基于兩組相機(jī)的大型零件全局形貌測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于視覺測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種基于兩組相機(jī)的大型零件全局形貌測(cè)量方 法，該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大視場(chǎng)范圍內(nèi)復(fù)雜工況下零件形貌的全局測(cè)量，進(jìn)而完成零件建模 并且獲得對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，大型飛機(jī)的生產(chǎn)制造水平是一個(gè)國家綜合國力以及工業(yè)化水平的重要體 現(xiàn)，大型飛機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，其生產(chǎn)制造以及裝配過程中對(duì)大型零部件的精確測(cè)量是 保證飛機(jī)安全生產(chǎn)的重要保證。由于航空零部件大型化、復(fù)雜化、精密化的特點(diǎn)，在測(cè)量現(xiàn) 場(chǎng)往往需要建立全局的坐標(biāo)控制場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)大型零部件的測(cè)量，傳統(tǒng)測(cè)量方法難以滿足測(cè)量 要求?，F(xiàn)階段針對(duì)航空領(lǐng)域大型零部件形貌測(cè)量國內(nèi)外主要有以下幾種方法：機(jī)器視覺法、 激光跟蹤儀測(cè)量法、室內(nèi)GPS測(cè)量法、激光雷達(dá)測(cè)量法以及三坐標(biāo)測(cè)量法等。傳統(tǒng)的機(jī)器 視覺法一般是通過相機(jī)獲取被測(cè)物的二維信息，通過對(duì)圖像特征進(jìn)行提取匹配完成測(cè)量任 務(wù)；激光跟蹤儀測(cè)量法是利用高精度激光測(cè)距以及角度追蹤完成對(duì)被測(cè)物幾何信息的精確 測(cè)量；
[0003] 針對(duì)大型零件的測(cè)量已申請(qǐng)的相關(guān)的發(fā)明專利有：發(fā)明人劉巍等，《一種大型復(fù)合 板材幾何參數(shù)視覺測(cè)量方法》，專利號(hào)：201410708310. 9,提出了利用傳統(tǒng)視覺測(cè)量設(shè)備結(jié) 合激光跟蹤儀進(jìn)行大型板材類零件測(cè)量的方法，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合了多種測(cè)量設(shè)備，精度較高，但 是每次相機(jī)移動(dòng)后都需要重新標(biāo)定，操作相對(duì)復(fù)雜。發(fā)明人劉巍等，《采用坐標(biāo)跟蹤控制板 的大視場(chǎng)全局測(cè)量方法》，專利號(hào) ：201510338809.X，提出了一種全局視覺測(cè)量方法，優(yōu)點(diǎn)是 解決了大視場(chǎng)測(cè)量重復(fù)標(biāo)定的問題，但是需依靠?jī)r(jià)格高昂的激光跟蹤儀，測(cè)量成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是針對(duì)航空領(lǐng)域大型飛機(jī)零部件生產(chǎn)裝配檢測(cè)中測(cè)量效率低，測(cè)量流 程復(fù)雜以及測(cè)量成本高的問題。發(fā)明了一種基于兩組相機(jī)的大型零件全局形貌測(cè)量方法， 將兩組共四臺(tái)相機(jī)安裝在固定支架上，利用視覺標(biāo)定方法結(jié)合測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的坐標(biāo)控制點(diǎn)快速 實(shí)現(xiàn)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)全局坐標(biāo)系的建立和控制，最終配合機(jī)器視覺產(chǎn)品結(jié)合零件表面的特征點(diǎn)獲 得零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立零件整體形貌，進(jìn)而完成對(duì)零部件的精確測(cè)量。本發(fā)明專利，提出了 全局控制點(diǎn)的測(cè)量方案，既克服了大視場(chǎng)測(cè)量重復(fù)標(biāo)定的問題，而且只依靠傳統(tǒng)的視覺采 集設(shè)備就可以完成，測(cè)量成本較低，具有很廣闊的應(yīng)用前景。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于兩組相機(jī)的大型零件全局形貌測(cè)量方法，其特 征是，測(cè)量方法采用前面兩臺(tái)測(cè)量相機(jī)和后面兩臺(tái)定位相機(jī)分別采集被測(cè)零件形貌信息及 全局控制坐標(biāo)，基于兩組雙目相機(jī)的相對(duì)位置不變性及全局坐標(biāo)的不變性，結(jié)合U形測(cè)量 板以及地面控制點(diǎn)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)測(cè)量相機(jī)和定位相機(jī)的位置標(biāo)定以及測(cè)量相機(jī)全局 外參數(shù)的標(biāo)定，通過對(duì)每組圖像中被測(cè)物表面特征點(diǎn)的提取，獲得零件表面特征點(diǎn)及全局 控制點(diǎn)的二維維信息；根據(jù)全局外參數(shù)，重建被測(cè)物輪廓信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；在全局控制坐 標(biāo)范圍內(nèi)移動(dòng)相機(jī)，基于全局控制坐標(biāo)的不變性，將多次采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系下， 從而獲取完整的被測(cè)物點(diǎn)云信息；最后，利用CATIA軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于圖像擬合去除 誤差點(diǎn)獲得大型零件全局形貌模型，從而實(shí)現(xiàn)大型零件全局形貌測(cè)量；方法的具體實(shí)現(xiàn)步 驟如下：
[0006] 第一步全局控制點(diǎn)的設(shè)計(jì)
[0007] 在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)地面布置地面控制點(diǎn)陣4,控制點(diǎn)A、B、C保持正交約束，其他控制點(diǎn)間 隔IOOmm進(jìn)行布置，且與B、C控制點(diǎn)保持共線，具體數(shù)量根據(jù)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)視場(chǎng)以及測(cè)量零件的 尺寸決定，公式如下。
[0008]
⑴
[0009] 其中，N表示現(xiàn)場(chǎng)需要布置的地面控制點(diǎn)數(shù)量，1表示被測(cè)零件的最大測(cè)量長(zhǎng)度， ceil函數(shù)表示取比括號(hào)內(nèi)計(jì)算值大的最小整數(shù)。
[0010] 以其中A、B、C控制點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)建立全局控制坐標(biāo)系記為0bXYZ。
[0011] 第二步前后兩組雙目相機(jī)的標(biāo)定
[0012] (1)前后兩組雙目相機(jī)的內(nèi)參數(shù)標(biāo)定
[0013] 利用張氏標(biāo)定法結(jié)合標(biāo)定公式（2)分別對(duì)前面左、右測(cè)量相機(jī)5,6以及后面右、左 定位相機(jī)7,8進(jìn)行標(biāo)定：
[0014]
[0015] 其中[u V 1]τ是拍攝棋盤格標(biāo)定板角點(diǎn)圖像的二維像素坐標(biāo)組成的齊次矩陣， [Xw Yw Zw 1]τ是棋盤格標(biāo)定板上角點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)組成的齊次矩陣，完成相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo) 定。同時(shí)可以得到兩臺(tái)相機(jī)之間的F矩陣，用于后期的特征匹配。
[0016] (2)前后兩組雙目相機(jī)相對(duì)位置的標(biāo)定
[0017] 結(jié)合U形測(cè)量板11，利用張氏標(biāo)定結(jié)果，前面左、右測(cè)量相機(jī)5,6重建U形測(cè)量板 前測(cè)量版10的位置信息，即為空間坐標(biāo)集Ω1= [X1 Y1 Z1 1]τ。同理，也能得到U形測(cè)量板 后測(cè)量版13相對(duì)于后面右、左定位相機(jī)7,8的空間坐標(biāo)集Ω2= [X2 Y2 Z2 1]τ。由于U形 測(cè)量板的前后測(cè)量板之間的相對(duì)位置關(guān)系是固定且已知的，記為Xu= [Ru TJ，那么結(jié)合歐 拉坐標(biāo)系變換公式
[0018]
(.3)'
[0019] 其中，H是坐標(biāo)向量的夾角，得到前面左、右測(cè)量相機(jī)5,6分別相對(duì)于后面右、左定 位相機(jī)7,8的位置關(guān)系X 1= [Ri T1]和X2= [R2 T2]。并將坐標(biāo)系統(tǒng)一到后面左定位相機(jī) 8,記為 OtXYZ。
[0020] (3)全局外參數(shù)的標(biāo)定
[0021] 利用后面右、左定位相機(jī)7,8結(jié)合布置好的地面標(biāo)志點(diǎn)陣4,我們將全局的世界坐 標(biāo)系O wXYZ定義在由標(biāo)志點(diǎn)A、B、C所確定的全局控制坐標(biāo)系ObXYZ上，后面右、左定位相機(jī) 7,8的外參數(shù)矩陣獲得全局世界坐標(biāo)系O wXYZ相對(duì)于后面右、左定位相機(jī)7,8的位置變換關(guān) 系，記為X3= [R3 T3]，再結(jié)合上一步獲得的前面左、右測(cè)量相機(jī)5,6和后面右、左定位相機(jī) 7,8的相對(duì)位置關(guān)系X 1= [Ri T1]和X2= [R2 T2]，那么將矩陣相乘即
[0022]
[0023]
[0024] 獲得測(cè)量相機(jī)相對(duì)于全局世界坐標(biāo)系的位置變換關(guān)系，即矩陣\和X 5，這樣就確 定了全場(chǎng)的測(cè)量外參數(shù)。
[0025] 第三步被測(cè)物表面輪廓信息的提取與重建
[0026] 完成全局坐標(biāo)建立后，分別用前面左、右測(cè)量相機(jī)5,6以及后面右、左定位相機(jī)7， 8對(duì)被測(cè)物1以及地面標(biāo)記點(diǎn)陣4進(jìn)行測(cè)量，后面右、左定位相機(jī)7,8結(jié)合地面標(biāo)志點(diǎn)陣4 將前面左、右測(cè)量相機(jī)5,6的世界坐標(biāo)系統(tǒng)一到已確定的坐標(biāo)系下，針對(duì)測(cè)量相機(jī)采集的 被測(cè)物圖像，利用橢圓形圖像中心灰度重心提取方法，公式如下
[0027] 轉(zhuǎn)
[0028] ρ?
[0029] 其中：f (u, V)為特征點(diǎn)像素坐標(biāo)（u, V)位置像素點(diǎn)的灰度值，Ω為邊緣提取區(qū)域 內(nèi)像素目標(biāo)的集合，
為內(nèi)切圓圓心的圖像坐標(biāo)。從而獲取被測(cè)物表面的特 征點(diǎn)二維信息，再結(jié)合標(biāo)定結(jié)果以及基于灰度差平方方式的左右對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配公式
[0030]
[0031] 其中S為兩個(gè)鄰域窗的相似度，I(x，y)為目標(biāo)函數(shù)在（x，y)處的灰度值，T(x，y) 為源圖像在（x，y)處的灰度值。
[0032] 由此將二維信息還原成為三維點(diǎn)信息。之后移動(dòng)相機(jī)根據(jù)全局標(biāo)定結(jié)果，將測(cè)量 結(jié)果統(tǒng)一到坐標(biāo)系O bXYZ下，最終獲取整個(gè)被測(cè)物的全局三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0033] 第四步還原零件形貌完成視覺測(cè)量
[0034] 利用CATIA軟件處理三維點(diǎn)云信息，在Digitized Shape Editor模塊下，導(dǎo)入點(diǎn) 云數(shù)據(jù)，定義點(diǎn)云輸入百分比以及點(diǎn)云方向，根據(jù)匹配公式（8)設(shè)置點(diǎn)偏移閾值為95%，剔 除誤匹配點(diǎn)以及誤差點(diǎn)，利用曲面重構(gòu)模塊，對(duì)群數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾并選擇合適的點(diǎn)建立固定 坐標(biāo)系，根據(jù)拍攝視場(chǎng)將獲得的所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)分區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)，通過曲面光整，縫補(bǔ)， 將區(qū)域信息整合拼接，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的逆向建模，得到被測(cè)物1的整體形貌，進(jìn)而可利用 CATIA的測(cè)量分析工具，針對(duì)整個(gè)大型零件的形貌輪廓模型獲取需要的測(cè)量信息。
[0035] 本發(fā)明的效果和益處是：發(fā)明了一種基于兩組相機(jī)的大型零件全局形貌測(cè)量方 法，將兩組共四臺(tái)相機(jī)安裝在固定支架上，利用視覺標(biāo)定方法結(jié)合測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的坐標(biāo)控制點(diǎn) 快速實(shí)現(xiàn)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)全局坐標(biāo)系的建立和控制，最終配合機(jī)器視覺產(chǎn)品結(jié)合零件表面的特 征點(diǎn)獲得零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立零件整體形貌，進(jìn)而完成對(duì)零部件的精確測(cè)量。測(cè)量方法具有 測(cè)量視場(chǎng)范圍大、效率高，且測(cè)量設(shè)備成本低，能快速完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大型零件的全局形貌測(cè) 量工作。
【附圖說明】
[0036] 圖1是大型零件形貌測(cè)量示意圖，圖2是測(cè)量相機(jī)和定位相機(jī)標(biāo)定示意圖。其中， 1-被測(cè)零件，2-測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)，3-計(jì)算機(jī)，4-地面控制點(diǎn)陣，A、B、C、……N-控制點(diǎn)，5-左測(cè) 量相機(jī)，6-右測(cè)量相機(jī)，7-右定位相機(jī)，8-左定位相機(jī)，9-三腳支架，IO-U形測(cè)量板前測(cè)量 版，Il-U形測(cè)量板，12-三腳架，13-U形測(cè)量板后測(cè)量版。
[0037] 圖3是測(cè)量過程流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0038] 以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。本實(shí)施例采用前后兩 組雙目相機(jī)5、6、7、8結(jié)合地面控制點(diǎn)陣4以及被測(cè)物1表面標(biāo)志點(diǎn)2進(jìn)行全局測(cè)量，其中 利用U形測(cè)量板11完成兩組相機(jī)之間的位置標(biāo)定，輔以CATIA三維處理軟件實(shí)施零件建模 以及全局測(cè)量。前面測(cè)量相機(jī)5、6以及后面定位相機(jī)7、8均為Vie WW〇rks2900萬像素全畫 幅工業(yè)相機(jī)，拍攝幀頻為20Hz。
[0039] 1.安裝相機(jī)以及布置測(cè)量地面控制點(diǎn)
[0040] 如圖1所示，將四臺(tái)相機(jī)安裝在三角支架9上，其中，前面兩臺(tái)為測(cè)量相機(jī)5、6,后 面兩臺(tái)為定位相機(jī)7、8,四臺(tái)相機(jī)都與計(jì)算機(jī)3相連，調(diào)整好拍攝的角度，將4臺(tái)相機(jī)固定。 然后，在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)地面布置地面控制點(diǎn)陣4,控制點(diǎn)數(shù)量根據(jù)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)視場(chǎng)以及測(cè)量零件 的尺寸決定，計(jì)算公式參照公式（1)，共設(shè)12個(gè)控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)1、2、3保持正交約束，其他 控制點(diǎn)間隔IOOmm進(jìn)行布置，且與2、3控制點(diǎn)共線。以其中1、2、3控制點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)建立全 局控制坐標(biāo)系記為〇 bXYZ?？刂泣c(diǎn)陣4以及4臺(tái)相機(jī)和計(jì)算機(jī)3組成零件測(cè)量系統(tǒng)。
[0041] 2.標(biāo)定前后兩組雙目相機(jī)的內(nèi)參數(shù)
[0042] 前后四臺(tái)相機(jī)固定后，利用張氏標(biāo)定法通過棋盤格標(biāo)定板結(jié)合標(biāo)定公式（2)對(duì)前 面左、右測(cè)量相機(jī)5、6以及后面