专利名称：一种弯管参数的测量方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量技术领域，特别是指一种基于多目视觉的弯管参数的测量方法和系统。
背景技术：
在当今的管路弯曲加工工业中，人们越来越重视产品的成本效益，并且对加工产品的质量提出了越来越严格的要求，尤其是在航天、航空、船舶和汽车工业领域。这些领域中经常会有一些大尺寸、空间形态比较复杂的弯管，其加工质量的好坏势必会直接影响到弯管的装配，甚至影响最终产品的质量。在现有技术中，目前，国内外对于弯管的空间位姿测量主要包括以下两种测量方法第一种基于机械装置的接触式测量方法该传统弯管测量方法在国内外一般的弯管加工企业中比较常见，主要是根据弯管设计参数，制造机械对比装置，对加工成型后的弯管进行多点测量，获得其空间几何参数。然而，随着弯管加工工业的发展，该传统方法也暴露出了一些问题。一方面，其已经逐渐无法满足当今对弯管加工产品越来越严格的要求，测量精度不高，保证不了加工质量，与此同时，测量时需与弯管表面接触，使细长柔性管或软材料管的表面变形，导致测量失真；另一方面，机械对比装置只能采用专门一对一式的设计来制造，缺乏柔性，并且测量人员需要花费大量时间反复进行弯管的安装与拆卸，这些都必然会加大加工企业的生产成本，降低测量效率。第二种基于激光CCD技术的非接触式弯管测量方法在该设备的测量U形叉上安装有激光发射器，CCD光敏传感器接收激光。测量时移动测量U形叉，使被测弯管进入U形测量叉的敏感区遮断激光束，利用两激光束先后与弯管的外表面相切时测量叉的位姿来确定弯管的截面形心。沿弯管轴线方向进行多点测量， 即可获取弯管的空间几何形状。该测量方法比接触式弯管测量方法在测量速度和精度上都有大幅度的提高。操作者操纵测量叉从被测弯管的一段沿轴线移动到另一端，一次操作，即可完成整个弯管的测量。但是，在生产实际测量中发现，该测量方法还是存在某些不足。首先，由于是采用人工操作，势必会产生操作误差，影响测量精度。其次，对于大尺寸，空间形态比较复杂的弯管，该方法存在一定的局限性，测量效率还不是很理想。在现有技术中，通常使用双目视觉技术来重建空间一点的坐标，其基本流程包括标定、匹配及重建。双目视觉技术能够通过两个相机的内、外参数和两个相机成像平面上的对应点坐标来重建空间一点坐标，如图1所示，I1和I2分别是左右两个相机的成像平面，C1 和C2分别是左右两个相机的光心，在空间某一平面η (三角形C1M (2所在平面)上有一点 Μ，该M点在I1和I2上的投影点分别为P1和P2 (C1M, C2M与像平面I” I2的交点)，将两个成像平面I1和I2分别与平面π的交线ei和％称为极线，P1和P2必过极线。由几何关系可知，如果知道两个相机光心C1和C2之间的距离、光心C1和C2分别到成像平面I1和I2的距离(焦距)、两成像平面I1和I2的夹角等双目视觉系统的内、外参数以及成像平面I1上的点P1的坐标，即可确定％ (相应地，通过像平面I2上的点P2的坐标也可以确定ei)，则P1的对应点P2必在极线上(可以利用匹配算法在极线上搜索P2)，再通过P1和P2的坐标，即可唯一确定平面η上点M的空间坐标。但是，由于采用基于极线和中心线约束的匹配方法，针对复杂弯管的空间位姿的快速单次测量，仅仅采用双目测量是远远不够的。原因是在采集弯管图像过程中，往往会出现遮挡，而且在极线匹配过程中，中心线也会出现错误匹配，无法实现整个弯管的测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种弯管参数的测量方法和系统，测量速度快、 精度尚。为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种弯管参数的测量方法，包括获取多目相机的内、外参数；通过多目相机对弯管进行图像采集，获得所述弯管的平面灰度图像；根据所述多目相机的内、外参数对所述平面灰度图像进行矫正，得到矫正后的图像；获取所述矫正后的图像中的弯管区域；获取所述弯管区域的边缘线和中心线；根据所述边缘线，获得所述弯管的直径；将所述中心线离散成多个特征点，并获取所述多个特征点的空间坐标；对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到所述弯管的中心线；根据所述弯管的直径和所述弯管的中心线，确定所述弯管的空间参数。其中，对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到所述弯管的中心线的步骤包括将所述多目相机中每对相机坐标系下的特征点的空间坐标统一到同一世界坐标系下；在所述世界坐标系下，对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到每对相机对应的所述弯管的一部分中心线；对每对相机对应的所述弯管的一部分中心线进行拼接，得到所述弯管的完整中心线。其中，所述特征点包括弯管的弯曲处的凹凸点以及直线段上的点。其中，获得所述弯管的平面灰度图像后还包括在计算机的存储介质中存储所述弯管的平面灰度图像。其中，所述多目相机为两两成对的偶数目相机，相机数量为八到十六目之间。本发明的实施例还提供一种弯管参数的测量系统，包括获取模块，用于获取多目相机的内、外参数；图像采集模块，用于通过多目相机对弯管进行图像采集，获得所述弯管的平面灰度图像；图像处理模块，用于根据所述多目相机的内、外参数对所述平面灰度图像进行矫正，得到矫正后的图像；提取模块，用于获取所述矫正后的图像中的弯管区域，并获取所述弯管区域的边缘线和中心线；直径测量模块，用于根据所述边缘线，获得所述弯管的直径；中心线拟合模块，用于将所述中心线离散成多个特征点，并获取所述多个特征点的空间坐标，对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到所述弯管的中心线；空间位姿重建模块，用于根据所述弯管的直径和所述弯管的中心线，确定所述弯管的空间参数。其中，上述系统还包括实测模型显示模块，用于通过三维建模技术，根据所述弯管的空间参数可视化显示所述弯管的三维空间位姿；及对比显示模块，用于提供三维模型数据导入接口，通过导入弯管设计模型，与所述实测模型显示模块显示的所述弯管的三维空间位姿进行对比及图表显示。其中，所述中心线拟合模块包括特征点提取模块，用于提取所述多目相机中每对相机坐标系下的特征点，并将所述多目相机中每对相机坐标系下的特征点的空间坐标统一到同一世界坐标系下；拟合模块，用于在所述世界坐标系下，对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到每对相机对应的所述弯管的一部分中心线；拼接模块，用于对每对相机对应的所述弯管的一部分中心线进行拼接，得到所述弯管的完整中心线。其中，所述特征点包括弯管的弯曲处的凹凸点以及直线段上的点。其中，所述多目相机为两两成对的偶数目相机，相机数量为八到十六目之间。本发明的上述技术方案的有益效果如下上述方案中，通过多目相机对弯管进行图像采集，获得所述弯管的平面灰度图像； 从该平面灰度图像中提取弯管区域，并确定该弯管区域的边缘线和中心线，从而测量该弯管的空间位姿的两个物理量弯管中心线和弯管直径，并在计算时，只需要重建弯管的空间中心线的位置，以及测量出弯管的直径尺寸，不需重建整个弯管的外表面形貌。这样就使计算工作极大地简化，从而能够灵活快速地对各种形态弯管的空间位姿进行测量。
图1是现有技术中利用双目视觉技术来重建空间一点坐标的原理示意图；图2是本发明的基于多目视觉的弯管参数的测量方法的流程图；图3是本发明的弯管参数的测量系统的一实施例结构原理示意图；图4是本发明的弯管参数的测量系统组成部分示意图；图5是本发明实施例说明的八目弯管快速测量系统示意图；图6是本发明的基于多目视觉的弯管快速测量方法或者系统中所提取的弯管边缘线和中心线示意图7是根据本发明的方法中，空间中的被测弯管分别投影在两个成像平面上的情况的示意图；图8是图7中的投影经过矫正后的示意图；图9是本发明的基于多目视觉的弯管参数的测量系统框图。
具体实施例方式为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本发明针对现有基于机械装置的接触式弯管测量方法和基于激光CCD技术的非接触式弯管测量方法过程繁琐复杂、效率较低、成本较高等不足，以及单纯的双目视觉方案测量弯管的空间位姿信息不完整等问题，提供一种基于多目视觉的弯管参数的测量方法及系统，从而利用多目视觉技术实现对弯管的完整空间位姿的快速测量。弯管的空间位姿测量包括弯管的位姿和弯管的直径尺寸。弯管的位姿指弯管中心线在空间中的位姿。如图2所示，本发明的基于多目视觉的弯管参数的测量方法，包括如下步骤步骤21，获取多目相机的内、外参数；步骤22，通过多目相机对弯管进行图像采集，获得所述弯管的平面灰度图像；步骤23，根据所述多目相机的内、外参数对所述平面灰度图像进行矫正，得到矫正后的图像；步骤24，获取所述矫正后的图像中的弯管区域；步骤25，获取所述弯管区域的边缘线和中心线；步骤沈，根据所述边缘线，获得所述弯管的直径；步骤27，将所述中心线离散成多个特征点，并获取所述多个特征点的空间坐标；步骤观，对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到所述弯管的中心线；步骤四，根据所述弯管的直径和所述弯管的中心线，确定所述弯管的空间参数。本发明的上述方法通过多目相机对弯管进行图像采集，获得所述弯管的平面灰度图像；从该平面灰度图像中提取弯管区域，并确定该弯管区域的边缘线和中心线，从而测量该弯管的空间位姿的两个物理量弯管中心线和弯管直径，并在计算时，只需要重建弯管的空间中心线的位置，以及测量出弯管的直径尺寸，不需重建整个弯管的外表面形貌。这样就使计算工作极大地简化，从而能够灵活快速地对各种形态弯管的空间位姿进行测量。上述图2所示方法在具体实现时，还可以首先在光学暗房内对多目系统的装置进行布置和安装，包括图像采集设备(多目相机)、照明光源、计算机(安装好软件)等；其中，上述步骤28具体实现时，可包括将所述多目相机中每对相机坐标系下的特征点的空间坐标统一到同一世界坐标系下；在所述世界坐标系下，对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到每对相机对应的所述弯管的一部分中心线；对每对相机对应的所述弯管的一部分中心线进行拼接，得到所述弯管的完整中心线。下面具体说明本发明的基于多目视觉的弯管参数的测量方法的实施例。
如图3、图4和图5所示多目相机1通过其镜头2对机械平台3上的被测弯管4 进行图像采集，被测弯管4放置在光学玻璃面测量台5上，照明光源6作为被测弯管4的测量环境的光源，微型计算机7 (包括图像采集卡和测量系统软件)用于控制多目相机以及存储多目相机采集到的图像，其中，可以在计算机的存储介质中存储所述弯管的平面灰度图像，并利用采集到的图像数据进行分析处理，将处理结果显示在显示器8上；具体地，在光学暗房内对八目系统的装置进行布置和安装，光源6 (见图4和图5) 采用LED漫射式背光照明技术，即利用从被测弯管背面射过来的均勻视场的光，通过相机可以看到被测弯管的边缘轮廓，继而测量弯管的尺寸、角度、位置和方向。八目相机1(见图 4)的两两共有视场构成一个锥形，这个锥形包括被测弯管的最优测量部分，所有多目相机从多角度对弯管进行图像采集，满足可以实现整体测量要求。再利用计算机7(见图4)和系统软件控制多目相机1 (见图4)同时拍照，采集图像，以获取被测弯管的平面灰度图像， 可以在例如计算机硬盘中存储所采集的图像，以便于下步图像处理工作。 根据双目视觉原理，对多目相机进行标定，求解两两相机的内、外参数。该内、外参数包括相机内参数和相机外参数，相机内参数包括焦距f，相机相邻像元的水平和垂直距离 sx、sy，相机拍摄中心点坐标cx、cy及图像大小W(宽)、L(高)；相机外参数包括两相机的相对位姿，相对位姿包括空间的移动[X，1，ζ]和转动[α，β，Y ]共6个未知量。对多目相机的标定方法采用制作标定板，对其从多角度，多位置采集图像，识别标定板上的标定点， 反求相机的内、外参数。在上述获取弯管区域和弯管区域的边缘线和中心线时，通过机器视觉方法，对所获取的弯管的平面灰度图像进行增强和分割处理，将如图6所示的弯管区域从背景区域中提取出来，再提取如图6中所示的弯管区域的中心线和边缘线。弯管的直径尺寸测量，是通过对提取的弯管边缘线(见图6)进行测量，首先识别弯管直径方向上边缘线上两点，再经过计算转化到世界坐标系下，通过多个这样的两点距离计算求得弯管的直径尺寸。弯管的中心线测量是通过将弯管的中心线离散成若干个点，提取其中的特征点， 所述特征点包括弯管的弯曲处的凹凸点以及直线段上的点；通过极线和中心线约束，对其进行匹配，利用双目视觉原理测量这些点的空间坐标，然后再通过该多个特征点来拟合弯管的中心线，如图7所示，空间中的弯管中心线分别投影在两个成像平面I1和I2上，该投影为两条平面曲线，对在两个成像平面I1和I2上投影形成的图像进行矫正，从而使得两个图像上的对应像素在同一行。图8是根据多目相机的内、外参数矫正后的图像的示意图，假设弯管中心线上一点P在成像平面I1和I2上的投影为P1和P2,由极线约束关系P1和P2必过同一极线(因为该ρ点在I1和I2上的投影点分别为P1和P2(CiP、C2P与像平面I1U2的交点，将两个成像平面I1和I2分别与平面η的交线ei和％称为极线，P1和P2必过极线)，则该极线与成像平面上的弯管中心线的交点即为P1和P2。通过中心线上的某一点在成像平面I1U2上的对应点坐标，再结合两相机的内外参数，就可以重建中心线上的该点的三维坐标，从而通过将弯管空间中心线离散成多个点，并从中提取特征点，如弯管的弯曲处的凹凸点以及直线段上的点，通过多个特征点分别在成像平面Ip I2上的对应点坐标，再结合两相机的内、外参数， 就可以重建空间中心线上的多个特征点。
更具体地，将从成像平面I1上提取出的中心线离散成若干个特征点(Xi，yi)，根据极线约束，成像平面I2上的与点(Xi，yi)对应的点必定与(Xi，yi)的行坐标相同，行坐标即为修正后的极线的位置，并且成像平面I2上的与点(Xi，Yi)对应的点必定在弯管的中心线上，因此，成像平面I2上的行坐标为Xi的水平线和在成像平面I2上投影形成的中心线的交点即为在成像平面I2上与点(Xi，Yi)的对应点，由相机的内、外参数，重建空间弯管中心线上的离散点列的坐标，把每对相机坐标系下获取的弯管离散特征点空间坐标统一到同一世界坐标系下，最后根据点列的坐标拟合空间中心线；通过把每对相机所获得的弯管的中心线通过图像数据相关算法进行取优整合拼接，以及测得的弯管直径，来最终确定整个弯管的空间参数，包括弯管的空间位姿和相关指标参数(如弯曲处的曲率等)。其中，对图像进行拼接时，将一组相互间重叠部分的图像序列进行空间匹配对准，经重采样合成后形成一幅包含各图像序列信息的宽视角场景的、 完整的、高清晰的新图像。上述实施例是以八目相机为例进行说明，本发明的多目相机为两两成对的偶数目相机，相机数量还可以为八到十六目之间。综上，本发明的测量方法主要有三个关键内容。首先，由于是采用多目测量，选取合适的标定方法直接决定了获取的被测弯管的图像信息的正确性和全面性。其次，获取充分的图像数据后根据需要分析处理，选取最优算法进而提高测量的精度和相应速度。最后， 拟合数据，三维重构并显示所测弯管的空间几何信息。本发明提供的基于多目视觉的弯管参数的快速测量方法将弯管的空间位姿分解为中心线位置和弯管直径尺寸两个物理量，分别对其进行测量。在计算时，只需要重建弯管的空间中心线的位置，以及测量出弯管的直径尺寸，不需重建整个弯管的外表面形貌。这样就使计算工作极大地简化，从而能够灵活快速地对各种形态弯管的空间位姿进行测量。根据本发明的另一方面，如图9所示，本发明的实施例还提供一种弯管参数的测量系统9，包括获取模块91，用于获取多目相机的内、外参数；图像采集模块92，用于通过多目相机对弯管进行图像采集，获得所述弯管的平面灰度图像；图像处理模块93，用于根据所述多目相机的内、外参数对所述平面灰度图像进行矫正，得到矫正后的图像；提取模块94，用于获取所述矫正后的图像中的弯管区域，并获取所述弯管区域的边缘线和中心线；直径测量模块95，用于根据所述边缘线，获得所述弯管的直径；中心线拟合模块96，用于将所述中心线离散成多个特征点，并获取所述多个特征点的空间坐标，对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到所述弯管的中心线；空间位姿重建模块97，用于根据所述弯管的直径和所述弯管的中心线，确定所述弯管的空间参数。优选的，上述系统还包括实测模型显示模块98，用于通过三维建模技术，根据所述弯管的空间参数可视化显示所述弯管的三维空间位姿；及
对比显示模块99，用于提供三维模型数据导入接口，通过导入弯管设计模型，与所述实测模型显示模块显示的所述弯管的三维空间位姿进行对比及图表显示。所述中心线拟合模块包括特征点提取模块，用于提取所述多目相机中每对相机坐标系下的特征点，并将所述多目相机中每对相机坐标系下的特征点的空间坐标统一到同一世界坐标系下；拟合模块，用于在所述世界坐标系下，对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到每对相机对应的所述弯管的一部分中心线；拼接模块，用于对每对相机对应的所述弯管的一部分中心线进行拼接，得到所述弯管的完整中心线。其中，所述特征点包括弯管的弯曲处的凹凸点以及直线段上的点。所述多目相机为两两成对的偶数目相机，相机数量为八到十六目之间。具体的，上述获取模块91在获取多目相机的内、外参数时，包括标定模块，对多目相机两两进行标定，以获得多目相机的内、外参数；上述提取模块94具体可以通过机器视觉方法，对所获取的平面灰度图像进行增强和分割等处理，将弯管区域从背景区域中提取出来，再提取出弯管区域的边缘线和中心线.
一入 ，其中，上述空间位姿重建模块97获得的弯管的空间参数包括弯管的空间位姿和相关指标参数(如弯曲处的曲率等)；本发明提供的基于多目视觉的弯管参数的快速测量系统，主要利用多目相机成像技术，通过对多目相机所获得的图像进行分析处理，实现对测量台上任意摆放的弯管非接触式单次快速测量，如弯管空间位姿、弯曲处曲率等。将弯管的空间位姿分解为中心线位置和弯管直径尺寸两个物理量，分别对其进行测量。在计算时，只需要重建弯管的空间中心线的位置，以及测量出弯管的直径尺寸，不需重建整个弯管的外表面形貌。这样就使计算工作极大地简化，从而能够灵活快速地对各种形态弯管的空间位姿进行测量。该系统具有快速、高精度、全自动测量等几大优势。利用该系统能够准确测量产品的几何参数，确定弯管加工的起始数据和矫正数据，保障加工产品在允许的公差范围内，最终保证其质量。采用多目视觉技术的弯管快速测量方法可以完全替代传统的机械式弯管测量，并且在响应速度、精度和操作便捷性上都要优于采用激光CCD技术的弯管测量方法。最后，需要说明的是上述方法中的所有实现方式均适用于该系统实施例中，也能达到相同的技术效果，在此不再赘述。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种弯管参数的测量方法，其特征在于，包括 获取多目相机的内、外参数；通过多目相机对弯管进行图像采集，获得所述弯管的平面灰度图像； 根据所述多目相机的内、外参数对所述平面灰度图像进行矫正，得到矫正后的图像； 获取所述矫正后的图像中的弯管区域； 获取所述弯管区域的边缘线和中心线； 根据所述边缘线，获得所述弯管的直径；将所述中心线离散成多个特征点，并获取所述多个特征点的空间坐标； 对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到所述弯管的中心线； 根据所述弯管的直径和所述弯管的中心线，确定所述弯管的空间参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述多个特征点的空间坐标重新拟合， 得到所述弯管的中心线的步骤包括将所述多目相机中每对相机坐标系下的特征点的空间坐标统一到同一世界坐标系下；在所述世界坐标系下，对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到每对相机对应的所述弯管的一部分中心线；对每对相机对应的所述弯管的一部分中心线进行拼接，得到所述弯管的完整中心线。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述特征点包括弯管的弯曲处的凹凸点以及直线段上的点。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得所述弯管的平面灰度图像后还包括 在计算机的存储介质中存储所述弯管的平面灰度图像。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多目相机为两两成对的偶数目相机，相机数量为八到十六目之间。
6.一种弯管参数的测量系统，其特征在于，包括 获取模块，用于获取多目相机的内、外参数；图像采集模块，用于通过多目相机对弯管进行图像采集，获得所述弯管的平面灰度图像；图像处理模块，用于根据所述多目相机的内、外参数对所述平面灰度图像进行矫正，得到矫正后的图像；提取模块，用于获取所述矫正后的图像中的弯管区域，并获取所述弯管区域的边缘线和中心线；直径测量模块，用于根据所述边缘线，获得所述弯管的直径；中心线拟合模块，用于将所述中心线离散成多个特征点，并获取所述多个特征点的空间坐标，对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到所述弯管的中心线；空间位姿重建模块，用于根据所述弯管的直径和所述弯管的中心线，确定所述弯管的空间参数。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括实测模型显示模块，用于通过三维建模技术，根据所述弯管的空间参数可视化显示所述弯管的三维空间位姿；及对比显示模块，用于提供三维模型数据导入接口，通过导入弯管设计模型，与所述实测模型显示模块显示的所述弯管的三维空间位姿进行对比及图表显示。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述中心线拟合模块包括特征点提取模块，用于提取所述多目相机中每对相机坐标系下的特征点，并将所述多目相机中每对相机坐标系下的特征点的空间坐标统一到同一世界坐标系下；拟合模块，用于在所述世界坐标系下，对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到每对相机对应的所述弯管的一部分中心线；拼接模块，用于对每对相机对应的所述弯管的一部分中心线进行拼接，得到所述弯管的完整中心线。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述特征点包括弯管的弯曲处的凹凸点以及直线段上的点。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述多目相机为两两成对的偶数目相机，相机数量为八到十六目之间。
全文摘要
本发明提供一种弯管参数的测量方法和系统，其中，方法包括获取多目相机的内、外参数；通过多目相机对弯管进行图像采集，获得所述弯管的平面灰度图像；根据所述多目相机的内、外参数对所述平面灰度图像进行矫正，得到矫正后的图像；获取所述矫正后的图像中的弯管区域；获取所述弯管区域的边缘线和中心线；根据所述边缘线，获得所述弯管的直径；将所述中心线离散成多个特征点，并获取所述多个特征点的空间坐标；对所述多个特征点的空间坐标重新拟合，得到所述弯管的中心线；根据所述弯管的直径和所述弯管的中心线，确定所述弯管的空间参数。本发明的方案在测量弯管时，速度快，更精准。
文档编号G01B11/00GK102410811SQ201110212138
公开日2012年4月11日 申请日期2011年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者刘检华, 唐承统, 尚炜, 张天 申请人:北京理工大学