其特征在于，所述步驟5)當(dāng)攝像機(jī)在一個(gè)有效視場內(nèi)測量完畢后，移動(dòng)攝像機(jī)到另一個(gè)位置，保證轉(zhuǎn)站球位置不發(fā)生變化同時(shí)旋轉(zhuǎn)輔助靶標(biāo)的測棒使貼有標(biāo)志點(diǎn)的一面正對攝像機(jī)，開始另一位置的測量，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)站測量。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大型零件的單目視覺測量方法，其特征在于，所述步驟I)對攝像機(jī)視覺測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)采用輔助靶標(biāo)完成攝像機(jī)的標(biāo)定，將攝像機(jī)與輔助靶標(biāo)相距一定距離固定好，打開CCD攝像機(jī)電源；在攝像機(jī)視場范圍內(nèi)，選取量塊的頂點(diǎn)作為標(biāo)定點(diǎn)，每移動(dòng)一個(gè)位置拍攝一幅圖像，將獲得的標(biāo)志點(diǎn)的二維圖像信息通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線傳送并保存到計(jì)算機(jī)中；利用提取的所有位置的標(biāo)志點(diǎn)圖像坐標(biāo)及其對應(yīng)的已知世界坐標(biāo)，帶入小孔成像測量系統(tǒng)模型中，進(jìn)而完成對攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的求解，并保存到系統(tǒng)參數(shù)文件中，以備測量 階段調(diào)用。
【文檔編號】G01B11/24GK103759669SQ201410003137
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】李航, 司東宏, 劉麗麗, 王想到, 付林伯, 劉志威, 張偉, 孫景文 申請人:河南科技大學(xué)