一种基于时间转轴约束的双目视觉测量方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种基于时间转轴约束的双目视觉测 量方法。
【背景技术】
[0002] 大型零构件如大型飞机尾翼等形面尺寸将直接影响重要装备零构件间的高质量 连接与装配，形面尺寸高精度的测量是保证装备的设计要求和功能要求的必要条件，因此 高精度的三维测量在大型零件装配制造中至关重要。双目视觉测量法是采用双目相机采集 被测物特征或用用于反映被测物形面的特征信息，通过这些特征的提取与重建，实现被测 物形面的重建。该方法具有非接触性、大信息、测量速度快等优势，已广泛运用在大型零件 测量中，但是双目视觉是基于图像信息进行重建，由于相机芯片的像元尺寸一定，当对大尺 寸零件测量时，以单视场为〇. 9mX 1.6m，物距为lm，相机分辨率为3072 X 5096的情况为例， 图像像素物理尺寸为0.3-0.4mm，其理论偏差已大于航天航空零件的测量精度要求0. ΙΟ. 2_。 因此 ，如何提高双 目测量的测量精度是 目前亟待解决的工程问题。
[0003] Hirofumi Nakai等人发表的会议论文《3D shape measurement using fixed camera and handheld laser scanner》（Nakai H,Iwai D,Sato K.3D shape measurement using fixed camera and handheld laser scanner[C]//SICE Annual Conference, 2008. IEEE,2008:1536-1539.)等人设计了一套由一台相机和一台激光扫描测距仪组成的 视觉系统，采用手持式线激光器进行扫描实现三维形面的测量，测量过程中需要实时定位 激光器位置，测量精度难以得到保证。曾峦，翟优等发明的"一种可变结构的双目视觉测量 系统及参数确定方法"，专利号CN104359461，通过改变双目相机的光轴指向、增加辅助光路 分别增大相机测量范围、增加内嵌标志，从而将外部参数的标定融入每次测量中，实现了变 结构双目视觉测量，增加了立体相机的灵活性和测量范围，但是仍采用双目光轴交会的方 式确定被测点，无法大幅度地提高测量的精度。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术难题是针对难以大幅度提高双目视觉现场测量精度的问题， 发明了基于时间转轴约束的双目视觉测量方法。该方法基于双目视觉测量原理，结合电控 旋转平台的激光扫描速度和测量时间的计算，建立时间转轴约束，确定特征激光平面的空 间精确位置，从而将图像误差转换为运动与时间的控制误差，进而实现激光特征信息的高 精度重建，完成被测物的三维形面测量。可使空间测量误差降低一个数量级，提高双目视觉 的三维测量精度，并融合序列图像中激光光条重建信息完成被测物表面几何量的测量，实 现被测物表面激光光条的高精度重建。
[0005] 本发明采用的技术方案是一种基于时间转轴约束的双目视觉测量方法，其特征 是，该方法结合电控转台的激光扫描速度和测量时间的计算，建立时间转轴约束，确定特征 激光平面的空间精确位置，从而将图像误差转换为运动与时间的控制误差，进而实现激光 特征信息的高精度重建;首先对双目相机、激光平面初始位置、电控转台转轴位置系统结构 参数分别进行标定，然后提取图像中的激光光条特征信息，进而通过控制激光器扫描的电 控平台的扫描速度及相机采集帧频，确定动态序列图像中激光平面的空间精确位置，将双 目相机采集的激光特征点与激光所处的空间平面关系建立优化模型，将基于图像的双目测 量误差转换为基于时间转轴的控制误差，使测量误差降低了一个数量级，并融合序列图像 中激光光条重建信息完成被测物表面几何量的测量，实现被测物表面激光光条的高精度重 建;方法具体步骤如下：
[0006] 第一步双目视觉系统的标定
[0007] 1)双目相机的标定
[0008] 采用张正友的平面靶标标定方法，以靶标平面建立世界坐标系，对系统中的双目 相机进行标定，其相机模型如下：
[0009]
[0010] 其中，u，v分别是图像的行列像素坐标值，XW，YW，Z#表被测点在世界坐标系里的 三维坐标值，X。，Y c，Zc代表被测点在摄像机坐标系里的三维坐标值，Mi为相机内参数矩阵， 包括列向量等效焦距α χ、行向量等效焦距ay、主点的像素坐标(uq，vq)，M2为相机内参数矩阵， 包括旋转矩阵R、平移矩阵T，s是未知的尺度因子;根据靶标平面上已知空间三维坐标和二 维图像坐标的角点信息，获得双目相机的内参数矩阵及相对平面靶标的外参数矩阵；
[0011] 由于相机镜头存在畸变，基于图像畸变原理计算镜头畸变，其公式如下：
[0012] uk = u+(u_u〇) [ki(x2+y2)+k2(x2+y2) 2] (2)
[0013] vk = v+(v-vo) [ki(x2+y2)+k2(x2+y2) 2]
[0014] 其中，uk，vk分别是实际径像畸变的情况下的图像行列像素坐标，x，y代表理想无畸 变时的连续图像坐标，la，1?为图像畸变系数，最后，采用LM优化方法对相机内外参数及畸变 系数进行优化求解；
[0015] 2)激光平面的标定
[0016] 将相机位置和激光器位置保持恒定不变，由于激光器投射的激光平面在空间恒 定，且激光在被测靶标平面的投影恒属于激光平面，因此，可将平面靶标进行任意移动，通 过靶标平面上的激光投影和相机标定结果计算激光平面在全局世界坐标系下的平面方程；
[0017] 首先，在靶标初始位置标定全局世界坐标系的平面靶标位置，投射激光表面，使用 相机采集靶标平面上的激光光条信息，然后，无约束移动靶标平面，使用相机采集多张激光 光条图像，基于图像畸变公式(2)对图像进行畸变校正;针对校正后的图像，激光光条在i位 置的图像像坐标为(ιΛν 1)，根据公式(3)计算激光光条在摄像机平面上的归一化坐标(xs， ys)：
[0019]根据公式（1)的相机模型可推导出公式(4)，进而可求得激光光条在摄像机坐标系 下Z轴的坐标值
[0021]其中，（AH:)为激光光条以i位置平面靶标所建立的局部世界坐标系坐标， [4 4 4]'',[毛4 分别为该位置的旋转矩阵R的第1，2列，T1为该位置的平移矩 阵，进而计算该位置时激光光条在摄像机坐标系下X轴、Y轴的坐标尤，?:
[0023]由于相机的位置恒定，即摄像机坐标系恒定，根据摄像机坐标与全局世界坐标系 的关系计算在不同位置拍摄的激光光条点的全局世界坐标：
[0025]其中，Xw，Yw，Zw代表被测点在全局世界坐标系里的三维坐标值，R，T分别为全局坐 标系相对摄像机坐标系的旋转、平移矩阵，ΙΓ1为旋转矩阵R的逆；
[0026]根据公式(6)可计算出不同位置的激光光条在全局世界坐标系下的三维坐标值， 由于激光平面在空间位置相对恒定，这些激光光条点都属于激光平面，因此采用最小二乘 法拟合激光平面，其平面方程为：
[0027] aXw+bYw+cZw+d = 0 (7)
[0028] 其中，a，b，c，d为平面方程系数；
[0029] 3)激光器旋转轴的标定
[0030]保持相机位置不同，采用电控转动控制激光投射平面旋转，按照激光平面的标定 方法标定旋转后的激光平面，两个平面的交线为旋转轴，其直线方程为：
[0032] 其中，81，131，(31，(11为平面311的平面方程系数，./?1=_(^16 1€1):为平面311的法向量； a2，b2，C2，d2为平面3^2的平面方程系数，1? _=(_% .? 为平面312的法向量;根据公式(8)可 求得旋转轴1的方向向量
[0033] J = (9)
[0034] 其中，％绕旋转轴^逆时针至％方向，％向量与《2向量夹角为锐角；因此可计算 旋转轴1的单位方向向量?:
[0036] 第二步扫描激光光条的采集与提取
[0037] 采用控制装置同步触发双目相机采集与激光器旋转平台旋转，通过双目相机采集 激光光条序列图像，获得被测物的三维信息;分别提取图像中的激光光条信息，首先对图像 进行滤波处理，然后基于Sobel边缘提取算法计算激光光条边缘，计算公式如下：
[0040]其中，g(i，j)为图像坐标为(i，j)的Sobel边缘检测算子，(UPdy分别为计算的卷积 模板;然后按照灰度重心法，计算激光光条中心，其公式如下：
[0042] 其中，（<,<)为激光光条第i行的灰度重心坐标，^为第i行第j列灰度值;min为激 光光条在图像每行上的最小列值，max为激光光条在图像每行上的最大列值。第三步基于时 间转轴约束的激光平面重建
[0043] 1)基于时间转轴约束的激光平面的重建
[0044] 设定激光平面的初始位置为基准平面，根据标定结果，基准平面方程为 ciZw+di = 0,根据公式（10)计算平面的单位法向量％ 由于电控转台与相机同 步触发，根据电控转台匀角速度为ω，相机响应时间为t，则采集的第h张图像，激光平面逆 时针