CN111380480A - 基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***与方法 - Google Patents

基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***与方法 Download PDF

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CN111380480A CN201911426726.0A CN201911426726A CN111380480A CN 111380480 A CN111380480 A CN 111380480A CN 201911426726 A CN201911426726 A CN 201911426726A CN 111380480 A CN111380480 A CN 111380480A
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Abstract

本发明公开了一种基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***与方法，旨在解决基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌检测问题。基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***主要由摄像机(1)、激光投面仪(2)、二维靶标(3)、二维靶标固定座(4)、连接夹(5)与三角架(6)组成。二维靶标(3)的表面粘贴有可生成无穷远点和面积比特征的阵列三角形图案。基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建方法由图像采集、仿射矫正、车身点重建等步骤组成，提供了一种结构简单、性能可靠的基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***与方法。

Description

基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***与方法
技术领域
本发明涉及一种汽车检测设备和检测方法，更具体的说，它是一种基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***与方法。
背景技术
为了保证汽车的安全行驶，在针对汽车超载超限等方面的检测领域，汽车形貌的测量发挥着至关重要的作用。测量精度、测量效率等都会对检测结果产生重大影响。目前常见的测量***分为接触式和非接触式。由于接触式测量便捷性差，易划伤被测物体表面等因素，非接触式测量的应用范围更加广泛。而非接触式测量常需要靶标进行摄像机内外参数的标定，使***结构复杂。如何采取非接触式测量，避免对相机进行标定的过程，直接实现物体的三维信息重建就十分重要。为了实现对汽车形貌进行较高精度的特征点重建，设计一种基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***与方法。
发明内容
本发明针对解决在汽车形貌重建过程中，现有非接触式***需多图像标定，效率低等问题，设计了一种基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***与方法，实现对汽车形貌特征点的三维自由重建。该方法主要由一部工业摄像机、一个由阵列三角形组成的二维靶标3及与二维靶标3相对位置固定不变的激光投面仪2和一个二维靶标固定座4构成，通过应用仿射变换前后三角形面积比不变的性质进行汽车形貌的三维重建。
结合说明书附图，本发明采用如下技术方案予以实现：
基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***包括有摄像机、激光投面仪、二维靶标、二维靶标固定座、连接夹与三角架；
三角架放置在地面上，摄像机通过底部的螺纹孔与三角架顶部的螺栓螺纹固定连接，二维靶标固定座放置在水平地面上，二维靶标底部与二维靶标固定座上的凹槽紧配合固定连接，二维靶标置入连接夹的U形钢板的细长凹槽中，螺栓穿入连接夹和二维靶标的通孔与螺母螺纹固定连接，激光投面仪***激光器连接夹钢管的内孔中，紧定螺钉旋入连接夹钢管侧面的螺纹孔，紧定螺钉端部与激光投面仪圆柱面接触紧配合，激光投面仪发出的激光平面与二维靶标图形所在平面共面。
技术方案中所述的摄像机为装有窄带滤光片的广角工业相机。
技术方案中所述的激光投面仪为可发射线激光的圆柱形零件，激光投面仪发出的激光波长与摄像机的窄带滤光片的带通波长一致。
技术方案中所述的二维靶标为一块加工有通孔的矩形钢板制成的零件，二维靶标的表面粘贴有可生成无穷远点和面积比特征的阵列三角形图案。
技术方案中所述的二维靶标固定座为钢板加工的长方体零件，上表面加工有细长凹槽。
技术方案中所述的连接夹为U形钢板与钢管焊接而成的零件，U形钢板侧面加工有通孔，钢管侧面加工有螺纹孔。
技术方案中所述的三角架为可调整高度的三角支架。
基于点与圆不变量的汽车形貌视觉检测方法的具体步骤如下：
第一步：基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建方法的仿射矫正：
摄像机固定在三角架上，将三角架放置在地面上，激光投面仪***连接夹的钢管内孔，打开激光投面仪，通过调节连接夹的钢管上的螺钉，使激光投面仪投射出的激光平面与二维靶标共面并将激光投面仪固定，摄像机采集一幅图像，图像包含二维靶标以及激光投面仪与车辆表面相交的激光投影点；
在摄像机采集的图像上，采用Hough变换提取阵列三角形中两对平行线的图像坐标wq，1、wq，2及wq，3、wq，4，根据两直线交点的公式求得两个交点坐标为
xq，1＝wq，1×wq，2
xq，2＝wq，3×wq，4
其中xq，1、xq，2为第q组平行线形成的两个无穷远点图像坐标，共选取q组平行线的图像坐标对，得到2q个无穷远点的图像坐标，根据无穷远点在无穷远直线上，得
Figure BSA0000199842570000021
利用SVD分解可求得无穷远直线的像坐标
Figure BSA0000199842570000022
从射影变换矫正到仿射变换的转换矩阵为
Figure BSA0000199842570000023
其中，HE为单位阵，进一步求得仿射空间中的投影点坐标为
Yj，F＝Hyj
其中，汽车与激光面相交处点的序号j＝1，2，3......n。
第二步：基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建方法的重建过程：
在二维靶标坐标系下，小三角形形心的坐标
Figure BSA0000199842570000024
为
Figure BSA0000199842570000025
其中，
Figure BSA0000199842570000026
为阵列小三角形三个顶点在二维靶标坐标系下的坐标；
Figure BSA0000199842570000027
为二维靶标坐标系下小三角形的形心坐标，在仿射空间下小三角形形心坐标
Figure BSA0000199842570000031
为
Figure BSA0000199842570000032
其中，
Figure BSA0000199842570000033
分别为小三角形顶点经仿射矫正后在仿射空间中的坐标，小三角形顶点从二维靶标坐标系到仿射空间的图像坐标系的仿射变换表示为
Figure BSA0000199842570000034
Figure BSA0000199842570000035
Figure BSA0000199842570000036
其中，HA是从二维靶标坐标系到仿射空间的图像坐标系的变换矩阵，由以上三式得到
Figure BSA0000199842570000037
则在仿射空间中小三角形形心为
Figure BSA0000199842570000038
其中，
Figure BSA0000199842570000039
为二维靶标坐标系下小三角形形心的坐标，仿射空间下的形心坐标为
Figure BSA00001998425700000310
Figure BSA00001998425700000311
Figure BSA00001998425700000312
其中，
Figure BSA00001998425700000313
为小三角形顶点的图像坐标，在二维靶标坐标系和仿射空间中的大三角形面积满足
Figure BSA00001998425700000314
其中，
Figure BSA00001998425700000315
为小三角形形心组成大三角形的面积，
Figure BSA00001998425700000316
为小三角形形心和待重建点组成大三角形的面积，Yj是在二维靶标坐标系下激光交线上的待重建点，Yj，F是仿射空间中的待重建点坐标，由上式可计算得到
Figure BSA00001998425700000317
并由常数ki表示，即
其中，
Figure BSA00001998425700000319
Figure BSA0000199842570000041
也可通过面积公式求得
Figure BSA0000199842570000042
取第i组不同的
Figure BSA0000199842570000043
进行计算，由上两式得到第i组等式如下：
Figure BSA0000199842570000044
当i＝1，2，3……n时，得
Figure BSA0000199842570000045
由SVD分解法，得到二维靶标坐标系下汽车形貌特征点为
Figure BSA0000199842570000046
在汽车形貌重建与检测过程中，第二步是循环进行的步骤；
通过在摄像机视野范围内移动汽车的位置，即可获得在其他位置的激光面与汽车车身的激光交线点，从而确定在二维靶标坐标系下汽车与激光面交线点的坐标，完成基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用了基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建方法。首先将二维靶标3与激光投面仪2固定连接，并保证激光平面与二维参考平面共面。根据阵列三角形的平行边在投影平面上的交点得到无穷远点的图像坐标。进而求得无穷远直线的图像坐标，应用转换矩阵对投影平面的点进行仿射矫正。再应用三角形面积比仿射不变的性质，对二维靶标3坐标系下激光交线点的坐标进行重建。最终通过移动待测物***置即可实现对目标形貌全局的三维重建。
2.本发明利用三角形面积比的仿射不变量来重建三维点坐标，三角形面积采用阵列小三角形的形心组成的形心三角形，由于形心是由阵列小三角形的三个顶点共同参与运算得到，可以避免由于测量条件等偶然因素造成的误差。在个别点坐标存在误差的情况下，降低其对最终重建结果产生的影响，益于实现对目标物体的高精度重建。
3.测量***解决了固定接触式测量***测量效率低、传统机器视觉测量***装置复杂、便捷性差等问题，通过一张图片即可进行仿射矫正，进一步利用仿射不变量实现三维特征点的重建。再通过移动目标物体即可重建目标的形貌全局。
附图说明
图1是基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***的轴测图；
图2是基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***中摄像机1的轴测图；
图3是基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***中激光投面仪2的轴测图；
图4是基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***中二维靶标3的轴测图；
图5是基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***中二维靶标固定座4的轴测图；
图6是基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***中连接夹5的轴测图；
图7是基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***中三角架6的轴测图；
图8是基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建方法标定过程的流程图；
图9是基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建方法重建过程的流程图；
图中：1.摄像机，2.激光投面仪，3.二维靶标，4.二维靶标固定座，5.连接夹，6.三角架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：
参阅图1至图7，基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***包括有摄像机1、激光投面仪2、二维靶标3、二维靶标固定座4、连接夹5与三角架6；
三角架6为可调整高度的三角支架，三角架6放置在地面上，摄像机1为装有窄带滤光片的广角工业相机，摄像机1通过底部的螺纹孔与三角架6顶部的螺栓螺纹固定连接，二维靶标固定座4为钢板加工的长方体零件，上表面加工有细长凹槽，二维靶标固定座4放置在水平地面上，二维靶标3为一块加工有通孔的矩形钢板制成的零件，二维靶标3的表面粘贴有可生成无穷远点和面积比特征的阵列三角形图案，二维靶标3底部与二维靶标固定座4上的凹槽紧配合固定连接，连接夹5为U形钢板与钢管焊接而成的零件，U形钢板侧面加工有通孔，钢管侧面加工有螺纹孔，二维靶标3置入连接夹5的U形钢板的细长凹槽中，螺栓穿入连接夹5和二维靶标3的通孔与螺母螺纹固定连接，激光投面仪2***激光器连接夹5钢管的内孔中，紧定螺钉旋入连接夹5钢管侧面的螺纹孔，紧定螺钉端部与激光投面仪2圆柱面接触紧配合，激光投面仪2为可发射线激光的圆柱形零件，激光投面仪2发出的激光波长与摄像机1的窄带滤光片的带通波长一致，激光投面仪2发出的激光平面与二维靶标3图形所在平面共面。
参阅图8至图9，本发明所提供的基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建方法可分为以下两步：
第一步：基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建方法的仿射矫正：
摄像机1固定在三角架6上，将三角架6放置在地面上，激光投面仪2***连接夹5的钢管内孔，打开激光投面仪2，通过调节连接夹5的钢管上的螺钉，使激光投面仪2投射出的激光平面与二维靶标3共面并将激光投面仪2固定，摄像机1采集一幅图像，图像包含二维靶标3以及激光投面仪2与车辆表面相交的激光投影点；
在摄像机1采集的图像上，采用Hough变换提取阵列三角形中两对平行线的图像坐标wq，1、wq，2及wq，3、wq，4，根据两直线交点的公式求得两个交点坐标为
xq，1＝wq，1×wq，2
xq，2＝wq，3×wq，4
其中xq，1、xq，2为第q组平行线形成的两个无穷远点图像坐标，共选取q组平行线的图像坐标对，得到2q个无穷远点的图像坐标，根据无穷远点在无穷远直线上，得
Figure BSA0000199842570000061
利用SVD分解可求得无穷远直线的像坐标
Figure BSA0000199842570000062
从射影变换矫正到仿射变换的转换矩阵为
Figure BSA0000199842570000063
其中，HE为单位阵，进一步求得仿射空间中的投影点坐标为
Yj，F＝Hyj
其中，汽车与激光面相交处点的序号j＝1，2，3......n。
第二步：基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建方法的重建过程：
在二维靶标3坐标系下，小三角形形心的坐标
Figure BSA0000199842570000064
为
Figure BSA0000199842570000065
其中，
Figure BSA0000199842570000066
为阵列小三角形三个顶点在二维靶标3坐标系下的坐标；
Figure BSA0000199842570000067
为二维靶标3坐标系下小三角形的形心坐标，在仿射空间下小三角形形心坐标
Figure BSA0000199842570000071
为
Figure BSA0000199842570000072
其中，
Figure BSA0000199842570000073
分别为小三角形顶点经仿射矫正后在仿射空间中的坐标，小三角形顶点从二维靶标3坐标系到仿射空间的图像坐标系的仿射变换表示为
Figure BSA0000199842570000074
Figure BSA0000199842570000075
Figure BSA0000199842570000076
其中，HA是从二维靶标3坐标系到仿射空间的图像坐标系的变换矩阵，由以上三式得到
Figure BSA0000199842570000077
则在仿射空间中小三角形形心为
Figure BSA0000199842570000078
其中，
Figure BSA0000199842570000079
为二维靶标3坐标系下小三角形形心的坐标，仿射空间下的形心坐标为
Figure BSA00001998425700000710
Figure BSA00001998425700000711
Figure BSA00001998425700000712
其中，
Figure BSA00001998425700000713
为小三角形顶点的图像坐标，在二维靶标3坐标系和仿射空间中的大三角形面积满足
Figure BSA00001998425700000714
其中，
Figure BSA00001998425700000715
为小三角形形心组成大三角形的面积，
Figure BSA00001998425700000716
为小三角形形心和待重建点组成大三角形的面积，Yj是在二维靶标3坐标系下激光交线上的待重建点，Yj，F是仿射空间中的待重建点坐标，由上式可计算得到
Figure BSA00001998425700000717
并由常数ki表示，即
Figure BSA00001998425700000718
其中，
Figure BSA00001998425700000719
Figure BSA0000199842570000081
也可通过面积公式求得
Figure BSA0000199842570000082
取第i组不同的
Figure BSA0000199842570000083
进行计算，由上两式得到第i组等式如下：
Figure BSA0000199842570000084
当i＝1，2，3……n时，得
Figure BSA0000199842570000085
由SVD分解法，得到二维靶标3坐标系下汽车形貌特征点为
Figure BSA0000199842570000086
在汽车形貌重建与检测过程中，第二步是循环进行的步骤；
通过在摄像机1视野范围内移动汽车的位置，即可获得在其他位置的激光面与汽车车身的激光交线点，从而确定在二维靶标3坐标系下汽车与激光面交线点的坐标，完成基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建。

Claims (8)

1.一种基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***，其特征在于，所述的基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***包括有摄像机(1)、激光投面仪(2)、二维靶标(3)、二维靶标固定座(4)、连接夹(5)与三角架(6)；
三角架(6)放置在地面上，摄像机(1)通过底部的螺纹孔与三角架(6)顶部的螺栓螺纹固定连接，二维靶标固定座(4)放置在水平地面上，二维靶标(3)底部与二维靶标固定座(4)上的凹槽紧配合固定连接，二维靶标(3)置入连接夹(5)的U形钢板的细长凹槽中，螺栓穿入连接夹(5)和二维靶标(3)的通孔与螺母螺纹固定连接，激光投面仪(2)***激光器连接夹(5)钢管的内孔中，紧定螺钉旋入连接夹(5)钢管侧面的螺纹孔，紧定螺钉端部与激光投面仪(2)圆柱面接触紧配合，激光投面仪(2)发出的激光平面与二维靶标(3)图形所在平面共面。
2.按照权利要求1所述的基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***，其特征在于所述的摄像机(1)为装有窄带滤光片的广角工业相机。
3.按照权利要求1所述的基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***，其特征在于所述的激光投面仪(2)为可发射线激光的圆柱形零件，激光投面仪(2)发出的激光波长与摄像机(1)的窄带滤光片的带通波长一致。
4.按照权利要求1所述的基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***，其特征在于所述的二维靶标(3)为一块加工有通孔的矩形钢板制成的零件，二维靶标(3)的表面粘贴有可生成无穷远点和面积比特征的阵列三角形图案。
5.按照权利要求1所述的基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***，其特征在于所述的二维靶标固定座(4)为钢板加工的长方体零件，上表面加工有细长凹槽。
6.按照权利要求1所述的基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***，其特征在于所述的连接夹(5)为U形钢板与钢管焊接而成的零件，U形钢板侧面加工有通孔，钢管侧面加工有螺纹孔。
7.按照权利要求1所述的基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***，其特征在于所述的三角架(6)为可调整高度的三角支架。
8.按照权利要求1至7所述的基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建***的重建方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建方法的仿射矫正：
摄像机(1)固定在三角架(6)上，将三角架(6)放置在地面上，激光投面仪(2)***连接夹(5)的钢管内孔，打开激光投面仪(2)，通过调节连接夹(5)的钢管上的螺钉，使激光投面仪(2)投射出的激光平面与二维靶标(3)共面并将激光投面仪(2)固定，摄像机(1)采集一幅图像，图像包含二维靶标(3)以及激光投面仪(2)与车辆表面相交的激光投影点；
在摄像机(1)采集的图像上，采用Hough变换提取阵列三角形中两对平行线的图像坐标wq，1、wq，2及wq，3、wq，4，根据两直线交点的公式求得两个交点坐标为
xq，1＝wq，1×wq，2
xq，2＝wq，3×wq，4
其中xq，1、xq，2为第q组平行线形成的两个无穷远点图像坐标，共选取q组平行线的图像坐标对，得到2q个无穷远点的图像坐标，根据无穷远点在无穷远直线上，得
Figure FSA0000199842560000021
利用SVD分解可求得无穷远直线的像坐标
Figure FSA0000199842560000022
从射影变换矫正到仿射变换的转换矩阵为
Figure FSA0000199842560000023
其中，HE为单位阵，进一步求得仿射空间中的投影点坐标为
Yj，F＝Hyj
其中，汽车与激光面相交处点的序号j＝1，2，3......n。
第二步：基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建方法的重建过程：
在二维靶标(3)坐标系下，小三角形形心的坐标
Figure FSA0000199842560000024
为
Figure FSA0000199842560000025
其中，
Figure FSA0000199842560000026
为阵列小三角形三个顶点在二维靶标(3)坐标系下的坐标；
Figure FSA0000199842560000027
为二维靶标(3)坐标系下小三角形的形心坐标，在仿射空间下小三角形形心坐标
Figure FSA0000199842560000028
为
Figure FSA0000199842560000029
其中，
Figure FSA00001998425600000210
分别为小三角形顶点经仿射矫正后在仿射空间中的坐标，小三角形顶点从二维靶标(3)坐标系到仿射空间的图像坐标系的仿射变换表示为
Figure FSA00001998425600000211
Figure FSA00001998425600000212
Figure FSA00001998425600000213
其中，HA是从二维靶标(3)坐标系到仿射空间的图像坐标系的变换矩阵，由以上三式得到
Figure FSA0000199842560000031
则在仿射空间中小三角形形心为
Figure FSA0000199842560000032
其中，
Figure FSA0000199842560000033
为二维靶标(3)坐标系下小三角形形心的坐标，仿射空间下的形心坐标为
Figure FSA0000199842560000034
Figure FSA0000199842560000035
Figure FSA0000199842560000036
其中，
Figure FSA0000199842560000037
为小三角形顶点的图像坐标，在二维靶标(3)坐标系和仿射空间中的大三角形面积满足
Figure FSA0000199842560000038
其中，
Figure FSA0000199842560000039
为小三角形形心组成大三角形的面积，
Figure FSA00001998425600000310
为小三角形形心和待重建点组成大三角形的面积，Yj是在二维靶标(3)坐标系下激光交线上的待重建点，Yj，F是仿射空间中的待重建点坐标，由上式可计算得到
Figure FSA00001998425600000311
并由常数ki表示，即
Figure FSA00001998425600000312
其中，
Figure FSA00001998425600000313
Figure FSA00001998425600000314
也可通过面积公式求得
Figure FSA00001998425600000315
取第i组不同的
Figure FSA00001998425600000316
进行计算，由上两式得到第i组等式如下：
Figure FSA00001998425600000317
当i＝1，2，3……n时，得
Figure FSA0000199842560000041
由SVD分解法，得到二维靶标(3)坐标系下汽车形貌特征点为
Figure FSA0000199842560000042
在汽车形貌重建与检测过程中，第二步是循环进行的步骤；
通过在摄像机(1)视野范围内移动汽车的位置，即可获得在其他位置的激光面与汽车车身的激光交线点，从而确定在二维靶标(3)坐标系下汽车与激光面交线点的坐标，完成基于三角形阵列仿射不变量的汽车形貌重建。
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