一種遠(yuǎn)心立體視覺測量方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種遠(yuǎn)心立體視覺測量裝置及其應(yīng)用于物體三維形貌微米級精度測量的方法，實現(xiàn)被測物體三維形貌數(shù)據(jù)的微米級獲取與檢測。遠(yuǎn)心立體視覺測量裝置，包括遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B和數(shù)據(jù)處理計算機(jī)。遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B固聯(lián)安裝，數(shù)據(jù)處理計算機(jī)與遠(yuǎn)心相機(jī)聯(lián)通，實時同步采集兩臺遠(yuǎn)心相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，并解算待測物體三維形貌數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)心相機(jī)在成像景深范圍內(nèi)放大倍率恒定不變，且具有低畸變、大景深等特點(diǎn)，利用遠(yuǎn)心相機(jī)構(gòu)成的測量系統(tǒng)，測量精度高。極線校正方法，應(yīng)用于遠(yuǎn)心立體視覺測量系統(tǒng)，可將后續(xù)圖像密集匹配的搜索維度由二維簡化為一維，提高了密集匹配的效率。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于計算機(jī)視覺領(lǐng)域,尤其涉及一套微米級測量精度的遠(yuǎn)心立體視覺測量裝置及測量方法。
技術(shù)介紹
高精度的工業(yè)檢測是機(jī)械制造領(lǐng)域不可或缺的一個環(huán)節(jié)，而其中高精度三維形貌測量是實現(xiàn)該任務(wù)的一種重要手段。目前，獲取物體三維形貌的技術(shù)可以分為接觸式和非接觸式測量方法兩大類。接觸式三維測量系統(tǒng)因其測量精度高而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量，但是其測量速度較慢，并且接觸式的測量方式可能會對待測物體造成污染、變性或損壞，不適用于實時檢測和檢測一些價值較高的物體。而目前的非接觸式三維測量系統(tǒng)融合了光學(xué)、數(shù)字圖像、計算機(jī)視覺技術(shù)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息，并能提供相當(dāng)高的精度和較高的測量效率，是解決中大型工件三維全尺寸檢測難題的一種可行方案。因此，從上世紀(jì)90年代以來，隨著自動化技術(shù)、微電子技術(shù)、人工智能技術(shù)以及計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的飛速發(fā)展，非接觸式的測量和重構(gòu)技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于表面檢測與測量領(lǐng)域。但是現(xiàn)有的立體視覺系統(tǒng)多采用常規(guī)工業(yè)相機(jī)，其成像原理類似于小孔成像，因而適用于大視場大尺度測量，而在近處進(jìn)行圖像測量時，圖像畸變比較嚴(yán)重，會對測量帶來不利影響，不適用于對微小尺寸工件進(jìn)行高精度測量與重構(gòu)。常規(guī)的視覺測量系統(tǒng)利用小孔相機(jī)，其目標(biāo)的成像大小與目標(biāo)到相機(jī)的距離有關(guān)，導(dǎo)致測量時需要經(jīng)過比例換算才能得到正確的測量值，在一定程度上增加了系統(tǒng)的耗時。不同于小孔相機(jī)模型的透視投影，雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭通過在透鏡焦距的位置放置一個孔徑光闌來使得鏡頭能夠提供場景的平行投影。因此，雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭能夠在比較大的景深范圍內(nèi)提供定常放大倍率，這個性質(zhì)使得該鏡頭能夠比較容易地僅僅通過相機(jī)對目標(biāo)的物理尺寸進(jìn)行測量和比較，不需要通過進(jìn)一步的計算來得到目標(biāo)的實際尺寸。在測量微小尺寸工件時，在獲得相同的放大倍率的情況下，遠(yuǎn)心鏡頭的測量距離更長，精度更高。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有三維測量系統(tǒng)的不足，兼顧常規(guī)遠(yuǎn)心相機(jī)工業(yè)檢測設(shè)備精度高的優(yōu)勢，提供一套遠(yuǎn)心立體視覺測量裝置及測量方法，實現(xiàn)被測物體三維形貌數(shù)據(jù)的微米級獲取與檢測。本專利技術(shù)的遠(yuǎn)心立體視覺測量裝置，包括遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B和數(shù)據(jù)處理計算機(jī)。其中，遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B固聯(lián)安裝，具有公共視場，即遠(yuǎn)心相機(jī)A的視角與遠(yuǎn)心相機(jī)B的視角有夾角，夾角范圍0°～90°；數(shù)據(jù)處理計算機(jī)與遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B聯(lián)通，實時同步采集兩臺遠(yuǎn)心相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，并解算待測物體三維形貌數(shù)據(jù)。固聯(lián)安裝是指遠(yuǎn)心相機(jī)A與遠(yuǎn)心相機(jī)B的相對位置固定。用本專利技術(shù)的裝置測量被測物體三維形貌的方法，其特征在于，包括以下步驟：第一步,系統(tǒng)標(biāo)定1.1建立相機(jī)A、B的標(biāo)定坐標(biāo)系OA-XAYAZA、OB-XBYBZB遠(yuǎn)心相機(jī)A坐標(biāo)系OA-XAYAZA，以遠(yuǎn)心相機(jī)A光心為原點(diǎn)OA,ZA軸與相機(jī)光軸重合，取拍攝方向為正方向；YA軸與ZA軸正交，沿遠(yuǎn)心相機(jī)A成像傳感器列方向；XA軸與YAZA平面垂直，沿遠(yuǎn)心相機(jī)A成像傳感器行方向；遠(yuǎn)心相機(jī)B坐標(biāo)系OB-XBYBZB，以遠(yuǎn)心相機(jī)B光心為原點(diǎn)OB,ZB軸與相機(jī)光軸重合，取拍攝方向為正方向；YB軸與ZB軸正交，沿遠(yuǎn)心相機(jī)B成像傳感器列方向；XB軸與YBZB平面垂直，沿遠(yuǎn)心相機(jī)B成像傳感器行方向；1.2相機(jī)標(biāo)定利用已有的遠(yuǎn)心雙目系統(tǒng)標(biāo)定算法，如文獻(xiàn)《Telecentricstereomicro-visionsystem:Calibrationmethodandexperiments》(2014年發(fā)表于《OpticsandLasersinEngineering》)提出的算法，獲得遠(yuǎn)心相機(jī)A、B的內(nèi)參KA、KB，在世界坐標(biāo)系OW-XWYWZW中的外參(RA,tA)、(RB,tB)，以及投影矩陣PA、PB，其計算公式如下所示：tA＝[tAxtAytAz]T,tB＝[tBxtBytBz]T(4)其中，MA和MB分別是遠(yuǎn)心相機(jī)A、B的放大倍數(shù)；(uA0,vA0)和(uB0,vB0)分別是遠(yuǎn)心相機(jī)A、B的成像面中心的坐標(biāo)；rA1,rA2,rA3分別表示遠(yuǎn)心相機(jī)A在世界坐標(biāo)系OW-XWYWZW中的XA,YA,ZA軸；表示的rAi轉(zhuǎn)置，其中i＝1,2,3；rB1,rB2,rB3分別表示遠(yuǎn)心相機(jī)B在世界坐標(biāo)系OW-XWYWZW中的XB,YB,ZB軸；表示的rBi轉(zhuǎn)置，其中i＝1,2,3；tA＝[tAxtAytAz]T表示遠(yuǎn)心相機(jī)A的平移量，tB＝[tBxtBytBz]T表示遠(yuǎn)心相機(jī)B的平移量；RA2×3和RB2×3分別表示遠(yuǎn)心相機(jī)A、B各自旋轉(zhuǎn)矩陣RA、RB的前兩行；是遠(yuǎn)心相機(jī)A的平移向量tA的前兩個分量；是遠(yuǎn)心相機(jī)B的平移向量tB的前兩個分量；QA表示遠(yuǎn)心相機(jī)A的投影矩陣PA的前3列，qA表示遠(yuǎn)心相機(jī)A的投影矩陣PA的第4列；QB表示遠(yuǎn)心相機(jī)B的投影矩陣PB的前3列，qB表示遠(yuǎn)心相機(jī)B的投影矩陣PB的第4列；1.3計算遠(yuǎn)心相機(jī)A、B的極線校正內(nèi)參矩陣K′A和KB′計算獲得遠(yuǎn)心相機(jī)A、B的極線校正內(nèi)參矩陣K′A和KB′，計算公式如下所示其中，是極線校正后遠(yuǎn)心相機(jī)的放大倍數(shù)，(u'0,v'0)是極線校正后的像面中心坐標(biāo)；1.4建立遠(yuǎn)心相機(jī)A、B的極線校正坐標(biāo)系遠(yuǎn)心相機(jī)A的極線校正坐標(biāo)系以遠(yuǎn)心相機(jī)A光心為原點(diǎn)OA,軸與ZA軸平行同向；軸垂直于軸和軸；軸與平面垂直；遠(yuǎn)心相機(jī)B的極線校正坐標(biāo)系以遠(yuǎn)心相機(jī)B光心為原點(diǎn)OB,軸與ZB軸平行同向；軸與軸平行同向；軸與平面垂直；因此，極線校正后遠(yuǎn)心相機(jī)A、B在世界坐標(biāo)系OW-XWYWZW的外參分別記為(R'A,t'A)和(R'B,t'B)，計算公式如下所示：其中，1.5計算極線校正后遠(yuǎn)心相機(jī)A、B新的投影矩陣和計算獲得極線校正后遠(yuǎn)心相機(jī)A、B新的投影矩陣和計算公式如下：其中，R'A2×3和R'B2×3分別表示極線校正后遠(yuǎn)心相機(jī)A、B各自旋轉(zhuǎn)矩陣R'A、R'B的前兩行，是極線校正后遠(yuǎn)心相機(jī)A的平移向量t'A的前兩個分量；是極線校正后遠(yuǎn)心相機(jī)B的平移向量t'B的前兩個分量,Q'A表示遠(yuǎn)心相機(jī)A的投影矩陣的前3列，表示遠(yuǎn)心相機(jī)A的投影矩陣的第4列；Q'B表示遠(yuǎn)心相機(jī)B的投影矩陣的前3列，表示遠(yuǎn)心相機(jī)B的投影矩陣的第4列。第二步,待測物體的三維形貌重建2.1放置待測物體將待測物體放置于兩臺遠(yuǎn)心相機(jī)公共視場區(qū)域位置；并確保兩臺相機(jī)的視場覆蓋整個待測物體，且清晰成像；2.2數(shù)據(jù)圖像的采集同步采集兩臺遠(yuǎn)心相機(jī)的圖像，并保存到數(shù)據(jù)處理計算機(jī)；2.3圖像的極線校正對于遠(yuǎn)心相機(jī)A，極線校正后的圖像的像點(diǎn)坐標(biāo)m'A＝[u'Av'A]T可由以下公式計算得到：其中，mA＝[uAvA]T是空間點(diǎn)[xwywzw]T在遠(yuǎn)心相機(jī)A的極線校正前原始圖像上的像點(diǎn)坐標(biāo)；對于遠(yuǎn)心相機(jī)B，極線校正后的圖像上的像點(diǎn)坐標(biāo)m'B＝[u'Bv'B]T可由以下公式計算可得：其中，mB＝[uBvB]T是空間點(diǎn)[xwywzw]T在遠(yuǎn)心相機(jī)B極線校正前原始圖像上的像點(diǎn)坐標(biāo)；在一般情況下，校正后的圖像的像素(整數(shù)坐標(biāo)位置)對應(yīng)于原始圖像平面上的非整數(shù)的位置。因此，校正后的圖像的灰度級是由原始圖像像素的灰度級進(jìn)行雙線性插值計算得到；2.4圖像的密集匹配利用已有的圖像密集匹配的算法，如文獻(xiàn)《Stereoprocessingbysemiglobalmatchingandmutualinformation》(2008年發(fā)表于《IE本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種遠(yuǎn)心立體視覺測量裝置，包括遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B和數(shù)據(jù)處理計算機(jī)，其特征在于，所述遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B固聯(lián)安裝，具有公共視場，即遠(yuǎn)心相機(jī)A的視角與遠(yuǎn)心相機(jī)B的視角有夾角，夾角范圍0°～90°；所述數(shù)據(jù)處理計算機(jī)與遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B聯(lián)通，實時同步采集兩臺遠(yuǎn)心相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，并解算待測物體三維形貌數(shù)據(jù)；固聯(lián)安裝是指遠(yuǎn)心相機(jī)A與遠(yuǎn)心相機(jī)B的相對位置固定。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種遠(yuǎn)心立體視覺測量裝置，包括遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B和數(shù)據(jù)處理計算機(jī)，其特征在于，所述遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B固聯(lián)安裝，具有公共視場，即遠(yuǎn)心相機(jī)A的視角與遠(yuǎn)心相機(jī)B的視角有夾角，夾角范圍0°～90°；所述數(shù)據(jù)處理計算機(jī)與遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B聯(lián)通，實時同步采集兩臺遠(yuǎn)心相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，并解算待測物體三維形貌數(shù)據(jù)；固聯(lián)安裝是指遠(yuǎn)心相機(jī)A與遠(yuǎn)心相機(jī)B的相對位置固定。2.一種遠(yuǎn)心立體視覺測量裝置應(yīng)用于物體三維形貌微米級精度測量的方法，其特征在于，包括以下步驟：第一步,系統(tǒng)標(biāo)定1.1將遠(yuǎn)心相機(jī)A、B用底座固定,連接數(shù)據(jù)處理計算機(jī),放置待測物體；1.2建立相機(jī)坐標(biāo)系OA-XAYAZA、OB-XBYBZB；遠(yuǎn)心相機(jī)A坐標(biāo)系OA-XAYAZA，以遠(yuǎn)心相機(jī)A光心為原點(diǎn)OA,ZA軸與相機(jī)光軸重合，取拍攝方向為正方向；YA軸與ZA軸正交，沿遠(yuǎn)心相機(jī)A成像傳感器列方向；XA軸與YAZA平面垂直，沿遠(yuǎn)心相機(jī)A成像傳感器行方向；遠(yuǎn)心相機(jī)B坐標(biāo)系OB-XBYBZB，以遠(yuǎn)心相機(jī)B光心為原點(diǎn)OB,ZB軸與相機(jī)光軸重合，取拍攝方向為正方向；YB軸與ZB軸正交，沿遠(yuǎn)心相機(jī)B成像傳感器列方向；XB軸與YBZB平面垂直，沿遠(yuǎn)心相機(jī)B成像傳感器行方向；1.3計算遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B的極線校正內(nèi)參矩陣K′L和K′R；計算獲得遠(yuǎn)心相機(jī)A、B的極線校正內(nèi)參矩陣K′A和K′B，計算公式如下所示KA′=KB′=KA+KB2=ΔK′=M0u′00Mv′0001---(6)]]>其中，是極線校正后遠(yuǎn)心相機(jī)的放大倍數(shù)，(u'0,v'0)是極線校正后的像面中心坐標(biāo)；MA和MB分別是遠(yuǎn)心相機(jī)A、B的放大倍數(shù)；(uA0,vA0)和(uB0,vB0)分別是遠(yuǎn)心相機(jī)A、B的成像面中心的坐標(biāo)；1.4建立遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B的極線校正坐標(biāo)系遠(yuǎn)心相機(jī)A的極線校正坐標(biāo)系以遠(yuǎn)心相機(jī)A光心為原點(diǎn)OA,軸與ZA軸平行同向；軸垂直于軸和軸；軸與平面垂直；遠(yuǎn)心相機(jī)B的極線校正坐標(biāo)系以遠(yuǎn)心相機(jī)B光心為原點(diǎn)OB,軸與ZB軸平行同向；軸與軸平行同向；軸與平面垂直；1.5計算遠(yuǎn)心相機(jī)A、遠(yuǎn)心相機(jī)B極線校正后新的投影矩陣和計算獲得極線校正后遠(yuǎn)心相機(jī)A、B新的投影矩陣和計算公式如下：P~A′=K′PA2×3′t′As01×31=&De...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉海波，林惠菁，姚林伸，尚洋，
申請(專利權(quán))人：中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：湖南;43