一种大型零件的单目视觉测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种大型零件的单目视觉测量方法，属于测量【技术领域】。本发明通过采用摄像机转站的方法对待测器件的最优视点进行规划分析，克服了摄像机一次测量的有限性，扩大了测量的范围，当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，保证转站球位姿不发生变化，同时旋转测杆使贴有标志点的一面正对摄像机，并记录测杆的旋转角度，同时通过转站球和转站球上每一个标记孔，可以得到转站后和转站前的相互关系，通过它们之间的相互关系可以将若干组坐标值进行空间拼接，实现利用现有仪器对大型零件三维形貌的重构。
【专利说明】一种大型零件的单目视觉测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种大型零件的单目视觉测量方法，属于测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近年来大尺寸的曲面在汽车工业、船舶和航天器外形等方面得到广泛的应用，随着现代加工制造和生产作业的发展需要，大型零件三维几何尺寸的测量已成为现代逆向工程和产品数字化设计及制造的基础支撑技术，而且越来越多的装配、质量控制、在线检测、工业产品的工装定位等领域也迫切需要解决大型零件的三维测量。
[0003]随着计算机技术、电子学、光学技术的日趋完善以及图像处理、模式识别等技术的不断进步，计算机视觉测量技术得到快速发展，已逐渐成为大型零件表面三维信息最主要的测量手段。目前基于单目视觉的大型零件测量技术主要有:几何相似法测量、几何形状约束法测量、结构光法测量、几何光学法测量和辅助靶标测量，其中只有辅助靶标测量可以实现空间不可见点的测量。
[0004]靶标上一般设计有具有鲜明特征的标记来产生标志点，按照标志点发光与否，靶标可分为无光源靶标和有光源靶标两类，其中无光源靶标是利用靶标上的特制图案产生标志点，通常为获得理想标志点图像，还需使用特定光源照射靶标，此种靶标受环境影响较大；有光源祀标利用发光体，例如LED产生标志点,传统有光源祀标通过二值法确定光点区域，利用重心法或椭圆拟合法提取标志点中心，由于图像的二值化处理以及标志点不同角度成像，通过重心法或椭圆拟合法所提出的光点中心并非对应于空间中同一点，使得测量精度降低。
[0005]专利号为CN200910058832，提供了一种基于相位标靶的光学三坐标测量方法，该测量方法的测量原理是摄像机获取相位标靶中特征图像屏上的特征图像，通过相移条纹分析法或傅立叶条纹分析法计算出相位分布，建立标靶电子显示屏上各点与摄相机像素点之间的对应关系，进而确定标靶测头触点的三维空间坐标，通过移动相位标靶对被测物体表面进行多点测量，以计算出物三维面形，这种相位标靶用于光学三维测量时，与有3个以上标记点的辅助标祀相比较，由于特征点数量的大量增多，以及基于相位计算的特征点精确提取，使其测量结果更为精确和可靠，但是由于摄像机的一次测量视场有限，决定了对于某些大型工件进行测量时，摄像机和被测零件保持一个相对位置不可能将所有零件上待测点测量完毕，这大大限制了测量的范围和此系统对于大型零件的应用。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种大型零件的单目视觉测量方法，以解决目前单目视觉测量过程中测量范围有限导致无法将大型零件中所有待测点测量完毕的问题。
[0007]本发明为解决上述技术问题而提供一种大型零件的单目视觉测量方法，该测量方法通过辅助靶标上的转站球实现摄像机的转战测量，所使用的辅助靶标包括一测杆，测杆上方转动装配有转站球，该转站球表面上均匀布设有标记孔，该测杆上还固定安装有一能随测杆转动的测量棒，该测量棒的一个面上设置有标志点，所述转站球下方固定设置有刻有角度值的转站台；
[0008]所述测量方法测量时，使辅助靶标上设置有标志点的一面正对摄像机，通过摄像机获取靶标标志点的特征图像信息，当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，保证转站球位姿不发生变化，同时旋转测杆使贴有标志点的一面正对摄像机，并记录测杆的旋转角度，同时通过转站球和转站球上每一个标记孔，得到转站后和转站前的相互关系，通过它们之间的相互关系将得到的若干组坐标值进行空间拼接以实现对大型零件形貌的重构。
[0009]所述的测量方法包括以下步骤:
[0010]I)对摄像机视觉测量系统进行标定，确定相机内部参数和系统结构参数，对辅助靶标进行标定，确定在辅助靶标坐标系下转站球各孔中心、测棒上各标志点中心和测头坐标；
[0011]2)将辅助靶标测棒贴有标志点的一面正对摄像机，通过摄像机获取靶标标志点的特征图像信息；
[0012]3)对采集到的靶标标志点的特征图像信息进行图像处理得到各标志点中心像素坐标；
[0013]4)根据针孔成像原理建立系统测量模型，将标志点中心的像素坐标进行坐标转换得到测量标志点中心在世界坐标系中的坐标值，计算出辅助靶标坐标系到世界坐标系的旋转和平移矩阵，根据所计算出的旋转和平移矩阵以及测头中心在辅助靶标坐标系下的坐标，计算出测头中心的世界坐标值；
[0014]5)当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，开始另一位置的测量，直到将大型零件的所有曲面测量完毕；
[0015]6)根据转站球上每一个唯一标识的孔在辅助靶标坐标系中的坐标值和像面坐标系中位置的相互关系，将得到的各组三维坐标值进行空间拼接，最终实现对大型零件物体三维形貌的重构。
[0016]所述步骤2)在测量时，测棒轴线位于转站台O刻度处，且辅助靶标测棒贴有标志点一面正对摄像机，当辅助靶标上的刚体测量头与曲面待测点垂直接触时，测头上的开关同步控制摄像机来获取靶标标志点的特征图像信息，图像采集卡对图像进行采集。
[0017]所述步骤4)中辅助靶标坐标系到世界坐标系的变换公式为:
【权利要求】
1.一种大型零件的单目视觉测量方法，其特征在于，该测量方法通过辅助靶标上的转站球实现摄像机的转战测量，所使用的辅助靶标包括一测杆，测杆上方转动装配有转站球，该转站球表面上均匀布设有标记孔，该测杆上还固定安装有一能随测杆转动的测量棒，该测量棒的一个面上设置有标志点，所述转站球下方固定设置有刻有角度值的转站台； 所述测量方法测量时，使辅助靶标上设置有标志点的一面正对摄像机，通过摄像机获取靶标标志点的特征图像信息，当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，保证转站球位姿不发生变化，同时旋转测杆使贴有标志点的一面正对摄像机，并记录测杆的旋转角度，同时通过转站球和转站球上每一个标记孔，得到转站后和转站前的相互关系，通过它们之间的相互关系将得到的若干组坐标值进行空间拼接以实现对大型零件形貌的重构。
2.根据权利要求1所述的大型零件的单目视觉测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以下步骤: 1)对摄像机视觉测量系统进行标定，确定相机内部参数和系统结构参数，对辅助革巴标进行标定，确定在辅助靶标坐标系下转站球各孔中心、测棒上各标志点中心和测头坐标； 2)将辅助祀标测棒贴有标志点的一面正对摄像机，通过摄像机获取祀标标志点的特征图像信息； 3)对采集到的靶标标志点的特征图像信息进行图像处理得到各标志点中心像素坐标； 4)根据针孔成像原理建立系统测量模型，将标志点中心的像素坐标进行坐标转换得到测量标志点中心在世界坐标系中的坐标值，计算出辅助靶标坐标系到世界坐标系的旋转和平移矩阵，根据所计算出的旋转和平移矩阵以及测头中心在辅助靶标坐标系下的坐标，计算出测头中心的世界坐标值； 5)当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，开始另一位置的测量，直到将大型零件的所有曲面测量完毕； 6)根据转站球上每一个唯一标识的孔在辅助靶标坐标系中的坐标值和像面坐标系中位置的相互关系，将得到的各组三维坐标值进行空间拼接，最终实现对大型零件物体三维形貌的重构。
3.根据权利要求2所述的大型零件的单目视觉测量方法，其特征在于，所述步骤2)在测量时，测棒轴线位于转站台O刻度处，且辅助靶标测棒贴有标志点一面正对摄像机，当辅助靶标上的刚体测量头与曲面待测点垂直接触时，测头上的开关同步控制摄像机来获取靶标标志点的特征图像信息，图像采集卡对图像进行采集。
4.根据权利要求2所述的大型零件的单目视觉测量方法，其特征在于，所述步骤4)中辅助靶标坐标系到世界坐标系的变换公式为: fx、?χ/λ WJ
yw (R' Λ yf zW L0' 1J Zf I1 J 、ι y 其中，(xf, yf, Zf, 1)T和(xw，yw, zw, 1)T分别是P在辅助靶标坐标系和世界坐标系中的坐标；V是由辅助靶标坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，t'是由辅助靶标坐标系到世界坐标系的平移向量。
5.根据权利要求2所述的大型零件的单目视觉测量方法，其特征在于，所述步骤5)当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，保证转站球位置不发生变化同时旋转辅助靶标的测棒使贴有标志点的一面正对摄像机，开始另一位置的测量，实现转站测量。
6.根据权利要求2所述的大型零件的单目视觉测量方法，其特征在于，所述步骤I)对摄像机视觉测量系统进行标定时采用辅助靶标完成摄像机的标定，将摄像机与辅助靶标相距一定距离固定好，打开CCD摄像机电源；在摄像机视场范围内，选取量块的顶点作为标定点，每移动一个位置拍摄一幅图像，将获得的标志点的二维图像信息通过网络数据线传送并保存到计算机中；利用提取的所有位置的标志点图像坐标及其对应的已知世界坐标，带入小孔成像测量系统模型中，进而完成对摄像机内外参数的求解，并保存到系统参数文件中，以备测量 阶段调用。
【文档编号】G01B11/24GK103759669SQ201410003137
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】李航, 司东宏, 刘丽丽, 王想到, 付林伯, 刘志威, 张伟, 孙景文 申请人:河南科技大学