大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在船舶制造過程中大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方法，該方法涉及的設(shè)備包括全局和局部兩個測量裝置，其中全局測量裝置由兩臺工業(yè)相機(jī)和一臺能夠進(jìn)行存儲和分析的高性能服務(wù)器組成，局部測量裝置有兩臺工業(yè)相機(jī)和一臺投影儀組成，為了能夠準(zhǔn)確的測量局部測量裝置的空間位置，需要在局部測量裝置上安裝特定標(biāo)記物，本發(fā)明進(jìn)行基于視覺測量的圓形標(biāo)記物定位技術(shù)，包括測量裝置上安裝的圓形標(biāo)記物的精確定位算法。本發(fā)明提供一種不接觸鋼板表面，能自動、及時、方便、精確地對測量裝置上圓形標(biāo)記物定位方法。
【專利說明】大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維測量，特別涉及到船舶建造時大型曲面板的自動檢測，具體是對 核心技術(shù)圓形標(biāo)記物進(jìn)行精確定位的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，三維測量技術(shù)主要包括接觸式測量及非接觸式測量兩類。針對海洋工程裝 備中的大尺度目標(biāo)，只能采用非接觸式三維測量技術(shù)。非接觸式三維測量技術(shù)包括兩類：視 覺照相三維測量、激光三維測量。照相三維測量系統(tǒng)具有測量速度快、測量密度高的優(yōu)點(diǎn)。 激光測量系統(tǒng)具有測量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但在測量大尺度目標(biāo)時，激光掃描速度較慢，無法達(dá) 到工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)時性要求。在加工大尺度船舶機(jī)艙、艏、艉和過渡段的曲面以及制造海洋 工程裝備大尺度鋼結(jié)構(gòu)時，需要精確、快速地測量曲面的三維數(shù)據(jù)，因此需要采用相機(jī)測量 技術(shù)。
[0003] 國內(nèi)，基本上采用激光方法測量大尺度的物件，雖然該方法精度高，但是低速、低 密度的缺點(diǎn)使得激光測量技術(shù)無法滿足大尺度工件工業(yè)加工生產(chǎn)的要求。一些大型船舶骨 干企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)在全站儀激光三維測量、人工劃線定位、曲面鋼板水火三維成型技術(shù)等 方面開展了相應(yīng)的研究工作，但并未有成熟可用的產(chǎn)品。而基于照相的大尺度三維測量技 術(shù)仍然停留在學(xué)術(shù)研究階段。
[0004] 在視覺測量中。立體匹配是其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。一般的立體匹配的方法都依 賴于利用像素點(diǎn)的灰度或顏色值，以及其鄰域內(nèi)的紋理信息在另外一個視角中尋找對應(yīng)的 像素點(diǎn)。如果所重建的場景中沒有豐富的顏色或者紋理信息，例如船舶制造中的大型曲面 彎板，立體匹配將產(chǎn)生很大的誤差。為了解決這個問題，可以往場景中添加一些特殊的標(biāo)記 物來降低立體匹配的難度。所以標(biāo)記物的檢測在視覺測量中有著重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種新的大型曲面板測量 中圓形標(biāo)記物的精確定位方法。本發(fā)明的圓形標(biāo)記物精確定位方法用于準(zhǔn)確測定測量裝置 的控制位置，不受自然光照、照相角度和曝光時間等外界因素的影響，以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和工 業(yè)要求。
[0006] 為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明專利提供的技術(shù)方案如下： 大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方法，其特征在于，大型曲面板測量時用到 的設(shè)備包括有全局測量裝置和局部測量裝置，所述的全局測量裝置包括由兩臺第一工業(yè)相 機(jī)和一臺進(jìn)行存儲和分析的高性能服務(wù)器，兩臺第一工業(yè)相機(jī)分別通過1394線和1394卡 連接服務(wù)器，局部測量裝置包括有兩臺第二工業(yè)相機(jī)和一臺投影儀，兩臺第二工業(yè)相機(jī)分 別通過1394線和1394卡連接服務(wù)器，所述的投影儀通過USB線連接至服務(wù)器，所述局部測 量裝置為布置在大尺寸曲面板后面的可移動裝置，在所述的局部測量裝置后面設(shè)有全局測 量裝置，在所述的具備測量裝置上安裝有特定標(biāo)記物，該特定標(biāo)記物為圓形發(fā)光二極管；該 圓形標(biāo)記物的精確定位方法包括有： 第一步，在局部測量裝置上安裝圓形標(biāo)記物； 第二步，通過全局測量裝置上的兩臺第一工業(yè)相機(jī)分別對含有圓形標(biāo)記物的局部測量 裝置進(jìn)行拍照，并將拍照結(jié)果通過1394線和1394卡傳輸至服務(wù)器中； 第三步，在服務(wù)器中，采用模板匹配法對照片中的圓形標(biāo)記物進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果采用 矩形框在圖像中標(biāo)識，以實(shí)現(xiàn)圓形標(biāo)記物的粗定位； 第四步，采用混合HOUGH變換的最小二乘擬合圓方法對圓形標(biāo)記物進(jìn)行精確定位； 第五步，獲得圓形標(biāo)記物的精確定位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對局部測量裝置的測量結(jié)果的拼接，以 精確測量大尺寸曲面板。
[0007] 在本發(fā)明的大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方法中，所述第三步中用于 圓形標(biāo)記物粗定位的模板匹配法是將包含目標(biāo)圖像的模板在搜索區(qū)中滑動，計算模板圖像 與其覆蓋區(qū)圖像的相關(guān)值，相關(guān)值采用歸一化平方差值為計算值指標(biāo)，如公式（1)所示，匹 配最好的區(qū)域的中心即認(rèn)為是圓形標(biāo)記物的中心。
[0008] 在本發(fā)明的大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方法中，在更 進(jìn)一步設(shè)計中，在第三步中按一定的準(zhǔn)側(cè)計算模板圖像與其覆蓋區(qū)圖像的相 關(guān)值，具體是采用歸一化平方差匹配法作為模板匹配的匹配模式，設(shè)定模板 r大小為#X#，待搜索圖像為I,計算圖像/中各個像素的歸一化平方差值如公式（1) 所示：

【權(quán)利要求】
1. 大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方法，其特征在于，大型曲面板測量時用 到的設(shè)備包括有全局測量裝置和局部測量裝置，所述的全局測量裝置包括由兩臺第一工業(yè) 相機(jī)和一臺進(jìn)行存儲和分析的服務(wù)器，兩臺第一工業(yè)相機(jī)分別通過1394線和1394卡連接 服務(wù)器，局部測量裝置包括有兩臺第二工業(yè)相機(jī)和一臺投影儀，兩臺第二工業(yè)相機(jī)分別通 過1394線和1394卡連接服務(wù)器，所述的投影儀通過USB線連接至服務(wù)器，所述局部測量裝 置為布置在大尺寸曲面板后面的可移動裝置，在所述的局部測量裝置后面設(shè)有全局測量裝 置，在所述的局部測量裝置上安裝有特定的圓形標(biāo)記物，該圓形標(biāo)記物為圓形發(fā)光二極管； 該圓形標(biāo)記物的精確定位方法包括有： 第一步，在局部測量裝置上安裝圓形標(biāo)記物； 第二步，通過全局測量裝置上的兩臺第一工業(yè)相機(jī)分別對含有圓形標(biāo)記物的局部測量 裝置進(jìn)行拍照，并將拍照結(jié)果通過1394線和1394卡傳輸至服務(wù)器中； 第三步，在服務(wù)器中，采用模板匹配法對照片中的圓形標(biāo)記物進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果采用 矩形框在圖像中標(biāo)識，以實(shí)現(xiàn)圓形標(biāo)記物的粗定位； 第四步，采用混合HOUGH變換的最小二乘擬合圓方法對圓形標(biāo)記物進(jìn)行精確定位； 第五步，獲得圓形標(biāo)記物的精確定位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對局部測量裝置的測量結(jié)果的拼接，以 精確測量大尺寸曲面板。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方法，其特征在 于，所述第三步中用于圓形標(biāo)記物粗定位的模板匹配法是將包含目標(biāo)圖像的模板在搜索區(qū) 中滑動，計算模板圖像與其覆蓋區(qū)圖像的相關(guān)值，相關(guān)值采用歸一化平方差值為計算值指 標(biāo)，匹配最好的區(qū)域的中心即認(rèn)為是圓形標(biāo)記物的中心。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方 法，其特征在于，在第三步中按一定的準(zhǔn)側(cè)計算模板圖像與其覆蓋區(qū)圖像的 相關(guān)值，具體是采用歸一化平方差匹配法作為模板匹配的匹配模式，設(shè)定模板 Γ大小為#x#，待搜索圖像為/,計算圖像/中各個像素的歸一化平方差值如公式（1) 所示：
其中7(x\y )和J(x + JT%_F + _F5 )分別表示模板和搜索圖像的灰度值，在搜索圖像 J中，ifU_F)值最小處即為匹配點(diǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方法，其特征在 于，所述第四步的精確定位方法包括： 4a.模板匹配實(shí)現(xiàn)圓形標(biāo)記物的粗定位，以依公式（1)找到的像素點(diǎn)為中心，采用合適 大小的矩形窗口標(biāo)注圓形標(biāo)記物的粗定位結(jié)果； 4b.對矩形窗口圖像采用HOUGH變換的方法實(shí)現(xiàn)圓形標(biāo)記的檢測，其檢測后的圓心位 置標(biāo)記為pointl，利用圖像自身的梯度信息，將HOUGH變換中的參數(shù)空間求解由三維降至 二維； 4c.對矩形窗口圖像通過Canny邊緣檢測獲取圓形標(biāo)記物的邊緣點(diǎn)，然后采用基于 RANSAC的最小二乘法圓形標(biāo)記物的檢測，其檢測后的圓心位置記為point2 ; 4d.計算出pointl和point2的歐式距離d，若d小于閾值ξ，則轉(zhuǎn)至4e，若d大于閾 值ξ，則轉(zhuǎn)至4f ; 4e.最后圓心point位置按照公式（2)計算： JKiinI = J1 - powt ?-i A2 powt 2 (2 ) 其中，Λ+^=ι,算法結(jié)束； 4f.對于矩形窗口圖像采用Otsu法進(jìn)行自適應(yīng)二值化處理，并對二值化圖像采用質(zhì)心 法計算出圓心位置p〇int3,分別計算pointl和point2的歐式距離dl和d2 :若dl < d2, 則最終的圓心point位置即為pointl ;若dl > d2,則最終的圓心point位置為point2,算 法結(jié)束。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方法，其特征在 于，HOUGH變換中的參數(shù)空間求解由三維降至二維，其具體的方法是對于任意的圓形，其幾 何表示如公式（3)所示， (x of I 〇r....... δ)2 = r7 (3) 如果將二維像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到三維參數(shù)空間Γ),則一個二維像素點(diǎn)對應(yīng)于 三維參數(shù)空間中的一個圓錐曲線，如果點(diǎn)集位于同一 個圓上，那么它們在三維參數(shù)空間中應(yīng)相交于同一點(diǎn); 通過引入圖像的梯度信息以降低參數(shù)空間的計算復(fù)雜程度，對公式（3)求導(dǎo)，可以得到 式（4)
(4) 將（4)代入（3)可得
對于含有圓形標(biāo)記物的待搜索圖像J，首先設(shè)計一個和J 一樣大小累加器圖像S，并 對S中的每個像素值都清零，對于指定的圓形半徑r，可以求出J中的像素(Ij)對應(yīng)于參 數(shù)空間二維坐標(biāo)將S中坐標(biāo)為(--的像素值加1，遍歷所有可能圓形半徑r (r不 會超過J的長寬的一半)，最終5中最大值對應(yīng)于的坐標(biāo)即為J中圓形標(biāo)記物的圓心。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方法，其特征在 于，通過Canny邊緣檢測獲取圓形標(biāo)記物的邊緣點(diǎn)的詳細(xì)步驟是：首先，通過高斯函數(shù)平滑 以消除噪聲；然后，利用一階差分模板卷積以達(dá)到邊緣增強(qiáng)的效果；最后，進(jìn)行非極大值抑 制以保留梯度方向上的最大值，從而檢測出邊緣。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方法，其特征在 于，采用基于RANSAC的最小二乘法圓形標(biāo)記物的檢測，其詳細(xì)過程是：首先對于Canny算子 檢測出的邊緣點(diǎn)任意選取非共線的三個點(diǎn)，確定一個圓的方程，如公式（3)所示，假設(shè)該方 程即為所要檢測的圓的模型；再對其他的邊緣點(diǎn)(?.?)代入到公式（3)中計算出對應(yīng)的半 徑4，如果巧和^之間的誤差小于特定的閾值，該閾值設(shè)定為^的5%，則認(rèn)為乜是 該圓上的一點(diǎn)，處理完所有的邊緣點(diǎn)后，統(tǒng)計符合該模型的點(diǎn)數(shù)量，如果數(shù)量足夠多，足夠 多是指設(shè)定其為總數(shù)量的80%以上，則認(rèn)為該模型合理，并計算出總誤差；重復(fù)執(zhí)行以上過 程多次，多次設(shè)定為1000次，以總誤差最小的模型中含有的點(diǎn)集為最大一致集，再用最小 二乘法對這些點(diǎn)進(jìn)行圓形輪廓的曲線擬合。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型曲面板測量中圓形標(biāo)記物的精確定位方法，其特征在 于，所述第一工業(yè)相機(jī)和第二工業(yè)相機(jī)的分辨率1440X1080以上、幀率IOfps以上，經(jīng)由 1394線和1394卡連接到服務(wù)器。
【文檔編號】G01B11/00GK104390591SQ201410693760
【公開日】2015年3月4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】謝妤, 耿德品, 隋毅, 薛士枚 申請人:上海江南長興造船有限責(zé)任公司