标系的平移矩阵f。最后将局部坐标系下的扫描测量数据根据公式（12)统一到全局坐 标系下，实现局部坐标系下的点云信息向全局坐标系的转换。
[0075] 实例过程中，采集=个不同位置的图像数据，并将每一位置的测量点云数据均统 一到固定不变的全局坐标系下，实现=维数据的拼接，从而完成大型零件的全局=维测量。 通过计算拼接点云数据与=维数模间的均方根误差对拼接方法进行评价，通过数据对比， 测量点云数据与模型对应点间的均方根误差为0.4734mm，可W满足大型壁板的测量要求。
[0076] 实施例利用本发明提出的=维数据拼接方法对大型复材壁板零件进行了多站位 测量，并进行了=维数据拼接和重建，重建结果显示该拼接方法可W满足大型零件的现场 测量要求。
【主权项】
1. 一种基于柔性特征点的三维数据拼接方法，其特征是，该方法针对具有自由曲面的 大型零件的三维数据测量，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 测得的三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三维重建， 实现大型零件的三维数据拼接;方法的具体步骤如下:第一步、安装阶梯式测量系统 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)，用以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，通过移动以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，以实现局部坐标系到全局坐标系的坐标转换，最终完成零件 的三维数据拼接； 第二步、全局坐标系与局部坐标系的建立 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 图像坐标系中的像麦幽_ vP)与相·思幽标赛由的幽γΡ _ vP _ 7.P) I、团的鮮拖妾系：其中，K为相机的内参矩阵，Η为相机的外参矩阵，fx为焦距长度与相机芯片每个单元X方 向尺寸的乘积，fy为焦距长度与相机芯片每个单元y方向尺寸的乘积，（cx，cy)为相机的主点 坐标，Rc为像素坐标系与世界坐标系间的旋转矩阵，T C为像素坐标系与世界坐标系间的平移 矩阵； 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 标系下的三维空间坐标； 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三 维空间坐标； 第三步、全局控制点的布局与匹配 1)全局控制点的布局 为实现三维数据的全局拼接，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； 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: P={Pi|Piep,ieN,i>3} (2) 其中？1=匕#斤)为点?1在局部坐标系下的三维坐标4为控制点个数;全局控制系统 得到的全局坐标系下的控制点集为Q: Q={Qi|QieQ,ieN,i>3} (3) 其中弘=^，7^：〇为点弘在全局坐标系下的三维坐标； 2)全局控制点的匹配 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个点的描述向量仏和全局坐标系下控制点集Q中第i个点的描述向量B1: Ai= |d(Pi，Pi) d(Pi，P2)…d(Pi，Pn) |，n关i (4) Bi=|d(Qi,Qi) d(Qi,Q2) ··· d(Qi,Qn) I ,n^i (5) 其中，d(Pi，Pj)=| |Pi-Pj| |2为点Pi与P中其他点Pj间的欧式距离，d(Qi，Qj)=| iQi-Qjl |2 为点Qi与Q中其他点Qj间的欧式距离，n为控制点个数； 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 阈值Φ，若点Pi和点Qj的描述向量满足如下公式： Ai-Bj | 12< Φ (6) 则认为ΑΡ:和点仏是相互匹配的，Q(Pi儿）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'：其中，N为控制点个数，此时(Pk，Qk)为匹配的控制点对； 第四步、三维数据拼接及优化 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; 首先，计算两匹配点集的质心点，计算公式如下：其中声为局部坐标系下控制点集的质心点，δ为全局坐标系下控制点集的质心点，Pk为 局部坐标系下第k个控制点，Qk为全局坐标系下第k个控制点；根据两坐标系下点对的匹配 关系，也为一个匹配点对； 然后分别计算两匹配点集中的特殊向量，计算公式如下：其中，i为局部坐标系下第k个点的特殊向量，i为全局坐标系下第k个点的特殊向量； 又由于局部坐标系和全局坐标系的匹配点对存在以下关系： Qk=R · Pk+T (12) 其中，R和T分别为全局坐标系与局部坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵；则根据以上 公式，?还可以表示为：建立如下目标函数：则求解旋转矩阵R的过程就转化为了求取i使得f最小的问题;利用矩阵的奇异值分解 计算i ;得到@后，根据式(11 )，得到计算平移矩阵公式如下：其中及为优化后的局部坐标系与全局坐标系间的旋转矩阵，f为优化后的局部坐标系与 全局坐标系间的平移矩阵； 得到局部坐标系与全局坐标系间的旋转矩阵J与平移矩阵?后，将局部坐标系下的扫描 测量数据根据公式(12)统一到全局坐标系下； 最后通过移动局部测量系统，使局部测量视场覆盖所有的感兴趣区域，并将每一部分 的测量点云数据均统一到固定不变的全局坐标系下，最终实现大型零件的全局三维数据拼 接。
【专利摘要】本发明一种基于柔性特征点的三维数据拼接方法属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种基于柔性特征点的三维数据拼接方法。该方法针对具有自由曲面的大型零件的三维数据测量，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三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三维重建，实现大型零件的三维数据拼接。该方法利用投影柔性控制点，解决了传统大型零件测量过程中控制点布局繁琐和测量盲区的问题，便于测量过程中根据被测零件表面特征实时调整测量站位，提高了测量系统的现场适应性和数据拼接的精度及测量稳定性。
【IPC分类】G01B11/245, G01B11/25
【公开号】CN105716542
【申请号】CN201610221163
【发明人】刘巍, 兰志广, 张洋, 李晓东, 高鹏, 杨帆, 贾振元, 高航
【申请人】大连理工大学
【公开日】2016年6月29日
【申请日】2016年4月7日