专利名称：一种基于轴向立体视觉的逆向测量方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于轴向立体视觉的逆向测量方法与装置。
背景技术：
逆向工程作为一种快速的产品创新开发手段，在现代制造业中有着广泛的 应用，逆向工程建模的首要任务是准确、快速、合理地获取描述产品外形的点
云数据。
目前，运用最为普遍的逆向测量方法有接触式测量法、激光扫描法和立 体视觉测量法。接触式测量与激光扫描测量技术已经比较成熟，是目前占市场 份额最大的两种逆向测量手段。但接触式测量与激光扫描测量一般以三坐标测 量机或柔性臂等为硬件支持，设备成本很高。立体视觉测量法使用两架照相机， 在不同角度对被测量物体进行拍照，利用视差原理，恢复出测量点的深度信息。 它可以在瞬间获取被测物体表面大量的几何信息，测量效率很高，而且硬件结 构简单，设备成本较低，随着CCD技术的发展，视觉测量的精度在不断地提高， 所以立体视觉测量法是一种很有前景的逆向测量方法。
目前被广泛使用的是横向立体视觉法，即测量过程中两架照相机按横向分 布。使用横向立体视觉法进行逆向测量，需要分别获取物体在各个侧面上的几 何数据，然后通过复杂的数据拼接过程建立完整的几何模型。此外使用横向立 体视觉法，由于两像平面间没有特殊的几何关系，所以同源特征匹配算法比较 复杂。本发明将使用轴向立体视觉原理，利用两像平面间特殊的几何关系，简 化图像处理算法，为逆向工程提供一种低成本、高效率的数据采集方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于轴向立体视觉的逆向测量方法与装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一、基于轴向立体视觉的逆向测量方法
测量过程中，被测物体放置在升降机构上，并随升降机构上下移动，由圆 形平面结构光发生器将圆形平面结构光投向被测物体，经物体表面形状调制后 在周向形成一截面光条。由两架按轴向分布的照相机，同时摄取该截面光条在 圆台内面镜中所成的虚像，然后依据同轴照相机外极线约束关系，进行图像匹 配，依据轴向立体视觉原理计算出光条虚像上各采样点的空间坐标，根据物、
像对称原理，计算出物体上各个截面的形状。接着通过控制物体随升降机构向 上或向下移动，获取物体上沿轴向分布的一系列采样截面的形状数据。最后通 过截面数据的轴向拼接，反求出整个物体的几何模型。
所述的同轴照相机外极线约束关系是利用同轴照相机两像面平上的外极 线相互平行，极点与像平面中心重合的特点，进行同源像点匹配。
二、 一种基于轴向立体视觉的逆向测量装置、
远轴照相机和近轴照相机置于圆台内面镜的上方，且两架照相机的轴线相 互垂直，在两轴线的交点处安置一圆形分光镜，远轴照相机离开圆形分光镜的 距离比近轴照相机远，两架照相机能在各自的轴线上移动。圆台内面镜大底面 朝上，由支架支撑，其大底面顶部安装有圆形平面结构光发生器，圆台内面镜 底部有一升降机构，被测物体放置在升降机构上并位于圆台内面镜中，支架和 升降机构布置在底座上。两架照相机和升降机构均分别与计算机连接。
本发明具有的有益效果是
1) 由于圆形分光镜的存在，使两照相机在原理上按轴向分布，从而使两像 平面上的极线相互平行，且极点与像平面中心重合，简化同源像点的匹配过程。
2) 测量过程中依次获得物体轴向各个位置上的截面轮廓，重建几何模型时, 只需要进行轴向数据拼接，而不需要周向数据拼接。
3) 整个逆向测量系统结构简单，设备成本低。
图1是基于轴向立体视觉的逆向测量系统结构示意图2是结构光发生器结构示意图3是轴向立体视觉测量模型示意图4是轴向立体视觉外极线分布规律示意图5是轴向立体视觉同源像点匹配规律示意图6是基于轴向立体视觉的逆向测量方法流程图。
图中1、远轴照相机，2、近轴照相机，3、圆形分光镜，4、被测物体，5、 圆形平面结构光发生器，6、圆形平面结构光，7、圆台内面镜，8、支架，9、 升降机构，10、底座，11、虚拟远轴照相机，12、电缆，13、计算机，14、发 光二极管(LED)， 15、圆形狭缝。
具体实施例方式
如图l、图2所示，远轴照相机1和近轴照相机2置于圆台内面镜7的上方，且 两架照相机的轴线相互垂直，在两轴线的交点处安置一圆形分光镜3，远轴照相
机1离开圆形分光镜3的距离比近轴照相机2远，两架照相机能在各自的轴线上移
动；圆台内面镜7大底面朝上，由支架8支撑，其大底面顶部安装有圆形平面结 构光发生器5，圆台内面镜7底部有一升降机构9，被测物体4放置在升降机构9上 并位于圆台内面镜7中，支架8和升降机构9布置在底座10上；两架照相机和升降 机构9均分别用电缆12与计算机13连接，计算机13内配置有图像采集卡、控制升 降机构9所需的运动控制卡、测量软件。
所述的圆形平面结构光发生器5为圆环形，其内部按周向均布有多个发光 二极管14，在其内侧的中轴面上开有一圆形狭缝15，由发光二极管14产生的 光线透过狭缝向中心投射,形成圆形平面结构光6。
所述的圆台内面镜7的底角为45。。所述的圆形分光镜3与两架照相机1、 2 轴线之间的夹角均为45。。所述的近轴照相机2的轴线、圆台内面镜7的轴线位 于同一直线上，远轴照相机1的轴线与该直线垂直相交。
所述的升降机构9为丝杠传动装置，安装有记录升降机构9在轴向位置的 闭环位置反馈装置。所述的闭环位置反馈装置为光栅尺。
整个测量系统结构如图l所示，近轴照相机2和远轴照相机1放置在圆台内面 镜7的上方，两照相机l、 2的轴线相互垂直。为了获得轴向立体视差，原本远轴 照相机2的位置应在虚拟远轴照相机11上，但若同轴放置，近轴照相机2将阻挡 远轴照相机l的视线，所以在两相机l、 2轴线的交点处安置了一个圆形分光镜3， 它与两轴线都成45。角。圆形分光镜3将轴向光线平均地分配给了近轴照相机2和 远轴照相机l，这样它们可以同时获得轴向图像，而不产生相互阻挡。两照相机 1、 2可以在各自的轴线上移动，以调节视野，但为了保证立体视差，远轴照相 机1离开圆形分光镜3的距离要比近轴照相机2远。圆台内面镜7下底面朝上，由 支架8支撑，它的中轴线与近轴照相机2、远轴照相机l的中轴线位于同一直线上。 圆台内面镜7的下底面顶部安装有圆形平面结构光发生器5，内部有一升降机构 9，被测物体4放置在升降机构9上，支架8和升降机构9布置在底座10上。
结构光发生器5的结构如图2所示，显圆环形结构，在内部按周向布置了多 个发光二极管14。圆环内侧的中轴面上开有一圆形狭缝15，当LED14发光时， 与狭缝15平行的光就从狭缝15中射出，形成一个圆形的平面结构光6。该平面结 构光6将与被测物体4在周向相交，在某一截面上形成一个光条，该光条将在圆 台内面镜7上成像。如图3所示，设P为光条上一点，则其在圆台内面镜7上的虚 像为P'。然后近轴照相机2和远轴照相机1将同时捕捉光条在圆台内面镜7上的虚 像，并通过电缆12将图像信息传递给计算机13，这样就获得了被测物体4在该高
度上的截面轮廓图像。每当被测物体4随升降机9移动一个步长，近轴照相机2和 远轴照相机l就采集一次图像，依次获得被测物体4在轴向上各个采样截面的轮
廓图像。
升降机构9可以使用丝杠传动装置，或其它能够实现升降的装置，升降机构 9内部安装有闭环位置反馈装置(如光栅尺)，以精确记录各个采样截面的轴向 位置，位置信号通过电缆12传递给计算机13。
图3给出了轴向立体视觉测量模型的基本原理。图中化。O"分别为近远轴 照相机1、2的光学中心，Ow、 0^则分别对应它们的像平面中心，其中0￡1与&的 距离为"，Od、 O"与各自像平面的距离分别为A、 A。图中假设该照相装置 为理想系统，所以0￡1、 0M、 6 ￡2、 位于同一直线上。图中P'为圆台内面镜上
一虚像点，它在近轴照相机2与远轴照相机1上的像点分别为4、 &，设它们在 各自像平面上的坐标分别为(XM,h)、 (xw，>v)。以&为原点建立测量坐标系 。A义z、.，设^点在测量系下的坐标为(x ,，z,)，则由AOelOM M 。 W得
<formula>formula see original document page 7</formula>(1)由AC^Ow尸w。A^,《尸'得<formula>formula see original document page 7</formula>(2)
(1) (2)联立得:
<formula>formula see original document page 7</formula>(3)
Av力
这样就得到了虚像点W在测量坐标系o^j^,下的坐标值，然后根据物像对 称原理就可以获得物点户在测量坐标系下的坐标值。
如图3所示，设圆台内面镜的下底面直径为2"上底面直径为2。，且上底面 与。、.的距离为丄，则圆台镜在测量坐标系下的方程可以表示为
<formula>formula see original document page 7</formula>
设虚像点尸'所对应的物点为p，则根据尸'、P关于^:对称的关系，
坐标可以表示为
点p的<formula>formula see original document page 8</formula>将(3)代入(4)就可以得到物点尸在测:
t坐标系下的坐标值:<formula>formula see original document page 8</formula>
(5)
其中<formula>formula see original document page 8</formula>
根据上面的计算过程可以得出，P点的坐标是通过其像点PM与&的匹配计 算得到的，所以同源像点的匹配是图像处理的关键。由于本发明中两照相机按
轴向布置，从而使同源像点的匹配变得非常简便。如图4所示，两摄像机的光学 中心(9d、 Od与任意点P'构成的平面(V^P'称为外极平面，其与像面M、 JV分 别相交，截得直线/ 、 / ，称为前、后外极线。因为像面MW，所以/J/Z"。又 因为M、 W同轴，所以所有的前外极线过点0^所有的后外极线过点 ，即点 0M、 ^分别为各自像面的外极中心。根据外极线约束关系，设户'点在M上的像 点4在L上，则在iV上的像点^必在^上。所以根据同轴照相机前、后外极线 特殊的分布规律，在M上任意设定一参考像点后，可以方便地在iV上找到其同 源像点。
如图5所示，设4、 ^分别为两照相机1、2在圆台内面镜7上捕捉到的影像， 该影像代表的是物体上某一截面光条在圆台内面镜7上所成的像。在M上，设和 ^轴成"角的射线与&的交点^为参考像点，则在iV上，^的同源像点同样在 与^轴成"角的射线与^的交点上，即点P^。这样在M上，根据精度要求给定 一个角度步长Aa，依次对i^上的点进行采样，同时按照上述方法，在W上找到
它们的同源像点，然后根据(5)式求得物体的截面数据，最后对物体的各个截 面数据进行轴向拼接，就可以获得被测物体的整个几何模型。
整个逆向测量过程如图6所示。首先将被测物体4放置在升降机构9上，放置 时尽量使物体4的轴线与圆台内面镜7的轴线重合。然后调节两照相机l、 2在各 自轴线上的位置，使两照相机l、 2获得较理想的视野。接着对近轴照相机2、远 轴照相机l、圆台内面镜7三者的同轴度、平行度进行校准。系统校准结束后， 依次对测量所需的设备参数进行测定，并输入到测量软件中，这些参数包括 圆台内面镜7的上底直径2"下底直径2"，圆台内面镜7的底角值(45°);两照 相机l、 2光学中心的轴向距离D，圆台内面镜7与近轴照相机2之间的距离Z;升 降初始位置的高度值/^及测量过程中的移动步长AA。参数设定结束后拍照测量 开始，先由两照相机l、 2同时捕捉，物体在/z处的截面光条在圆台内面镜上所成 的虚像，接着升降机9在轴向移动A/;，然后两照相机l、 2再捕捉物体在A + AA处 的截面光条在圆台内面镜7上所成的虚像，依次类推，直到测量结束。在照相测 量的同时，测量系统将获得的图像及图像所对应的位置H = A + AA传递给计算机 13，测量软件首先对光条像进行边界提取，然后根据精度要求确定离散射线倾 角步长值Aa，并按图5所示的方法进行同源像点的匹配，完成后根据坐标计算 公式(5)，计算机出各个截面的空间形状。最后根据各个截面的空间形状及各 自所对应的轴向位置//,进行轴向的数据拼接，获得整个物体的三维几何模型。
本发明适合轴向回转物体的逆向测量，测量装置成本较低，图像处理算法 简单，有很大的工程实用价值。
权利要求
1.一种基于轴向立体视觉的逆向测量方法，其特征在于测量过程中，被测物体放置在升降机构上，并随升降机构上下移动，由圆形平面结构光发生器将圆形平面结构光投向被测物体，经物体表面形状调制后在周向形成一截面光条；由两架按轴向分布的照相机，同时摄取该截面光条在圆台内面镜中所成的虚像，然后依据同轴照相机外极线约束关系，进行图像匹配，依据轴向立体视觉原理计算出光条虚像上各采样点的空间坐标，根据物、像对称原理，计算出物体上各个截面的形状；接着通过控制物体随升降机构向上或向下移动，获取物体上沿轴向分布的一系列采样截面的形状数据；最后通过截面数据的轴向拼接，反求出整个物体的几何模型。
2. 根据权利要求1所述的一种基于轴向立体视觉的逆向测量方法，其特征在 于利用同轴照相机两像面平上的外极线相互平行，极点与像平面中心重合的 特点，进行同源像点匹配。
3. —种基于轴向立体视觉的逆向测量装置，其特征在于远轴照相机(l)和近 轴照相机(2)置于圆台内面镜(7)的上方，且两架照相机的轴线相互垂直，在两轴 线的交点处安置一圆形分光镜(3)，远轴照相机(1)离开圆形分光镜(3)的距离比近 轴照相机(2)远，两架照相机能在各自的轴线上移动；圆台内面镜(7)大底面朝上， 由支架(8)支撑，其大底面顶部安装有圆形平面结构光发生器(5)，圆台内面镜(7) 底部有一升降机构(9),被测物体(4)放置在升降机构(9)上并位于圆台内面镜(7) 中，支架(8)和升降机构(9)布置在底座(10)上；两架照相机和升降机构(9)均分别 与计算机(13)连接。
4. 根据权利要求1所述的一种基于轴向立体视觉的逆向测量装置，其特征在 于所述的圆形平面结构光发生器(5)为圆环形，其内部按周向均布有多个发光 二极管(14)，在其内侧的中轴面上开有一圆形狭缝(15)，由发光二极管(14)产生 的光线透过狭缝向中心投射，形成圆形平面结构光(6)。
5. 根据权利要求1所述的一种基于轴向立体视觉的逆向测量装置，其特征在 于所述的圆台内面镜(7)的底角为45。。
6. 根据权利要求1所述的一种基于轴向立体视觉的逆向测量装置，其特征在 于圆形分光镜(3)与两架照相机(1)、 (2)轴线之间的夹角均为45。。
7. 根据权利要求1所述的一种基于轴向立体视觉的逆向测量装置，其特征在 于近轴照相机(2)的轴线、圆台内面镜(7)的轴线位于同一直线上，远轴照相机(l)的轴线与该直线垂直相交。
8. 根据权利要求1所述的一种基于轴向立体视觉的逆向测量装置，其特征在 于所述的升降机构(9)为丝杠传动装置，安装有记录升降机构(9)在轴向位置的闭环位置反馈装置。
9. 根据权利要求8所述的一种基于轴向立体视觉的逆向测量装置，其特征在于所述的闭环位置反馈装置为光栅尺。
全文摘要
本发明公开了一种基于轴向立体视觉的逆向测量方法与装置。它主要由两架按轴向分布的照相机、圆台内面镜、结构光发生器及其它附件构成。测量过程中，被测物体放置在升降机构上下移动，由结构光发生器将圆形平面结构光投向被测物体，经物体表面形状调制后在周向形成一截面光条。由两个轴向照相机同时捕捉该截面光条在圆台内面镜中所成的虚像，然后依据同轴照相机特殊的外极线约束关系，进行快速的同源像点匹配，依据轴向立体视觉原理，计算出光条虚像上各采样点的空间坐标。最后根据物、像对称原理，计算出物体上各个截面的形状，通过截面数据的轴向拼接，反求出整个物体的几何模型。该方法结构简单、设备成本低，且具有较快的测量速度。
文档编号G01B11/245GK101109617SQ200710069978
公开日2008年1月23日 申请日期2007年7月10日 优先权日2007年7月10日
发明者卢科青, 文 王, 陈子辰 申请人:浙江大学