CN103196370B - 一种导管接头空间位姿参数的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种导管接头空间位姿参数的测量方法和装置，方法包括：获取多目相机的内部参数；读取导管接头的三维模型，获得导管接头的轮廓线框模型；分别建立球形坐标系和多个不同位置虚拟相机；获取轮廓线框模型投影在多个不同位置虚拟相机的二维图像；通过多目相机对导管上多个接头分别进行图像采集，获得导管接头的平面灰度图像；使用边缘滤波器处理二维图像和平面灰度图像分别作为匹配模板和搜索图像，在搜索图像上进行基于形状的模板匹配；获取多个导管接头在各自相机坐标系下的空间位姿参数；将相机坐标系下的多个导管接头位姿统一到世界坐标系下，确定导管接头的空间位姿参数。本发明在测量导管接头的空间位姿参数时，速度快，精度较高。

Description

一种导管接头空间位姿参数的测量方法和装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是指一种导管接头空间位姿参数的测量方法和装置。

背景技术

在航天、航空、汽车等领域的很多产品装备中，液压、燃油、环控、氧气等管路系统含有大量导管，这些导管形状、尺寸各异，空间形态比较复杂。为了实现精确装配，作为管路的核心部件之一，焊接好接头后的导管往往存在加工误差，因此在装配过程中需要精确保证导管两端接头的端面中心点位置。具有不同弯曲角度、曲线以及直线部分的导管需要在焊接接头零件后和CAD数据进行比较。只有经过检测合格的带接头导管才能允许实施装配，以控制产品装备的质量。

在现有技术中，对于导管接头的空间位姿参数测量主要包括以下两种测量方法：

第一种：使用框架式三坐标测量机

该传统坐标测量方法在国内外机械、汽车、航空、军工等行业领域中比较常见，主要是在一个六面体的测量空间范围内，对置于该测量空间的被测物体进行多点测量，获得被测物体上各测点的空间坐标，根据这些点的空间坐标值，计算求出被测物体的几何尺寸、形状、位置和姿态。

该方法具有精度高、功能完善等优势，因而在中小尺寸零件的几何测量中至今占有绝对统治地位。然而，由于框架尺寸和不便于操作的限制，该传统方法在针对导管接头空间位姿测量时暴露出了一些问题。一方面，测量大尺寸复杂导管的接头时，容易发生遮挡，存在测量死角，测量受到限制，无法实现完整测量；另一方面，该测量方法需测量多个离散测量点的空间三维坐标，再计算导管接头的空间位姿参数，人工操作多，测量效率低。

第二种：使用激光跟踪仪

激光跟踪仪是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器，它以激光为测距手段配以反射靶标，同时配有绕两个轴转动的测角机构，形成一个完整的球坐标测量系统。它具有高精度、实时跟踪测量、适合大尺寸零件测量等优点。通过使用激光跟踪仪可对导管接头进行多点测量获得离散点空间坐标，再计算导管接头的空间位姿参数。

该测量方法比框架式三坐标测量机在测量速度和方便性上都有较大的提高。但是，在实际测量中发现，该测量方法还是存在某些不足。首先，由于是采用人工操作，势必会产生操作误差，影响测量精度。其次，对于大尺寸，空间形态比较复杂的导管，该方法仍然存在测量死角，测量效率也不是很理想。

基于机器视觉的三维测量技术近年来获得了快速发展，具有非接触、数据获取快、精度高、柔性好、自动化水平高等优点，广泛应用于零件尺寸测量、自由曲面测量等领域。利用机器视觉测量方法，获取目标物三维位姿的方法主要包括以下三种：

第一种：通过目标物上的凸点

必须先已知目标物上的凸出点的三维坐标，并且这些点需编写特定算法进行提取和匹配。

第二种：通过目标物上的几何基元

目标物需包含圆形或者矩形等几何基元特征，并且这些基元需识别算法进行分离，并且结果可能具有歧义性。

第三种：通过CAD三维模型

目标物可具有任意形状，无需进行图像的处理和分离，且结果不具有歧义性。唯一需要的是目标物的CAD三维模型。

综上所述，通过相机内、外参数的标定，目标物上特征的提取是可以计算出物体的空间位姿的，但是得到的位姿结果容易具有歧义性，并且由于不同物体的具体特征各不相同，需要操作人员根据具体情况分别编写特定提取算法，工作量很大，不具备灵活性和通用性。而仅仅采用传统的双目视觉测量空间形态复杂的导管接头是远远不够的。原因是在采集导管接头图像过程中，往往会出现遮挡，无法实现导管所有接头空间位姿参数的单次快速测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种导管接头空间位姿参数的测量方法和装置，测量速度快、精度较高。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种导管接头空间位姿参数的测量方法，包括：

获取多目相机的内部参数；

读取导管接头的三维模型，获得导管接头的轮廓线框模型；

根据所述多目相机的内部参数，分别建立球形坐标系和多个不同位置虚拟相机；

获取所述轮廓线框模型投影在所述多个不同位置虚拟相机的二维图像；

通过多目相机对导管上多个导管接头分别进行图像采集，获得所述导管接头的平面灰度图像；

使用边缘滤波器处理所述二维图像和平面灰度图像分别作为匹配模板和搜索图像，在所述搜索图像上进行基于形状的模板匹配；

获取多个导管接头在各自相机坐标系下的空间位姿参数；

将各个相机坐标系下的多个导管接头位姿统一到世界坐标系下，确定所述导管接头的空间位姿参数。

其中，对所述读取导管不同接头的三维模型，获得导管接头轮廓线框模型的步骤包括：

当所述导管接头的计算机辅助设计的三维模型文件格式不同时，将不同格式的三维模型转换为同一格式的三维模型；

根据所述同一格式的三维模型，获取相应的三维线框模型；

对所述三维线框模型，利用所述三维线框模型上面与面之间的角度关系，消除冗余线框，得到所述导管接头轮廓线框模型。

其中，根据所述多目相机内部参数，分别建立球形坐标系和多个不同位置虚拟相机的步骤包括：

获取所述导管接头轮廓线框模型的包围盒中心点；

如果所述包围盒中心点位于一个球体的中心，建立球形坐标系，球体表面的各个位置由经度和纬度表示；

将多个位于所述球体表面，且具有所述内部参数的虚拟相机指向所述球体中心；

通过多个不同位置的所述虚拟相机，获得所述虚拟相机相对于球体中心的位姿关系。

其中，获得所述导管接头的平面灰度图像后还包括：

在计算机的存储介质中存储所述导管接头的平面灰度图像。

本发明的实施例提供一种导管接头空间位姿参数的测量装置，包括：

获取模块，用于获取多目相机的内部参数；

线框模型读取模块，用于读取导管接头的三维模型，获得导管接头的轮廓线框模型；

坐标系建立模块，用于根据所述多目相机的内部参数，分别建立球形坐标系和多个不同位置虚拟相机；

二维投影生成模块，用于获取所述轮廓线框模型投影在所述多个不同位置虚拟相机的二维图像；

图像采集模块，用于通过多目相机对多个导管接头进行图像采集，获得所述导管接头的平面灰度图像；

搜索匹配模块，用于使用边缘滤波器处理所述二维图像和平面灰度图像分别作为匹配模板和搜索图像，在所述搜索图像上进行基于形状的模板匹配；

空间位姿计算模块，用于获取多个导管接头在各自相机坐标系下的空间位姿参数，并将各个相机坐标系下的多个导管接头位姿统一到世界坐标系下，确定所述导管接头的空间位姿参数。

其中，所述线框模型读取模块包括：

三维模型读取子模块，用于在所述导管接头的计算机辅助设计三维模型文件格式不同时，将不同格式的三维模型转换为同一格式的三维模型，并根据所述同一格式的三维模型，获取相应的三维线框模型；

轮廓生成模块，用于对所述三维线框模型，利用所述三维线框模型上面与面之间的角度关系，消除冗余线框，得到所述导管接头轮廓的线框模型。

其中，所述同一格式为：不同格式三维模型之间进行数据交换的DXF文件格式。

其中，所述坐标系建立模块具体包括：

第一获取子模块，用于获取所述导管接头轮廓线框模型的包围盒中心点；

建立子模块，用于判断如果所述包围盒中心点位于一个球体的中心，建立球形坐标系，球体表面的各个位置由经度和纬度表示；

指向子模块，用于将多个位于所述球体表面，且具有所述内部参数的虚拟相机指向所述球体中心；

第二获取子模块，用于通过多个不同位置的所述虚拟相机，获得所述虚拟相机相对于球体中心的位姿关系。

其中，上述装置还包括：

结果显示模块，用于根据所述导管接头的空间位姿参数显示所述导管接头的三维空间位姿参数和匹配搜索结果；及

数据存储模块，用于在计算机的存储介质中存储与导管接头的三维模型对应的三维空间位姿参数。

其中，所述多目相机为：从多个角度独立获取导管接头平面灰度图像的相机，相机数量为：四到八目之间。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过多目相机对导管的多个接头同时进行图像采集，获得所述导管接头的平面灰度图像，并读取所述导管接头的CAD（计算机辅助设计）三维模型，获得轮廓线框模型，在建立的球形坐标系上获取所述轮廓线框模型的二维投影图像。使用边缘滤波器处理所述平面灰度图像和二维投影图像并分别作为匹配模板和搜索图像，从而测量该导管多个接头的空间位姿参数，并在计算时，只需在所述搜索图像上进行基于形状的二维图像模板匹配，不需测量导管接头的多个特征点的空间坐标。这样就使计算工作极大地简化，从而能够灵活快速地对各种形态导管的各种类型接头的空间位姿参数进行测量。

附图说明

图1为本发明的导管接头空间位姿参数的测量方法流程图；

图2为本发明的测量装置的一实施例结构原理示意图；

图3为本发明的基于八目视觉的导管接头空间位姿参数快速测量装置的示意图；

图4为本发明的上述实施例中，将获取的导管接头轮廓线框模型包围盒中心点位于一个球体的中心示意图；

图5为图4所示的球体上建立球形坐标系统的示意图；

图6为本发明的基于多目视觉的导管接头空间位姿参数的测量装置框图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有激光跟踪仪测量方法和三坐标测量仪测量方法过程繁琐复杂、效率较低、成本较高等不足，以及单纯的双目视觉方案测量导管接头的空间位姿参数算法繁琐、缺乏灵活性等问题，提供一种基于多目视觉的导管接头空间位姿参数的测量方法及装置，从而利用多目视觉技术实现对导管接头空间位姿参数的多角度快速测量。导管接头的空间位姿参数测量指获得导管接头基准坐标系与世界坐标系的相互空间位置和姿态关系。

如图1所示，本发明的基于多目视觉的导管接头空间位姿参数的测量方法，包括如下步骤：

步骤11，获取多目相机的内部参数；

步骤12，读取导管接头的三维模型（具体可以是CAD三维模型），获得导管接头的轮廓线框模型；

步骤13，根据所述多目相机的内部参数，分别建立球形坐标系和多个不同位置虚拟相机；

步骤14，获取所述轮廓线框模型投影在所述多个不同位置虚拟相机的二维图像；

步骤15，通过多目相机对导管上多个导管接头分别进行图像采集，获得所述导管接头的平面灰度图像；

步骤16，使用边缘滤波器处理所述二维图像和平面灰度图像分别作为匹配模板和搜索图像，在所述搜索图像上进行基于形状的模板匹配；

步骤17，获取多个导管接头在各自相机坐标系下的空间位姿参数；

步骤18，将各个相机坐标系下的多个导管接头位姿统一到世界坐标系下，确定所述导管接头的空间位姿参数。

本发明的上述方法通过多目相机对导管的多个导管接头同时进行图像采集，获得所述导管接头的平面灰度图像，并读取所述导管接头的CAD三维模型，获得轮廓线框模型，在建立的球形坐标系上获取所述轮廓线框模型的二维投影图像。使用边缘滤波器处理所述平面灰度图像和二维投影图像并分别作为匹配模板和搜索图像，从而测量该导管的多个接头的空间位姿参数，并在计算时，只需在所述搜索图像上进行基于形状的二维图像模板匹配，不需测量导管接头的多个特征点的空间坐标。这样就使计算工作极大地简化，从而能够灵活快速地对各种形态导管的各种类型接头的空间位姿参数进行测量。

上述图1所示方法在具体实现时，还可以首先在机械平台上对多目测量装置进行布置和安装，如图2所示，机械平台包括：包括多目相机、光学镜头、图像采集卡、照明光源、计算机（安装好系统软件）、显示设备等；

其中，上述步骤12具体实现时，可包括：

当所述导管接头的CAD三维模型文件格式不同时，将不同格式的三维模型转换为同一格式的三维模型，便于统一读取；

读取所述同一格式三维模型后，根据所述同一格式三维模型获取相应的三维线框模型；

对所述三维线框模型，利用所述三维线框模型上面与面之间的角度关系，消除冗余线框，得到所述导管接头轮廓线框模型。

其中，上述步骤13具体实现时，可包括：

获取所述导管接头轮廓线框模型的包围盒中心点；

假设所述包围盒中心点位于一个球体的中心，并建立球形坐标系，球体表面的各个位置由经度和纬度表示；

将多个位于所述球体表面，且具有所述内部参数的虚拟相机指向所述球体中心；

通过多个不同位置的虚拟相机，获得所述相机坐标系相对于球体中心的位姿关系。

下面具体说明本发明的基于多目视觉的导管接头空间位姿参数测量方法的实施例。

如图2和图3所示：多目相机通过其光学镜头对机械平台上的被测导管接头（被测对象）进行图像采集，被测导管放置在机械平台上的测量台上，照明光源作为被测导管测量环境的光源，高性能计算机（包括图像采集卡和测量系统软件）用于控制多目相机采集图像以及存储多目相机采集到的图像，其中，可以在计算机的存储介质中存储所述导管接头的平面灰度图像，并利用采集到的图像数据进行处理、计算、分析，将结果显示在显示设备上。

具体地，在机械平台上对八目相机测量系统的装置进行布置和安装，光源采用LED漫射式照明技术，即利用LED光源对镜头视场均匀发出的平行光，通过相机可以清晰观察到被测导管接头的边缘轮廓，继而测量导管接头的空间位姿参数。八目相机中的每一个相机的最佳视场区域构成一个锥形，在这个锥形区域的导管接头可以获得最准确的测量结果，所有八目相机从八个角度对导管接头进行图像采集，被测导管中的某一个接头总有八目相机中的一个相机会采集到较佳的平面灰度图像。再利用高性能计算机和系统软件控制八目相机同时拍照，采集图像，以获取被测导管接头的平面灰度图像，可以在例如计算机硬盘中存储所采集的图像，以便于下步图像处理工作。

根据双目视觉原理，对多目相机进行标定，求解两两相机的内、外部参数。相机内部参数包括焦距f，相机相邻像元的水平和垂直距离s_x、s_y，相机拍摄中心点坐标c_x、c_y及表示图像分辨率的w（宽）、l（高）；相机外部参数包括两相机的相对位姿，相对位姿包括空间的移动[x,y,z]和转动[α,β,γ]共6个未知变量。对多目相机的标定方法采用制作标定板，对其从多个角度，多个位置采集图像，识别标定板上的标定圆点，通过已知的标定板上标定点的相对位置反求相机的内、外部参数。

在上述根据所述多目相机内部参数，分别建立球形坐标系和多个不同位置虚拟相机时，将获取的导管接头轮廓线框模型的包围盒中心点位于一个球体的中心（如图4所示）。在该球体上建立球形坐标系，球体表面的各个位置由经度和纬度表示（如图5所示）；

从上述球体上不同位置观察导管接头轮廓线框模型得到多个二维投影图像，这些从全方位角度投影到虚拟相机的二维图像用来与多目系统采集的真实图像进行对比匹配搜索，并计算导管接头在空间中的三维位姿。

上述对比匹配搜索算法与基于形状的二维模板匹配方法有着相类似的搜索算法。模板匹配技术实际上是利用模板图像描述被搜索物，并在图像中找到模板位置，通过计算模板与图像之间的相似度实现。将一个目标对象的模版定义为点集和每个点关联的方向向量。一般使用边缘提取方法计算方向向量。搜索图像可以通过如下方法进行转换，为图像中每个点计算出一个方向向量。一般这种变换是一个任意的仿射变换。

在图像中某个特定点计算变换后模版中所有点的方向向量与图像中相应点的方向向量的点积的总和，并以此作为匹配分值，也就是变换后模版在该点处的相似度量。

如果使用边缘滤波器生成模版并且在搜索图像中使用同样的方式进行预处理，相似度量能够完全不受遮挡和混乱的影响。当发生遮挡时，目标物体在图像中部分消失，模板上相应位置的边缘就没有出现在图像中，也就是说这些点的方向向量非常短，基本不影响总和。发生混乱时，图像中有很多的其他边缘，此时要不在其他边缘上没有对应于模板上的点，要不有对应点但方向向量非常短，同样基本不影响总和。边缘提取算法计算方向向量，其长短取决于图像的亮度，因此上述提供的相似度量算法还是要受到光照变化的影响。将方向向量进行归一化，使所有向量的长度都为1，即可使相似度量不受任意光照变化的影响。归一化相似度量都将返回一个小于1的数作为潜在匹配对象的分值。如果分值为1则表示模板与图像之间完美一致。

当从全方位角度投影到虚拟相机的二维图像与多目系统采集的真实图像的匹配搜索结果达到预期的阈值后即匹配成功时，在建立的球形坐标系上可容易得到该虚拟相机与被测导管接头的相对位姿参数，该参数实际即为导管接头在真实相机坐标系下的三维空间位姿参数。

图像匹配过程中计算相似度量是一个非常耗时的工作，算法的复杂程度与图像的宽，高以及匹配模板中的点数有关。使用停止标准可以实现算法一定比例的提速，并不能改变算法的复杂程度，因此需要一种能进一步提高搜索速度的方法。采用图形金字塔匹配方法解决上述问题。图像金字塔匹配方法将图像与模板多次缩小两倍建立数据结构。

模板匹配过程中，模板一般较大，因此一种提高搜索速度的方法是先考虑图像与模板中具有一定间隔的点集，初步获得模板的大致位姿，然后用间隔更小的点集在获得的位姿周围进行进一步搜索，得到更准确的结果。构造图像金字塔的首选方法是使用2×2均值滤波器来平滑图像，即求2×2区域中的所有像素的平均灰度值。其分层策略即选用多少层数的图像金字塔合适，主要取决于能否保证最高层上寻找目标物体的相关结构可辨别出来。

更具体地，将多目系统的八目相机分别采集得到的导管接头图像与CAD三维模型得到的二维线框投影图像进行自动匹配，将观测导管接头角度较佳的相机获得的导管接头的空间位姿参数作为最终测量结果，最后根据相机的内、外参数，把在相机坐标系下获取的导管接头空间位姿参数统一到同一世界坐标系下。

最终确定的同一世界坐标系下的导管接头空间位姿参数，包括：导管接头在世界坐标系下的空间位置坐标参数和姿态角度参数。其中，进行统一坐标系时，首先获得中介标定板上点列分别在每对相机测量局部坐标系下的坐标，设标定板点列在世界坐标系下的坐标已知，因此以标定板点列作为中介控制点,可求得标定板坐标系与每对相机局部坐标系的转换关系。将获得的导管接头空间位姿在各自测量局部坐标系下的参数，通过上述转换关系，统一到标定板坐标系下，即可最终统一到世界坐标系下。

上述实施例是以八目相机为例进行说明，本发明的多目相机为：多个独立采集图像的相机，相机数量为：四到八目之间。相机数量在四到七目的实施例与目述八目的实施例的实现方法相同，唯一不同的就是相机的数量，在此不再赘述。

综上，本发明的测量方法主要有三个关键内容。首先，由于是采用多目测量，选取合适的标定方法直接决定了获取的被测导管接头的图像信息的正确性和全面性。其次，获取充分的图像数据后根据CAD三维模型获取轮廓线框模型投影在所建立的虚拟相机的二维图像，选取自动匹配算法进而提高测量的精度和相应速度。最后，选取最佳测量数据并统一坐标系，显示所测导管接头的空间位姿参数。

本发明提供的基于多目视觉的导管接头空间位姿参数快速测量方法利用导管接头的CAD三维模型，将获取的其轮廓线框模型的二维投影图像与多目相机采集得到的平面灰度图像进行匹配搜索，从而测量该导管多个接头的空间位姿参数，并在计算时只需在所述搜索图像上进行基于形状的二维图像模板匹配，不需测量导管接头的多个特征点的空间坐标。这样就使计算工作极大地简化，从而能够灵活快速地对各种形态导管的各种类型接头的空间位姿参数进行测量。

根据本发明的另一方面，如图6所示，本发明的实施例还提供一种导管接头空间位姿参数的测量装置6，包括：

获取模块61，用于获取多目相机的内部参数；进一步的，该获取模块还可以获取多目相机的外部参数；相机内部参数包括焦距f，相机相邻像元的水平和垂直距离s_x、s_y，相机拍摄中心点坐标c_x、c_y及表示图像分辨率的w（宽）、l（高）；相机外部参数包括两相机的相对位姿，相对位姿包括空间的移动[x,y,z]和转动[α,β,γ]共6个未知变量；

线框模型读取模块62，用于读取导管接头的三维模型，获得导管接头的轮廓线框模型；

坐标系建立模块63，用于根据所述多目相机内部参数，分别建立球形坐标系和多个不同位置虚拟相机；

二维投影生成模块64，用于获取所述轮廓线框模型投影在多个不同位置的虚拟相机的二维图像；

图像采集模块65，用于通过多目相机对导管接头进行图像采集，获得所述导管接头的平面灰度图像；

搜索匹配模块66，用于使用边缘滤波器处理所述二维图像和平面灰度图像分别作为匹配模板和搜索图像，在所述搜索图像上进行基于形状的模板匹配；

空间位姿计算模块67，用于获取多个导管接头在各自相机坐标系下的空间位姿参数，并将各个相机坐标系下的多个导管接头位姿统一到世界坐标系下，确定所述导管接头的空间位姿参数。

优选的，上述系统还包括：

结果显示模块68，用于根据所述导管接头的空间位姿参数显示所述导管接头的三维空间位姿参数和匹配搜索结果；及

数据存储模块69，用于在计算机的存储介质中存储与导管的接头CAD三维模型对应的三维空间位姿参数。

所述线框模型读取模块62包括：

三维模型读取模块，用于在所述导管接头的CAD（计算机辅助设计）三维模型文件格式不同时，可将不同格式的三维模型转换为同一格式的三维模型，便于统一读取，读取所述同一格式的三维模型后，并根据所述同一格式的三维模型，获取相应的三维线框模型；

轮廓生成模块，用于对所述三维线框模型，利用三维线框模型上面与面之间的角度关系，消除冗余线框，得到所述导管接头轮廓的线框模型。

其中，所述同一文件格式一般为不同格式三维模型之间进行数据交换的DXF（绘图交换文件，Drawing Exchange Format）文件格式。

所述坐标系建立模块63具体包括：

第一获取子模块，用于获取所述导管接头轮廓线框模型的包围盒中心点；

建立子模块，用于判断如果所述包围盒中心点位于一个球体的中心，建立球形坐标系，球体表面的各个位置由经度和纬度表示；

指向子模块，用于将多个位于所述球体表面，且具有所述内部参数的虚拟相机指向所述球体中心；

第二获取子模块，用于通过多个不同位置的所述虚拟相机，获得所述虚拟相机相对于球体中心的位姿关系。

所述多目相机为：从多个角度独立获取导管接头平面灰度图像的相机，相机数量为：四到八目之间。

具体的，上述获取模块61在获取多目相机的内、外参数时，包括：标定模块，对多目相机两两进行标定，以获得多目相机的内、外参数；

上述搜索匹配模块66具体可以通过图像金字塔搜索方法，先考虑图像与模板中具有一定间隔的点集，初步获得模板在图像中的大致位置，然后用间隔更小的点集，在获得的位置周围进行进一步搜索，得到更准确的结果；

其中，上述空间位姿计算模块67获得的导管接头空间位姿参数包括：导管接头局部基准坐标系在世界坐标系下的空间位置和姿态。

本发明提供的基于多目视觉的导管接头空间位姿参数的快速测量装置，主要利用多目相机成像技术，通过多目相机对导管的多个接头同时进行图像采集，获得所述导管接头的平面灰度图像，并读取所述导管接头的CAD三维模型，获得轮廓线框模型，在建立的球形坐标系上获取所述轮廓线框模型的二维投影图像。使用边缘滤波器处理所述平面灰度图像和二维投影图像并分别作为匹配模板和搜索图像，从而测量该导管多个接头的空间位姿参数，并在计算时，只需在所述搜索图像上进行基于形状的二维图像模板匹配，不需测量导管接头的多个特征点的空间坐标。这样就使计算工作极大地简化，从而能够灵活快速地对各种形态导管的各种类型接头的空间位姿参数进行测量。

该装置具有快速、高精度、操作便捷等几大优势。利用该装置能够准确测量导管接头的空间位姿参数，确保导管接头端面中心点的空间位置精度，保障导管接头焊接的加工误差在允许范围内，最终保证导管的精确装配。采用多目视觉技术的导管接头空间位姿参数快速测量方法在响应速度和操作便捷性上都要优于采用框架式三坐标测量机和激光跟踪仪的测量方法。

最后，需要说明的是：上述方法中的所有实现方式均适用于该装置实施例中，也能达到相同的技术效果，在此不再赘述。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种导管接头空间位姿参数的测量方法，其特征在于，包括：

获取多目相机的内部参数；

读取导管接头的三维模型，获得导管接头的轮廓线框模型；

根据所述多目相机的内部参数，分别建立球形坐标系和多个不同位置虚拟相机；

获取所述轮廓线框模型投影在所述多个不同位置虚拟相机的二维图像；

通过多目相机对导管上多个导管接头分别进行图像采集，获得所述导管接头的平面灰度图像；

使用边缘滤波器处理所述二维图像和平面灰度图像分别作为匹配模板和搜索图像，在所述搜索图像上进行基于形状的模板匹配；

获取多个导管接头在各自相机坐标系下的空间位姿参数；

将各个相机坐标系下的多个导管接头位姿统一到世界坐标系下，确定所述导管接头的空间位姿参数。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，读取导管接头的三维模型，获得导管接头的轮廓线框模型的步骤包括：

当所述导管接头的计算机辅助设计的三维模型文件格式不同时，将不同格式的三维模型转换为同一格式的三维模型；

根据所述同一格式的三维模型，获取相应的三维线框模型；

对所述三维线框模型，利用所述三维线框模型上面与面之间的角度关系，消除冗余线框，得到所述导管接头轮廓线框模型。

3.根据权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，根据所述多目相机内部参数，分别建立球形坐标系和多个不同位置虚拟相机的步骤包括：

获取所述导管接头轮廓线框模型的包围盒中心点；

如果所述包围盒中心点位于一个球体的中心，建立球形坐标系，球体表面的各个位置由经度和纬度表示；

将多个位于所述球体表面，且具有所述内部参数的虚拟相机指向所述球体中心；

通过多个不同位置的所述虚拟相机，获得所述虚拟相机相对于球体中心的位姿关系。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，获得所述导管接头的平面灰度图像后还包括：

在计算机的存储介质中存储所述导管接头的平面灰度图像。

5.一种导管接头空间位姿参数的测量装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取多目相机的内部参数；

线框模型读取模块，用于读取导管接头的三维模型，获得导管接头的轮廓线框模型；

坐标系建立模块，用于根据所述多目相机的内部参数，分别建立球形坐标系和多个不同位置虚拟相机；

二维投影生成模块，用于获取所述轮廓线框模型投影在所述多个不同位置虚拟相机的二维图像；

图像采集模块，用于通过多目相机对多个导管接头进行图像采集，获得所述导管接头的平面灰度图像；

搜索匹配模块，用于使用边缘滤波器处理所述二维图像和平面灰度图像分别作为匹配模板和搜索图像，在所述搜索图像上进行基于形状的模板匹配；

空间位姿计算模块，用于获取多个导管接头在各自相机坐标系下的空间位姿参数，并将各个相机坐标系下的多个导管接头位姿统一到世界坐标系下，确定所述导管接头的空间位姿参数。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述线框模型读取模块包括：

三维模型读取子模块，用于在所述导管接头的计算机辅助设计三维模型文件格式不同时，将不同格式的三维模型转换为同一格式的三维模型，并根据所述同一格式的三维模型，获取相应的三维线框模型；

轮廓生成模块，用于对所述三维线框模型，利用所述三维线框模型上面与面之间的角度关系，消除冗余线框，得到所述导管接头轮廓的线框模型。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述同一格式为：不同格式三维模型之间进行数据交换的DXF文件格式。

8.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述坐标系建立模块具体包括：

第一获取子模块，用于获取所述导管接头轮廓线框模型的包围盒中心点；

建立子模块，用于判断如果所述包围盒中心点位于一个球体的中心，建立球形坐标系，球体表面的各个位置由经度和纬度表示；

指向子模块，用于将多个位于所述球体表面，且具有所述内部参数的虚拟相机指向所述球体中心；

第二获取子模块，用于通过多个不同位置的所述虚拟相机，获得所述虚拟相机相对于球体中心的位姿关系。

9.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，还包括：

结果显示模块，用于根据所述导管接头的空间位姿参数显示所述导管接头的三维空间位姿参数和匹配搜索结果；及

数据存储模块，用于在计算机的存储介质中存储与导管接头的三维模型对应的三维空间位姿参数。

10.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述多目相机为：从多个角度独立获取导管接头平面灰度图像的相机，相机数量为：四到八目之间。