专利名称：一种主动实时三维测量大型车厢的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于大型车厢测量技术领域，尤其涉及一种主动实时三维测量大型车厢的方法及系统。
背景技术：
目前，大型车厢测量仍然采用传统的接触式、机械式方法进行测量，现行的设备和手段存在一些问题和不便之处:1、测量工具无法移动，或需移动大型车厢，费时费力；2、需要额外构建全局统一设备；3、不能满足在线的实时检测，测量时工件必须离线，测量时间长，而且在卸下与测量过程中容易造成工件加工表面的损伤等。
发明内容
本发明提供了一种主动实时三维测量大型车厢的方法及系统，旨在解决目前大型车厢测量仍然采用传统的接触式、机械式方法进行测量，现行的设备和手段存在测量工具无法移动，或需移动大型车厢，费时费力，需要额外构建全局统一设备，不能满足在线的实时检测，测量时工件必须离线，测量时间长，而且在卸下与测量过程中容易造成工件加工表面损伤的问题。本发明的目的在于提供一种主动实时三维测量大型车厢的方法，该方法包括以下步骤:步骤一，将待测大型车厢固定，双目相机置于待测大型车厢上方的环形滑道上；步骤二，对待测大型车厢进行视场空间区域划分，为双目相机在环形滑道上的定位和布置坐标转化标识点做准备；步骤三，在每个视场空间区域内部的两侧边缘位置各布置一组坐标转换标识点，每三个标识点为一组，构成一个任意三角形固定于待测大型车厢上；步骤四，选择一个双目相机的初始位置，双目相机在每个视场空间区域拍照一次；步骤五，通过任意坐标系之间的转化关系，以坐标转换标识点为中介，将大型车厢上位于不同区域测量点的三维坐标转换到指定的统一世界坐标系内，进行相应尺寸指标的测算。进一步，双目相机在环形滑道上的位置可精确固定。进一步，步骤二中，对待测物件进行视场空间区域划分，为双目相机在环形滑道上的定位和布置坐标转化标识点做准备时，所划分的视场空间区域的大小需要满足:不大于双目相机的有效范围，同时相邻视场空间区域之间有交叠。进一步，步骤三中，布置好的每组坐标转化标识点均位于两个所划分的视场空间区域的公共范围内。
进一步，步骤五中，通常将双目相机的初始位置所处的坐标系定义为最终的统一世界坐标系。本发明的另一目的在于提供一种主动实时三维测量大型车厢的系统，该系统包括:视觉处理子系统，用于处理所拍坐标转换标识点的照片，提取局部三维坐标、处理后续靶标的照片，提取靶标上反光点的三维坐标；控制子系统，用于协助完成双目视觉子系统的拍照功能；控制双目视觉子系统在环形轨道上的高精度定位；计算机完成全局坐标系的建立；后续具体测量指标的计算；高精度滑动子系统，用于支撑和定位双目视觉子系统的作用。由计算机控制，电机进行驱动；靶标，人工手持接触，靶标的底端红宝石测头接触到待测物件表面，由双目视觉子系统对靶标拍照，获取靶标上发光点的图像。进一步，所述视觉处理子系统由视觉处理计算、GIGE图像传送的千兆卡、双个500W像素的工业相机组成；所述工业相机在环形滑道上的位置可精确固定，所述环形滑道设置在待测大型车厢的上方。进一步，所述控制子系统包括控制计算机(内置D/A板、GIGE子卡)、驱动器、电机。进一步，所述高精度滑动子系统:由轴承及用于安装电机、摄像头固定支架的移动滑轨组成，具有二维自由度，主要起支撑和定位双目视觉子系统的作用；具体构架为:两个带有GIGE接口的图象采集卡的相机固定在滑动子系统的长方体形支架上。在长方体固定支架的后方水平放置着一个15瓦的无刷直流电机，电机直径为4厘米长为10厘米内置轴角编码器，用于驱动系统上下转动(Y轴方向)到指定角度。在其下方为一个筒装支架，夕卜径为6厘米，内径为4厘米，里面安装了一个15瓦的无刷直流电机，该电机与水平放置电机完全相同，用于驱动系统左右转动(X轴方向)到指定角度。另外，该子系统需要借助计算机和电机驱动控制视觉子系统能够在拍照过程中精确定位，只能停留在最初环滑轨拍照一周获得全局坐标转换关系时相机所停留的位置。进一步，所述靶标有适合人手握取得碳纤维手柄、反光标示点、红宝石触点以及通讯模块组成。一个手持的靶标，用碳纤维材料构成，坚硬、轻便。在碳纤维手柄的正面贴有9个3M强反光材质的标示点。在手柄的末端有一个红宝石的接触点,保证接触点位置无形变。在靶面背面有无线发射器，将测量工作告知双目视觉子系统，进行实时的图像采集。本发明提供的主动实时三维测量大型车厢的方法及系统，将待测大型车厢固定，双目相机置于待测大型车厢上方的环形滑道上；对待测大型车厢进行视场空间区域划分，为双目相机在环形滑道上的定位和布置坐标转化标识点做准备；在每个视场空间区域内部的两侧边缘位置各布置一组坐标转换标识点，每三个标识点为一组，构成一个任意三角形固定于待测大型车厢上；选择一个双目相机的初始位置，双目相机在每个视场空间区域拍照一次；通过任意坐标系之间的转化关系，以坐标转换标识点为中介，将大型车厢上位于不同区域测量点的三维坐标转换到指定的统一世界坐标系内，进行相应尺寸指标的测算；测量精度高，简单易行，实用性强，具有较强的推广与应用价值。
图1是本发明实施例提供的主动实时三维测量大型车厢的方法的实现流程图；图2是本发明实施例提供的主动实时三维测量大型车厢的系统的结构框图；图3是本发明实施例提供的坐标系转换原理示意图；图4是本发明实施例提供的空间直角坐标转换关系示意图。图中:21、双目视觉处理子系统；22、控制子系统；23、坐标转换子系统；24、高精度滑动子系统。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。图1示出了本发明实施例提供的主动实时三维测量大型车厢的方法的实现流程。该方法包括以下步骤:步骤S101，将待测大型车厢固定，双目相机置于待测大型车厢上方的环形滑道上；步骤S102，对待测大型车厢进行视场空间区域划分，为双目相机在环形滑道上的定位和布置坐标转化标识点做准备；步骤S103，在每个视场空间区域内部的两侧边缘位置各布置一组坐标转换标识点，每三个标识点为一组，构成一个任意三角形固定于待测大型车厢上；步骤S104，选择一个双目相机的初始位置，双目相机在每个视场空间区域拍照一次；步骤S105，通过任意坐标系之间的转化关系，以坐标转换标识点为中介，将大型车厢上位于不同区域测量点的三维坐标转换到指定的统一世界坐标系内，进行相应尺寸指标的测算。在本发明实施例中，双目相机在环形滑道上的位置可精确固定。在本发明实施例中，步骤S102中，对待测物件进行视场空间区域划分，为双目相机在环形滑道上的定位和布置坐标转化标识点做准备时，所划分的视场空间区域的大小需要满足:不大于双目相机的有效范围，同时相邻视场空间区域之间有交叠。在本发明实施例中，步骤S103中，布置好的每组坐标转化标识点均位于两个所划分的视场空间区域的公共范围内。在本发明实施例中，步骤S105中，通常将双目相机的初始位置所处的坐标系定义为最终的统一世界坐标系。图2示出了本发明实施例提供的主动实时三维测量大型车厢的系统-的结构。为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。该系统包括:视觉处理子系统21，用于处理所拍坐标转换标识点的照片，提取局部三维坐标、处理后续靶标的照片，提取靶标上反光点的三维坐标；控制子系统22，用于协助完成双目视觉子系统的拍照功能；控制双目视觉子系统在环形轨道上的高精度定位；计算机完成全局坐标系的建立；后续具体测量指标的计算；高精度滑动子系统23，用于支撑和定位双目视觉子系统的作用。由计算机控制，电机进行驱动；靶标24，人工手持接触，靶标的底端红宝石测头接触到待测物件表面，由双目视觉子系统对靶标拍照，获取靶标上发光点的图像。在本发明实施例中，视觉处理子系统21由视觉处理计算、GIGE图像传送的千兆卡、双个500W像素的工业相机组成；工业相机在环形滑道上的位置可精确固定，所述环形滑道设置在待测大型车厢的上方。在本发明实施例中，控制子系统22包括控制计算机(内置D/A板、GIGE子卡)、驱动器、电机。在本发明实施例中，高精度滑动子系统23:由轴承及用于安装电机、摄像头固定支架的移动滑轨组成，具有二维自由度，主要起支撑和定位双目视觉子系统的作用；具体构架为:两个带有GIGE接口的图象采集卡的相机固定在滑动子系统的长方体形支架上。在长方体固定支架的后方水平放置着一个15瓦的无刷直流电机，电机直径为4厘米长为10厘米内置轴角编码器，用于驱动系统上下转动(Y轴方向)到指定角度。在其下方为一个筒装支架，外径为6厘米，内径为4厘米，里面安装了一个15瓦的无刷直流电机，该电机与水平放置电机完全相同，用于驱动系统左右转动(X轴方向)到指定角度。另外，该子系统需要借助计算机和电机驱动控制视觉子系统能够在拍照过程中精确定位，只能停留在最初环滑轨拍照一周获得全局坐标转换关系时相机所停留的位置。在本发明实施例中，靶标24有适合人手握取得碳纤维手柄、反光标示点、红宝石触点以及通讯模块组成。一个手持的靶标，用碳纤维材料构成，坚硬、轻便。在碳纤维手柄的正面贴有9个3M强反光材质的标示点。在手柄的末端有一个红宝石的接触点，保证接触点位置无形变。在靶面背面有无线发射器，将测量工作告知双目视觉子系统，进行实时的图像米集。在本发明实施例中，该系统通过坐标转换子系统与双目视觉处理子系统21相连接，用于接收双目视觉处理子系统21输出的各个视场空间区域的三维坐标，将各个视场空间区域的三维坐标转换到统一世界坐标系。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。本发明涉及一种基于双目视觉和中继思想的主动实时三维测量系统，由双目视觉处理子系统21、控制子系统22、坐标转换子系统23及靶标24四大部分组成，利用此系统对大尺寸箱体的三维几何尺寸进行测量，借助若干坐标转换标识点，利用类似中继站传递信号的思想，将大型车厢上位于不同区域的测量点三维坐标转换到指定的统一坐标系内，从而进行相应尺寸指标的测算。本发明以坐标转换标识点为中介，不需要预先在被测物体上做标记，同时坐标转换标识点在被测物体上的布局可进行灵活调整。为了克服这些技术上的不足，提高大型车厢测量的效率和精度，发明一种基于双目视觉和中继思想的主动实时三维测量系统进行大型车厢三维测量。本发明实施例利用中继理论，通过若干坐标转换标识点，通过本发明提出的数据拼接的方法，将大型的车厢体分为几个区域，然后将区域中的局部坐标系，统一的转换到一个世界坐标系中。从而实现了大型车厢厢体测量无隐藏点、无死角，是全方位的重构车厢的尺寸数据的基础。主要包括以下步骤:将待测大型车厢固定，将双目相机置于待测物件上方的环形滑道，双目相机在环形滑道上的位置可以精确固定；视场空间的划分:将大尺寸待测物件进行区域的大致分化，为双目相机在环形滑道上的定位和布置坐标转化标识点做准备。区域的大小需要满足:不大于双目视觉系统的有效范围，相邻区域之间有交置；双目相机的定位:选择一个双目视觉系统的初始位置，该位置所处的坐标系通常定义为最终的统一世界坐标系，双目相机在环形滑道的若干固定拍照位置对应于上述的视场空间的划分，在每个划分位置拍照一次，双目相机系统在环形滑道上的若干固定拍照将在整个测量过程中固定不变，此功能由高精度滑动子系统24完成；坐标转换 标识点的布置:在所划分的每个视场范围内两侧边缘位置处各布置一组坐标转换标识点，每三个标识点为一组，构成一个任意三角形固定于待测物件上，则布置好的每组坐标转化标识点均位于两个有效视场的公共范围内。统一坐标系的建立:将双目相机从初始位置开始运动，分别在预先确定的位置停留拍照，通过任意坐标系之间的转化关系，以坐标转换标识点为中介，将大尺寸箱体上位于不同区域的测量点三维坐标转换到指定的统一坐标系内，从而进行相应尺寸指标的测算。本发明实施例具体的理论依据为:空间直角坐标转换关系如图4所示，设存在有两个空间直角坐标系o-xyz和O-XYZ。上述两个坐标系的原点O和O不重合，存在坐标平移；坐标轴也不平行，对应坐标
轴之间存在旋转角；且两个坐标系的尺度也不相同，存在坐标缩放。若空间有η个点(P1,
P2,..., Pn点)，Pi点在ο-xyz坐标系中的坐标为(Xi, yi； Zi),在O-XYZ坐标系中的坐标为
(Xi, Yi, Zi),两套坐标之间的关系为:
权利要求
1.一种主动实时三维测量大型车厢的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤一，将待测大型车厢固定，双目相机置于待测大型车厢上方的环形滑道上； 步骤二，对待测大型车厢进行视场空间区域划分，为双目相机在环形滑道上的定位和布置坐标转化标识点做准备； 步骤三，在每个视场空间区域内部的两侧边缘位置各布置一组坐标转换标识点，每三个标识点为一组，构成一个任意三角形固定于待测大型车厢上； 步骤四，选择一个双目相机的初始位置，双目相机在每个视场空间区域拍照一次；步骤五，通过任意坐标系之间的转化关系，以坐标转换标识点为中介，将大型车厢上位于不同区域测量点的三维坐标转换到指定的统一世界坐标系内，进行相应尺寸指标的测笪
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，双目相机在环形滑道上的位置可精确固定。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中，对待测物件进行视场空间区域划分，为双目相机在环形滑道上的定位和布置坐标转化标识点做准备时，所划分的视场空间区域的大小需要满足:不大于双目相机的有效范围，同时相邻视场空间区域之间有交叠。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中，布置好的每组坐标转化标识点均位于两个所划分的视场空间区域的公共范围内。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤五中，通常将双目相机的初始位置所处的坐标系定义为最终的统一世界坐标系。
6.一种主动实时三维测量大型车厢的系统，其特征在于，该系统包括: 视觉处理子系统，用于处理所拍坐标转换标识点的照片，提取局部三维坐标、处理后续靶标的照片，提取靶标上反光点的三维坐标； 控制子系统，用于协助完成双目视觉子系统的拍照功能；控制双目视觉子系统在环形轨道上的高精度定位；计算机完成全局坐标系的建立；后续具体测量指标的计算； 高精度滑动子系统，用于支撑和定位双目视觉子系统的作用，由计算机控制，电机进行驱动； 靶标，人工手持接触，靶标的底端红宝石测头接触到待测物件表面，由双目视觉子系统对靶标拍照，获取靶标上发光点的图像。
7.如权利要求6所述的主动实时三维测量大型车厢的系统，其特征在于，所述视觉处理子系统由视觉处理计算、GIGE图像传送的千兆卡、双个500W像素的工业相机组成；所述工业相机在环形滑道上的位置可精确固定，所述环形滑道设置在待测大型车厢的上方。
8.如权利要求6所述的主动实时三维测量大型车厢的系统，其特征在于，所述控制子系统包括内置D/A板、GIGE子卡的控制计算机、驱动器、电机。
9.如权利要求6所述的主动实时三维测量大型车厢的系统，其特征在于，所述高精度滑动子系统由轴承及用于安装电机、摄像头固定支架的移动滑轨组成，具有二维自由度，主要起支撑和定位双目视觉子系统的作用；具体构架为:两个带有GIGE接口的图象采集卡的相机固定在滑动子系统的长方体形支架上；在长方体固定支架的后方水平放置着一个15瓦的无刷直流电机，电机直径为4厘米长为10厘米内置轴角编码器，用于驱动系统上下转动到指定角度；在其下方为一个筒装支架，外径为6厘米，内径为4厘米，里面安装了一个15瓦的无刷直流电机，该电机与水平放置电机完全相同，用于驱动系统左右转动到指定角度。
10.如权利要求6所述的主动实时三维测量大型车厢的系统，其特征在于，所述靶标有适合人手握取得碳纤维手柄、反光标示点、红宝石触点以及通讯模块组成；一个手持的靶标，用碳纤维材料构成在碳纤维手柄的正面贴有9个3M强反光材质的标示点；在手柄的末端有一个红宝石的接触点，保证接触点位置无形变；在靶面背面有无线发射器，将测量工作告知双目视觉子系统， 进行实时的图像采集。
全文摘要
本发明公开了一种主动实时三维测量大型车厢的方法及系统，将待测大型车厢固定，双目相机置于待测大型车厢上方的环形滑道上；对待测大型车厢进行视场空间区域划分，为双目相机在环形滑道上的定位和布置坐标转化标识点做准备；在每个视场空间区域内部的两侧边缘位置各布置一组坐标转换标识点，每三个标识点为一组，构成一个任意三角形固定于待测大型车厢上；选择一个双目相机的初始位置，双目相机在每个视场空间区域拍照一次；通过任意坐标系之间的转化关系，以坐标转换标识点为中介，将大型车厢上位于不同区域测量点的三维坐标转换到指定的统一世界坐标系内，进行相应尺寸指标的测算；测量精度高，简单易行，具有较强的推广与应用价值。
文档编号G01B11/00GK103196371SQ20131012174
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者张广明, 袁宇浩, 孙冬梅, 陈玉明 申请人:南京工业大学