一种基于线结构光的在线式蒙皮边界特征点提取方法与流程

1.本发明设计线结构光视觉测量领域，具体为一种基于线结构光的在线式蒙皮边界特征点提取方法。


背景技术：

2.发射箱蒙皮与箱体具有严格的制造、配合要求。传统蒙皮加工采用手工划线方式获取待加工边界，该方法效率低、精度差，受工人主观性影响较大，生产质量难以满足箱体密闭性要求。此外生产部门也尝试的数字化检测手段如激光扫描、面结构光扫描，都是利用扫描设备获取箱体整体点云数据，再配合后面的大规模点云数据的边界线提取算法获取边界线，这样的处理方式获得点云数据量大，算法复杂度高，不能实现实时边界线提取。
3.线结构光测量是一种重建速度快，精度高，抗噪性强的数字化测量方法，其通过投射激光条纹至被测物体表面，对激光条纹进行亚像素细化，根据三角法重建出被测物体的三维形貌，其重建点云在光平面上有序排列。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有箱体蒙皮边界提取的缺点，提出了一种基于线结构光的在线式蒙皮边界特征点提取方法。该方法可以有效对多种截面形状的箱体实现高精度实时提取。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于线结构光的在线式蒙皮边界特征点提取方法，包括以下步骤：s1、单双目结合手持式线结构光测量重建高反光的箱体表面的激光线，获取三维箱体表面三维点云数据；s2、扫描线点云降维与数据预处理；s3、两步法确定扫描线点云中的边界点特征点；s4、根据边界点分布情况确定蒙皮截面类型并优化边界特征点；进一步的，所述步骤s1中单双目结合手持式线结构光测量重建高反光的箱体表面的激光线，获取三维箱体表面三维点云数据，其具体过程为：利用两套激光线结构光重建系统分别采集图像，通过左右视图中光条之间的单应性关系解决了高反光问题，并利用灰度平方加权重心法完成光条中心提取，对条纹中心点集用五点滑动平均完成点集平滑，最后根据激光三角法完成条纹三维重建。
6.进一步的，所述步骤s2的扫描线点云降维与数据预处理具体过程为：s21、利用罗德里格斯旋转将重建三维数据旋转至与面平行的某平面，此时轴坐标相同，即完成了三维数据降维；s22、使用弦高差法剔除跳点与错误点；s23、设置半径，确定待滤波点半径内所有点并计算它们与待滤波点的距离，对距离进行归一化，然后带入高斯核函数计算高斯权值，加权平均获得滤波后的点。
7.进一步的，所述步骤s3的两步法确定扫描线点云中的边界点特征点，具体过程为：s31、使用douglas
–
peucker多边形近似确定扫描线点云上的控制顶点，根据控制顶点设置半径作为边界点的搜索区域;s32、构造搜索区域内所有点的转角支持域；s33、计算各点的k有向转角，确定搜索区域中所有点的正向极大值、负向极小值，根据转角、局部同号唯一性确定正确的边界点；s34、根据边界点的数量以及相邻边界点之间的距离确定箱体类型，再根据编号差值确定是否需要拟合边界获得更精确的边界点。
8.进一步的，所述构造搜索区域内所有点的转角支持域为根据给定累加弦长和和新点步长线性插值确定产生新点的坐标，具体过程为：将扫描线数据点按照原先存储的顺序建立序列编号，对于当前点，在给定弦长和内，首先确定左右邻域内最远点与，使其满足，式中为点到的累积弦长和，然后根据设定步长，从点出发按照步长计算新点，设其落入区间为那么由区间两端点线性插值确定新点。以右侧为例，第次步长后点在中，点到和分别对应的累加弦长和为与，、分别为比例系数，那么新点满足；其中，。
9.进一步的，所述k有向转角为一种能够表达变化趋势的有向特征量，其定义为：一点的左右等弦长距离点分别为，，他们与之间的向量为，，两向量之间的有向向量角值为；；；；当满足
时，，，那么点的有向转角为；当、位于两侧且共线时，此时，在邻域内无变化，可判定为非特征点，当、理论重合时，，为尖点，具有明显的特征信息，值越大其成为特征点的可能性越大，因此可作为表征离散点为边界特征点的属性。
10.进一步的，所述步骤s4中根据边界点分布情况确定蒙皮截面类型并优化边界特征点，具体判断为：1）若相邻异号极值点所在序列差小于5个点且两点欧式距离大于1mm，小于5mm,那么其为缺失数据的“台阶型”，类型1，2；2）若序列差大于5点，可认为上下边界点之间重建得到竖直边的点云，为类型3，由于重建分辨率、滤波等因素影响，实际边界点不一定恰好重建出来并且尖点部分存在收缩现象，需要通过两侧已知点进一步确定，可将上边界点两侧的点分别拟合直线求交点作为最终边界点；3）若相邻异号极值点仅存在一个边界点或则两个距离大于5mm，可判断其为“斜坡型”，同样将点两侧点集拟合直线求交点作为最终边界点；4）圆台多级台阶会存在2个上边界点，处理方式与台阶型类似，取第二个作为最终边界点。
11.本发明相对于现有技术有以下优点及效果：（1）本发明分两步提取箱体边界线，多边形近似确定粗定位区域，有向k转角确定精确定位点，可实现边界点精确提取；（2）本发明利用线结构光边扫边提，避免了大规模数据点云的重建，满足实时提取要求。
12.灰度平方加权法提取箱体表面的光条中心线，鲁棒性和精度更高，适合金属表面的三维重建。
附图说明
13.图1为本发明的一种基于线结构光的在线式蒙皮边界特征点提取方法的流程图；图2为本发明的线结构光测量边界示意图；图3为本发明的边界点精确定位示意图；图4为本发明的台阶型边界点提取结果图；图5为本发明的多级台阶型边界点提取结果图；图6为本发明的斜坡型边界点提取结果图；图7为本发明的边界提取流程图；图8为本发明的有向转角的示意图。
具体实施方式
14.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本技术保护的范围。
15.本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
16.以下对本发明的一种基于线结构光的在线式蒙皮边界特征点提取方法进行示例性说明。
17.s1、线结构光测量系统投射激光至箱体物体表面，通过中值滤波、闭运算完成光条图像预处理，通过基于边缘灰度的otsu阈值与全局阈值相结合，分割得到光条，按每一行搜索光条边界，通过加权灰度重心法计算光条亚像素中心点：式中：其中为提取得到的亚像素条纹中心点坐标，为像素坐标处的灰度值。
18.通过激光三角法完成三维重建。
19.s2、利用罗德里格斯旋转将重建三维数据旋转至与面平行的某平面，此时轴坐标相同，即完成了三维数据降维。
20.s3、使用弦高差法剔除跳点与错误点s4、、设置半径，计算待滤波点半径内所有点，进行距离归一化，然后带入高斯核函数计算权值，邻域点通过权值计算滤波后的点。
21.s5、通过多边形近似确定控制顶点，将其作为种子点确定待搜索点的集合。
22.s6、通过累加弦长和和新步长确定集合内各点的邻域支撑域，计算各点的k有向转角。
23.s7、计算所有集合内的所有正向极大值与负向极小值。
24.s8、通过转角阈值与同向极值唯一性删除非边界点的极值点。
25.转角阈值：在实际检测对象中，边界点角度值需要大于40
°
。
26.同符号局部唯一性：极大、极小值邻域点也会存在大于角度设定值，边界点给定欧式距离内只会存在一个同符号极值点。因此分符号将局部正向最大、负向最小的极值点作为边界点，其邻域范围内符号相同的极值点都舍弃。
27.s9、根据边界点的数量以及相邻边界点之间的距离确定箱体类型，再根据编号差
值确定是否需要拟合边界获得更精确的边界点。
28.若相邻异号极值点所在序列差小于5个点且两点欧式距离大于1mm，小于5mm,那么其为缺失数据的“台阶型”，类型1，2。
29.若序列差大于5点，可认为上下边界点之间重建得到竖直边的点云，为类型3，由于重建分辨率、滤波等因素影响，实际边界点不一定恰好重建出来并且尖点部分存在收缩现象，需要通过两侧已知点进一步确定，可将上边界点两侧的点分别拟合直线求交点作为最终边界点。
30.若相邻异号极值点仅存在一个边界点或则两个距离大于5mm，可判断其为“斜坡型”，同样将点两侧点集拟合直线求交点作为最终边界点。
31.s10、再次罗德里格斯旋转将二维边界点反变换至原始坐标系中。
32.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
33.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。