CN113503830B - 一种基于多相机的非球面面形测量方法 - Google Patents

一种基于多相机的非球面面形测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多相机的非球面面形测量方法，是应用于由参考平面、相机、光学平台、计算机组成的***中，其测量步骤包括：首先完成每个相机与参考平面位置的标定；接着利用参考平面位置的同一性得到多个相机之间的相对位置关系；最后相机采集受待测高反物体表面曲率变化调制的编码图像，通过解调编码图像信息恢复待测物体表面三维信息，从而通过多相机相对位置转换关系，实现待测物表面整体测量。

Description

一种基于多相机的非球面面形测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于多相机的测量方法，尤其是一种对高反射非球面面形测量方法。
背景技术
基于机器视觉的光学检测技术作为一种非接触式测量手段，具有测量速度快、精度适中、不会对待测物表面造成损坏的优点。自上世纪70年代开始至今，就一直被视为解决工业制造中测量问题的最具前途的技术之一。但是目前较为成熟的视觉测量***均只适用于表面呈漫反射的物体测量，在对具有高反射性质的非球面表面进行测量时，会造成较大的误差或无法测量。而且受待测表面曲率影响，单个相机只能实现待测表面的局部测量。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于多相机的非球面面形测量方法，以期能够解决单相机测量非球面面形的局部性问题，从而实现非球面面形的整体测量。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种基于多相机的非球面面形测量方法的特点是应用于由第一相机、第二相机、第三相机、第四相机、第五相机、计算机、待测物体、光学平台、参考平面所组成的测量***中，在所述光学平台上放置有所述待测物体，在所述光学平台的上方设置有参考平面，在所述参考平面的四个顶角与中心位置分别放置一相机；各个相机分别与计算机连接；
所述非球面面形测量方法包括如下步骤：
步骤1、对五个相机分别与参考平面的相对位置进行标定，得到如式(1)所示的相机坐标系与参考平面坐标系的位置转换关系式：
Xi＝Ri·Pw+Ti (1)
式(1)中，Ri和Ti分别表示参考平面坐标系到第i个相机坐标系的旋转矩阵和平移向量；Pw表示参考平面上第w个特征角点的坐标；w∈[1,N]；N表示参考平面上特征角点数量，Xi表示特征角点在第i个相机坐标系中的坐标；i∈[1,5]；
步骤2、利用式(2)确定任意两个相机坐标系之间的相对位置关系：
Figure BDA0003147932110000011
式(2)中，
Figure BDA0003147932110000012
表示表示参考平面坐标系到第j个相机坐标系的旋转矩阵的逆矩阵，Tj表示表示参考平面坐标系到第j个相机坐标系的平移向量，Xj表示特征角点在第j个相机坐标系中的坐标，i,j∈[1,5]；i≠j；
利用式(3)和式(4)分别得到第j个相机坐标系到第i个相机坐标系的旋转矩阵Rij和平移向量Tij：
Figure BDA0003147932110000021
Figure BDA0003147932110000022
步骤3、五个相机分别采集所述待测物体的编码图像，并发送给所述计算机，由所述计算机对编码图像进行解调，得到待测物体)的表面三维坐标集合；其中，第j个相机***所采集的编码图像得到的待测物体的表面点三维坐标集合记为Sj；
令中心位置处的相机坐标系为参考坐标系，并利用式(5)得到所述待测物体的表面整体三维信息S，从而完成非球面面形整体测量：
S＝Rij·Sj+Tij (5)。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过搭建多相机测量***，从不同角度拍摄待测非球面物体，进行非球面面形各个部分的三维形貌测量，从而克服了单相机测量非球面面形的局部性问题，完成了非球面面形的整体测量。
2、本发明参考平面上的编码图案以及尺寸可自行设置，操作灵活性强。
3、本发明多相机非接触式测量，保证了面形检测的可靠性以及精度。
4、本发明可应用于汽车挡风玻璃、车身外壳、球面镜等光亮表面面形测量，有很好的实际应用性。
附图说明
图1为本发明***结构图；
图中标号：1第一相机；2第二相机；3第三相机；4第四相机；5第五相机；6计算机；7待测物体；8光学平台；9参考平面。
具体实施方式
本实施例中，一种基于多相机的非球面面形测量方法，如图1所示，是应用于由第一相机1、第二相机2、第三相机3、第四相机4、第五相机5、计算机6、待测物体7、光学平台8、参考平面9所组成的测量***中，在光学平台8上放置有待测物体7，在光学平台8的上方设置有参考平面9，在参考平面9的四个顶角与中心位置分别放置一相机；各个相机分别与计算机6连接；该多相机非球面面形测量方法包括如下步骤：
步骤1、对五个相机与参考平面9的相对位置分别进行标定。每个相机分别采集参考平面上标定图案的镜像图片，并回传到计算机6，接着参考平面标定采用先通过张正友标定法标定参考平面镜像，然后结合镜面反射定律得到相机坐标系与真实参考平面的相对位置关系，得到如式(1)所示的相机坐标系与参考平面坐标系的位置转换关系式：
Xi＝Ri·Pw+Ti (1)
式(1)中，Ri和Ti分别表示参考平面坐标系到第i个相机坐标系的旋转矩阵和平移向量；Pw表示参考平面(9)上第w个特征角点的坐标；w∈[1,N]；N表示参考平面(9)上特征角点数量，Xi表示特征角点在第i个相机坐标系中的坐标；i∈[1,5]；
步骤2、利用式(2)确定任意两个相机坐标系之间的相对位置关系：
Figure BDA0003147932110000031
式(2)中，
Figure BDA0003147932110000032
表示表示参考平面坐标系到第j个相机坐标系的旋转矩阵的逆矩阵，Tj表示表示参考平面坐标系到第j个相机坐标系的平移向量，Xj表示特征角点在第j个相机坐标系中的坐标，i,j∈[1,5]；i≠j。
利用式(3)和式(4)分别得到第j个相机坐标系到第i个相机坐标系的旋转矩阵Rij和平移向量Tij：
Figure BDA0003147932110000033
Figure BDA0003147932110000034
步骤3、五个相机分别采集待测物体(7)的编码图像，并发送给计算机(6)，由计算机(6)对编码图像进行解调，得到待测物体(7)的表面三维坐标集合；当参考平面相对位置已知，参考平面上编码图案通过待测物体高反射表面成像在像平面上，建立归一化像平面二维特征点、参考平面三维特征点以及待测物表面反射点之间的密集反射对应，参数化高反射表面反射点的深度，通过多项式拟合反射点所在的曲面，结合高反表面法向量的唯一性以及二阶连续性，利用LM优化方法迭代计算反射点深度。令第j个相机***恢复的表面点三维坐标集合记为Sj，令中心位置处的相机坐标系为参考坐标系，并利用式(5)得到待测物体(7)的表面整体三维信息S，从而完成非球面面形整体测量：
S＝Rij·Sj+Tij (5)。

Claims (1)

1.一种基于多相机的非球面面形测量方法，其特征是应用于由第一相机(1)、第二相机(2)、第三相机(3)、第四相机(4)、第五相机(5)、计算机(6)、待测物体(7)、光学平台(8)、参考平面(9)所组成的测量***中，在所述光学平台(8)上放置有所述待测物体(7)，在所述光学平台(8)的上方设置有参考平面(9)，在所述参考平面(9)的四个顶角与中心位置分别放置一相机；各个相机分别与计算机(6)连接；
所述非球面面形测量方法包括如下步骤：
步骤1、对五个相机分别与参考平面(9)的相对位置进行标定，得到如式(1)所示的相机坐标系与参考平面坐标系的位置转换关系式：
Xi＝Ri·Pw+Ti (1)
式(1)中，Ri和Ti分别表示参考平面坐标系到第i个相机坐标系的旋转矩阵和平移向量；Pw表示参考平面(9)上第w个特征角点的坐标；w∈[1,N]；N表示参考平面(9)上特征角点数量，Xi表示特征角点在第i个相机坐标系中的坐标；i∈[1,5]；
步骤2、利用式(2)确定任意两个相机坐标系之间的相对位置关系：
Figure FDA0003147932100000011
式(2)中，
Figure FDA0003147932100000012
表示参考平面坐标系到第j个相机坐标系的旋转矩阵的逆矩阵，Tj表示参考平面坐标系到第j个相机坐标系的平移向量，Xj表示特征角点在第j个相机坐标系中的坐标，i,j∈[1,5]；i≠j；
利用式(3)和式(4)分别得到第j个相机坐标系到第i个相机坐标系的旋转矩阵Rij和平移向量Tij：
Figure FDA0003147932100000013
Figure FDA0003147932100000014
步骤3、五个相机分别采集所述待测物体(7)的编码图像，并发送给所述计算机(6)，由所述计算机(6)对编码图像进行解调，得到待测物体(7)的表面三维坐标集合；其中，第j个相机***所采集的编码图像得到的待测物体(7)的表面点三维坐标集合记为Sj；
令中心位置处的相机坐标系为参考坐标系，并利用式(5)得到所述待测物体(7)的表面整体三维信息S，从而完成非球面面形整体测量：
S＝Rij·Sj+Tij (5)。
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