基于截面灰度能量分布的圓柱表面光條建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機(jī)視覺測量領(lǐng)域，特別涉及雙目立體視覺大視場測量中，符合待 測圓柱類工件表面特征的光條模型建立方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙目立體視覺的測量原理是根據(jù)雙目攝像機(jī)同時拍攝的兩張圖片的二維圖像信 息得到物體的幾何三維信息。為得到待測物體的特征尺寸，需要將光條投射至待測物體表 面，利用攝像機(jī)拍攝其二維圖片，并將兩張二維圖片中的特征光條進(jìn)行匹配從而還原待測 物體表面的三維特征信息。由于圖片中光條的特征信息間接表征了待測物體的特征尺寸， 因而在對光條進(jìn)行準(zhǔn)確提取的基礎(chǔ)上，建立符合待測物體表面特征的光條模型具有至關(guān)重 要的意義。
[0003] 目前圖像測量領(lǐng)域的曲線擬合模型主要集中于解決光條截面的灰度分布問題，常 用的光條截面灰度分布模型主要為高斯曲線和二次曲線，利用該類模型可達(dá)到精確提取光 條中心點(diǎn)的作用。然而，盡管用于擬合工件表面整體光條的模型可廣泛應(yīng)用于評價光條中 心提取精度，去除噪聲對光條中心提取的影響，從而完成后期高精度匹配等。但是，在利用 高斯曲線或是二次曲線對光條中心進(jìn)行提取，都需要建立符合待測物體表面特征的光條模 型，這一光條模型對評價光條中心提取精度，噪聲抑制，完成高精度匹配從而還原待測物體 的特征尺寸意義重大。
[0004] 針對圖像測量中常見的圓柱類工件，其表面的投射光條符合復(fù)雜非線性模型，在 模型的建立工程中需要引入諸多參數(shù)。若模型設(shè)計不當(dāng)，則容易偏離圖像原始光條，降低模 型的擬合精度，導(dǎo)致擬合效果不穩(wěn)定，無法得到精確結(jié)果，影響圖像二維信息的獲取，進(jìn)而 影響三維特征尺寸的還原。因而，利用合適的物理關(guān)系，并選取準(zhǔn)確的參數(shù)對建立高擬合精 度的光條模型具有關(guān)鍵作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明一種基于截面灰度能量分布的圓柱表面光條 建模方法，針對雙目立體視覺測量系統(tǒng)，利用圖像上光條截面灰度能量與光強(qiáng)的關(guān)系以及 激光器與工件表面的空間幾何特征，解決基于灰度能量分布的圓柱類工件表面特征光條建 模問題，建立高擬合精度的光條模型，使其可廣泛應(yīng)用于評價光條中心提取精度，去除噪聲 對光條中心提取的影響，從而完成后期高精度匹配等。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是基于截面灰度能量分布的圓柱表面光條建模方法，其特 征是，方法通過CCD相機(jī)的光電轉(zhuǎn)換特性得到圖像能量與圓柱類工件反射光光強(qiáng)的關(guān)系， 利用待測件的表面幾何特征推導(dǎo)得到反射光光強(qiáng)與激光入射角以及相機(jī)拍攝角度的關(guān)系。 根據(jù)空間幾何特性，建立空間距離入射角與截面位置之間的關(guān)系；通過攝像機(jī)的成像原理， 將空間距離與圖像上的像素距離進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)而得到能反應(yīng)圓柱表面光條截面能量及幾何 特征的數(shù)學(xué)模型；方法的具體步驟如下；
[0007] 步驟I :建立圖像中光條截面灰度能量與反射光光強(qiáng)的關(guān)系模型
[0008] CCD相機(jī)的工作可以分為光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲、電荷轉(zhuǎn)移和電荷檢測四個基本動 作。在CCD相機(jī)的光電轉(zhuǎn)換過程中，光注入電荷遵循公式（1):
[0009] Qip= HqAAneoTc (1)
[0010] 其中，Qip為光注入電荷，η為材料量子效率，q為一個電子的電荷量，A為光敏單 元的受光面積，An ra為入射光的光子流速率，T。為光注入時間；
[0011] CCD相機(jī)的光電轉(zhuǎn)換中同樣滿足光強(qiáng)公式（2):
[0012]
(2)
[0013] 其中，I為光強(qiáng)，N為T。時間內(nèi)A面積上的光子總數(shù)，h為普朗克常量，V為入射 光頻率；
[0014] 根據(jù)式（1)和式（2)得出CCD相機(jī)的光注入電荷與光強(qiáng)關(guān)系式：
[0015]
(3)
[0016] 在CCD相機(jī)的電荷存儲和電荷轉(zhuǎn)移的過程中，設(shè)電荷存儲和電荷轉(zhuǎn)移的效率分別 為P :和P 2，則發(fā)生轉(zhuǎn)移的電荷Qit為：
[0017] Qit= p ! P2Qip (4)
[0018] 在其電荷檢測過程中，圖像能量E1^與電荷量Q IT成線性關(guān)系，即
[0019] Er= kQ IT (5)
[0020] 其中，k為比例系數(shù)；
[0021] 結(jié)合式（3)、（4)、（5)得出光條截面能量與待測工件表面反射光強(qiáng)關(guān)系：
[0022]
(6)
[0023] 步驟2 :建立工件表面反射光光強(qiáng)與激光入射角的關(guān)系模型
[0024] 待測工件表面的反射光光強(qiáng)與激光入射角以及相機(jī)拍攝的角度關(guān)系符合phong 光照模型：
[0025] I = KaIa+Ip (Kdcos Θ +KsCosn a ) (7)
[0026] 其中，13為環(huán)境光線的總亮度，K 3為物體表面對環(huán)境光線的反射系數(shù)，I ρ為激光光 源發(fā)出的入射光線強(qiáng)度，心為漫反射系數(shù)，Θ為激光入射角，Ks為鏡面反射系數(shù)，α為相機(jī) 相對于入射點(diǎn)的方向與激光理想反射光線方向的夾角，η為比例系數(shù)。
[0027] 結(jié)合測量大型圓柱類工件現(xiàn)場測量的空間位置，得出相機(jī)相對于入射點(diǎn)的方向與 激光理想反射光線方向的夾角α與激光入射角Θ的近似關(guān)系為：
[0028] α = 2 Θ (8)
[0029] 則將（8)代入（7)中可建立工件表面反射光光強(qiáng)與激光入射角的關(guān)系模型：
[0030] I = KaIa+Ip (Kdcos Θ +Kscosn2 θ ) (9)
[0031] 步驟3 :建立圓柱形待測目標(biāo)的入射角與截面位置之間的關(guān)系模型
[0032] 結(jié)合大型圓柱類工件測量現(xiàn)場的空間布局，建立待測工件與C⑶相機(jī)、激光器之 間的空間位置關(guān)系模型，并根據(jù)該空間位置模型進(jìn)行假設(shè)為激光器和相機(jī)所在位置，相 機(jī)拍攝角度與激光器入射角度相同，其角度差忽略不計，光心近似指向圓柱軸心，圓柱面上 A點(diǎn)為激光入射點(diǎn)，入射角為Θ，平面β為A點(diǎn)所在截面，為截面圓心，0。距離圓柱軸線 和平面β距離分別為a、b，圓柱半徑為c，(\、0。和M所形成平面為a，A點(diǎn)距離平面α距 離為η，以為原點(diǎn)建立空間坐標(biāo)系，y軸為圓柱軸線方向，X軸在α平面上，ζ軸在β平 面上，A點(diǎn)距離α平面距離AN為η ;
[0033] 在空間直角坐標(biāo)系(\xyz中，A點(diǎn)坐標(biāo)(士2-"2，0。坐標(biāo)（a, _b, 0)，0 ^坐標(biāo) (0, 0,0)。入射角Θ可由D)*及?兩向量表示：
[0034]
C 10)
[0035] 步驟4 :建立圖像上光條截面灰度能量分布模型
[0036] 假設(shè)相機(jī)拍攝為小孔成像模型，A點(diǎn)在圖像上像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（H)，（\ 點(diǎn)在圖像上虛擬像點(diǎn)像素坐標(biāo)為（u，v)，A點(diǎn)距離α平面距離η與圖像A點(diǎn)和(\點(diǎn)像素坐 標(biāo)呈線性關(guān)系，由此得到
[0037] n = Kc(Ul-U) (11)
[0038] 其中，Kc為小孔成像的比例系數(shù)。
[0039] 結(jié)合式（6)、（8)、（9)、（10)、（11)可得到最終光條截面能量與截面所在位置關(guān)聯(lián) 關(guān)系，有 「00401 \ / y
^ \ JU. /
[0041] 根據(jù)空間位置關(guān)系可對該模型進(jìn)行約化、簡化，可得到大視場測量中基于截面灰 度能量分布的圓柱表面光條模型：
[0042]
[0043] 至此，完成了大視場測量中基于截面灰度能量分布的圓柱表面光條模型的建立。
[0044] 本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過CCD的光電轉(zhuǎn)換特性及測量的空間幾何特征建 立基于截面灰度能量分布的圓柱表面光條模型，利用MATLAB擬合工具箱對圓柱類工件表 面的激光光條進(jìn)行擬合，擬合優(yōu)度良好，能起到評價圓柱類待測工件表面光條質(zhì)量、提高匹 配精度的作用，進(jìn)而滿足對圓柱類工件的大視場測量需求。
【附圖說明】
[0045] 附圖1為圓柱類工件表面光條模型拍攝空間位置關(guān)系示意圖。其中，1-待測圓 柱類工件；ο。-激光器和攝像機(jī)所在位置，A-激光入射點(diǎn)，Θ -激光入射角，β -A點(diǎn)所在截 面，0「截面圓心，a-Ο。距離圓柱軸線的距離，b-Ο。距離平面β的距離分別b，C-圓柱半徑， α -(\、0。和M所形成平面，n-A點(diǎn)距離平面α的距離，在X y z直角坐標(biāo)系中，（^為原點(diǎn)， y軸為圓柱軸線方向，X軸在α平面上，z軸在β平面上。
[0046] 附圖2為圓柱類工件表面光條模型擬合效果圖。其中，1-數(shù)據(jù)曲線，2-擬合曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 以下針對圓柱類工件大視場測量的技術(shù)方案并針對雙目立體視覺測量系統(tǒng)中單 個攝像機(jī)拍攝的光條圖片進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。由于特征信息是激光光 條在呈現(xiàn)一定形狀的工件表面反射后由 CCD相機(jī)拍攝的，因此CCD相機(jī)拍攝的激光光條的 截面灰度能量附帶工件表面形狀的信息，綜合考慮拍攝實(shí)際空間位置及工件表面激光反射 特性，分析圖像上激光光條灰度能量所附帶的工件形狀信息，可建立圖像上光條截面灰度 能量分布模型。
[0048] 實(shí)驗(yàn)拍攝待測圓柱類工件1是圓柱形鑄鐵件，使用2臺分辨率為4008*2688的攝 像機(jī)構(gòu)造雙目視覺測量系統(tǒng)，利用三腳架固定攝像機(jī)，激光器與攝像機(jī)在待測物的同一側(cè)， 攝像機(jī)焦距f = 50,曝光參數(shù)為30000 μ s，增益為0. 5。，針對所拍攝的圖像進(jìn)行光條的建模 及光條模型擬合精度的評價。具體步驟如下：
[0049] 步驟1 :建立圖像中光條截面灰度能量與反射光光強(qiáng)的關(guān)系模型
[0050] CCD相機(jī)的工作可以分為光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲、電荷轉(zhuǎn)移和電荷檢測四個基本動 作。在CCD相機(jī)的光電轉(zhuǎn)換過程中，光注入電荷遵循：
[0051] Qip= HqAAneoTc
[0052] 其中，Qip為光注入電荷，η為材料量子效率，q為一個電子的電荷量，A為光敏單 元的受光面積，An ra為入射光的光子流速率，T。為光注入時間。
[0053] (XD相機(jī)的光電轉(zhuǎn)換中同樣滿足光強(qiáng)公式：
[0054]
[0055] 其中，I為光強(qiáng)，N為T。時間內(nèi)A面積上的光子總數(shù)，h為普朗克常量，V為入射 光頻率。
[0056] 枏抿忒Π )和忒（2)可得出(XD相