CN103162623A - 一种双摄像机垂直安装的立体测量系统及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测量、测试技术领域，公开了一种双摄像机垂直安装的立体测量系统及标定方法。其特征是，采用一精密加工的长方体作为基准标定块，取其中一侧面作为标定基准面；将基准标定块放在标定块底座内台阶中，然后固定在测量夹具上；以标定基准面的一条棱边为基准，调整竖直数字摄像机图像中水平中心线与基准面的水平边重合，调整水平数字摄像机的竖直中心线与基准面的竖直边重合，固定测量不同表面的两个数字摄像机的相对工作位置关系，使得两个不同平面内的二维信息通过标定基准面投影到一个平面内，进而简单快速的计算出立体组件尺寸及误差。本发明去除了传统立体组件测量过程中复杂的立体匹配算法和三维重建过程，计算简单、测量精度和效率高、装置搭建方便，可以应用于生产线上立体组件尺寸及误差在线测量。
Description
技术领域
本发明属于测量、测试技术领域，涉及一种双数字摄像机垂直安装的立体测量系统及标定方法。
背景技术
由于立体组件具有三维特征，组件中的零件相互间有位置公差的要求，而上述零件之间受不处于一个平面等影响因素影响，无法使用一个数字摄像机从单方向获取完整的零件尺寸信息及位置误差。所以需要设计一种多数字摄像机立体测量系统对该组件进行指标测量。
在查阅的文献与专利中，专利申请号为CN102032878A介绍的一种基于双目立体视觉测量系统的精确在线测量方法，该专利通过图像获取、摄像机标定、特征提取、图像匹配和三维重建五个步骤，完成在线测量目标。专利申请号为CN102042807A介绍的一种目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置，该专利首先通过标定得到数控转台的空间姿态矩阵，然后通过空间点重构方程计算得到被测物体的空间三维坐标。
以上方法虽然可以实现对立体组件的检测，但是涉及到的立体匹配算法复杂，测量效率低，对于只是要求得到立体组件中各零件关键尺寸及位置误差信息的生产现场在线测量需求，没有必要对组件进行完整的三维重建。只需通过一种特定的标定方法使置于两个方向的摄像机协调作业，将组件三维信息投影到一个二维平面中，建立尺寸及误差信息测量二维数学模型然后计算得到测量结果，可以大大提高现场测量效率。
已有的双摄像机立体测量系统标定方法多适用于为了获取零件完整三维重构信息的测量装置。如专利申请号为CN101231750A介绍的一种双目立体测量系统的标定方法，该专利采用有特征圆点阵的平面标定板对两个摄像机的内外参数进行标定。专利申请号为CN101706957介绍的一种基于绝对对偶二次曲面的自标定技术，该专利根据对应特征点映射重建标定出摄像机内外参数矩阵。
综上所述，现有的标定方法均无法对本专利所描述的一种双数字摄像机垂直安装的立体测量系统进行标定。
发明内容
本发明所解决的技术问题是针对立体组件的两个不同平面进行立体测量的装置和标定方法。该方法设计并制作了一个长方体标定块，利用这一标定块使两个正交放置的测量两个不同平面的数字摄像机协调作业，实现立体组件中零件的关键尺寸及位置误差信息的测量。
本发明的技术方案如下：
一种双摄像机垂直安装的立体测量系统，包括数字摄像机A、数字摄像机B、三维运动平台A、三维运动平台B、旋转平台、测量夹具、标定块底座、基准标定块、导轨驱动器以及计算机控制系统。固定在三维运动平台A上的数字摄像机A竖直放置在测量夹具的上方，固定在三维运动平台B上的数字摄像机B水平放置在测量夹具的侧方；在基准标定块底座上加工一台阶，其高度比基准标定块高度小0.05-0.3mm；置于标定块底座内台阶中的基准标定块为一长方体，其平面度小于公差要求的1/50-1/500；取基准标定块的一个侧表面为基准标定面，将基准标定块的基准标定面的相对面与台阶面紧贴；标定块底座固定在旋转平台上的测量夹具上；计算机控制系统通过导轨驱动器实现对三维运动平台A、三维运动平台B以及旋转平台的运动控制。
为使装置中两个数字摄像机可以协调工作，测量得到立体组件中处于不同平面的零件的关键尺寸信息及位置误差信息，具体的标定过程有以下几个步骤：
步骤1. 为数字摄像机A和数字摄像机B预设定测量位置，每个数字摄像机至少设定一个；
步骤2. 导轨驱动器驱动固定在三维运动平台A上的数字摄像机A运动到预设定测量位置采集基准标定块的基准标定面的上侧棱线的灰度图像，将图像信息传送给计算机；
步骤3. 计算机对图像进行图像处理，提取出基准标定面的上侧棱线的直线特征，将直线特征点集的图像坐标通过空间坐标转换得到其主平面坐标系中的点集，再拟合成标准直线y=ax+b；
步骤4. 根据图像处理及计算结果，导轨驱动器驱动固定有测量夹具的旋转平台，使基准标定面的上侧棱线与数字摄像机A图像屏幕中的水平中心线平行，然后导轨驱动器驱动固定有数字摄像机A的三维运动平台A，进而使得数字摄像机A图像屏幕中的水平中心线与基准标定面的上侧棱线重合；
步骤5. 导轨驱动器驱动固定在三维运动平台B上的数字摄像机B运动到预设定测量位置，在屏幕中观测基准标定块的基准标定面的侧边棱线的灰度图像，然后驱动三维运动平台B使得水平数字摄像机B图像屏幕中的竖直中心线与基准标定面的左侧棱线重合，此时，数字摄像机A与数字摄像机B的轴线垂直且相交。
步骤6. 在零件测量过程中，竖直数字摄像机A保持Y轴方向不可运动，水平数字摄像机B保持X轴方向不可运动。然后通过对这两个数字摄像机分别采集的图像进行图像处理后得到的尺寸及位置误差信息可置于XY平面内进行计算和测量。
本发明的效果和益处是采用设计制作的长方体标定块标定了两个测量不同表面的数字摄像机的相对工作位置关系，使得两个不同平面内的二维信息通过一个标定基准面完成统一，从而将立体组件的三维信息投影到一个平面内，进而简单快速的计算出立体组件尺寸及误差。此方法去除了传统立体组件测量过程中复杂的立体匹配算法和三维重建过程，算法简单、测量精度和效率高、装置搭建方便，可以应用于生产线上立体组件尺寸及误差在线测量。
附图说明
图1为双摄像机垂直安装的立体测量系统示意图。
图2为基准标定块示意图。
图3为标定块底座示意图。
图4为适用本发明标定的零件立体测量系统的一种零件示意图。
图5为具体测量方法数学模型示意图。
图中：1 三维运动平台A；2 数字摄像机A；3 基准标定块；4 标定块底座；5 测量夹具；6 旋转平台； 7 三维运动平台B；8 数字摄像机B；9 导轨驱动器；10 计算机控制系统；11 基准标定面；12 基准标定面左侧棱线；13 基准标定面上侧棱线；14 标定块底座台阶；15 被测零件1；16 被测零件2。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施案例。
本发明所述标定方法适用的零件尺寸及误差立体测量系统需要以下装置，包括2数字摄像机A、8数字摄像机B、1三维运动平台A、7三维运动平台B、6旋转平台、5测量夹具、4标定块底座、3基准标定块、9导轨驱动器及10计算机控制系统。
1.具体实施例
下面以如图4所示组件为例详述本发明的双摄像机垂直安装的零件立体测量系统及标定方法的工作原理及过程。根据装配精度要求，该组件中零件16相对零件15中轴线的对称度需小于50μm。
本发明所需基准标定块为一长方体，图2为一个基准标定块实例，其中基准标定面11为其中一个经过精密磨削的精密加工面，该面的平面度优于0.5μm。基准标定块3放置于标定块底座4的台阶14中，其中基准标定面11的对面与台阶壁紧贴；标定块底座4固定在测量夹具5上。
步骤1. 将数字摄像机A2和数字摄像机B8按照如图1所示放置，组成立体摄像机对；
步骤2. 为数字摄像机A2和B8预设定测量位置，每个数字摄像机至少设定一个；
步骤3. 导轨驱动器9驱动固定在三维运动平台A1上的数字摄像机A2运动到预设定测量位置，采集基准标定块3的基准标定面11的上侧棱线13的灰度图像，将图像信息传送给计算机；
步骤4. 计算机首先对图像进行中值滤波消除图像噪声，然后对图像采用膨胀与腐蚀处理，再设定阈值对图像进行二值化操作，最后利用canny算法提取出基准标定块精密加工面上侧棱线的直线特征，将直线特征点集的图像坐标通过空间坐标转换得到其主平面坐标系中的点集，再采用迭代最小二乘法将点集拟合成标准直线y=ax+b；
步骤5. 根据图像处理及计算结果，导轨驱动器9驱动旋转平台6使基准标定块3的基准标定面11的上侧棱线13与竖直数字摄像机图像屏幕中的水平中心线平行，然后导轨驱动器9驱动三维运动平台A1使得数字摄像机A2图像在计算机屏幕中的水平中心线与基准标定块3的基准标定面11的上侧棱线13重合；
步骤6. 导轨驱动器9驱动三维运动平台B7上的数字摄像机B8运动到预设定测量位置，在屏幕中观测基准标定块3的基准标定面11的侧边棱线12的灰度图像，然后导轨驱动器9驱动三维运动平台B7使得数字摄像机B8图像在计算机屏幕中的竖直中心线与基准标定块3的基准标定面11的侧边棱线12重合；
步骤7. 从测量夹具5上取下基准标定块3及基准标定块底座4，然后将图4所示被测组件置于测量夹具5上；
步骤8. 数字摄像机A2采集零件15中心方孔图像，然后经过图像处理得到中心方孔的中心点坐标；
步骤9. 数字摄像机B8采集零件16外轮廓图像，然后经过图像处理得到外轮廓尺寸；
步骤10. 按如图5所示数学模型示意图可计算得到零件16相对零件15轴线对称度。图中CH表示水平摄像机采集图像方向，CV表示竖直摄像机采集图像方向，虚线表示垂直于纸面的基准标定面，O1表示竖直摄像机屏幕图像中心，O2表示零件16中心方孔的中心。按如下公式计算对称度误差δ：当ya<yb时，δ=|(ya+Δy)-(yb-Δy)| = |ya-yb+2Δy|；当ya>yb时，δ=|(ya-Δy)-(yb+Δy)| = |ya-yb-2Δy|。
Claims (2)
1.一种双摄像机垂直安装的立体测量系统及其标定方法，其特征在于，该立体测量系统包括数字摄像机A（2）、数字摄像机B（8）、三维运动平台A（1）、三维运动平台B（7）、旋转平台（6）、测量夹具（5）、标定块底座（4）、基准标定块（3）、导轨驱动器（9）和计算机控制系统（10）；固定在三维运动平台A（1）上的数字摄像机A（2）竖直放置在测量夹具（5）的上方，固定在三维运动平台B（7）上的数字摄像机B（8）水平放置在测量夹具（5）的侧方；置于标定块底座（4）台阶中的基准标定块（3）为一长方体，其平面度小于公差1/50-1/500；取基准标定块（3）的一个侧表面为基准标定面（11），将基准标定块（3）的基准标定面（11）的相对面与台阶面紧贴；标定块底座（4）固定在旋转平台（6）上的测量夹具（5）上；计算机控制系统（10）通过导轨驱动器（9）实现对三维运动平台A（1）、三维运动平台B（7）以及旋转平台（6）的运动控制。
2.利用权利要求1所述装置的标定方法，其特征在于以下步骤：
为数字摄像机预设定测量位置，每个数字摄像机至少设定一个；计算机控制导轨驱动器（9）驱动固定在三维运动平台A（1）上的数字摄像机A（2）运动到预设定测量位置采集基准标定块（3）基准标定面的上侧棱线的灰度图像，将图像信息传送给计算机，计算机对图像进行图像处理，提取出基准标定块精密加工面上侧棱线的直线特征，将直线特征点集的图像坐标通过空间坐标转换得到其主平面坐标系中的点集，再拟合成标准直线y=ax+b；根据计算结果，计算机控制导轨驱动器（9）驱动旋转平台（6）使基准标定块（3）基准标定面的上侧棱线与数字摄像机A（2）图像屏幕中的水平中心线平行，然后导轨驱动器（9）驱动三维运动平台A（1）使得数字摄像机A（2）图像屏幕中的水平中心线与基准标定块（3）的基准标定面（11）的上侧棱线重合；计算机控制导轨驱动器（9）驱动固定在三维运动平台B（7）上数字摄像机B（8）运动到设定测量位置，在屏幕中观测基准标定块（3）的基准标定面（11）侧边棱线的灰度图像，导轨驱动器（9）驱动三维运动平台B（7）使得数字摄像机B（8）图像屏幕中的竖直中心线与基准标定块（3）基准标定面的侧边棱线重合；两个数字摄像机的轴线垂直且相交，从而将两个测量不同表面的数字摄像机的相对工作位置关系固定下来，使得两个不同平面内的二维信息通过标定基准面投影到一个平面内；在零件测量过程中，竖直数字摄像机保持Y轴方向不可运动，水平数字摄像机保持X轴方向不可运动；然后通过对这两个数字摄像机分别采集的图像进行图像处理后置于XY平面内进行尺寸及位置误差信息的计算和测量。
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