一种基于柔性特征点的三维数据拼接方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机视觉测量技术领域，设及一种基于柔性特征点的=维数据拼接 方法
【背景技术】
[0002] 在航空航天等领域，为保证零件的加工精度及部件的装配精度，需要对零件的= 维几何尺寸等数据进行精确的测量。目前，机器视觉测量的方法凭借其测量精度高、速度 快、非接触及易于操作等优点，已被广泛应用于工业现场。然而，针对一些特殊的情况，如被 测零件尺寸太大、零件存在视觉盲区等，仅凭单一视场的测量数据，无法满足零部件的高精 度全局测量要求。因此，需要根据大型被测零件的尺寸，先利用视觉传感器对其局部区域进 行精确快速测量，获取到零件在局部坐标系下的=维数据，然后将所有局部区域的信息统 一到全局坐标系下，从而获取大型零件完整的=维数据。
[0003] 经文献检索，中国发明专利号:CN 102944191 A，魏新国、张广军、刘震等人发明的 发明专利"一种基于平面圆祀标的=维视觉测量数据拼接方法及装置"的发明专利提出了 基于单一圆祀标的=维拼接方法，该方法通过放置平面圆祀标在被测物前，移动已标定的 双目视觉系统，拍摄平面圆祀标在移动前后测量位置所成的楠圆图像，提取并拟合楠圆方 程，重建出平面圆祀标在前后两次局部测量坐标系下的圆特征，从而根据所述圆特征构造 优化目标函数求解拼接矩阵。该方法有效解决了平面祀标部分被遮挡情况下的=维拼接失 败问题，但是由于只采用单一圆特征，拼接稳定性不高。中国发明专利号:CN 102445164 A， 刘震、张广军、孙军华等人发明的专利名称为："一种大型构件表面=维形貌视觉测量方法 及系统"的发明专利提出了一种包括图像采集系统、控制器、计算机、一个=维光学测头、多 个平面祀标的测量系统。该方法通过=维光学测头中的双目视觉系统测量不同区域的=维 形貌，在通过=维光学测头中的宽视场相机测量大型构件周围的多个平面祀标的位置，将 不同区域的S维形貌信息统一到同一全局坐标系下，W实现S维形貌的测量。但是由于该 方法多次进行坐标转换，存在累积误差，并且需要多次移动=维光学测头位置，操作较麻 烦。
【发明内容】
[0004] 本发明为克服现有技术的缺陷，发明一种基于柔性特征点的=维数据拼接方法， 该方法采用双目视觉技术对具有自由曲面的大型零件进行快速全局测量，不需要预先布置 控制点，省去了繁琐的布点流程，可根据零件表面特征自由安排测量站位，现场适应性高， 并且由于坐标转换简便，随着局部测量次数的增多不会产生累积误差，具有非常高的拼接 精度。
[0005] 本发明采用的技术方案是一种基于柔性特征点的=维数据拼接方法，其特征是， 该方法针对具有自由曲面的大型零件的=维数据测量，采用阶梯式测量系统，利用全局控 制系统和局部测量系统公共视场区域内的控制点信息，匹配控制点并求得转换矩阵;利用 该转换矩阵将局部测量系统测得的=维点云数据统一到全局控制系统中，最终对全局控制 系统的数据进行=维重建，实现大型零件的=维数据拼接;方法的具体步骤如下：
[0006] 第一步、安装阶梯式测量系统
[0007] 阶梯式测量系统中，采用两台分辨率高且视场大的左、右工业相机1、2固定于测量 区域后方，构成全局控制系统I，用W建立固定的全局坐标系；局部测量系统II采用两台视 场较小的左、右相机8、9放置于测量区域的前方，通过移动W获取被测零件的局部信息;将 被测物4放置在阶梯式测量系统中，用投影仪3投影柔性控制点阵，投影出的点阵同时被两 套双目系统采集到，W实现局部坐标系到全局坐标系的坐标转换，最终完成零件的=维数 据拼接；
[000引第二步、全局坐标系与局部坐标系的建立
[0009] 为建立全局控制坐标系，选择全局控制系统的左工业相机1坐标系作为全局坐标 系，并对左工业相机的内外参数进行标定;通过单相机的标定，得到视场范围内任意点P在 二维图像坐标系中的像素坐标(UP，VP)与世界坐标系中的坐标(XP，yp，ZP)间的转换关系：
[0010]
(1)
[0011]其中，K为相机的内参矩阵，H为相机的外参矩阵，fx为焦距长度与相机忍片每个单 元X方向尺寸的乘积，fy为焦距长度与相机忍片每个单元y方向尺寸的乘积，（Cx，Cy)为相机 的主点坐标，化为像素坐标系与世界坐标系间的旋转矩阵，Tc为像素坐标系与世界坐标系间 的平移矩阵；
[0012] 然后，对右工业相机2也进行标定，通过立体标定得到左、右工业相机的对应关系， 利用空间交汇的原理，将视场内的任意空间点在左相机坐标系下进行重建，得到点在全局 坐标系下的S维空间坐标；
[0013] 按照上述建立全局坐标系的方法，将局部坐标系建立在局部测量系统的左相机8 上;利用相同的标定方法对右相机9也进行标定，得到空间中任意一点在局部坐标系下的= 维空间坐标.
[0014] 第S步、全局控制点的布局与匹配
[0015] 1)全局控制点的布局
[0016] 为实现=维数据的全局拼接，需要在全局坐标系和局部坐标系下设立具有公共信 息的全局控制点，利用具有相同特征的控制点阵，求解局部坐标系与全局坐标系间的转换 矩阵;采用投影仪投影柔性全局控制点阵，点阵要求充满整个视场，其尺寸要根据测量现场 全局控制系统与零件表面的位置关系实时调整，使控制点由尽可能多的像素表示，提高点 的提取精度;布局好全局控制点后，利用已经标定好的相机对全局控制点图像进行采集；
[0017] 设同一位置下局部测量系统测量得到的局部坐标系下控制点集为P:
[001 引 p={Pi|Piep，ieN，i>3} (2)
[0019]其中？1=(扣，71，21)为点？1在局部坐标系下的立维坐标，賦1控制点个数;全局控制 系统得到的全局坐标系下的控制点集为Q:
[0020] Q={Qi| 化 eQ，ieN，i>3} (3)
[0021] 其中化=(Xi，yi，Zi)为点化在全局坐标系下的S维坐标；
[0022] 2)全局控制点的匹配
[0023] 为了使局部测量系统与全局控制系统上的全局控制点相互匹配，分别构建局部坐 标系下控制点集P中第i个点的描述向量Al和全局坐标系下控制点集Q中第i个点的描述向 量Bi:
[0024]
[0025]
[0026] 其中，cKPi，Pj)=MPi-PjM2为点Pi与P中其他点Pj间的欧式距离，d(Qi，Qj)=M化-QjM2为点化与帅其他点Qj间的欧式距离，n为控制点个数；
[0027] 由于点的提取和重建存在误差，互相匹配的点对的描述向量并不完全相同，因此 设定阔值4，若点Pi和点A的描述向量满足如下公式：
[002引 ||A^Bj|k<(!) (6)
[0029] 则认为点Pi和点^是相互匹配的，Q(Pi，Qj)为匹配点对;对点集P和中的所有点进 行匹配，并找到其匹配点对;最后，将P、Q中的点根据匹配关系重新编号排序，得到高精度匹 配的局部坐标系下控制点集P'和全局坐标系下控制点集Q'：
[0030]
(7)
[0031] 其中，N为控制点个数，此时化，Qk)为匹配的控制点对；
[0032] 第四步、=维数据拼接及优化
[0033] 利用全局坐标系下与局部坐标系对应匹配的点，建立局部坐标系与全局坐标系间 的坐标转换关系，即计算旋转矩阵R和平移矩阵T;
[0034] 首先，计算两匹配点集的质屯、点，计算公式如下：
[0035] (8)
[0036] (