專利名稱：一種強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件的在位測(cè)量中多次反光抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件的在位測(cè)量中多次反光抑制方法，本方法可用于對(duì)強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件的在位測(cè)量。本發(fā)明屬于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大型金屬結(jié)構(gòu)件在航空、航天、船舶、汽車等高端裝備制造領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，其加工精度對(duì)裝備的性能具有重要作用。傳統(tǒng)金屬整體結(jié)構(gòu)件的材料主要為鋁合金或鈦合金，經(jīng)過(guò)精密銑削加工之后結(jié)構(gòu)件表面極為光滑，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反光現(xiàn)象，使現(xiàn)有商用光學(xué)三維視覺(jué)測(cè)量?jī)x器失效，無(wú)法正確測(cè)量金屬等強(qiáng)反光表面的三維形貌。尤其在基于自適應(yīng)快速條紋投射的在線三維視覺(jué)檢測(cè)方法中，金屬結(jié)構(gòu)件表面的強(qiáng)反光導(dǎo)致相機(jī)采集到的條紋圖像飽和或過(guò)暗，無(wú)法正確解相，出現(xiàn)大面積三維點(diǎn)云缺失，而且即便是測(cè)量出的三維點(diǎn)云，、其測(cè)量精度也較低。解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于提高測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，使其與金屬表面反射率范圍一致。而且，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境下，環(huán)境光干擾不易控制，測(cè)量系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境光的要求，大幅提高了強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件在位測(cè)量的難度。因此，在強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件在位測(cè)量中，金屬表面強(qiáng)放光問(wèn)題和多次反光問(wèn)題是亟待解決的關(guān)鍵瓶頸，測(cè)量基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。研究強(qiáng)反光表面三維形貌測(cè)量理論和方法，建立多次反光條件下新的測(cè)量理論，突破強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件在位測(cè)量中的技術(shù)瓶頸，建立完整的強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件在位測(cè)量中多次反光抑制理論和方法體系具有重要的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是提出一種強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件的在位測(cè)量中多次反光抑制方法，將選擇性投射多次反光抑制技術(shù)、強(qiáng)反光表面的高動(dòng)態(tài)范圍條紋圖像采集技術(shù)與高速、高動(dòng)態(tài)范圍和選擇性投射的數(shù)字條紋投射器相結(jié)合，通過(guò)選擇性投射多次反光抑制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)表面條紋的選擇性投射，通過(guò)強(qiáng)反光表面的高動(dòng)態(tài)范圍條紋圖像采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)提高合成高動(dòng)態(tài)范圍條紋圖像，通過(guò)高速、高動(dòng)態(tài)范圍和選擇性投射的數(shù)字條紋投射器實(shí)現(xiàn)投射的條紋具有較大的亮度變化范圍、較高的響應(yīng)速度和刷新頻率，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件的在位測(cè)量。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件的在位測(cè)量中多次反光抑制方法，其特征在于，它包括以下步驟步驟一利用基于平面靶標(biāo)的相機(jī)標(biāo)定算法，標(biāo)定左相機(jī)、右相機(jī)和投射器內(nèi)參數(shù)，標(biāo)定出左相機(jī)與右相機(jī)之間的外參數(shù)和左相機(jī)與投射器之間的外參數(shù)。首先將平面靶標(biāo)至于投射器和相機(jī)前，通過(guò)相機(jī)拍攝靶標(biāo)計(jì)算圓心點(diǎn)坐標(biāo)；然后投射橫縱條紋，計(jì)算圓心點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的相位，并由相位計(jì)算對(duì)應(yīng)的數(shù)字投射器坐標(biāo)，從而建立其靶標(biāo)圓心三維坐標(biāo)與投射器像平面上二維圖像坐標(biāo)的關(guān)系；最后利用基于平面靶標(biāo)的相機(jī)標(biāo)定算法，標(biāo)定投影儀內(nèi)參數(shù)。
利用靶標(biāo)作為中介標(biāo)定出投影儀與左相機(jī)之間的外參數(shù)和左相機(jī)與右相機(jī)之間的外參數(shù)。步驟二 通過(guò)零件的CAD模型進(jìn)行測(cè)量規(guī)劃。首先根據(jù)高斯球原理，確定測(cè)量傳感器的測(cè)量姿態(tài)(方位角)；然后根據(jù)測(cè)量傳感器單視場(chǎng)的測(cè)量范圍，確定每個(gè)姿態(tài)下測(cè)量傳感器的空間坐標(biāo)。再根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，將傳感器的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)床下的坐標(biāo)值。最后，就劃分出來(lái)了需要選擇性投射的各個(gè)面。步驟三計(jì)算被測(cè)工件和數(shù)字投射器之間的坐標(biāo)關(guān)系。 即需要確定旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T。數(shù)字投射器與左相機(jī)坐標(biāo)系之間的相對(duì)位姿可由數(shù)字投射器標(biāo)定給出，左相機(jī)坐標(biāo)系與拼接測(cè)量坐標(biāo)系之間的相對(duì)位姿可由拼接測(cè)量系統(tǒng)給出，拼接測(cè)量坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系之間的相對(duì)位姿可由坐標(biāo)對(duì)齊系統(tǒng)給出，由坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系可得到數(shù)字投射器與工件坐標(biāo)系之間的相對(duì)位姿。步驟四將工件上需要測(cè)量的點(diǎn)投影到數(shù)字投射器上，確定出需要投射的區(qū)域。將工件上需要測(cè)量的點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字投射器坐標(biāo)，由此確定出需要投射的區(qū)域，為選擇性投射做準(zhǔn)備。步驟五投射的區(qū)域進(jìn)行腐蝕及膨脹運(yùn)算后，選擇性投射。根據(jù)步驟二對(duì)被測(cè)零件的測(cè)量規(guī)劃，根據(jù)投射面和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需要選擇性投射不同亮度的條紋圖像。步驟六利用左右相機(jī)拍攝投射需要測(cè)的各個(gè)面的條紋圖像。根據(jù)需要調(diào)節(jié)相機(jī)曝光時(shí)間拍攝待測(cè)面的圖像。步驟七相位解算與正確性分析。對(duì)拍攝的物體橫、豎正弦條紋的投影，進(jìn)行相位解算和相位展開，獲得大量匹配點(diǎn)。相位解算采用四步相移法。對(duì)應(yīng)的解相公式為
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件的在位測(cè)量中多次反光抑制方法，其特征在于，它包括以下步驟 步驟一利用基于平面靶標(biāo)的相機(jī)標(biāo)定算法，標(biāo)定左相機(jī)、右相機(jī)和投射器內(nèi)參數(shù)，標(biāo)定出左相機(jī)與右相機(jī)之間的外參數(shù)和左相機(jī)與投射器之間的外參數(shù)；首先將平面靶標(biāo)至于投射器和相機(jī)前，通 過(guò)相機(jī)拍攝靶標(biāo)計(jì)算圓心點(diǎn)坐標(biāo)；然后投射橫縱條紋，計(jì)算圓心點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的相位，并由相位計(jì)算對(duì)應(yīng)的數(shù)字投射器坐標(biāo)，從而建立其靶標(biāo)圓心三維坐標(biāo)與投射器像平面上二維圖像坐標(biāo)的關(guān)系；最后利用基于平面靶標(biāo)的相機(jī)標(biāo)定算法，標(biāo)定投影儀內(nèi)參數(shù)，利用靶標(biāo)作為中介標(biāo)定出投影儀與左相機(jī)之間的外參數(shù)和左相機(jī)與右相機(jī)之間的外參數(shù)； 步驟二 通過(guò)零件的CAD模型進(jìn)行測(cè)量規(guī)劃；首先根據(jù)高斯球原理，確定測(cè)量傳感器的測(cè)量姿態(tài)即方位角；然后根據(jù)測(cè)量傳感器單視場(chǎng)的測(cè)量范圍，確定每個(gè)姿態(tài)下測(cè)量傳感器的空間坐標(biāo)；再根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，將傳感器的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)床下的坐標(biāo)值；最后，就劃分出來(lái)了需要選擇性投射的各個(gè)面； 步驟三計(jì)算被測(cè)工件和數(shù)字投射器之間的坐標(biāo)關(guān)系；即需要確定旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T ;數(shù)字投射器與左相機(jī)坐標(biāo)系之間的相對(duì)位姿由數(shù)字投射器標(biāo)定給出，左相機(jī)坐標(biāo)系與拼接測(cè)量坐標(biāo)系之間的相對(duì)位姿由拼接測(cè)量系統(tǒng)給出，拼接測(cè)量坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系之間的相對(duì)位姿由坐標(biāo)對(duì)齊系統(tǒng)給出，由坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系得到數(shù)字投射器與工件坐標(biāo)系之間的相對(duì)位姿； 步驟四將工件上需要測(cè)量的點(diǎn)投影到數(shù)字投射器上，確定出需要投射的區(qū)域；將工件上需要測(cè)量的點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字投射器坐標(biāo)，由此確定出需要投射的區(qū)域，為選擇性投射做準(zhǔn)備； 步驟五投射的區(qū)域進(jìn)行腐蝕及膨脹運(yùn)算后，選擇性投射；根據(jù)步驟二對(duì)被測(cè)零件的測(cè)量規(guī)劃，根據(jù)投射面和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需要選擇性投射不同亮度的條紋圖像； 步驟六利用左右相機(jī)拍攝投射需要測(cè)的各個(gè)面的條紋圖像；根據(jù)需要調(diào)節(jié)相機(jī)曝光時(shí)間拍攝待測(cè)面的圖像； 步驟七相位解算與正確性分析；對(duì)拍攝的物體橫、豎正弦條紋的投影，進(jìn)行相位解算和相位展開，獲得大量匹配點(diǎn)； 相位解算采用四步相移法，對(duì)應(yīng)的解相公式為￠(^) = 其中g(shù)i(x，y)為條紋圖像，O (x, y)為需要解算的相主值，i為相移次數(shù)； 利用外差多頻相位展開法進(jìn)行相位展開，通過(guò)投射多級(jí)周期相差不大的條紋，根據(jù)外差原理，得到一個(gè)周期可覆蓋整個(gè)視場(chǎng)的條紋，利用這個(gè)條紋與其中一個(gè)原始投射條紋在零相位相同的情況下相位值與周期的反比關(guān)系，進(jìn)行相位展開；根據(jù)實(shí)際需要，這里投射三種不同頻率的條紋，經(jīng)過(guò)對(duì)物體的橫豎投影、拍照，相位解算和展開之后，左右相機(jī)的每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)著一對(duì)橫豎相位值，這些相位值以二維數(shù)組的形式存儲(chǔ)，橫、豎相位分別存在不同的數(shù)組中； 步驟八利用外差多頻相位展開法得到的最后的解相結(jié)果進(jìn)行被測(cè)表面的三維復(fù)現(xiàn)，得到被測(cè)表面的三維點(diǎn)坐標(biāo)。
全文摘要
一種強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件的在位測(cè)量中多次反光抑制方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件的在位測(cè)量，它有八大步驟。該方法首先對(duì)左右相機(jī)和投射器進(jìn)行標(biāo)定；再利用在位測(cè)量機(jī)床提供的參數(shù)求取投射器與工件坐標(biāo)系的相對(duì)位姿；然后通過(guò)零件CAD的模型的各個(gè)面法線方向進(jìn)行測(cè)量規(guī)劃；進(jìn)而工件上需要測(cè)量的點(diǎn)投影到數(shù)字投射器上，確定出需要投射的區(qū)域后選擇性投射；最后通過(guò)對(duì)相機(jī)拍的圖片的相位解算完成物體的三維復(fù)現(xiàn)。本發(fā)明除了具有速度快、精度高和三維點(diǎn)云稠密等優(yōu)點(diǎn)外，還實(shí)現(xiàn)了無(wú)人工干預(yù)下的全自動(dòng)在位測(cè)量，可操作性強(qiáng)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)反光金屬結(jié)構(gòu)件在位快速測(cè)量的需求。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102721375SQ20121021074
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者姜宏志, 孫健, 趙慧潔 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)