CN101713640B - 一种锻件热态尺寸的非接触测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种锻件热态尺寸的非接触测量方法属于高温锻件尺寸测量领域，特别涉及对锻件使用条状结构光进行尺寸测量的方法。先将锻件分为方形和圆柱形两大类，然后对第一、二CCD摄像机的内外参数进行标定，建立相机与外部视场的坐标联系；向高温锻件投射条状结构光；利用图像采集系统采集投射条状结构光的高温锻件的图像；对采集到的图像进行处理，通过分析圆柱形和方形锻件上结构光边缘的形状特点，将关联锻件尺寸的特征点快速提取出来，结合第一、二CCD摄像机的标定结果对锻件的特征点进行三维建模，并求出锻件的尺寸和锻件的部分形位误差。采用双目视觉技术实时拍摄高温锻件的图像，测量快速精确，能满足工业锻压生产的要求。

Description

一种锻件热态尺寸的非接触测量方法

技术领域

本发明属于高温锻件尺寸测量领域，特别涉及对锻件使用条状结构光进行尺寸测量的方法。

背景技术

在锻压生产中需要对锻件的尺寸进行测量，由于锻件温度的影响尺寸测量极为困难。现有的测量方法主要为人工卡钳、量杆等直接接触测量。由于温度高，工作条件恶劣，直接接触测量的误差较大，在实际生产过程中通常借助增大锻件的加工余量的方法确保最终的锻压尺寸，因此导致了毛坯材料的浪费。此外在部分测量情况下，锻件必须离线，并从部分辅具上卸下，致使测量时间增长，并且对生产效率和锻件质量均有一定影响。所以解决大型热态锻件的精确在线测量对我国锻造行业的发展和技术进步有着重大的意义。目前采用的非接触式测量方法主要有激光扫描法、图像法等。

一重集团大连设计研究院的常怀德等申报的《锻件的在线非接触测量系统》(专利号ZL200620168580.6.)采用伺服电机带动工业摄像机自动识别锻件的边缘，通过相机之间的距离来确定锻件上下和左右边缘之间的尺寸。该系统虽然能快速测量锻件的尺寸，但仅能实现锻件整体尺寸的测量。

上海交通大学的杜正春等申报的《大型锻件的激光雷达在线三维测量装置与方法》(专利号ZL200710171878.1)采用激光测距原理，通过对大型锻件的连续扫描，采集锻件的表面信息，然后对锻件进行整体三维重构，最终通过分析锻件的重构结果完成锻件的尺寸测量。另外，上海交通大学的高峰、郭为忠等申报的发明专利《大型锻件三维外形尺寸和温度检测装置》(公开号CN 101216294A)公开了一种高温锻件的尺寸测量系统，该测量系统主要由高温型激光测距仪，计算机和二自由度并联转动扫描架组成，测量时由两个电机带动扫描架在两个互相垂直的方向作旋转运动，从而带动固定安装在平台上的高温型激光测距仪对准并扫描工件，同时获得锻件表面各点的距离和测量仪的相对的旋转角度，最后经数据处理，得到锻件表面各点的三维坐标等信息，进而通过三维重建求出锻件的尺寸。这两种方法通过激光对锻件的整体扫描能实现锻件大部分尺寸的测量和分析，但是在测量过程中采用全体逐点扫描方式获取信息，采集了工件的大量信息，且在计算时处理速度较慢，所以不能满足锻件尺寸的实时测量。

针对现有非接触性测量所需信息大，处理速度较慢和测量数据不完整等缺点，本发明经过对锻件的观察研究，将锻件大致分为圆柱形和方形两大类，采用图像采集系统结合测量过程中这两大类锻件的锻压特点，通过提取锻件的形貌特征点、线，从而达到减少所需测量信息的目的，实现锻件锻压尺寸的快速测量。

发明内容

本发明主要解决的问题是克服以往非线性测量锻件信息采集量大、数据处理速度较慢，不能满足工业锻压生产实时测量的缺陷，采用双目视觉技术实时拍摄高温锻件的图像，通过提取的形貌特征点建立高温锻件的空间模型，然后计算出高温锻件的尺寸，为下一步的锻压提供尺寸参考。

本发明采用的技术方案是，一种锻件热态尺寸非接触测量方法，其特征是先将锻件分为方形和圆柱形两大类，然后在进行尺寸测量时，对第一、二CCD摄像机2、7的内外参数进行标定，建立相机与外部视场的坐标联系；向高温锻件1投射条状结构光；利用图像采集系统采集投射条状结构光的高温锻件的图像；对采集到的图像进行处理，通过分析圆柱形和方形锻件上结构光边缘的形状特点将关联锻件尺寸的形貌特征点快速提取出来，同时结合外部视场到第一、二CCD摄像机2、7的变换矩阵对锻件的特征点进行三维建模，进而求出锻件的尺寸等信息；具体步骤如下：

(1)确定第一、二CCD摄像机2、7及外部视场的坐标系

通过第一、二CCD摄像机2、7内参数焦距、主点坐标和外参数的标定，分别确立外部视场坐标系0_W-X_WY_WZ_W到第一CCD摄像机2坐标系0₁-X₁Y₁Z₁和第二CCD摄像机7坐标系0₂-X₂Y₂Z₂的变换矩阵P_I P_II，其中P_I、P_II均为4×4的方阵；

(2)在锻造过程中由DLP投影仪8向高温锻件1表面投射一组条状结构光

(3)采集投射条状结构光后的高温锻件图像

图像采集系统由第一、二CCD摄像机2、7，第一、二低通滤光片10、9，DLP投影仪8和数据处理计算机5组成，其中，第一CCD摄像机2镜头前端有第一低通滤光片10，第二CCD摄像机7镜头前端有第二低通滤光片9。图像采集时由计算机控制摄像机的控制盒4，通过第一、二CCD摄像机2、7同时采集投射结构光后的锻件的图像，摄像机镜头前端的第一、二低通滤光片10、9能够有效的除去锻件高温辐射造成的影响，采集到的锻件图像由数据传输线6实时地上传到计算机中，实现了对锻件图像的连续实时采集。

(4)对锻件图像进行数据处理

①方形锻件的数据处理

1)特征点提取

条状结构光投射在锻件上时，会与锻件的边缘产生交点A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3，此类点构成了方形锻件的总体轮廓，通过求解这些点之间的空间位置关系即可求得锻件的锻压尺寸，并且分别得到第一、二CCD摄像机2、7拍摄图像中的图像坐标为：(x_A1，y_A1)、(x_B1，y_B1)、(x_C1，y_C1)  (x′_A1，y′_A1)、(x′_B1，y′_B1)、(x′_C1，y′_C1)(x_A2，y_A2)、(x_B2，y_B2)、(x_C2，y_C2)，(x′_A2，y′_A2)、(x′_B2，y′_B2)、(x′_C2，y′_C2)(x_A3，y_A3)、(x_B3，y_B3)、(x_C3，y_C3)  (x′_A3，y′_A3)、(x′_B3，y′_B3)、(x′_C3，y′_C3)

2)空间求解

(a)计算特征点空间坐标

利用提取的锻件的特征点，结合外部视场坐标系到第一、二CCD摄像机2、7的坐标系的变换矩阵P_I、P_II求解各点的空间坐标，根据线性三角形法，在每一幅图像分别有：

$\left[\begin{array}{c}{x}_I\\ y_I\\ 1\\ 1\end{array}\right]=P_I\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\\ 1\end{array}\right]$ …① $\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{II}}\\ y_{\mathrm{II}}\\ 1\\ 1\end{array}\right]=P_{\mathrm{II}}\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\\ 1\end{array}\right]$ …②

其中，X，Y，Z为一空间点的坐标，x_I，y_I为点在第一CCD摄像机2所拍摄图像中的坐标，x_II，y_II为第二CCD摄像机7所拍摄图像中的图像坐标，分别计算①、②两矩阵方程即可求得对应空间点的坐标(X，Y，Z)，故得到步骤1)中各特征点的空间坐标：

(X_A1，Y_A1，Z_A1)、(X_B1，Y_B1，Z_B1)、(X_C1，Y_C1，Z_C1)

(X_A2，Y_A2，Z_A2)、(X_B2，Y_B2，Z_B2)、(X_C2，Y_C2，Z_C2)

(X_A3，Y_A3，Z_A3)、(X_B3，Y_B3，Z_B3)、(X_C3，Y_C3，Z_C3)

(b)三维建模及尺寸求解

根据求得的各特征点的空间坐标，对方形锻件进行三维建模，然后根据三维模型中各点间的空间位置关系求解锻件的锻压尺寸，将位于锻件上平面的六个点A₁，B₁，A₂，B₂，A₃，B₃拟合为一平面α然后，计算C₁，C₂，C₃到平面α的距离d₁，d₂，d₃，锻件的最终锻压尺寸

为：

$\stackrel{\‾}{d}=\frac{d_1+d_2+d_3}{3}$

②圆柱形锻件的数据处理

1)特征点提取

在锻压过程中因为锻压机的作用会使锻件表面产生凸起的棱边，当向锻件投射条状结构光的时候会产生交点A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，而此类点构成了锻件的大致轮廓，通过分析条状结构光边缘的变化即可将形貌特征点提取出来；

2)空间求解

(a)计算特征点空间坐标

圆柱形锻件的空间坐标计算方法与方形锻件的空间坐标方法相同，经计算得到圆柱形锻件各特征点的空间坐标；

(X_A1，Y_A1，Z_A1)、(X_B1，Y_B1，Z_B1)、(X_C1，Y_C1，Z_C1)、(X_D1，Y_D1，Z_D1)、(X_E1，Y_E1，Z_E1)

(X_A2，Y_A2，Z_A2)、(X_B2，Y_B2，Z_B2)、(X_C2，Y_C2，Z_C2)、(X_D2，Y_D2，Z_D2)、(X_E2，Y_E2，Z_E2)

(X_A3，Y_A3，Z_A3)、(X_B3，T_B3，Z_B3)、(X_C3，Y_C3，Z_C3)、(X_D3，Y_D3，Z_D3)、(X_E3，Y_E3，Z_E3)

(X′_A1，Y′_A1，Z′_A1)、(X′_B1，Y′_B1，Z′_B1)、(X′_C1，Y′_C1，Z′_C1)、(X′_D1，Y′_D1，Z′_D1)、(X′_E1，Y′_E1，Z′_E1)

(X′_A2，Y′_A2，Z′_A2)、(X′_B2，Y′_B2，Z′_B2)、(X′_C2，Y′_C2，Z′_C2)、(X′_D2，Y′_D2，Z′_D2)、(X′_E2，Y′_E2，Z′_E2)

(X′_A3，Y′_A3，Z′_A3)、(X′_B3，Y′_B3，Z′_B3)、(X′_C3，Y′_C3，Z′_C3)、(X′_D3，Y′_D3，Z′_D3)、(X′_E3，Y′_E3，Z′_E3)

(b)三维建模及尺寸求解

根据求得的各特征点的空间坐标，对圆柱形锻件进行三维建模，然后根据模型中各点间的空间位置关系求解锻件的锻压尺寸并分析锻件的形位公差。

考虑到在圆柱形锻件在锻压成型过程中横截面的变化，将位于圆柱形锻件同一边缘上的点A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，分别拟合为对应的椭圆轮廓曲线，其椭圆的中心分别为O1、O2、O3，根据拟合成的椭圆方程可以分别求解圆柱形高温锻件在各个位置的尺寸，以及相应圆柱形高温锻件相应位置的圆度信息；求解以上椭圆的中心O1、O2、O3包络圆柱面γ，通过计算圆柱面γ的直径即可求得圆柱形锻件的直线度信息Dγ。

以上方案所述的一种锻件热态尺寸非接触测量方法，所采用的测量系统其特征是：由第一、二CCD摄像机2、7，相机控制盒4，第一、二低通滤光片10、9，DLP投影仪8，数据处理计算机5组成；第一低通滤光片10通过螺纹连接在第一CCD摄像机2镜头前，第二低通滤光片9通过螺纹连接在第二CCD摄像机7镜头前，DLP投影仪8放置在第一、二CCD摄像机2、7中间，CCD摄像机2、7和相机控制盒4通过数据线3连接在一起，相机控制盒4由计算机5通过计算机数据线6进行数据交流。

本发明的显著效果是采用基于辅助结构光和双目视觉的尺寸测量方法，对高温锻件进行连续实时拍摄，保证所取信息的实时性有效性，实现了对高温锻件实时非接触测量；测量时将锻件分为圆柱形和方形两大类，使测量更加具有针对性；以结构光边缘特征点为匹配点的快速特征提取方法提取的形貌特征点的特征明显，同时克服了高温锻件表面氧化皮等因素的影响，使提取的特征点更加精确测量快速精确，满足了工业锻压生产的实际要求。

附图说明

图1-一种锻件热态尺寸非接触测量系统示意图，其中：1-高温锻件，2-第一CCD摄像机，7-第二CCD摄像机，3-数据线，4-相机控制盒，5-计算机，6-计算机数据线，8-高亮度DLP投影仪，9-第二低通滤光片、10-第一低通滤光片。

图2-第一、二CCD摄像机2、7及外部视场的坐标系，其中，0_W-X_WY_WZ_W为外部视场坐标系，0₁-X₁Y₁Z₁为第一CCD摄像机2坐标系，0₂-X₂Y₂Z₂为第二CCD摄像机7坐标系，P_I为外部视场坐标系0_W-X_WY_WZ_W到第一CCD摄像机2坐标系的0₁-X₁Y₁Z₁的变换矩阵，P_II为外部视场坐标系0_W-X_WY_WZ_W到第二CCD摄像机7坐标系的0₂-X₂Y₂Z₂的变换矩阵，1为高温锻件，8为DLP投影仪。

图3-方形锻件的图像，其中a为第一摄像机2采集的锻件图像，A1、B1、C1；A2、B2、C2；A3、B3、C3为条型结构光边缘与方形高温锻件的交点第一CCD摄像机2中的成像，b为第二CCD摄像机7采集的锻件的图像，A′1、B′1、C′1；A′2、B′2、C′2；A′3、B′3、C′3条型结构光边缘与方形高温锻件的交点在第二CCD摄像机7中的成像。

图4-圆形锻件的图像，其中a为第一摄像机2采集的锻件图像，A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3为条型结构光边缘与圆柱形高温锻件的交点在第一CCD摄像机2中的成像，b为第二CCD摄像机7采集的锻件的图像，A′1、B′1、C′1、D′1、E′1；A′2、B′2、C′2、D′2、E′2；A′3、B′3、C′3、D′3、E′3为条型结构光边缘与圆柱形高温锻件的交点在第二CCD摄像机7中的成像。

图5-方形锻件的尺寸求解图，其中A₁，B₁，C₁；A₂，B₂，C₂；A₃，B₃，C₃为方形高温锻件形貌特征点的重建结果，平面α为A₁，B₁，A₂，B₂，A₃，B₃拟合成的一个平面，d₁，d₂，d₃分别为方形高温锻件下边缘特征点C₁，C₂，C₃到平面的α距离。

图6-圆柱形锻件锻压结果分析图，其中A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3为圆柱形高温锻件形貌特征点的重建结果，O1、O2、O3为形貌特征点A1、B1、C1、D1、E1，A2、B2、C2、D2、E2及A3、B3、C3、D3、E3分别拟合成的椭圆的中心，γ为点O1、O2、O3的包络圆柱面，Dγ为圆柱面γ的直径。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施：

一种锻件热态尺寸非接触测量方法的图像采集系统示意图如图1所示，DLP投影仪8放置在第一、二CCD摄像机2、7中间负责向高温锻件1投射条状结构光，第一、二CCD摄像机2、7负责拍摄高温锻件1的图像，其前端分别连接有第一、二低通滤光片10、9能滤除高温锻件1的高温辐射，数据线3将第一、二CCD摄像机2、7和相机控制盒4连接在一起，最后由数据线6将相机控制盒4和计算机5连接在一起。

(1)确定第一、二CCD摄像机2、7及外部视场的坐标系

通过对摄像机内外参数的标定，P_I为外部视场坐标系0_W-X_WY_WZ_W到第一CCD摄像机2坐标系0₁-X₁Y₁Z₁的变换矩阵，P_II为外部视场坐标系0_W-X_WY_WZ_W到第二CCD摄像机7坐标系0₂-X₂Y₂Z₂的变换矩阵，P_I、P_II均为4×4的方阵，如图2所示。

(2)在测量过程中，用DLP投影仪8向锻件1表面投射一组条状结构光，为保证投射的条状结构光不被高温锻件1的高温辐射淹没，在测量过程中采用3MPD80X型号投影仪，保证投射的条状结构光的亮度足够强。

(3)利用图像采集系统采集投射光条的锻件图片

图像采集时采用双目视觉的方式，由放置第一、二CCD摄像机2、7中间的DLP投影仪8向高温锻件1投射一组条状结构光，然后，由第一、二CCD摄像机2、7同时拍摄一组高温锻件1的图像，如图3、4所示，同时连接在第一、二CCD摄像机2、7前端的第一、二低通滤光片10、9有效地滤掉了高温锻件1高温辐射的影响，以保证由第一、二CCD摄像机2、7拍摄到清晰的高温锻件图像，因此有效地抑制了工作现场不利的非相关因素的影响，极大的方便了后续的数据处理，图像信号由数据线3传输到相机控制盒4，然后再由数据线6传输到计算机5，实现了对锻件图像的连续实时采集，同时整个图像采集过程实时地显示在计算机屏幕上，从而保证了数据采集区域的有效性。

(4)对图片进行数据处理

①方形锻件的数据处理

1)提取锻件形貌特征点

通过分析可以发现构成高温锻件形貌的点相对较多，而与锻件的外形尺寸发生联系的点的数量相对较少，在点的识别和提取过程中，首先将光条和背景实现分离，同时通过投射条状结构光实现对此类点的标记。分析结果表明条状结构光投射在锻件上时，会与锻件的边缘产生交点A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3。此类点构成了方形锻件的总体轮廓，通过求解此类点之间的空间位置关系即可求得锻件的锻压尺寸。分析图像中条状结构光边缘曲线变化趋势即可将此类点提取出来，并且分别得到第一、二CCD摄像机2、7拍摄图像中的图像坐标：

(x_A1，y_A1)、(x_B1，y_B1)、(x_C1，y_C1)  (x′_A1，y′_A1)、(x′_B1，y′_B1)、(x′_C1，y′_C1)

(x_A2，y_A2)、(x_B2，y_B2)、(x_C2，y_C2)，(x′_A2，y′_A2)、(x′_B2，y′_B2)、(x′_C2，y′_C2)

(x_A3，y_A3)、(x_B3，y_B3)、(x_C3，y_C3)  (x′_A3，y′_A3)、(x′_B3，y′_B3)、(x′_C3，y′_C3)

2)空间求解

(a)计算特征点空间坐标

利用提取的锻件的特征点，结合第一、二CCD摄像机2、7的标定结果求解各点的空间坐标。根据线性三角形法，在每一幅图像分别有：

$\left[\begin{array}{c}{x}_I\\ y_I\\ 1\\ 1\end{array}\right]=P_I\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\\ 1\end{array}\right]$ ① $\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{II}}\\ y_{\mathrm{II}}\\ 1\\ 1\end{array}\right]=P_{\mathrm{II}}\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\\ 1\end{array}\right]$ ②

其中，X，Y，Z为一空间点的坐标，x_I，y_I为点在第一CCD摄像机2所拍摄图像中的坐标，x_II，y_II为第二CCD摄像机7所拍摄图像中的图像坐标，分别计算①、②两矩阵方程即可求得对应空间点的坐标(X，Y，Z)，得到步骤1)中各特征点的空间坐标：

(X_A1，Y_A1，Z_A1)、(X_B1，Y_B1，Z_B1)、(X_C1，Y_C1，Z_C1)

(X_A2，Y_A2，Z_A2)、(X_B2，Y_B2，Z_B2)、(X_C2，Y_C2，Z_C2)

(X_A3，Y_A3，Z_A3)、(X_B3，Y_B3，Z_B3)、(X_C3，Y_C3，Z_C3)

(b)三维建模及尺寸求解

根据求得的各特征点的空间坐标，对方形锻件进行三维建模，然后根据三维模型中各点间的空间位置关系求解锻件的锻压尺寸，如图5所示。

将位于锻件上平面的六个点A₁，B₁，A₂，B₂，A₃，B₃拟合为一平面α：F(X，Y，Z)＝0，然后，计算C₁，C₂，C₃到平面α的距离

$d_1=\frac{\left|F(X_{C1},Y_{C1},Z_{C1})\right|}{\sqrt{{\left(F\left(\mathrm{1,0,0}\right)\right)}^2+{\left(F\left(\mathrm{0,1,0}\right)\right)}^2+{\left(F\left(\mathrm{0,1,0}\right)\right)}^2}}$

$d_2=\frac{\left|F(X_{C2},Y_{C2},Z_{C2})\right|}{\sqrt{{\left(F\left(\mathrm{1,0,0}\right)\right)}^2+{\left(F\left(\mathrm{0,1,0}\right)\right)}^2+{\left(F\left(\mathrm{0,1,0}\right)\right)}^2}}$

$d_3=\frac{\left|F(X_{C3},Y_{C3},Z_{C3})\right|}{\sqrt{{\left(F\left(\mathrm{1,0,0}\right)\right)}^2+{\left(F\left(\mathrm{0,1,0}\right)\right)}^2+{\left(F\left(\mathrm{0,1,0}\right)\right)}^2}}$

则锻件的最终锻压尺寸

为：

$\stackrel{\‾}{d}=\frac{d_1+d_2+d_3}{3}$

②圆柱形锻件的处理：

1)特征点提取

在锻压过程中因为锻压机的作用会使锻件表面产生凸起的棱边，当向锻件投射条状结构光的时候会产生交点A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，而此类点构成了锻件的大致轮廓。圆柱形锻件的特征点的提取方式与方形锻件的情况类似，但是圆柱形锻件表面棱边凸起不明显，在提取特征点时易受锻件表面氧化层以等因素的影响，导致提取的特征点不够精确。经研究发现条状结构光与锻件棱边相交区域的亮度比其它区域高，因此在进行锻件图像处理时采用图像增强的方式将条状结构光与圆柱形高温锻件的凸起棱边相交区域的亮度提高，从而实现锻件棱边与圆柱形高温锻件表面氧化皮的凸起、凹陷区域与棱边区域的区分，实现高温锻件形貌特征点的精确提取。

2)空间求解

(a)计算特征点空间坐标

圆柱形锻件的空间坐标计算方法与方形锻件的空间坐标方法相同，经计算得到圆柱形锻件各特征点的空间坐标为：

(X_A1，Y_A1，Z_A1)、(X_B1，Y_B1，Z_B1)、(X_C1，Y_C1，Z_C1)、(X_D1，Y_D1，Z_D1)、(X_E1，YE₁，Z_E1)

(X_A2，Y_A2，Z_A2)、(X_B2，Y_B2，Z_B2)、(X_C2，Y_C2，Z_C2)、(X_D2，Y_D2，Z_D2)、(X_E2，YE₂，Z_E2)

(X_A3，Y_A3，Z_A3)、(X_B3，Y_B3，Z_B3)、(X_C3，Y_C3，Z_C3)、(X_D3，Y_D3，Z_D3)、(X_E3，YE₃，Z_E3)

(X′_A1，Y′_A1，Z′_A1)、(X′_B1，Y′_B1，Z′_B1)、(X′_C1，Y′_C1，Z′_C1)、(X′_D1，Y′_D1，Z′_D1)、(X′_E1，Y′_E1，Z′_E1)

(X′_A2，Y′_A2，Z′_A2)、(X′_B2，Y′_B2，Z′_B2)、(X′_C2，Y′_C2，Z′_C2)、(X′_D2，Y′_D2，Z′_D2)、(X′_E2，Y′_E2，Z′_E2)

(X′_A3，Y′_A3，Z′_A3)、(X′_B3，Y′_B3，Z′_B3)、(X′_C3，Y′_C3，Z′_C3)、(X′_D3，Y′_D3，Z′_D3)、(X′_E3，Y′_E3，Z′_E3)

(b)三维建模及尺寸求解

根据求得的各特征点的空间坐标，对圆柱形锻件进行三维建模，然后根据模型中各点间的空间位置关系求解锻件的锻压尺寸并分析锻件的形位公差，如图6所示。

考虑到在圆柱形锻件在锻压成型过程中横截面的变化，将位于圆柱形锻件同一边缘上的点A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，分别拟合为对应的椭圆轮廓曲线O1、O2、O3：

$\frac{F_{a1}(X_1,Y_1,Z_1)}{{a_1}^2}+\frac{F_{b1}(X_1,Y_1,Z_1)}{{b_1}^2}=1$

$\frac{F_{a2}(X_2,Y_2,Z_2)}{{a_2}^2}+\frac{F_{b2}(X_2,Y_2,Z_2)}{{b_2}^2}=1$

$\frac{F_{a3}(X_3,Y_3,Z_3)}{{a_3}^2}+\frac{F_{b3}(X_3,Y_3,Z_3)}{{b_3}^2}=1$

式中a₁、a₂、a₃分别为椭圆O1、O2、O3的长轴长，b₁、b₂、b₃分别为椭圆O1、O2、O3的短轴长，F_a1(X₁，Y₁，Z₁)、F_b1(X₁，Y₁，Z₁)、F_a2(X₂，Y₂，Z₂)、F_b2(X₂，Y₂，Z₂)、F_a3(X₃，Y₃，Z₃)、F_b3(X₃，Y₃，Z₃)均为二次函数表达式。

所以圆柱形高温锻件在位置1、2、3处的尺寸φ₁、φ₂、φ₃分别为：

${\mathrm{\φ}}_1=\frac{a_1+b_1}{2}$

${\mathrm{\φ}}_2=\frac{a_2+b_2}{2}$

${\mathrm{\φ}}_3=\frac{a_3+b_3}{2}$

在位置1、2、3处的圆度误差Δ1、Δ2、Δ3分别为：

$\mathrm{\Δ}1=\frac{|a_1-b_1|}{2}$

$\mathrm{\Δ}2=\frac{|a_2-b_2|}{2}$

$\mathrm{\Δ}3=\frac{|a_3-b_3|}{2}$

另外，求解以上椭圆的中心O1、O2、O3包络圆柱面γ，通过计算圆柱面径D_γ可求得圆柱形锻件的直线度信息。

本发明采用基于辅助结构光和双目视觉的尺寸测量方法，对高温锻件进行连续实时拍摄，保证所取信息的实时性有效性，实现了对高温锻件实时非接触测量；测量时将锻件分为圆柱形和方形两大类，使测量更加具有针对性；以结构光边缘特征点为匹配点的快速特征提取方法提取的形貌特征点的特征明显，同时克服了高温锻件表面氧化皮等因素的影响，使提取的特征点更加精确，测量快速精确，满足了工业锻压生产的实际要求。

Claims (2)

1.一种锻件热态尺寸非接触测量方法，其特征是，先将锻件分为方形和圆柱形两大类，然后在进行尺寸测量时，对第一、二CCD摄像机(2、7)的内外参数进行标定，建立相机与外部视场的坐标联系；向高温锻件(1)投射条状结构光；利用图像采集系统采集投射条状结构光的高温锻件的图像；对采集到的图像进行处理，通过分析圆柱形和方形锻件上结构光边缘的形状特点，将关联锻件尺寸的特征点快速提取出来，同时结合第一、二CCD摄像机(2、7)的标定结果对锻件的特征点进行三维建模，并求出锻件的尺寸和锻件的部分形位误差，为进一步的锻造提供尺寸参考；具体步骤如下：

(1)确定第一、二CCD摄像机(2、7)及外部视场的坐标系

通过对摄像机内外参数的标定，P_I为外部视场坐标系0_W-X_WY_WZ_W到第一CCD摄像机(2)坐标系0₁-X₁Y₁Z₁的变换矩阵，P_II为外部视场坐标系0_W-X_WY_WZ_W到第二CCD摄像机(7)坐标系0₂-X₂Y₂Z₂的变换矩阵，P_I、P_II均为4×4的方阵；

(2)在锻造过程中，由DLP投影仪(8)向高温锻件(1)表面投射一组条状结构光；

(3)采集投射条状结构光后的高温锻件图像

图像采集系统由第一、二CCD摄像机(2、7)，第一、二低通滤光片(10、9)，DLP投影仪(8)和进行数据处理计算的计算机(5)组成，其中，第一CCD摄像机(2)镜头前端有第一低通滤光片(10)，第二CCD摄像机(7)镜头前端有第二低通滤光片(9)，图像采集时由计算机(5)控制摄像机的控制盒(4)，通过第一、二CCD摄像机(2、7)同时采集投射结构光的锻件的图像，摄像机镜头前端的第一、二低通滤光片(10、9)能够有效的除去锻件高温辐射造成的影响，采集到的锻件图像由数据传输线(6)实时地上传到计算机中，实现了对锻件图像的连续实时采集；

(4)对锻件图像进行数据处理

①方形锻件的数据处理

1)特征点提取

条状结构光投射在锻件上时，会与锻件的边缘产生交点A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3，此类点构成了方形锻件的总体轮廓，通过求解这些点之间的空间位置关系，即可求得锻件的锻压尺寸，并且分别得到第一、二CCD摄像机(2、7)拍摄图像中的图像坐标为：

(x_A1，y_A1)、(x_B1，y_B1)、(x_C1，y_C1)  (x′_A1，y′_A1)、(x′_B1，y′_B1)、(x′_C1，y′_C1)

(x_A2，y_A2)、(x_B2，y_B2)、(x_C2，y_C2)，(x′_A2，y′_A2)、(x′_B2，y′_B2)、(x′_C2，y′_C2)

(x_A3，y_A3)、(x_B3，y_B3)、(x_C3，y_C3)  (x′_A3，y′_A3)、(x′_B3，y′_B3)、(x′_C3，y′_C3)

2)空间求解

(a)计算特征点空间坐标 

利用提取的锻件的特征点，结合第一、二CCD摄像机(2、7)的标定结果求解各点的空间坐标，根据线性三角形法，在每一幅图像分别有：

…①

…②

其中，X，Y，Z为一空间点的坐标，x_I，y_I为点在第一CCD摄像机(2)所拍摄图像中的图像坐标，x_II，y_II为第二CCD摄像机(7)所拍摄图像中的图像坐标，分别计算①、②两矩阵方程即可求得对应空间点的坐标(X，Y，Z)，故得到步骤1)中各特征点的空间坐标：

(X_A1，Y_A1，Z_A1)、(X_B1，Y_B1，Z_B1)、(X_C1，Y_C1，Z_C1)

(X_A2，Y_A2，Z_A2)、(X_B2，Y_B2，Z_B2)、(X_C2，Y_C2，Z_C2)

(X_A3，Y_A3，Z_A3)、(X_B3，Y_B3，Z_B3)、(X_C3，Y_C3，Z_C3)

(b)三维建模及尺寸求解

根据求得的各特征点的空间坐标，对方形锻件进行三维建模，然后根据三维模型中各点间的空间位置关系求解锻件的锻压尺寸，将位于锻件上平面的六个点A₁，B₁，A₂，B₂，A₃，B₃拟合为一平面α：F(X，Y，Z)＝0，然后，计算C₁，C₂，C₃到平面α的距离d₁，d₂，d₃，锻件的最终锻压尺寸 

为：

②圆柱形锻件的数据处理

1)特征点提取

在锻压过程中因为锻压机的作用会使锻件表面产生凸起的棱边，当向锻件投射条状结构光的时候会产生交点A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，而此类点构成了锻件的大致轮廓，通过分析条状结构光边缘的变化即可将形貌特征点提取出来；

2)空间求解

(^a)计算特征点空间坐标

圆柱形锻件的空间坐标计算方法与方形锻件的空间坐标计算方法相同，经计算得到圆柱形锻件各特征点的空间坐标为：

(X_A1，Y_A1，Z_A1)、(X_B1，Y_B1，Z_B1)、(X_C1，Y_C1，Z_C1)、(X_D1，Y_D1，Z_D1)、(X_E1，Y_E1，Z_E1)

(X_A2，Y_A2，Z_A2)、(X_B2，Y_B2，Z_B2)、(X_C2，Y_C2，Z_C2)、(X_D2，Y_D2，Z_D2)、(X_E2，Y_E2，Z_E2)

(X_A3，Y_A3，Z_A3)、(X_B3，Y_B3，Z_B3)、(X_C3，Y_C3，Z_C3)、(X_D3，Y_D3，Z_D3)、(X_E3，Y_E3，Z_E3) 

(X′_A1，Y′_A1，Z′_A1)、(X′_B1，Y′_B1，Z′_B1)、(X′_C1，Y′_C1，Z′_C1)、(X′_D1，Y′_D1，Z′_D1)、(X′_E1，Y′_E1，Z′_E1)

(X′_A2，Y′_A2，Z′_A2)、(X′_B2，Y′_B2，Z′_B2)、(X′_C2，Y′_C2，Z′_C2)、(X′_D2，Y′_D2，Z′_D2)、(X′_E2，Y′_E2，Z′_E2)

(X′_A3，Y′_A3，Z′_A3)、(X′_B3，Y′_B3，Z′_B3)、(X′_C3，Y′_C3，Z′_C3)、(X′_D3，Y′_D3，Z′_D3)、(X′_E3，Y′_E3，Z′_E3)

(b)三维建模及尺寸求解

根据求得的各特征点的空间坐标，对圆柱形锻件进行三维建模，然后根据模型中各点间的空间位置关系求解锻件的锻压尺寸并分析锻件的形位公差；考虑到在圆柱形锻件在锻压成型过程中横截面的变化，将位于圆柱形锻件同一边缘上的点A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2；A3、B3、C3、D3、E3，分别拟合为对应的椭圆轮廓曲线，其椭圆的中心分别为O1、O2、O3，根据拟合成的椭圆方程可以分别求解圆柱形高温锻件在各个位置的尺寸，以及相应圆柱形高温锻件相应位置的圆度信息；求解以上椭圆的中心O1、O2、O3包络圆柱面γ，通过计算圆柱面γ的直径即可求得圆柱形锻件的直线度信息Dγ。

2.如权利要求1所述的一种锻件热态尺寸非接触测量方法，所采用的测量系统，其特征是，由第一、二CCD摄像机(2、7)，相机控制盒(4)，第一、二低通滤光片(10、9)，DLP投影仪(8)，数据处理计算机(5)组成；第一低通滤光片(10)通过螺纹连接在第一CCD摄像机(2)镜头前，第二低通滤光片(9)通过螺纹连接在第二CCD摄像机(7)镜头前，DLP投影仪(8)放置在第一、二CCD摄像机(2、7)中间，CCD摄像机(2)、(7)和相机控制盒(4)通过数据线(3)连接在一起，相机控制盒(4)由计算机(5)通过计算机数据线(6)进行数据交流。 

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