CN100458358C - 一种基于轴向立体视觉的逆向测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轴向立体视觉的逆向测量方法与装置。它主要由两架按轴向分布的照相机、圆台内面镜、结构光发生器及其它附件构成。测量过程中，被测物体放置在升降机构上下移动，由结构光发生器将圆形平面结构光投向被测物体，经物体表面形状调制后在周向形成一截面光条。由两个轴向照相机同时捕捉该截面光条在圆台内面镜中所成的虚像，然后依据同轴照相机特殊的外极线约束关系，进行快速的同源像点匹配，依据轴向立体视觉原理，计算出光条虚像上各采样点的空间坐标。最后根据物、像对称原理，计算出物体上各个截面的形状，通过截面数据的轴向拼接，反求出整个物体的几何模型。该方法结构简单、设备成本低，且具有较快的测量速度。

Description

一种基于轴向立体视觉的逆向测量方法与装置

技术领域

本发明涉及一种基于轴向立体视觉的逆向测量方法与装置。

背景技术

逆向工程作为一种快速的产品创新开发手段，在现代制造业中有着广泛的应用，逆向工程建模的首要任务是准确、快速、合理地获取描述产品外形的点云数据。

目前，运用最为普遍的逆向测量方法有：接触式测量法、激光扫描法和立体视觉测量法。接触式测量与激光扫描测量技术已经比较成熟，是目前占市场份额最大的两种逆向测量手段。但接触式测量与激光扫描测量一般以三坐标测量机或柔性臂等为硬件支持，设备成本很高。立体视觉测量法使用两架照相机，在不同角度对被测量物体进行拍照，利用视差原理，恢复出测量点的深度信息。它可以在瞬间获取被测物体表面大量的几何信息，测量效率很高，而且硬件结构简单，设备成本较低，随着CCD技术的发展，视觉测量的精度在不断地提高，所以立体视觉测量法是一种很有前景的逆向测量方法。

目前被广泛使用的是横向立体视觉法，即测量过程中两架照相机按横向分布。使用横向立体视觉法进行逆向测量，需要分别获取物体在各个侧面上的几何数据，然后通过复杂的数据拼接过程建立完整的几何模型。此外使用横向立体视觉法，由于两像平面间没有特殊的几何关系，所以同源特征匹配算法比较复杂。本发明将使用轴向立体视觉原理，利用两像平面间特殊的几何关系，简化图像处理算法，为逆向工程提供一种低成本、高效率的数据采集方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于轴向立体视觉的逆向测量方法与装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、基于轴向立体视觉的逆向测量方法：

测量过程中，被测物体放置在升降机构上，并随升降机构上下移动，由圆形平面结构光发生器将圆形平面结构光投向被测物体，经物体表面形状调制后在周向形成一截面光条。由两架按轴向分布的照相机，同时摄取该截面光条在圆台内面镜中所成的虚像，然后依据同轴照相机外极线约束关系，进行图像匹配，依据轴向立体视觉原理计算出光条虚像上各采样点的空间坐标，根据物、像对称原理，计算出物体上各个截面的形状。接着通过控制物体随升降机构向上或向下移动，获取物体上沿轴向分布的一系列采样截面的形状数据。最后通过截面数据的轴向拼接，反求出整个物体的几何模型。

所述的同轴照相机外极线约束关系是：利用同轴照相机两像平面上的外极线相互平行，极点与像平面中心重合的特点，进行同源像点匹配。

二、一种基于轴向立体视觉的逆向测量装置、

远轴照相机和近轴照相机置于圆台内面镜的上方，且两架照相机的轴线相互垂直，在两轴线的交点处安置一圆形分光镜，远轴照相机离开圆形分光镜的距离比近轴照相机远，两架照相机能在各自的轴线上移动。圆台内面镜大底面朝上，由支架支撑，其大底面顶部安装有圆形平面结构光发生器，圆台内面镜底部有一升降机构，被测物体放置在升降机构上并位于圆台内面镜中，支架和升降机构布置在底座上。两架照相机和升降机构均分别与计算机连接。

本发明具有的有益效果是：

1)由于圆形分光镜的存在，使两照相机在原理上按轴向分布，从而使两像平面上的极线相互平行，且极点与像平面中心重合，简化同源像点的匹配过程。

2)测量过程中依次获得物体轴向各个位置上的截面轮廓，重建几何模型时，只需要进行轴向数据拼接，而不需要周向数据拼接。

3)整个逆向测量***结构简单，设备成本低。

附图说明

图1是基于轴向立体视觉的逆向测量***结构示意图；

图2是结构光发生器结构示意图；

图3是轴向立体视觉测量模型示意图；

图4是轴向立体视觉外极线分布规律示意图；

图5是轴向立体视觉同源像点匹配规律示意图；

图6是基于轴向立体视觉的逆向测量方法流程图。

图中：1、远轴照相机，2、近轴照相机，3、圆形分光镜，4、被测物体，5、圆形平面结构光发生器，6、圆形平面结构光，7、圆台内面镜，8、支架，9、升降机构，10、底座，11、虚拟远轴照相机，12、电缆，13、计算机，14、发光二极管(LED)，15、圆形狭缝。

具体实施方式

如图1、图2所示，远轴照相机1和近轴照相机2置于圆台内面镜7的上方，且两架照相机的轴线相互垂直，在两轴线的交点处安置一圆形分光镜3，远轴照相机1离开圆形分光镜3的距离比近轴照相机2远，两架照相机能在各自的轴线上移动；圆台内面镜7大底面朝上，由支架8支撑，其大底面顶部安装有圆形平面结构光发生器5，圆台内面镜7底部有一升降机构9，被测物体4放置在升降机构9上并位于圆台内面镜7中，支架8和升降机构9布置在底座10上；两架照相机和升降机构9均分别用电缆12与计算机13连接，计算机13内配置有图像采集卡、控制升降机构9所需的运动控制卡、测量软件。

所述的圆形平面结构光发生器5为圆环形，其内部按周向均布有多个发光二极管14，在其内侧的中轴面上开有一圆形狭缝15，由发光二极管14产生的光线透过狭缝向中心投射，形成圆形平面结构光6。

所述的圆台内面镜7的底角为45°。所述的圆形分光镜3与两架照相机1、2轴线之间的夹角均为45°。所述的近轴照相机2的轴线、圆台内面镜7的轴线位于同一直线上，远轴照相机1的轴线与该直线垂直相交。

所述的升降机构9为丝杠传动装置，安装有记录升降机构9在轴向位置的闭环位置反馈装置。所述的闭环位置反馈装置为光栅尺。

整个测量***结构如图1所示，近轴照相机2和远轴照相机1放置在圆台内面镜7的上方，两照相机1、2的轴线相互垂直。为了获得轴向立体视差，原本远轴照相机2的位置应在虚拟远轴照相机11上，但若同轴放置，近轴照相机2将阻挡远轴照相机1的视线，所以在两相机1、2轴线的交点处安置了一个圆形分光镜3，它与两轴线都成45°角。圆形分光镜3将轴向光线平均地分配给了近轴照相机2和远轴照相机1，这样它们可以同时获得轴向图像，而不产生相互阻挡。两照相机1、2可以在各自的轴线上移动，以调节视野，但为了保证立体视差，远轴照相机1离开圆形分光镜3的距离要比近轴照相机2远。圆台内面镜7下底面朝上，由支架8支撑，它的中轴线与近轴照相机2、远轴照相机1的中轴线位于同一直线上。圆台内面镜7的下底面顶部安装有圆形平面结构光发生器5，内部有一升降机构9，被测物体4放置在升降机构9上，支架8和升降机构9布置在底座10上。

结构光发生器5的结构如图2所示，显圆环形结构，在内部按周向布置了多个发光二极管14。圆环内侧的中轴面上开有一圆形狭缝15，当LED14发光时，与狭缝15平行的光就从狭缝15中射出，形成一个圆形的平面结构光6。该平面结构光6将与被测物体4在周向相交，在某一截面上形成一个光条，该光条将在圆台内面镜7上成像。如图3所示，设P为光条上一点，则其在圆台内面镜7上的虚像为P′。然后近轴照相机2和远轴照相机1将同时捕捉光条在圆台内面镜7上的虚像，并通过电缆12将图像信息传递给计算机13，这样就获得了被测物体4在该高度上的截面轮廓图像。每当被测物体4随升降机9移动一个步长，近轴照相机2和远轴照相机1就采集一次图像，依次获得被测物体4在轴向上各个采样截面的轮廓图像。

升降机构9可以使用丝杠传动装置，或其它能够实现升降的装置，升降机构9内部安装有闭环位置反馈装置(如光栅尺)，以精确记录各个采样截面的轴向位置，位置信号通过电缆12传递给计算机13。

图3给出了轴向立体视觉测量模型的基本原理。图中O_c1、O_c2分别为近远轴照相机1、2的光学中心，O_N、O_M则分别对应它们的像平面中心，其中O_c1与O_c2的距离为D，O_c1、O_c2与各自像平面的距离分别为f_M、f_N。图中假设该照相装置为理想***，所以O_c1、O_M、O_c2、O_N位于同一直线上。图中P′为圆台内面镜上一虚像点，它在近轴照相机2与远轴照相机1上的像点分别为P_M、P_N，设它们在各自像平面上的坐标分别为(x_M，y_M)、(x_N，y_N)。以O_c1为原点建立测量坐标系o_sx_sy_sz_s，设P′点在测量系下的坐标为(x′_s，y′_s，z′_s)，则由ΔO_c1O_MP_M∽ΔO_C1KP′得：

$\frac{x_s^{\′}}{x_M}=\frac{y_s^{\′}}{y_M}=\frac{z_s^{\′}}{f_M}---\left(1\right)$

由ΔO_c2O_NP_N∽ΔO_c2KP′得：

$\frac{x_s^{\′}}{x_N}=\frac{y_s^{\′}}{y_N}=\frac{z_s^{\′}+D}{f_N}---\left(2\right)$

(1)(2)联立得：

这样就得到了虚像点P′在测量坐标系o_sx_sy_sz_s下的坐标值，然后根据物像对称原理就可以获得物点P在测量坐标系下的坐标值。

如图3所示，设圆台内面镜的下底面直径为2b，上底面直径为2a，且上底面与o_s的距离为L，则圆台镜在测量坐标系下的方程可以表示为：

$Z-(L+b)=-\sqrt{x^2+y^2},(L\≤Z\≤L+b-a)$

设虚像点P′所对应的物点为P，则根据P′、P关于BC对称的关系，点P的坐标可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_s=-\frac{x_s^{\′}(z_s^{\′}-L-b)}{\sqrt{{\left(x_s^{\′}\right)}^2+{\left(y_s^{\′}\right)}^2}}\\ y_s=-\frac{y_s^{\′}(z_s^{\′}-L-b)}{\sqrt{{\left(x_s^{\′}\right)}^2+{\left(y_s^{\′}\right)}^2}}\\ z_s=-\sqrt{{\left(x_s^{\′}\right)}^2+{\left(y_s^{\′}\right)}^2}+L+b\end{array}\right.---\left(4\right)$

将(3)代入(4)就可以得到物点P在测量坐标系下的坐标值：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_s=\frac{D^2{x}_N^2{x}_M{f}_M}{K{(x_M{f}_N-x_N{f}_M)}^2}-\frac{D{x}_N{x}_M(L+b)}{K(x_M{f}_N-x_N{f}_M)}\\ y_s=\frac{D^2{y}_N^2{y}_M{f}_M}{K{(y_M{f}_N-y_N{f}_M)}^2}-\frac{D{y}_N{y}_M(L+b)}{K(y_M{f}_N-y_N{f}_M)}\\ z_s=K+L-a\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中 $K=-\sqrt{{\left(\frac{D{x}_N{x}_M}{x_M{f}_N-x_N{f}_M}\right)}^2+{\left(\frac{D{y}_N{y}_M}{y_M{f}_N-y_N{f}_M}\right)}^2}.$

根据上面的计算过程可以得出，P点的坐标是通过其像点P_M与P_N的匹配计算得到的，所以同源像点的匹配是图像处理的关键。由于本发明中两照相机按轴向布置，从而使同源像点的匹配变得非常简便。如图4所示，两摄像机的光学中心O_c1、O_c2与任意点P′构成的平面O_c1O_c2P′称为外极平面，其与像面M、N分别相交，截得直线l_m、l_n，称为前、后外极线。因为像面M∥N，所以l_m∥l_n。又因为M、N同轴，所以所有的前外极线过点O_M，所有的后外极线过点O_N，即点O_M、O_N分别为各自像面的外极中心。根据外极线约束关系，设P′点在M上的像点P_M在l_m上，则在N上的像点P_N必在l_N上。所以根据同轴照相机前、后外极线特殊的分布规律，在M上任意设定一参考像点后，可以方便地在N上找到其同源像点。

如图5所示，设R_M、R_N分别为两照相机1、2在圆台内面镜7上捕捉到的影像，该影像代表的是物体上某一截面光条在圆台内面镜7上所成的像。在M上，设和V_M轴成α角的射线与R_M的交点P_M为参考像点，则在N上，P_M的同源像点同样在与V_N轴成α角的射线与R_N的交点上，即点P_N。这样在M上，根据精度要求给定一个角度步长Δα，依次对R_M上的点进行采样，同时按照上述方法，在N上找到它们的同源像点，然后根据(5)式求得物体的截面数据，最后对物体的各个截面数据进行轴向拼接，就可以获得被测物体的整个几何模型。

整个逆向测量过程如图6所示。首先将被测物体4放置在升降机构9上，放置时尽量使物体4的轴线与圆台内面镜7的轴线重合。然后调节两照相机1、2在各自轴线上的位置，使两照相机1、2获得较理想的视野。接着对近轴照相机2、远轴照相机1、圆台内面镜7三者的同轴度、平行度进行校准。***校准结束后，依次对测量所需的设备参数进行测定，并输入到测量软件中，这些参数包括：圆台内面镜7的上底直径2b，下底直径2a，圆台内面镜7的底角值(45°)；两照相机1、2光学中心的轴向距离D，圆台内面镜7与近轴照相机2之间的距离L；升降初始位置的高度值h及测量过程中的移动步长Δh。参数设定结束后拍照测量开始，先由两照相机1、2同时捕捉，物体在h处的截面光条在圆台内面镜上所成的虚像，接着升降机9在轴向移动Δh，然后两照相机1、2再捕捉物体在h+Δh处的截面光条在圆台内面镜7上所成的虚像，依次类推，直到测量结束。在照相测量的同时，测量***将获得的图像及图像所对应的位置H＝h+Δh传递给计算机13，测量软件首先对光条像进行边界提取，然后根据精度要求确定离散射线倾角步长值Δα，并按图5所示的方法进行同源像点的匹配，完成后根据坐标计算公式(5)，计算机出各个截面的空间形状。最后根据各个截面的空间形状及各自所对应的轴向位置H，进行轴向的数据拼接，获得整个物体的三维几何模型。

本发明适合轴向回转物体的逆向测量，测量装置成本较低，图像处理算法简单，有很大的工程实用价值。

Claims (5)

1.一种基于轴向立体视觉的逆向测量方法，其特征在于：测量过程中，被测物体放置在升降机构上，并随升降机构上下移动，由圆形平面结构光发生器将圆形平面结构光投向被测物体，经物体表面形状调制后在周向形成一截面光条；由两架轴线相互垂直的照相机，同时摄取该截面光条在圆台内面镜中所成的虚像，所述两架照相机分别为远轴照相机和近轴照相机，然后依据同轴照相机外极线约束关系，进行图像匹配，依据轴向立体视觉原理计算出光条虚像上各采样点的空间坐标，根据物、像对称原理，计算出物体上各个截面的形状；接着通过控制物体随升降机构向上或向下移动，获取物体上沿轴向分布的一系列采样截面的形状数据；最后通过截面数据的轴向拼接，反求出整个物体的几何模型；

利用所述远轴照相机和近轴照相机两像平面上的外极线相互平行，极点与像平面中心重合的特点，进行同源像点匹配；

远轴照相机和近轴照相机置于圆台内面镜的上方，且两架照相机的轴线相互垂直，在两轴线的交点处安置一圆形分光镜，圆形分光镜与两架照相机轴线之间的夹角均为45度，远轴照相机离圆形分光镜的距离比近轴照相机离圆形分光镜的距离远；近轴照相机的轴线、圆台内面镜的轴线位于同一直线上，远轴照相机的轴线与该直线垂直相交。

2.一种基于轴向立体视觉的逆向测量装置，其特征在于：远轴照相机(1)和近轴照相机(2)置于圆台内面镜(7)的上方，且两架照相机的轴线相互垂直，在两轴线的交点处安置一圆形分光镜(3)，远轴照相机(1)离开圆形分光镜(3)的距离比近轴照相机(2)离开圆形分光镜的距离远，两架照相机能在各自的轴线上移动；圆台内面镜(7)大底面朝上，由支架(8)支撑，其大底面顶部安装有圆形平面结构光发生器(5)，圆台内面镜(7)底部有一升降机构(9)，被测物体(4)放置在升降机构(9)上并位于圆台内面镜(7)中，支架(8)和升降机构(9)布置在底座(10)上；两架照相机和升降机构(9)均分别与计算机(13)连接；

所述的圆形分光镜(3)与两架照相机(1、2)轴线之间的夹角均为45°；

所述的近轴照相机(2)的轴线、圆台内面镜(7)的轴线位于同一直线上，远轴照相机(1)的轴线与该直线垂直相交；

所述的圆形平面结构光发生器(5)为圆环形，圆形平面结构光发生器(5)内部按周向均布有多个发光二极管(14)，在圆形平面结构光发生器(5)内侧的中轴面上开有一圆形狭缝(15)，由发光二极管(14)产生的光线透过狭缝向中心投射，形成圆形平面结构光(6)。

3.根据权利要求2所述的一种基于轴向立体视觉的逆向测量装置，其特征在于：所述的圆台内面镜(7)的底角为45°。

4.根据权利要求2所述的一种基于轴向立体视觉的逆向测量装置，其特征在于：所述的升降机构(9)为丝杠传动装置，升降机构(9)的内部安装有闭环位置反馈装置。

5.根据权利要求4所述的一种基于轴向立体视觉的逆向测量装置，其特征在于：所述的闭环位置反馈装置为光栅尺。

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