基于兩組相機的大型零件全局形貌測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于視覺測量領域，涉及一種基于兩組相機的大型零件全局形貌測量方 法，該方法可以實現對大視場范圍內復雜工況下零件形貌的全局測量，進而完成零件建模 并且獲得對應的幾何參數。
【背景技術】
[0002] 目前，大型飛機的生產制造水平是一個國家綜合國力以及工業化水平的重要體 現，大型飛機的應用越來越廣泛，其生產制造以及裝配過程中對大型零部件的精確測量是 保證飛機安全生產的重要保證。由于航空零部件大型化、復雜化、精密化的特點，在測量現 場往往需要建立全局的坐標控制場以實現大型零部件的測量，傳統測量方法難以滿足測量 要求。現階段針對航空領域大型零部件形貌測量國內外主要有以下幾種方法：機器視覺法、 激光跟蹤儀測量法、室內GPS測量法、激光雷達測量法以及三坐標測量法等。傳統的機器 視覺法一般是通過相機獲取被測物的二維信息，通過對圖像特征進行提取匹配完成測量任 務；激光跟蹤儀測量法是利用高精度激光測距以及角度追蹤完成對被測物幾何信息的精確 測量；
[0003] 針對大型零件的測量已申請的相關的發明專利有：發明人劉巍等，《一種大型復合 板材幾何參數視覺測量方法》，專利號：201410708310. 9,提出了利用傳統視覺測量設備結 合激光跟蹤儀進行大型板材類零件測量的方法，優點是結合了多種測量設備，精度較高，但 是每次相機移動后都需要重新標定，操作相對復雜。發明人劉巍等，《采用坐標跟蹤控制板 的大視場全局測量方法》，專利號 ：201510338809.X，提出了一種全局視覺測量方法，優點是 解決了大視場測量重復標定的問題，但是需依靠價格高昂的激光跟蹤儀，測量成本較高。

【發明內容】

[0004] 本發明目的是針對航空領域大型飛機零部件生產裝配檢測中測量效率低，測量流 程復雜以及測量成本高的問題。發明了一種基于兩組相機的大型零件全局形貌測量方法， 將兩組共四臺相機安裝在固定支架上，利用視覺標定方法結合測量現場的坐標控制點快速 實現測量現場全局坐標系的建立和控制，最終配合機器視覺產品結合零件表面的特征點獲 得零件點云數據，建立零件整體形貌，進而完成對零部件的精確測量。本發明專利，提出了 全局控制點的測量方案，既克服了大視場測量重復標定的問題，而且只依靠傳統的視覺采 集設備就可以完成，測量成本較低，具有很廣闊的應用前景。
[0005] 本發明采用的技術方案是一種基于兩組相機的大型零件全局形貌測量方法，其特 征是，測量方法采用前面兩臺測量相機和后面兩臺定位相機分別采集被測零件形貌信息及 全局控制坐標，基于兩組雙目相機的相對位置不變性及全局坐標的不變性，結合U形測量 板以及地面控制點，通過坐標轉換實現測量相機和定位相機的位置標定以及測量相機全局 外參數的標定，通過對每組圖像中被測物表面特征點的提取，獲得零件表面特征點及全局 控制點的二維維信息；根據全局外參數，重建被測物輪廓信息的點云數據；在全局控制坐 標范圍內移動相機，基于全局控制坐標的不變性，將多次采集數據統一到全局坐標系下， 從而獲取完整的被測物點云信息；最后，利用CATIA軟件處理點云數據，基于圖像擬合去除 誤差點獲得大型零件全局形貌模型，從而實現大型零件全局形貌測量；方法的具體實現步 驟如下：
[0006] 第一步全局控制點的設計
[0007] 在測量現場地面布置地面控制點陣4,控制點A、B、C保持正交約束，其他控制點間 隔IOOmm進行布置，且與B、C控制點保持共線，具體數量根據測量現場視場以及測量零件的 尺寸決定，公式如下。
[0008]
⑴
[0009] 其中，N表示現場需要布置的地面控制點數量，1表示被測零件的最大測量長度， ceil函數表示取比括號內計算值大的最小整數。
[0010] 以其中A、B、C控制點為基準點建立全局控制坐標系記為0bXYZ。
[0011] 第二步前后兩組雙目相機的標定
[0012] (1)前后兩組雙目相機的內參數標定
[0013] 利用張氏標定法結合標定公式（2)分別對前面左、右測量相機5,6以及后面右、左 定位相機7,8進行標定：
[0014]
[0015] 其中[u V 1]τ是拍攝棋盤格標定板角點圖像的二維像素坐標組成的齊次矩陣， [Xw Yw Zw 1]τ是棋盤格標定板上角點的空間三維坐標組成的齊次矩陣，完成相機內參數標 定。同時可以得到兩臺相機之間的F矩陣，用于后期的特征匹配。
[0016] (2)前后兩組雙目相機相對位置的標定
[0017] 結合U形測量板11，利用張氏標定結果，前面左、右測量相機5,6重建U形測量板 前測量版10的位置信息，即為空間坐標集Ω1= [X1 Y1 Z1 1]τ。同理，也能得到U形測量板 后測量版13相對于后面右、左定位相機7,8的空間坐標集Ω2= [X2 Y2 Z2 1]τ。由于U形 測量板的前后測量板之間的相對位置關系是固定且已知的，記為Xu= [Ru TJ，那么結合歐 拉坐標系變換公式
[0018]
(.3)'
[0019] 其中，H是坐標向量的夾角，得到前面左、右測量相機5,6分別相對于后面右、左定 位相機7,8的位置關系X 1= [Ri T1]和X2= [R2 T2]。并將坐標系統一到后面左定位相機 8,記為 OtXYZ。
[0020] (3)全局外參數的標定
[0021] 利用后面右、左定位相機7,8結合布置好的地面標志點陣4,我們將全局的世界坐 標系O wXYZ定義在由標志點A、B、C所確定的全局控制坐標系ObXYZ上，后面右、左定位相機 7,8的外參數矩陣獲得全局世界坐標系O wXYZ相對于后面右、左定位相機7,8的位置變換關 系，記為X3= [R3 T3]，再結合上一步獲得的前面左、右測量相機5,6和后面右、左定位相機 7,8的相對位置關系X 1= [Ri T1]和X2= [R2 T2]，那么將矩陣相乘即
[0022]
[0023]
[0024] 獲得測量相機相對于全局世界坐標系的位置變換關系，即矩陣\和X 5，這樣就確 定了全場的測量外參數。
[0025] 第三步被測物表面輪廓信息的提取與重建
[0026] 完成全局坐標建立后，分別用前面左、右測量相機5,6以及后面右、左定位相機7， 8對被測物1以及地面標記點陣4進行測量，后面右、左定位相機7,8結合地面標志點陣4 將前面左、右測量相機5,6的世界坐標系統一到已確定的坐標系下，針對測量相機采集的 被測物圖像，利用橢圓形圖像中心灰度重心提取方法，公式如下
[0027] 轉
[0028] ρ?
[0029] 其中：f (u, V)為特征點像素坐標（u, V)位置像素點的灰度值，Ω為邊緣提取區域 內像素目標的集合，
為內切圓圓心的圖像坐標。從而獲取被測物表面的特 征點二維信息，再結合標定結果以及基于灰度差平方方式的左右對應點匹配公式
[0030]
[0031] 其中S為兩個鄰域窗的相似度，I(x，y)為目標函數在（x，y)處的灰度值，T(x，y) 為源圖像在（x，y)處的灰度值。
[0032] 由此將二維信息還原成為三維點信息。之后移動相機根據全局標定結果，將測量 結果統一到坐標系O bXYZ下，最終獲取整個被測物的全局三維點云數據。
[0033] 第四步還原零件形貌完成視覺測量
[0034] 利用CATIA軟件處理三維點云信息，在Digitized Shape Editor模塊下，導入點 云數據，定義點云輸入百分比以及點云方向，根據匹配公式（8)設置點偏移閾值為95%，剔 除誤匹配點以及誤差點，利用曲面重構模塊，對群數據進行過濾并選擇合適的點建立固定 坐標系，根據拍攝視場將獲得的所有點云數據分區域進行網格重構，通過曲面光整，縫補， 將區域信息整合拼接，完成點云數據的逆向建模，得到被測物1的整體形貌，進而可利用 CATIA的測量分析工具，針對整個大型零件的形貌輪廓模型獲取需要的測量信息。
[0035] 本發明的效果和益處是：發明了一種基于兩組相機的大型零件全局形貌測量方 法，將兩組共四臺相機安裝在固定支架上，利用視覺標定方法結合測量現場的坐標控制點 快速實現測量現場全局坐標系的建立和控制，最終配合機器視覺產品結合零件表面的特 征點獲得零件點云數據，建立零件整體形貌，進而完成對零部件的精確測量。測量方法具有 測量視場范圍大、效率高，且測量設備成本低，能快速完成工業現場大型零件的全局形貌測 量工作。
【附圖說明】
[0036] 圖1是大型零件形貌測量示意圖，圖2是測量相機和定位相機標定示意圖。其中， 1-被測零件，2-測量標志點，3-計算機，4-地面控制點陣，A、B、C、……N-控制點，5-左測 量相機，6-右測量相機，7-右定位相機，8-左定位相機，9-三腳支架，IO-U形測量板前測量 版，Il-U形測量板，12-三腳架，13-U形測量板后測量版。
[0037] 圖3是測量過程流程圖
【具體實施方式】
[0038] 以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的【具體實施方式】。本實施例采用前后兩 組雙目相機5、6、7、8結合地面控制點陣4以及被測物1表面標志點2進行全局測量，其中 利用U形測量板11完成兩組相機之間的位置標定，輔以CATIA三維處理軟件實施零件建模 以及全局測量。前面測量相機5、6以及后面定位相機7、8均為Vie WW〇rks2900萬像素全畫 幅工業相機，拍攝幀頻為20Hz。
[0039] 1.安裝相機以及布置測量地面控制點
[0040] 如圖1所示，將四臺相機安裝在三角支架9上，其中，前面兩臺為測量相機5、6,后 面兩臺為定位相機7、8,四臺相機都與計算機3相連，調整好拍攝的角度，將4臺相機固定。 然后，在測量現場地面布置地面控制點陣4,控制點數量根據測量現場視場以及測量零件 的尺寸決定，計算公式參照公式（1)，共設12個控制點。控制點1、2、3保持正交約束，其他 控制點間隔IOOmm進行布置，且與2、3控制點共線。以其中1、2、3控制點為基準點建立全 局控制坐標系記為〇 bXYZ。控制點陣4以及4臺相機和計算機3組成零件測量系統。
[0041] 2.標定前后兩組雙目相機的內參數
[0042] 前后四臺相機固定后，利用張氏標定法通過棋盤格標定板結合標定公式（2)對前 面左、右測量相機5、6以及后面