专利名称：螺旋桨桨叶宽度的自动测量新方法
技术领域：
本发明属于螺旋桨测量相关领域，特别涉及一种基于图像的螺旋桨桨叶宽度的非 接触式自动测量新方法。
背景技术：
螺旋桨为船舶航行提供推力，是船舶推进系统的关键零件。螺旋桨的质量直接影 响着船舶推进效率。为了确保螺旋桨的制造质量，国家技术监督局发布了有关金属螺旋桨 技术要求的国家标准，对包括螺旋桨桨叶宽度等许多技术指标进行了规范。螺旋桨桨叶是 实现螺旋桨的推进性能的重要保证，桨叶的宽度等属性是确保螺旋桨生产质量的重要因 素，在螺旋桨的生产过程中要对桨叶的宽度进行反复的测量，以便为桨叶的进一步加工提 供依据。桨叶宽度在螺旋桨的设计、制造和测量中均作为一项重要的指标。螺旋桨桨叶宽 度的准确测量，对于保障螺旋桨的制造精度，实现螺旋桨的设计性能具有非常重要的意义。船用螺旋桨叶型是相当复杂的空间曲面，该叶型曲面影响到船舶推进效率、船舶 振动、操纵性能及桨叶本身的强度。军舰用螺旋桨，由于快速性、机动性及降噪等要求，桨叶 曲面变化更大。由于桨叶曲面的复杂性，桨叶的宽度的测量验收和设计要求不相一致，这对 螺旋桨的制造、性能测试、改型设计及出口贸易均会产生一定的影响。随航运事业的发展和 螺旋桨进出口业务的增加，桨叶各参数的测量和验收显得尤为重要。目前，螺旋桨桨叶宽度 一般通过坐标测量机测量出叶片各点坐标来进行计算得到的。现有坐标测量机采用的接触 式方式进行螺旋桨桨叶测量，还难以进行桨叶宽度测量时需要的叶面对应轮廓点的准确定 位。这些测量机体积巨大，不能实现自动测量，在螺旋桨制造过程中需要对每个桨叶不同的 测量轮廓边缘都进行逐点坐标测量，测量过程费时费力，严重影响了测量的效率。另外，现 有坐标测量机利用旋转轴系、悬臂梁式横臂和滑动架来支撑和移动测量头进行螺旋桨不同 截面的测量，这种由于自重等因素引起的横臂等结构非线性变形，也影响测量精度的进一 步提高。现有坐标测量机接触式测量方式，还难以为螺旋桨加工过程进行在线测量提供手 段。本发明是有关螺旋桨桨叶宽度测量的新方法。本发明提出的桨叶宽度测量新方法 是利用图像进行螺旋桨桨叶的非接触式和数字化测量。利用本发明提出的测量方法可以方 便、快捷地进行螺旋桨桨叶宽度的测量。由于本发明提出的是非接触数字化测量方法，与现 有螺旋桨坐标测量机的原理不同，因此可以解决现有螺旋桨坐标测量机的不足。以本发明 提出的螺旋桨桨叶宽度测量新方法为基础，可以进行螺旋桨桨叶宽度的自动测量，为确保 螺旋桨制造质量提供新的有效的检测手段。
发明内容
本发明的目的是以图像为基础进行螺旋桨桨叶任意位置处宽度的自动测量。该方 法进行螺旋桨桨叶宽度测量时，不需要直接接触桨叶的金属表面进行桨叶边缘轮廓点坐标 的测量，属于非接触式自动测量方法。
为了达到上述目标，本发明采用的技术方案是利用2个CXD摄像机建立双目视觉 图像采集系统，采集螺旋桨叶片的2幅图像，对桨叶图像进行数字化处理，得到螺旋桨桨叶 轮廓点的二维图像坐标系像素坐标，以双目视觉理论为基础，利用经过标定的摄像机模型 进行螺旋桨桨叶轮廓点的二维像素坐标向三维现实世界坐标系的映射，计算得到螺旋桨桨 叶轮廓点在三维现实世界坐标系的三维坐标。通过计算机计算桨叶任意位置的宽度。本发 明包括的具体步骤如下本发明包括螺旋桨桨叶图像的采集、螺旋桨桨叶轮廓点二维图像坐标系像素坐标 获取、轮廓点三维现实世界坐标系中三维坐标的计算、螺旋桨桨叶宽度值计算等几个主要 步骤1)采集螺旋桨桨叶图像利用2个CXD摄像机建立双目视觉图像采集系统，必要时采用适当的照明，采集螺 旋桨叶片的2幅图像。2)螺旋桨桨叶边缘轮廓点二维像素坐标获取对螺旋桨桨叶图像进行图像预处理、螺旋桨桨叶边缘轮廓点的提取以及拟合等， 通过对桨叶图像的数字化处理，得到桨叶边缘轮廓点的二维图像坐标系像素坐标。3)螺旋桨桨叶边缘轮廓点三维现实世界坐标系坐标计算根据摄像机成像模型、摄像机坐标系和三维现实世界坐标系之间的变换关系，建 立反映螺旋桨叶片边缘轮廓点像素坐标与三维现实世界坐标关系的投影矩阵，通过投影矩 阵的标定建立以像素坐标为基础的边缘轮廓点三维现实世界坐标系坐标的计算模型。利用 边缘轮廓点的三维现实世界坐标系坐标计算模型，计算得到螺旋桨桨叶边缘轮廓点的三维 现实世界坐标系坐标。4)螺旋桨桨叶宽度值计算以计算得到的螺旋桨桨叶边缘轮廓点三维现实世界坐标系坐标为基础，通过将截 面圆弧展开并利用螺旋桨的螺旋角进行计算，最终利用计算机实现桨叶任意位置的宽度。本发明的优点本发明是以图像为基础进行螺旋桨桨叶宽度的自动测量，因此本 发明具有非接触式和数字化测量方法的优点。本发明不需要直接接触桨叶的金属表面，不 存在测头的磨损等缺陷。该非接触式测量方法可以方便地实现螺旋桨桨叶宽度的全自动测 量，因此本发明可以为缩短螺旋桨加工周期、降低生产成本提供有效测量手段。
附图1是螺旋桨桨叶宽度自动测量新方法的步骤；附图2是螺旋桨桨叶宽度自动测量系统结构示意图；附图3是摄像机成像模型示意图；附图4是螺旋桨桨叶宽度计算示意图。
具体实施例方式以下结合附图，说明本发明提出的基于图像的螺旋桨桨叶宽度的自动测量新方 法，其技术原理及具体实施方法如下图1是螺旋桨桨叶宽度自动测量方法的主要步骤，该方法首先以摄像机在合适的 照明条件下采集到的螺旋桨桨叶的清晰图像，然后通过数字图像处理技术获取螺旋桨边缘轮廓点的二维图像坐标系像素坐标的获取，并以双目视觉理论为基础，计算轮廓点三维现 实世界坐标系坐标，最后计算螺旋桨桨叶的宽度。本发明按照该步骤就可以实现螺旋桨桨 叶任意位置处宽度的自动测量。图2是螺旋桨桨叶宽度自动化测量的系统结构示意图。螺旋桨桨叶通过两台摄像 机L和R采集图像，在摄像机坐标系统中，摄像机L和R的X轴重合，Y轴和Z轴分别相互 平行，Z轴方向为摄像机光轴方向，L和R坐标系中坐标轴方向一致，并且XOY面平行于图像 平面，同时将摄像机L和R的原点(光心)偏移量固定。这就保证了两个摄像机坐标系统 中螺旋桨叶片投影点的Z轴方向坐标的一致性以及测量系统的确定性。图3为摄像机成像模型示意图，该模型中包含三维现实世界坐标系OwXwYwZw、摄像 机坐标系o。x。Y。z。、图像坐标系OtlUV (单位为像素)、图像物理坐标系O1XY (单位为毫米)。桨 叶的成像过程就是以上四个坐标系之间的转换过程。本发明中，依据双目成像理论计算所 有投影点的深度信息，实现二维图像坐标系坐标到三维现实世界坐标系坐标的计算。记(U，V)为二维图像坐标系像素坐标；(X，Y)为图像物理坐标系坐标；(X。，Yc, Zc) 为二维图像坐标系像素坐标；(xw，Yw，Zw)为现实世界坐标系三维坐标，各坐标系之间的计算 关系如下1) 二维图像坐标系像素坐标与图像物理坐标系坐标计算关系 其中，(U0, V0)为图像物理坐标系XO1Y的坐标圆点，dx、dy分别为像面上每个像素 沿X轴和Y轴方向的物理尺寸。2)记投影点在左右图像中的物理坐标系坐标分别为(Xl，YL)和(XK，YK)，根据双目 摄像机成像理论，摄像机坐标系坐标与图像物理坐标系坐标的关系如下
其中，R是3*3的旋转矩阵，T是3* 1的平移矩阵，0 = (0，0，0)τ。 因此，图像坐标系二维像素坐标与现实世界坐标系三维坐标之间的计算关系如
(3) 本发明中，首先设定摄像机标定模板，以摄像机的成像模型为基础，根据标定点的 像素坐标和三维现实世界坐标系坐标的对应关系，求解摄像机的内外参数(即旋转矩阵R 和平移矩阵T)并计算镜头的畸变系数。然后应用图像坐标系二维像素坐标与现实世界坐 标系三维坐标之间的计算关系，计算所有投影点的三维现实世界坐标系坐标。
图4是螺旋桨桨叶宽度计算原理图，本发明的测量方法中，结合实例如图4中螺 旋桨桨叶宽度计算的方法描述如下首先以数字图像处理得到的螺旋桨桨叶边缘轮廓点二 维图像坐标系像素坐标，根据式(1)计算得到所有边缘轮廓点的图像物理坐标系坐标；然 后根据式(2)计算所有边缘轮廓点的深度信息，并以此为基础根据式(3)计算所有边缘轮 廓点的三维现实世界坐标系坐标；最后以边缘轮廓点的三维坐标为基础，进行螺旋桨桨叶 宽度的计算。如图中螺旋桨桨叶边缘轮廓上两点Ptl点的坐标为O^yyZtl) ,P1点的坐标为 0^1，71，21)，图中截面的半径1~可以由？1点的乂和7方向坐标计算得到。将截面圆弧沿H方 向展开，那么图中Ptl点与P1点的坐标可以分别表示为
因此，可以计算得到螺旋桨桨叶的宽度为
上式中，α为螺旋桨的螺旋角,
权利要求
螺旋桨桨叶宽度的自动测量新方法，其特征是以图像为基础进行螺旋桨桨叶宽度的非接触式测量，它包括以下步骤待测螺旋桨桨叶图像的获取；螺旋桨桨叶轮廓点的二维图像坐标系像素坐标计算；螺旋桨桨叶轮廓点的三维现实世界坐标系坐标计算；螺旋桨桨叶宽度的计算。
2.根据权利要求1所述的螺旋桨桨叶宽度的自动测量新方法，其特征在于所述的螺 旋桨桨叶轮廓点二维图像坐标系像素坐标的计算，是利用计算机数字图像处理算法提取螺 旋桨桨叶轮廓点的二维图像坐标系像素坐标，主要包括螺旋桨图像的预处理、图像分割、轮 廓点的分析识别，边缘轮廓点的拟合以及轮廓点二维图像坐标系像素坐标的提取。
3.根据权利要求1所述的螺旋桨桨叶宽度的自动测量新方法，其特征在于所述的螺 旋桨桨叶轮廓点的三维现实世界坐标系坐标计算的过程中，包括采集图像的CCD摄像机的 标定、摄像机畸变模型的矫正、三维现实世界坐标系坐标的计算。
4.根据权利要求1所述的螺旋桨桨叶宽度的自动测量新方法，其特征在于所述的螺 旋桨桨叶宽度的计算是以计算得到的螺旋桨桨叶轮廓点三维坐标为基础，利用计算机实现 螺旋桨桨叶宽度的计算。
全文摘要
一种螺旋桨桨叶宽度的自动测量新方法，该方法以图像为基础进行螺旋桨桨叶宽度的非接触式自动测量。它首先利用计算机、摄像机等设备采集螺旋桨桨叶的图像，然后以数字图像处理技术为基础获取桨叶轮廓点的二维图像坐标系坐标，之后应用摄像机标定模型计算桨叶轮廓点的三维现实世界坐标系坐标，最后通过计算机计算螺旋桨桨叶的宽度值。
文档编号G01B11/24GK101907449SQ201010105998
公开日2010年12月8日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者张建德, 朱跃钊, 陆金桂, 韩海冰 申请人:陆金桂