一種大型零件的單目視覺測量方法
【專利摘要】本發明涉及一種大型零件的單目視覺測量方法，屬于測量【技術領域】。本發明通過采用攝像機轉站的方法對待測器件的最優視點進行規劃分析，克服了攝像機一次測量的有限性，擴大了測量的范圍，當攝像機在一個有效視場內測量完畢后，移動攝像機到另一個位置，保證轉站球位姿不發生變化，同時旋轉測桿使貼有標志點的一面正對攝像機，并記錄測桿的旋轉角度，同時通過轉站球和轉站球上每一個標記孔，可以得到轉站后和轉站前的相互關系，通過它們之間的相互關系可以將若干組坐標值進行空間拼接，實現利用現有儀器對大型零件三維形貌的重構。
【專利說明】一種大型零件的單目視覺測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種大型零件的單目視覺測量方法，屬于測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近年來大尺寸的曲面在汽車工業、船舶和航天器外形等方面得到廣泛的應用，隨著現代加工制造和生產作業的發展需要，大型零件三維幾何尺寸的測量已成為現代逆向工程和產品數字化設計及制造的基礎支撐技術，而且越來越多的裝配、質量控制、在線檢測、工業產品的工裝定位等領域也迫切需要解決大型零件的三維測量。
[0003]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，計算機視覺測量技術得到快速發展，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主要有:幾何相似法測量、幾何形狀約束法測量、結構光法測量、幾何光學法測量和輔助靶標測量，其中只有輔助靶標測量可以實現空間不可見點的測量。
[0004]靶標上一般設計有具有鮮明特征的標記來產生標志點，按照標志點發光與否，靶標可分為無光源靶標和有光源靶標兩類，其中無光源靶標是利用靶標上的特制圖案產生標志點，通常為獲得理想標志點圖像，還需使用特定光源照射靶標，此種靶標受環境影響較大；有光源祀標利用發光體，例如LED產生標志點,傳統有光源祀標通過二值法確定光點區域，利用重心法或橢圓擬合法提取標志點中心，由于圖像的二值化處理以及標志點不同角度成像，通過重心法或橢圓擬合法所提出的光點中心并非對應于空間中同一點，使得測量精度降低。
[0005]專利號為CN200910058832，提供了一種基于相位標靶的光學三坐標測量方法，該測量方法的測量原理是攝像機獲取相位標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算出相位分布，建立標靶電子顯示屏上各點與攝相機像素點之間的對應關系，進而確定標靶測頭觸點的三維空間坐標，通過移動相位標靶對被測物體表面進行多點測量，以計算出物三維面形，這種相位標靶用于光學三維測量時，與有3個以上標記點的輔助標祀相比較，由于特征點數量的大量增多，以及基于相位計算的特征點精確提取，使其測量結果更為精確和可靠，但是由于攝像機的一次測量視場有限，決定了對于某些大型工件進行測量時，攝像機和被測零件保持一個相對位置不可能將所有零件上待測點測量完畢，這大大限制了測量的范圍和此系統對于大型零件的應用。
【發明內容】
[0006]本發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致無法將大型零件中所有待測點測量完畢的問題。
[0007]本發明為解決上述技術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上的轉站球實現攝像機的轉戰測量，所使用的輔助靶標包括一測桿，測桿上方轉動裝配有轉站球，該轉站球表面上均勻布設有標記孔，該測桿上還固定安裝有一能隨測桿轉動的測量棒，該測量棒的一個面上設置有標志點，所述轉站球下方固定設置有刻有角度值的轉站臺；
[0008]所述測量方法測量時，使輔助靶標上設置有標志點的一面正對攝像機，通過攝像機獲取靶標標志點的特征圖像信息，當攝像機在一個有效視場內測量完畢后，移動攝像機到另一個位置，保證轉站球位姿不發生變化，同時旋轉測桿使貼有標志點的一面正對攝像機，并記錄測桿的旋轉角度，同時通過轉站球和轉站球上每一個標記孔，得到轉站后和轉站前的相互關系，通過它們之間的相互關系將得到的若干組坐標值進行空間拼接以實現對大型零件形貌的重構。
[0009]所述的測量方法包括以下步驟:
[0010]I)對攝像機視覺測量系統進行標定，確定相機內部參數和系統結構參數，對輔助靶標進行標定，確定在輔助靶標坐標系下轉站球各孔中心、測棒上各標志點中心和測頭坐標；
[0011]2)將輔助靶標測棒貼有標志點的一面正對攝像機，通過攝像機獲取靶標標志點的特征圖像信息；
[0012]3)對采集到的靶標標志點的特征圖像信息進行圖像處理得到各標志點中心像素坐標；
[0013]4)根據針孔成像原理建立系統測量模型，將標志點中心的像素坐標進行坐標轉換得到測量標志點中心在世界坐標系中的坐標值，計算出輔助靶標坐標系到世界坐標系的旋轉和平移矩陣，根據所計算出的旋轉和平移矩陣以及測頭中心在輔助靶標坐標系下的坐標，計算出測頭中心的世界坐標值；
[0014]5)當攝像機在一個有效視場內測量完畢后，移動攝像機到另一個位置，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)根據轉站球上每一個唯一標識的孔在輔助靶標坐標系中的坐標值和像面坐標系中位置的相互關系，將得到的各組三維坐標值進行空間拼接，最終實現對大型零件物體三維形貌的重構。
[0016]所述步驟2)在測量時，測棒軸線位于轉站臺O刻度處，且輔助靶標測棒貼有標志點一面正對攝像機，當輔助靶標上的剛體測量頭與曲面待測點垂直接觸時，測頭上的開關同步控制攝像機來獲取靶標標志點的特征圖像信息，圖像采集卡對圖像進行采集。
[0017]所述步驟4)中輔助靶標坐標系到世界坐標系的變換公式為:
【權利要求】
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上的轉站球實現攝像機的轉戰測量，所使用的輔助靶標包括一測桿，測桿上方轉動裝配有轉站球，該轉站球表面上均勻布設有標記孔，該測桿上還固定安裝有一能隨測桿轉動的測量棒，該測量棒的一個面上設置有標志點，所述轉站球下方固定設置有刻有角度值的轉站臺； 所述測量方法測量時，使輔助靶標上設置有標志點的一面正對攝像機，通過攝像機獲取靶標標志點的特征圖像信息，當攝像機在一個有效視場內測量完畢后，移動攝像機到另一個位置，保證轉站球位姿不發生變化，同時旋轉測桿使貼有標志點的一面正對攝像機，并記錄測桿的旋轉角度，同時通過轉站球和轉站球上每一個標記孔，得到轉站后和轉站前的相互關系，通過它們之間的相互關系將得到的若干組坐標值進行空間拼接以實現對大型零件形貌的重構。
2.根據權利要求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)對攝像機視覺測量系統進行標定，確定相機內部參數和系統結構參數，對輔助革巴標進行標定，確定在輔助靶標坐標系下轉站球各孔中心、測棒上各標志點中心和測頭坐標； 2)將輔助祀標測棒貼有標志點的一面正對攝像機，通過攝像機獲取祀標標志點的特征圖像信息； 3)對采集到的靶標標志點的特征圖像信息進行圖像處理得到各標志點中心像素坐標； 4)根據針孔成像原理建立系統測量模型，將標志點中心的像素坐標進行坐標轉換得到測量標志點中心在世界坐標系中的坐標值，計算出輔助靶標坐標系到世界坐標系的旋轉和平移矩陣，根據所計算出的旋轉和平移矩陣以及測頭中心在輔助靶標坐標系下的坐標，計算出測頭中心的世界坐標值； 5)當攝像機在一個有效視場內測量完畢后，移動攝像機到另一個位置，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)根據轉站球上每一個唯一標識的孔在輔助靶標坐標系中的坐標值和像面坐標系中位置的相互關系，將得到的各組三維坐標值進行空間拼接，最終實現對大型零件物體三維形貌的重構。
3.根據權利要求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，測棒軸線位于轉站臺O刻度處，且輔助靶標測棒貼有標志點一面正對攝像機，當輔助靶標上的剛體測量頭與曲面待測點垂直接觸時，測頭上的開關同步控制攝像機來獲取靶標標志點的特征圖像信息，圖像采集卡對圖像進行采集。
4.根據權利要求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)中輔助靶標坐標系到世界坐標系的變換公式為: 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在輔助靶標坐標系和世界坐標系中的坐標；V是由輔助靶標坐標系到世界坐標系的旋轉矩陣，t'是由輔助靶標坐標系到世界坐標系的平移向量。
5.根據權利要求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)當攝像機在一個有效視場內測量完畢后，移動攝像機到另一個位置，保證轉站球位置不發生變化同時旋轉輔助靶標的測棒使貼有標志點的一面正對攝像機，開始另一位置的測量，實現轉站測量。
6.根據權利要求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)對攝像機視覺測量系統進行標定時采用輔助靶標完成攝像機的標定，將攝像機與輔助靶標相距一定距離固定好，打開CCD攝像機電源；在攝像機視場范圍內，選取量塊的頂點作為標定點，每移動一個位置拍攝一幅圖像，將獲得的標志點的二維圖像信息通過網絡數據線傳送并保存到計算機中；利用提取的所有位置的標志點圖像坐標及其對應的已知世界坐標，帶入小孔成像測量系統模型中，進而完成對攝像機內外參數的求解，并保存到系統參數文件中，以備測量 階段調用。
【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 優先權日:2014年1月3日
【發明者】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