CN107687821B - 用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定及分析方法，首先转动平面标定板，同步采集平面标定板图像，并根据平面标定板图像计算每个相机的参数；然后将任意一自由曲面物体置于被测区域，同步采集图像，并根据图像中光带中心位置和相机参数计算物体上每一点的三维坐标，根据三维坐标确定激光器位置及姿态标定参数；接着将旋转件置于被测区域，同步采集图像，并根据图像中光带中心位置和激光器位置及姿态标定参数求解该状态下的三维形貌坐标；最后叠加所有状态的旋转件三维形貌坐标，得到旋转件相对于旋转轴的全表面三维形貌。本发明方法可以避免测量时出现死角，标定及分析结果更加全面、可靠。

Description

用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法
技术领域
本发明涉及多相机光刀系统标定技术，尤其是涉及一种用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法。
背景技术
光刀系统是将平行光带以一定角度投射到物体表面，利用相机在另一个角度采集受到物体表面高度调制的变形光带，依据三角测量原理，计算物体的三维形貌。但在一些深孔洞旋转件测量时，经常会由于视角原因使得某个方向的相机难以采集到光带信息，最终只能得到物体表面部分形貌结果，难以为高精度工业在线质量检测提供可靠的保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单，易于实现，可以用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法，包括以下步骤：
步骤1、多相机标定：转动平面标定板，利用多个相机同步采集平面标定板图像，根据采集的平面标定板图像计算每个相机的参数；
步骤2、激光器位置及姿态标定：将任意一自由曲面物体置于被测区域，利用多个相机同步采集图像，根据图像中光带中心位置和相机参数计算物体上每一点的三维坐标，根据三维坐标确定激光器位置及姿态标定参数；
步骤3、任一状态旋转件坐标测量：将旋转件置于被测区域，利用多个相机同步采集图像，根据图像中光带中心位置和激光器位置及姿态标定参数求解该状态下的三维形貌坐标；
步骤4、叠加所有状态的旋转件三维形貌坐标，得到旋转件相对于旋转轴的全表面三维形貌。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：1)本发明方法通过对激光平面位置及每个相机位置的标定，在任意旋转状态下只需单幅相机图像即可进行测量，避免了测量时出现的死角等问题；2)本发明标定方法简单灵活，只需要标定板在相机视场范围内任意旋转几次即可完成多相机的标定，通过对自由曲面的测量，即可实现激光平面的位置和姿态标定以及系统标定；3)本发明方法标定了激光平面的位置和姿态，增加了计算方程个数，可以有效提高测量结果的精确性和鲁棒性；4)相比于传统接触式测量方法，本发明方法具有无损、非接触等优点。
附图说明
图1为本发明测量装置示意图。
图2为编码点标定板示意图，是已知尺寸的标准件。
图3为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明方案作进一步的说明。
制备多相机光刀系统，如图1所示。图1中，1和3为一个或多个工业相机，2为激光器，激光头前固定有一柱面镜，可用于产生一字激光束。工业相机与激光器水平布置时一字激光束为竖直方向，如果工业相机与激光器竖直布置时一字激光束应调整为水平方向。激光器两边的工业相机个数应相等。
用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法，包括以下步骤：
1)多相机标定：多个相机同步采集平面标定板图像，根据采集的平面标定板图像计算每个相机的参数，具体的：
多个相机包括至少两台图像分辨率大于2000*2000的工业相机，且均匀布置于激光器两侧。此处的标定板包括但不仅限于编码点标定板，采用编码点标定板作为标定图案时，每个特征点可以唯一识别，标定过程中每一个特征点的图像坐标和世界坐标可以唯一确定。将图2所示编码点标定板在相机视场和景深范围内以任意姿态转动8次，通过同步触发装置控制工业相机同步采集不同姿态的编码点标定板图像，利用张正友提出的相机标定方法(参考文献：Zhang Z.A Flexible New Technique for Camera Calibration[J].IEEETransactions on Pattern Analysis&Machine Intelligence,2000,22(11):1330-1334.)计算即可得到所有相机参数。所述相机参数包括：内部参数矩阵Ai，镜头畸变参数矩阵Di，相机光心坐标系相对于基准坐标系之间的旋转矩阵Ri和平移矩阵Ti，其中i＝1、2、…、k，k为相机个数，基准坐标系可以人为定义为任意一个相机的光心坐标系。所述内部参数矩阵为旋转矩阵为平移矩阵为Ti＝[Ti,x Ti,yTi,z]，镜头参数矩阵Di包括6阶径向畸变参数K1、K2、K3、K4、K5、K6和2阶切向畸变参数P1、P2；内部参数矩阵中fi,x、fi,y为第i个相机的水平方向和竖直方向等效焦距，ci,x、ci,y为镜头的光轴与靶面交点的像素坐标；
2)激光器位置及姿态标定：首先将任意一自由曲面物体置于被测区域，其中自由曲面包括除平面之外的任意规则或不规则的曲表面，然后利用同步触发装置控制多个相机同步采集图像，采用数字图像处理方法找到光带在图像中的两条边界，分析计算图像中光带的中心位置，接着利用光带的中心位置和步骤1)中得到的相机参数利用如下公式计算自由曲面物体上每一点的三维坐标Xi＝[Xi Yi Zi]，其中i＝1、2、…、m，m为三维坐标个数：
式中，其中xi、yi为第i个相机中的图像坐标。
最后利用数值求解方法中的线性矩阵求解或SVD奇异值分解方法计算平行光带平面方程aX+bY+cZ+d＝0中的a、b、c、d四个参数：
3)任一状态旋转件坐标测量：将旋转件置于旋转台上的被测区域，同步触发装置控制多个相机同步采集图像，采用数字图像处理方法找到光带在图像中的两条边界，分析计算图像中光带的中心位置，假设光带存在于第i个相机中的图像坐标为xi、yi，利用第i个相机参数求解该状态下的三维形貌：
其中
如果存在光带的相机多余一个，则光带每多存在于第j个相机中的图像坐标xj、yj，三位形貌求解时增加两个方程，可以采用线性最小二乘方法求解：
其中第i个相机和第j个相机的对应图像坐标可以根据相机之间的极线方程计算；
4)旋转台每旋转一次，重复步骤3)过程，叠加根据步骤3)计算的所有状态的旋转件三维坐标，得到旋转件相对于旋转轴的全表面三维形貌。

Claims (9)

1.用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、多相机标定：转动平面标定板，利用多个相机同步采集平面标定板图像，根据采集的平面标定板图像计算每个相机的参数；
步骤2、激光器位置及姿态标定：将任意一自由曲面物体置于被测区域，利用多个相机同步采集图像，根据图像中光带中心位置和相机参数计算物体上每一点的三维坐标，根据三维坐标确定激光器位置及姿态标定参数；
步骤3、任一状态旋转件坐标测量：将旋转件置于被测区域，利用多个相机同步采集图像，根据图像中光带中心位置和激光器位置及姿态标定参数求解该状态下的三维形貌坐标；
步骤4、叠加所有状态的旋转件三维形貌坐标，得到旋转件相对于旋转轴的全表面三维形貌；
若步骤3仅有一个相机i存在光带，则利用第i个相机参数求解三维形貌坐标的公式为：
若存在光带的相机多于 一个，则每多一个相机j存在光带，在上式的基础上增加两个方程：
其中，[XYZ]为三维形貌坐标，xi、yi和xj、yj分别为相机i和j中光带中心位置的图像坐标，Ti,x、Ti,y、Ti,z为旋转矩阵在x、y、z方向的三个分量，表示第i个相机的内部参数矩阵。
2.根据权利要求1所述的用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法，其特征在于，步骤1中的多个相机包括至少两台图像分辨率大于2000*2000的工业相机，且均匀布置于激光器两侧。
3.根据权利要求1所述的用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法，其特征在于，步骤1采用编码点标定板。
4.根据权利要求1所述的用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法，其特征在于，步骤1计算的相机参数包括：内部参数矩阵Ai、镜头畸变参数矩阵Di、相机光心坐标系相对于基准坐标系之间的旋转矩阵Ri和平移矩阵Ti，其中i＝1、2、…、k，k为相机个数。
5.根据权利要求4所述的用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法，其特征在于，步骤1中的基准坐标系为任意一个相机光心坐标系。
6.根据权利要求1所述的用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法，其特征在于，步骤2中的自由曲面包括除了平面之外的任意规则或者不规则的曲表面。
7.根据权利要求1所述的用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法，其特征在于，步骤2计算自由曲面物体上每一点三维坐标的公式为：
设共有k个相机，第i个相机的内部参数矩阵为旋转矩阵为平移矩阵为Ti＝[Ti,x Ti,y Ti,z]，则每一点的三维坐标Xi＝[Xi YiZi]为：
式中，fi,x、fi,y为第i个相机水平方向和竖直方向的等效焦距，ci,x、ci,y为镜头的光轴与靶面交点的像素坐标，xi、yi为第i个相机中的图像坐标；
根据点的三维坐标确定激光器位置及姿态标定参数a、b、c、d的公式为：
式中，m为自由曲面物体点的个数。
8.根据权利要求7所述的用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法，其特征在于，步骤2采用线性矩阵求解或SVD奇异值分解方法求解a、b、c、d四个参数。
9.根据权利要求1所述的用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法，其特征在于，步骤3采用线性最小二乘方法求解三维形貌坐标。
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