一種基于時間轉軸約束的雙目視覺測量方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于計算機視覺測量技術領域，涉及一種基于時間轉軸約束的雙目視覺測 量方法。
【背景技術】
[0002] 大型零構件如大型飛機尾翼等形面尺寸將直接影響重要裝備零構件間的高質量 連接與裝配，形面尺寸高精度的測量是保證裝備的設計要求和功能要求的必要條件，因此 高精度的三維測量在大型零件裝配制造中至關重要。雙目視覺測量法是采用雙目相機采集 被測物特征或用用于反映被測物形面的特征信息，通過這些特征的提取與重建，實現被測 物形面的重建。該方法具有非接觸性、大信息、測量速度快等優勢，已廣泛運用在大型零件 測量中，但是雙目視覺是基于圖像信息進行重建，由于相機芯片的像元尺寸一定，當對大尺 寸零件測量時，以單視場為〇. 9mX 1.6m，物距為lm，相機分辨率為3072 X 5096的情況為例， 圖像像素物理尺寸為0.3-0.4mm，其理論偏差已大于航天航空零件的測量精度要求0. ΙΟ. 2_。 因此 ，如何提高雙 目測量的測量精度是 目前亟待解決的工程問題。
[0003] Hirofumi Nakai等人發表的會議論文《3D shape measurement using fixed camera and handheld laser scanner》（Nakai H,Iwai D,Sato K.3D shape measurement using fixed camera and handheld laser scanner[C]//SICE Annual Conference, 2008. IEEE,2008:1536-1539.)等人設計了一套由一臺相機和一臺激光掃描測距儀組成的 視覺系統，采用手持式線激光器進行掃描實現三維形面的測量，測量過程中需要實時定位 激光器位置，測量精度難以得到保證。曾巒，翟優等發明的"一種可變結構的雙目視覺測量 系統及參數確定方法"，專利號CN104359461，通過改變雙目相機的光軸指向、增加輔助光路 分別增大相機測量范圍、增加內嵌標志，從而將外部參數的標定融入每次測量中，實現了變 結構雙目視覺測量，增加了立體相機的靈活性和測量范圍，但是仍采用雙目光軸交會的方 式確定被測點，無法大幅度地提高測量的精度。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術難題是針對難以大幅度提高雙目視覺現場測量精度的問題， 發明了基于時間轉軸約束的雙目視覺測量方法。該方法基于雙目視覺測量原理，結合電控 旋轉平臺的激光掃描速度和測量時間的計算，建立時間轉軸約束，確定特征激光平面的空 間精確位置，從而將圖像誤差轉換為運動與時間的控制誤差，進而實現激光特征信息的高 精度重建，完成被測物的三維形面測量。可使空間測量誤差降低一個數量級，提高雙目視覺 的三維測量精度，并融合序列圖像中激光光條重建信息完成被測物表面幾何量的測量，實 現被測物表面激光光條的高精度重建。
[0005] 本發明采用的技術方案是一種基于時間轉軸約束的雙目視覺測量方法，其特征 是，該方法結合電控轉臺的激光掃描速度和測量時間的計算，建立時間轉軸約束，確定特征 激光平面的空間精確位置，從而將圖像誤差轉換為運動與時間的控制誤差，進而實現激光 特征信息的高精度重建;首先對雙目相機、激光平面初始位置、電控轉臺轉軸位置系統結構 參數分別進行標定，然后提取圖像中的激光光條特征信息，進而通過控制激光器掃描的電 控平臺的掃描速度及相機采集幀頻，確定動態序列圖像中激光平面的空間精確位置，將雙 目相機采集的激光特征點與激光所處的空間平面關系建立優化模型，將基于圖像的雙目測 量誤差轉換為基于時間轉軸的控制誤差，使測量誤差降低了一個數量級，并融合序列圖像 中激光光條重建信息完成被測物表面幾何量的測量，實現被測物表面激光光條的高精度重 建;方法具體步驟如下：
[0006] 第一步雙目視覺系統的標定
[0007] 1)雙目相機的標定
[0008] 采用張正友的平面靶標標定方法，以靶標平面建立世界坐標系，對系統中的雙目 相機進行標定，其相機模型如下：
[0009]
[0010] 其中，u，v分別是圖像的行列像素坐標值，XW，YW，Z#表被測點在世界坐標系里的 三維坐標值，X。，Y c，Zc代表被測點在攝像機坐標系里的三維坐標值，Mi為相機內參數矩陣， 包括列向量等效焦距α χ、行向量等效焦距ay、主點的像素坐標(uq，vq)，M2為相機內參數矩陣， 包括旋轉矩陣R、平移矩陣T，s是未知的尺度因子;根據靶標平面上已知空間三維坐標和二 維圖像坐標的角點信息，獲得雙目相機的內參數矩陣及相對平面靶標的外參數矩陣；
[0011] 由于相機鏡頭存在畸變，基于圖像畸變原理計算鏡頭畸變，其公式如下：
[0012] uk = u+(u_u〇) [ki(x2+y2)+k2(x2+y2) 2] (2)
[0013] vk = v+(v-vo) [ki(x2+y2)+k2(x2+y2) 2]
[0014] 其中，uk，vk分別是實際徑像畸變的情況下的圖像行列像素坐標，x，y代表理想無畸 變時的連續圖像坐標，la，1?為圖像畸變系數，最后，采用LM優化方法對相機內外參數及畸變 系數進行優化求解；
[0015] 2)激光平面的標定
[0016] 將相機位置和激光器位置保持恒定不變，由于激光器投射的激光平面在空間恒 定，且激光在被測靶標平面的投影恒屬于激光平面，因此，可將平面靶標進行任意移動，通 過靶標平面上的激光投影和相機標定結果計算激光平面在全局世界坐標系下的平面方程；
[0017] 首先，在靶標初始位置標定全局世界坐標系的平面靶標位置，投射激光表面，使用 相機采集靶標平面上的激光光條信息，然后，無約束移動靶標平面，使用相機采集多張激光 光條圖像，基于圖像畸變公式(2)對圖像進行畸變校正;針對校正后的圖像，激光光條在i位 置的圖像像坐標為(ιΛν 1)，根據公式(3)計算激光光條在攝像機平面上的歸一化坐標(xs， ys)：
[0019]根據公式（1)的相機模型可推導出公式(4)，進而可求得激光光條在攝像機坐標系 下Z軸的坐標值
[0021]其中，（AH:)為激光光條以i位置平面靶標所建立的局部世界坐標系坐標， [4 4 4]'',[毛4 分別為該位置的旋轉矩陣R的第1，2列，T1為該位置的平移矩 陣，進而計算該位置時激光光條在攝像機坐標系下X軸、Y軸的坐標尤，?:
[0023]由于相機的位置恒定，即攝像機坐標系恒定，根據攝像機坐標與全局世界坐標系 的關系計算在不同位置拍攝的激光光條點的全局世界坐標：
[0025]其中，Xw，Yw，Zw代表被測點在全局世界坐標系里的三維坐標值，R，T分別為全局坐 標系相對攝像機坐標系的旋轉、平移矩陣，ΙΓ1為旋轉矩陣R的逆；
[0026]根據公式(6)可計算出不同位置的激光光條在全局世界坐標系下的三維坐標值， 由于激光平面在空間位置相對恒定，這些激光光條點都屬于激光平面，因此采用最小二乘 法擬合激光平面，其平面方程為：
[0027] aXw+bYw+cZw+d = 0 (7)
[0028] 其中，a，b，c，d為平面方程系數；
[0029] 3)激光器旋轉軸的標定
[0030]保持相機位置不同，采用電控轉動控制激光投射平面旋轉，按照激光平面的標定 方法標定旋轉后的激光平面，兩個平面的交線為旋轉軸，其直線方程為：
[0032] 其中，81，131，(31，(11為平面311的平面方程系數，./?1=_(^16 1€1):為平面311的法向量； a2，b2，C2，d2為平面3^2的平面方程系數，1? _=(_% .? 為平面312的法向量;根據公式(8)可 求得旋轉軸1的方向向量
[0033] J = (9)
[0034] 其中，％繞旋轉軸^逆時針至％方向，％向量與《2向量夾角為銳角；因此可計算 旋轉軸1的單位方向向量?:
[0036] 第二步掃描激光光條的采集與提取
[0037] 采用控制裝置同步觸發雙目相機采集與激光器旋轉平臺旋轉，通過雙目相機采集 激光光條序列圖像，獲得被測物的三維信息;分別提取圖像中的激光光條信息，首先對圖像 進行濾波處理，然后基于Sobel邊緣提取算法計算激光光條邊緣，計算公式如下：
[0040]其中，g(i，j)為圖像坐標為(i，j)的Sobel邊緣檢測算子，(UPdy分別為計算的卷積 模板;然后按照灰度重心法，計算激光光條中心，其公式如下：
[0042] 其中，（<,<)為激光光條第i行的灰度重心坐標，^為第i行第j列灰度值;min為激 光光條在圖像每行上的最小列值，max為激光光條在圖像每行上的最大列值。第三步基于時 間轉軸約束的激光平面重建
[0043] 1)基于時間轉軸約束的激光平面的重建
[0044] 設定激光平面的初始位置為基準平面，根據標定結果，基準平面方程為 ciZw+di = 0,根據公式（10)計算平面的單位法向量％ 由于電控轉臺與相機同 步觸發，根據電控轉臺勻角速度為ω，相機響應時間為t，則采集的第h張圖像，激光平面逆 時針