一种船舶曲板成形便携式三维视觉检测系统及方法与流程
本发明涉及船舶制造、三维检测领域，具体地，涉及一种船舶曲板成形便携式三维视觉检测系统及方法。
背景技术：
金属板材的成形和加工在航空、航天、汽车、船舶及民用工业中占有相当重要的比例。近年来，随着航空、航天、海运、高速铁路、化工以及城市建筑等行业的发展，对其需求也在不断增加。先进的加工制造和检测技术，在舰船的外板、飞机和航天器的蒙皮、车辆、大型容器和城市雕塑的覆盖件等三维曲面板制品的修造中有着广阔的应用前景，并将产生巨大的经济效益和社会效益。
目前在船体建造过程中，钢板弯曲加工之前的船体设计、放样、展开、号料、切割均实现了计算机化，其后的装配、焊接均实现了机械化和流水线化，只有钢板加工和检测环节仍靠手工，因此这已成了制约造船生产率提高的瓶颈。
目前船厂对船舶曲板的检测，除了具有严重双曲度的外板采用样箱之外，一般采用三角样板手工对样方法。虽然这种方法作为传统检测方法具有适应能力强等特点，但该方法存在一些明显的缺点：1、检测精度低，曲板成形精度难以保证；2、整个过程对工人的技术水平要求较高，劳动强度大，检测效率低；3、需要制作大量的三角样板，浪费木材、增加成本；4、无法形成定量的检测结果，从而无法提供准确的检测数据和评价标准，缺少检测规范。
国内的主要研究结构如上海交通大学，广船国际，大连理工大学，大连船舶重工等，对于船舶曲板成形的检验进行了广泛的研究，主要是曲面整体建模。优点是可以直观地看出整个曲面的形状。
三维视觉检测技术由于其具有非接触、速度快、精度高等优点已广泛应用于工业检测领域，但由于船舶曲板尺寸大、曲率小、批量小以及加工现场环境复杂等原因，应用于船舶行业的三维视觉检测技术很少。随着近年来三维检测技术的发展，尤其是图像采集设备等硬件设备生产技术的提高，为船板成形的三维视觉检测奠定了基础。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种船舶曲板成形便携式三维视觉检测系统和方法，以代替传统三角样板手工对样检测，缩短曲板的成形加工周期，提高成形质量，改善加工条件和降低生产成本。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种船舶曲板成形便携式三维视觉检测系统，包括检测装置上部、触摸屏、检测装置下部和手柄；
所述检测装置上部和检测装置下部通过螺钉连接；
所述手柄安装在所述检测装置下部的侧面上；
所述触摸屏内嵌在所述检测装置上部；
所述检测装置下部内设置有主动光投射装置、图像采集装置、供电装置、卡片式计算机和电路控制装置；其中，所述主动光投射装置发出的主动光形成光平面；所述图像采集装置采集曲板上光平面与肋位线重合的图像，并通过数据线与所述卡片式计算机进行数据通讯，完成采集数据的传输任务；所述供电装置，为整个检测设备提供电源；所述卡片式计算机与所述触摸屏实现显示和触摸信号的传输，所述卡片式计算机对所述图像采集装置采集的图像进行处理，获得曲板的三维点云，并通过所述触摸屏显示出来；所述电路控制装置上面集成所述主动光投射装置的驱动电路和所述供电装置的电压转换电路。
进一步的，所述主动光投射装置发出主动光形成的所述光平面与所述检测装置下部左侧面平行；所述图像采集装置的轴线与所述图像采集装置中心到所述主动光投射装置中心的连线所成的角度为θ。
进一步的，角度为θ为锐角，取值范围为30°～60°。
进一步的，所述检测装置下部的底面开有散热槽；所述检测装置下部的前侧面有usb数据线的安装孔，usb数据线通过两个螺钉与所述检测装置下部连接；所述检测装置下部的后侧面有所述供电装置开关的安装孔位，供电装置开关与所述检测装置下部过盈配合。
进一步的，所述主动光投射装置安装在所述检测装置下部内侧的圆柱筒上，所述主动光投射装置与所述圆柱筒过盈配合，所述圆柱筒右边设置有两个加强筋，所述圆柱筒上开有固定螺钉孔。
船舶曲板成形便携式三维视觉检测系统的方法，包括如下步骤：
步骤一：检测初始化
包括图像采集装置初始化和主动光投射装置初始化，图像采集装置初始化包括卡片式计算机与图像采集装置连接通信和图像采集装置根据环境的光照条件自动调整；主动光投射装置初始化为卡片式计算机通过电路控制装置与主动光投射装置实现信号传输，检测初始化结束后图像采集装置和主动光投射装置进入到外部检测开始信号触发的等待状态；
步骤二：主动光投射与图像采集同步控制
在获取检测信号后，检测系统进入实际检测流程，首先打开主动光投射装置，主动光投射装置投射的主动光会在曲板上形成一条显著的光线，检测时操作人员手持便携式检测设备，使得光平面与待测曲板的基面相垂直，以及将主动光投射装置投射的光线与曲板上标识的肋位线相重合，当光线与曲板肋位线相重合时，图像采集装置自动采集光刀图像；
步骤三：图像处理和点云提取
对步骤二中获取的光刀图像进行处理，精确地提取出曲板上肋位线处三维点云数据，并按照设定的格式输出，在检测系统中重建出所测量的曲板肋位线处的点云；
步骤四：理论数据获取
在检测之前，导入待测曲板的理论cad模型，解析出曲板每一条肋位线的点云数据；当检测系统提取出某一条肋位线的测量点云后，操作人员导入该条肋位线的理论数据，检测系统对该肋位线进行加密重构；
步骤五：点云配准
当完成测量点云的提取和理论点云的重构后，对测量点云和理论点云进行粗配准，再进行icp精配准；
步骤六：偏差计算和显示
对步骤五配准过后的测量点云和理论点云进行偏差计算，将偏差计算的值通过偏差色斑图显示出来，并显示偏差报表。
进一步的，步骤三)具体步骤包括：
步骤3.1图像处理，采用canny边缘检测算法先提取出图像中曲板的区域，再通过阈值算法和改进的膨胀腐蚀算法，将光条图像阈值处理，得到连续、均匀的光条图像；
步骤3.2光条预处理：采用阈值分割算法提取光刀条纹，在图像宽度方向找到灰度值最大的坐标点ymax,以该点为中心，对该点周围的2k+1个采样点加权求取灰度重心值作为该列的中心，公式如下：
其中：参数gi为灰度值，
步骤3.3点云拟合重构：将提取的点云以x值的大小排列进行有序化，再拟合成nurbs曲线，通过连接点云的起点和终点进行等距取点，计算出新的点，从而对测量点云进行重构。
进一步的，步骤四)中，曲板的理论cad模型就是曲板加工最后要达到的形状，是通过船舶设计软件tribon得到的。
进一步的，步骤五)中，测量点云和理论点云的粗配准方法是采用自动识别特征点三维变换算法。
进一步的，步骤六)中，配准过后的测量点云和理论点云都在x-y平面上，是通过计算相同x轴坐标值下，测量点云和理论点云y值的差d＝y1-y2作为偏差结果。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)解决曲面板材加工过程中工人使用三角样板对成形曲板进行检测导致的检测精度差、效率低、对工人经验要求高等问题；
(2)以线激光等抗干扰光源作为主动光光源，消除了加工现场环境光照的影响；
(3)该系统使用了嵌入式的图像采集设备，卡片式计算机，以及与之配套的触摸屏，整个检测设备便携，集成，系统操作简单，操作人员手持检测设备，在触摸屏上进行简单的操作，就可以完成船舶曲板肋位线处成形的检测，检测效率高，检测精度高，极大地降低了检测的成本和工人的劳动强度，弥补了国内船板成形便携、非接触式检测的空白；
(4)根据便携式三维视觉检测设备检测所形成的量化检测结果，有助于研究曲板成形的机理，为曲板成形设备的自动调形提供依据，为构建曲板成形加工专家系统奠定了基础。
(5)本发明只需检验肋位处的型线，这样可以保证检验精度，尤其肋位处的型线。通过提高肋位处型线的检验精度从而保证了肋骨安装，并且对提高船舶建造质量是很有意义。
(6)本发明方法基于三维视觉检测技术，借助主动光投射装置，对船舶曲板肋位线进行扫描，通过对图像采集装置采集的图像进行处理和船舶曲板理论模型进行解析，提取曲板肋位线处的测量点云和理论点云，通过自动识别特征点三维变换算法和icp配准算法对测量点云和理论点云进行配准，最后利用偏差计算技术得到曲板肋位线处的成形偏差，并通过报表显示。本发明与传统的三角样板手工对样检测方法相比，具有检测效率和精度高、检测结果可量化、便携、操作简单，大幅度降低了检测成本。
附图说明
图1是本发明检测方法流程图；
图2是本发明检测系统结构示意图；
图3是本发明检测系统下部结构示意图；
图4是本发明检测装置内部结构示意图；
图5是本发明检测状态示意图；
图6(a～d)是测量点云和理论点云粗配准原理图。
附图标记：
1-检测装置上部；2-触摸屏；3-检测装置下部；4-手柄；5-主动光投射装置；6-图像采集装置；7-供电装置；8-卡片式计算机；9-电路控制装置；10-光平面；11-曲板；12-肋位线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的
一种船舶曲板成形便携式三维视觉检测系统，包括检测装置上部1、触摸屏2、检测装置下部3、手柄4；所述检测装置上部1和检测装置下部3通过螺钉连接；所述手柄4安装在所述检测装置下部3的左侧面上；所述触摸屏2内嵌在所述检测装置上部1；所述检测装置下部3设置有主动光投射装置5、图像采集装置6、供电装置7、卡片式计算机8和电路控制装置9；其中，所述主动光投射装置5发出的主动光形成光平面10；所述图像采集装置6采集图像，并通过usb3.0数据线与所述卡片式计算机8进行数据通讯，完成采集数据的传输任务；所述供电装置7，为整个检测设备提供电源；所述卡片式计算机8与所述触摸屏2实现显示和触摸信号的传输，所述卡片式计算机8对所述图像采集装置6采集的图像进行处理，获得曲板的三维点云，并通过所述触摸屏2显示出来；所述电路控制装置9上面集成了所述主动光投射装置5的驱动电路和所述供电装置7的电压转换电路。
所述检测装置下部3的底面开有散热槽；所述检测装置下部3的前侧面有usb数据线的安装孔，所述usb数据线通过两个螺钉与所述检测装置下部3连接；所述检测装置下部3的后侧面有所述供电装置开关的安装孔位，所述开关与所述检测装置下部3过盈配合。
所述主动光投射装置5安装在所述检测装置下部3的圆柱筒上，所述主动光投射装置5与所述圆柱筒过盈配合，所述圆柱筒右边设置有两个加强筋，所述圆柱筒上开有固定螺钉孔。
其中，曲板11上标识有肋位线12。
所述主动光投射装置5发出主动光形成的所述光平面10与所述图像采集装置6左侧面平行；所述图像采集装置6的轴线与所述图像采集装置6中心到所述主动光投射装置5中心的连线所成的角度为θ，θ为锐角，取值范围为30°～60°。
一种船舶曲板成形便携式三维视觉检测方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：检测初始化
包括图像采集装置6初始化和主动光投射装置5初始化，图像采集装置6初始化包括卡片式计算机8与图像采集装置6连接通信和图像采集装置6根据环境的光照条件自动调整；主动光投射装置5初始化为卡片式计算机8通过电路控制装置9与主动光投射装置5实现信号传输，检测初始化结束后图像采集装置6和主动光投射装置5进入到外部检测开始信号触发的等待状态；
步骤二：主动光投射与图像采集同步控制
在获取检测信号后，检测系统进入实际检测流程，首先打开主动光投射装置，主动光投射装置投射的主动光会在曲板上形成一条显著的光线，检测时操作人员手持便携式检测设备，将光平面尽量的与待测曲板的基面相垂直，以及将主动光投射装置投射的光线与曲板上标识的肋位线相重合，当光线与曲板肋位线相重合时，图像采集设备自动采集光刀图像；
步骤三：图像处理和点云提取
对步骤二中获取的光刀图像进行处理，精确地提取出曲板上肋位线处三维点云数据，并按照设定的格式输出，在检测系统中重建出所测量的曲板肋位线处的点云。
步骤四：理论数据获取
在检测之前，导入待测曲板的理论cad模型，解析出曲板每一条肋位线12的点云数据。当检测系统提取出某一条肋位线12的测量点云后，操作人员导入该条肋位线12的理论数据，检测系统对该肋位线12进行加密重构；
步骤五：点云配准
当完成测量点云的提取和理论点云的重构后，对测量点云和理论点云进行粗配准，再进行icp精配准；
步骤六：偏差计算和显示
对步骤五配准过后的测量点云和理论点云进行偏差计算，将偏差计算的值通过偏差色斑图显示出来，并显示偏差报表；
步骤三具体步骤包括：
步骤3.1，图像处理，采用canny边缘检测算法先提取出图像中曲板的区域，再通过阈值算法和改进的膨胀腐蚀算法，将光条图像阈值处理，得到连续、均匀的光条图像；
步骤3.2，光条预处理：采用阈值分割算法提取光刀条纹，在图像宽度方向找到灰度值最大的坐标点ymax,以该点为中心，对该点周围的2k+1个采样点加权求取灰度重心值作为该列的中心，公式如下：
其中：参数gi为灰度值，
步骤3.3，点云拟合重构：将提取的点云以x值的大小排列进行有序化，再拟合成nurbs曲线，通过连接点云的起点和终点进行等距取点，计算出新的点，从而对测量点云进行重构。
步骤四中：
曲板的理论cad模型就是曲板加工最后要达到的形状，是通过船舶设计软件tribon得到的。
步骤5五中：
测量点云和理论点云的粗配准方法是采用自动识别特征点三维变换算法。
步骤六中：
精配准过后的测量点云和理论点云都在x-y平面上，是通过计算相同x轴坐标值下，测量点云和理论点云y值的差d＝y1-y2作为偏差结果。
结合附图2所示，一种船舶曲板成形便携式三维视觉检测系统，包括：检测装置上部1、触摸屏2、检测装置下部3、手柄4；所述检测装置上部1和检测装置下部3通过螺钉连接；所述手柄4安装在所述检测装置下部3的侧面；所述触摸屏2内嵌在所述检测装置上部1。
结合附图3、4、5所示，所述检测装置下部3设置有主动光投射装置5、图像采集装置6、供电装置7、卡片式计算机8和电路控制装置9；其中，所述主动光投射装置5发出的主动光形成光平面10；所述图像采集装置6采集图像，并通过usb3.0数据线与所述卡片式计算机8进行数据通讯，完成采集数据的传输任务；所述供电装置7，为整个检测设备提供电源；所述卡片式计算机8与所述触摸屏2实现显示和触摸信号的传输，所述卡片式计算机8对所述图像采集装置6采集的图像进行处理，获得曲板的三维点云，并通过所述触摸屏2显示出来；所述电路控制装置9上面集成了所述主动光投射装置5的驱动电路和所述供电装置7的电压转换电路。
结合附图3所示，所述检测装置下部3的底面开有散热槽；所述主动光投射装置5发出主动光形成的所述光平面10与所述图像采集装置6左侧面平行；所述图像采集装置6的轴线与所述图像采集装置6中心到所述主动光投射装置5中心的连线所成的角度为θ。
结合附图4所示，所述检测装置下部3的前侧面有usb数据线的安装孔，所述usb数据线通过两个螺钉与所述检测装置下部3连接；所述检测装置下部3的后侧面有所述供电装置开关的安装孔位，所述开关与所述检测装置下部3过盈配合；所述主动光投射装置5安装在所述检测装置下部3的圆柱筒上，所述主动光投射装置5与所述圆柱筒过盈配合，所述圆柱筒右边设置有两个加强筋，所述圆柱筒上开有固定螺钉孔。
结合附图5所示，曲板11上标识有肋位线12。
结合附图1所示，一种船舶曲板成形便携式三维视觉检测方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：检测初始化
包括图像采集装置初始化和主动光投射装置初始化，图像采集装置初始化包括卡片式计算机与图像采集装置连接通信和图像采集装置根据环境的光照条件自动调整；主动光投射装置初始化为卡片式计算机通过电路控制装置与主动光投射装置实现信号传输，检测初始化结束后图像采集装置和主动光投射装置进入到外部检测开始信号触发的等待状态；
步骤2：主动光投射与图像采集同步控制
在获取检测信号后，检测系统进入实际检测流程，首先打开主动光投射装置，主动光投射装置投射的主动光会在曲板上形成一条显著的光线，检测时操作人员手持便携式检测设备，将光平面尽量的与待测曲板的基面相垂直，以及将主动光投射装置投射的光线与曲板上标识的肋位线相重合，当光线与曲板肋位线相重合时，图像采集设备自动采集光刀图像；
步骤3：图像处理和点云提取
对步骤二中获取的光刀图像进行处理，精确地提取出曲板上肋位线处三维点云数据，并按照设定的格式输出，在检测系统中重建出所测量的曲板肋位线处的点云。
步骤4：理论数据获取
在检测之前，导入待测曲板的理论cad模型，解析出曲板每一条肋位线的点云数据。当检测系统提取出某一条肋位线的测量点云后，操作人员导入该条肋位线的理论数据，检测系统对该肋位线进行加密重构；
步骤5：点云配准
当完成测量点云的提取和理论点云的重构后，对测量点云和理论点云进行粗配准，再进行icp精配准；
步骤6：偏差计算和显示
对步骤5配准过后的测量点云和理论点云进行偏差计算，将偏差计算的值通过偏差色斑图显示出来，并显示偏差报表。
进一步地，步骤3中：
步骤3.1，图像处理，采用canny边缘检测算法先提取出图像中曲板的区域，再通过阈值算法和改进的膨胀腐蚀算法，将光条图像阈值处理，得到连续、均匀的光条图像；
步骤3.2，光条预处理：采用阈值分割算法提取光刀条纹，在图像宽度方向找到灰度值最大的坐标点ymax,以该点为中心，对该点周围的2k+1个采样点加权求取灰度重心值作为该列的中心，公式如下：
其中：参数gi为灰度值，
步骤3.3，点云拟合重构：将提取的点云以x值的大小排列进行有序化，再拟合成nurbs曲线，通过连接点云的起点和终点进行等距取点，计算出新的点，从而对测量点云进行重构。
进一步地，步骤4中：
曲板的理论cad模型就是曲板加工最后要达到的形状，是通过船舶设计软件tribon得到的。
进一步地，结合附图6所示，步骤5中：
测量点云和理论点云的粗配准方法是采用自动识别特征点三维变换算法。通过在测量点云和理论点云中分别自动选择三个特征点，分别为理论点云的起始点pt1、终止点pt2和起始点和终止点连线的中点，测量点云的起始点ps1、终止点ps2和起始点和终止点连线的中点；将测量点云和理论点云都变换到x-y平面上，如图6(a)所示；移动测量点云中点和坐标原点重合，移动理论点云中点和坐标系的原点重合，如图6(b)所示；旋转测量点云和理论点云使向量
进一步地，步骤6中：
精配准过后的测量点云和理论点云都在x-y平面上，是通过计算相同x轴坐标值下，测量点云y1和理论点云y2值的差d＝y1-y2作为偏差结果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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