CN111380482A - 基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统与方法 - Google Patents

基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统与方法 Download PDF

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徐观
陈芳
单红梅
苏建
刘玉梅
张立斌
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Abstract

本发明公开了一种基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统与方法，旨在解决基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉检测问题。基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统主要由摄像机支架(1)、摄像机(2)、连接件(3)、线激光器(4)与二维标定板(5)组成。基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建方法由图像采集、在二维标定板(5)坐标系下车身特征点坐标求解、在摄像机(2)坐标系下的车身点重建三个步骤组成，提供了一种结构简单、性能可靠的基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统与方法。

Description

基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统与方法
技术领域
本发明涉及一种汽车检测领域的测量设备与测量方法，更具体的说，它是一种基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统与方法。
背景技术
随着检测技术的发展，对汽车形貌的测量在汽车检测等领域中发挥着越来越重要的作用。这类结构尺寸较大，形状不规则，已有检测方法如三坐标机等由于采取逐点扫描和接触式检测方式，测量效率低。因此针对汽车形貌检测问题，设计一种非接触式、测量速度快、适合测量大型物体的无严格约束的检测方法来恢复汽车形貌显得十分重要。提出了一种基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统与方法。系统中线激光器投射的激光线在二维标定板所属平面内，利用二维标定板上的圆与一般位置上两条直线所求得的不变量与摄像机拍摄获取的图像中对应的圆与一般位置上两条直线得到的不变量数值相同的关系，实现了汽车形貌特征点的快速检测。
发明内容
本发明针对解决在获取汽车形貌过程中，接触式检测设备价格昂贵、测量速度慢，固定式检测设备成本较高等问题，提出了一种性能可靠、结构简单、操作简便、算法简单的重建系统与方法。通过求解摄像机拍摄获取图像中的圆与两条直线，得到的不变量数值。进而求得激光线与车身表面交点，实现了采用直线与圆不变量对汽车形貌的重建，提高了检测效率。
结合说明书附图，本发明采用如下技术方案予以实现：
基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统包括有摄像机支架、摄像机、连接件、线激光器与二维标定板；
摄像机支架放置在地面上，摄像机通过底部的螺纹孔与摄像机支架顶部的螺栓螺纹固定连接，二维标定板置入连接件的U形钢板的细长凹槽中，螺栓穿入连接件和二维标定板的通孔与螺母螺纹固定连接，线激光器插入激光器连接件钢管的内孔中，紧定螺钉旋入连接件钢管侧面的螺纹孔，紧定螺钉端部与线激光器圆柱面接触紧配合，线激光器发出的激光平面与二维标定板图形所在平面共面；
技术方案中所述的摄像机支架为可调整高度的三角支架；
技术方案中所述的摄像机为装有窄带滤光片的广角工业相机；
技术方案中所述的连接件为U形钢板与钢管焊接而成的零件，U形钢板侧面加工有通孔，钢管侧面加工有螺纹孔；
技术方案中所述的线激光器为可发射线激光的圆柱形零件，线激光器发出的激光波长与摄像机的窄带滤光片的带通波长一致。
技术方案中所述的二维标定板为一块矩形钢板制成的零件，二维标定板的表面粘贴有可以生成圆及直线特征的圆及矩形的规则几何图形，二维标定板加工有通孔；
基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建方法的具体步骤如下：
第一步：基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建的图像采集：
摄像机固定在摄像机支架上，将摄像机支架放置在地面上，线激光器插入连接件的钢管内孔，打开线激光器，并旋转线激光器使其投射出的激光线与二维标定板共面，通过调节连接件的钢管上的八个螺钉，将线激光器固定。摄像机采集一幅图像，图像包含二维标定板以及线激光器与车辆表面相交的投影激光点；
第二步：基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建的车身特征点在二维标定板坐标系下的坐标求解：
根据摄像机采集的图像，建立图像坐标系，图像坐标系的原点与二维标定板上圆的中心一致，X轴、Y轴分别与二维标定板上的两条垂直直线重合，圆从二维标定板坐标系到图像坐标系的转换关系为
c*＝H-1C*H-T
其中
Figure BSA0000199864270000021
为圆的图像坐标，圆在二维标定板坐标系的坐标为
Figure BSA0000199864270000022
R为圆的半径，圆的对偶坐标为
Figure BSA0000199864270000023
H是采用张正友方法获得的从二维标定板坐标系到图像坐标的单应矩阵；
二维标定板坐标系下的直线坐标L到图像直线坐标l的转换关系为
l＝HTL
由二维标定板上与Y轴重合的直线
Figure BSA0000199864270000024
圆C*以及线激光器发射出的直线
Figure BSA0000199864270000025
可得到不变量
Figure BSA0000199864270000026
其相应的图像上的不变量可表示为
Figure BSA0000199864270000027
其中
Figure BSA0000199864270000028
lII分别为
Figure BSA0000199864270000029
LII为在图像坐标系上的坐标，c*是二维标定板上圆C的图像坐标，图像中的直线坐标可用HOUGH变换提取；
由二维标定板上的与X轴重合的直线
Figure BSA0000199864270000031
圆C*以及线激光器发射出的直线
Figure BSA0000199864270000032
可得到不变量
Figure BSA0000199864270000033
其相应的图像上的不变量可表示为
Figure BSA0000199864270000034
其中
Figure BSA0000199864270000035
分别为
Figure BSA0000199864270000036
为在图像坐标系上的坐标，c*是二维标定板上圆C的图像坐标，图像中的直线坐标可用HOUGH变换提取；
根据I1，i＝I2，i(i＝1，2)求得线激光器发出激光线在二维标定板坐标系下的第二个坐标元素为
Figure BSA0000199864270000037
其中
Figure BSA0000199864270000038
同理解得线激光器发出激光线的第一个坐标元素为
Figure BSA0000199864270000039
即可得到线激光器发出激光线
Figure BSA00001998642700000310
在二维标定板坐标系下的坐标。
第三步：基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建车身表面特征点在摄像机坐标系下的重建：
由第二步求出的二维标定板坐标系下激光线LII的坐标以及从二维标定板坐标系到图像坐标系的单应矩阵H，根据激光线与车身交点XII在直线LII上以及交点XII从二维标定板坐标系到图像坐标系的点xII的转换关系有
(LII)TXII＝0
HXII＝xII
可解得车身表面特征点XII在二维标定板坐标系下的坐标
Figure BSA0000199864270000041
则车身表面特征点在摄像机坐标系下的坐标为
Figure BSA0000199864270000042
其中Hc是采用张正友方法获得的从二维标定板坐标系到摄像机坐标系的单应矩阵。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的系统测量范围广、性能可靠、装置结构简单、操作简便、成本低，本发明的方法计算简单、误差小，实现了对汽车形貌的非接触、快速测量，解决了固定接触式测量系统价格昂贵、测量效率低、便捷性差等问题。
(2)本发明的系统采用了两组不变量计算激光线坐标，分别采用了位于坐标系原点的圆，以及位于X轴Y轴的直线，大大简化了计算过程，减少由计算过程带来的误差。采用直线与圆构成的不变量建立了图像与标定板的直接解算关系，实现了车身特征点的快速重建。
(3)利用同一组摄像机采集的图片即可完成摄像机标定及车身特征点重建，简化了实验过程。
(4)本发明的系统采用的摄像机2为装有窄带滤光片的广角工业相机，可获取的视野范围更广，使得二维标定板5和线激光器4所组成的组合体可扫描的范围更广，更灵活。使得所采用的线激光器4发出的激光波长与摄像机2的窄带滤光片的带通波长一致，能够有效降低环境光源对测量过程的干扰，大大提高了测量精度。
(5)连接件3的钢管上下左右各加工有两个螺纹孔，八个螺钉旋入螺纹孔内，用以调节及固定线激光器4的位置，可使线激光器4投射出的激光线与二维标定板5共面。
附图说明
图1是基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统的轴测图；
图2是基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统中摄像机支架1的轴测图；
图3是基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统中摄像机2的轴测图；
图4是基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统中连接件3的轴测图；
图5是基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统中二维标定板5的轴测图；
图6是基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统中连接件3、线激光器4、二维标定板5的轴测图；
图7是基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建方法的标定与重建的原理图；
图8是基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建方法中激光线在二维标定板5坐标系下解算的流程图；
图9是基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建方法在摄像机2坐标系下车身特征点重建的流程图；
图中：1.摄像机支架，2.摄像机，3.连接件，4.线激光器，5.二维标定板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：
参阅图1至图6，基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统包括有摄像机支架1、摄像机2、连接件3、线激光器4、二维标定板5。
摄像机支架1为可调整高度的三角支架，摄像机支架1放置在地面上，摄像机2为装有窄带滤光片的广角工业相机，摄像机2通过底部的螺纹孔与摄像机支架1顶部的螺栓螺纹固定连接，二维标定板5为一块矩形钢板制成的零件，二维标定板5的表面粘贴有可以生成圆及直线特征的圆及矩形的规则几何图形，二维标定板5加工有通孔，连接件3为U形钢板与钢管焊接而成的零件，U形钢板侧面加工有通孔，钢管侧面加工有螺纹孔，二维标定板5置入连接件3的U形钢板的细长凹槽中，螺栓穿入连接件3和二维标定板5的通孔与螺母螺纹固定连接，线激光器4插入激光器连接件3钢管的内孔中，紧定螺钉旋入连接件3钢管侧面的螺纹孔，紧定螺钉端部与线激光器4圆柱面接触紧配合，线激光器4为可发射线激光的圆柱形零件，线激光器4发出的激光波长与摄像机2的窄带滤光片的带通波长一致，线激光器4发出的激光平面与二维标定板5图形所在平面共面；
参阅图7至图9，基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建方法可分为以下三步：
第一步：基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建的图像采集：
摄像机2固定在摄像机支架1上，将摄像机支架1放置在地面上，线激光器4插入连接件3的钢管内孔，打开线激光器4，并旋转线激光器4使其投射出的激光线与二维标定板5共面，通过调节连接件3的钢管上的八个螺钉，将线激光器4固定。摄像机2采集一幅图像，图像包含二维标定板5以及线激光器4与车辆表面相交的投影激光点；
第二步：基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建的车身特征点在二维标定板5坐标系下的坐标求解：
根据摄像机2采集的图像，建立图像坐标系，图像坐标系的原点与二维标定板5上圆的中心一致，X轴、Y轴分别与二维标定板5上的两条垂直直线重合，圆从二维标定板5坐标系到图像坐标系的转换关系为
c*＝H-1C*H-T
其中
Figure BSA0000199864270000061
为圆的图像坐标，圆在二维标定板5坐标系的坐标为
Figure BSA0000199864270000062
R为圆的半径，圆的对偶坐标为
Figure BSA0000199864270000063
H是采用张正友方法获得的从二维标定板5坐标系到图像坐标的单应矩阵；
二维标定板5坐标系下的直线坐标L到图像直线坐标l的转换关系为
l＝HTL
由二维标定板5上与Y轴重合的直线
Figure BSA0000199864270000064
圆C*以及线激光器4发射出的直线
Figure BSA0000199864270000065
可得到不变量
Figure BSA0000199864270000066
其相应的图像上的不变量可表示为
Figure BSA0000199864270000067
其中
Figure BSA0000199864270000068
lII分别为
Figure BSA0000199864270000069
LII为在图像坐标系上的坐标，c*是二维标定板5上圆C的图像坐标，图像中的直线坐标可用HOUGH变换提取；
由二维标定板5上的与X轴重合的直线
Figure BSA00001998642700000610
圆C*以及线激光器4发射出的直线
Figure BSA00001998642700000611
可得到不变量
Figure BSA00001998642700000612
其相应的图像上的不变量可表示为
Figure BSA00001998642700000613
其中
Figure BSA00001998642700000614
分别为
Figure BSA00001998642700000615
为在图像坐标系上的坐标，c*是二维标定板5上圆C的图像坐标，图像中的直线坐标可用HOUGH变换提取；
根据I1，i＝I2，i(i＝1，2)求得线激光器4发出激光线在二维标定板5坐标系下的第二个坐标元素为
Figure BSA0000199864270000071
其中
Figure BSA0000199864270000072
同理解得线激光器4发出激光线的第一个坐标元素为
Figure BSA0000199864270000073
即可得到线激光器4发出激光线
Figure BSA0000199864270000074
在二维标定板5坐标系下的坐标。
第三步：基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建车身表面特征点在摄像机2坐标系下的重建：
由第二步求出的二维标定板5坐标系下激光线LII的坐标以及从二维标定板5坐标系到图像坐标系的单应矩阵H，根据激光线与车身交点XII在直线LII上以及交点XII从二维标定板5坐标系到图像坐标系的点xII的转换关系有
(LII)TXII＝0
HXII＝xII
可解得车身表面特征点XII在二维标定板5坐标系下的坐标
Figure BSA0000199864270000075
则车身表面特征点在摄像机2坐标系下的坐标为
Figure BSA0000199864270000076
其中Hc是采用张正友方法获得的从二维标定板5坐标系到摄像机2坐标系的单应矩阵。

Claims (7)

1.一种基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统，其特征在于，所述的基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统包括有摄像机支架(1)、摄像机(2)、连接件(3)、线激光器(4)与二维标定板(5)；
摄像机支架(1)放置在地面上，摄像机(2)通过底部的螺纹孔与摄像机支架(1)顶部的螺栓螺纹固定连接，二维标定板(5)置入连接件(3)的U形钢板的细长凹槽中，螺栓穿入连接件(3)和二维标定板(5)的通孔与螺母螺纹固定连接，线激光器(4)插入激光器连接件(3)钢管的内孔中，紧定螺钉旋入连接件(3)钢管侧面的螺纹孔，紧定螺钉端部与线激光器(4)圆柱面接触紧配合，线激光器(4)发出的激光平面与二维标定板(5)图形所在平面共面。
2.按照权利要求1所述的基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统，其特征在于所述的摄像机支架(1)为可调整高度的三角支架。
3.按照权利要求1所述的基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统，其特征在于所述的摄像机(2)为装有窄带滤光片的广角工业相机。
4.按照权利要求1所述的基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统，其特征在于所述的连接件(3)为U形钢板与钢管焊接而成的零件，U形钢板侧面加工有通孔，钢管侧面加工有螺纹孔。
5.按照权利要求1所述的基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统，其特征在于所述的线激光器(4)为可发射线激光的圆柱形零件，线激光器4发出的激光波长与摄像机(2)的窄带滤光片的带通波长一致。
6.按照权利要求1所述的基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统，其特征在于所述的二维标定板(5)为一块矩形钢板制成的零件，二维标定板(5)的表面粘贴有可以生成圆及直线特征的圆及矩形的规则几何图形，二维标定板(5)加工有通孔。
7.按照权利要求1至6所述的基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建系统的重建方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建的图像采集：
摄像机(2)固定在摄像机支架(1)上，将摄像机支架(1)放置在地面上，线激光器(4)插入连接件(3)的钢管内孔，打开线激光器(4)，并旋转线激光器(4)使其投射出的激光线与二维标定板(5)共面，通过调节连接件(3)的钢管上的八个螺钉，将线激光器(4)固定，摄像机(2)采集一幅图像，图像包含二维标定板(5)以及线激光器(4)与车辆表面相交的投影激光点；
第二步：基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建的车身特征点在二维标定板(5)坐标系下的坐标求解：
根据摄像机(2)采集的图像，建立图像坐标系，图像坐标系的原点与二维标定板(5)上圆的中心一致，X轴、Y轴分别与二维标定板(5)上的两条垂直直线重合，圆从二维标定板(5)坐标系到图像坐标系的转换关系为
c*＝H-1C*H-T
其中
Figure FSA0000199864260000021
为圆的图像坐标，圆在二维标定板(5)坐标系的坐标为
Figure FSA0000199864260000022
R为圆的半径，圆的对偶坐标为
Figure FSA0000199864260000023
H是采用张正友方法获得的从二维标定板(5)坐标系到图像坐标的单应矩阵；
二维标定板(5)坐标系下的直线坐标L到图像直线坐标l的转换关系为
l＝HTL
由二维标定板(5)上与Y轴重合的直线
Figure FSA00001998642600000215
圆C*以及线激光器(4)发射出的直线
Figure FSA0000199864260000024
可得到不变量
Figure FSA0000199864260000025
其相应的图像上的不变量可表示为
Figure FSA0000199864260000026
其中
Figure FSA0000199864260000027
lII分别为
Figure FSA0000199864260000028
LII为在图像坐标系上的坐标，c*是二维标定板(5)上圆C的图像坐标，图像中的直线坐标可用HOUGH变换提取；
由二维标定板(5)上的与X轴重合的直线
Figure FSA0000199864260000029
圆C*以及线激光器(4)发射出的直线
Figure FSA00001998642600000210
可得到不变量
Figure FSA00001998642600000211
其相应的图像上的不变量可表示为
Figure FSA00001998642600000212
其中
Figure FSA00001998642600000213
分别为
Figure FSA00001998642600000214
为在图像坐标系上的坐标，c*是二维标定板(5)上圆C的图像坐标，图像中的直线坐标可用HOUGH变换提取；
根据I1，i＝I2，i(i＝1，2)求得线激光器(4)发出激光线在二维标定板(5)坐标系下的第二个坐标元素为
Figure FSA0000199864260000031
其中
Figure FSA0000199864260000032
同理解得线激光器(4)发出激光线的第一个坐标元素为
Figure FSA0000199864260000033
即可得到线激光器(4)发出激光线
Figure FSA0000199864260000034
在二维标定板(5)坐标系下的坐标；
第三步：基于直线与圆不变量的汽车形貌主动视觉重建车身表面特征点在摄像机(2)坐标系下的重建：
由第二步求出的二维标定板(5)坐标系下激光线LII的坐标以及从二维标定板(5)坐标系到图像坐标系的单应矩阵H，根据激光线与车身交点XII在直线LII上以及交点XII从二维标定板(5)坐标系到图像坐标系的点xII的转换关系有
(LII)TXII＝0
HXII＝xII
可解得车身表面特征点XII在二维标定板(5)坐标系下的坐标
Figure FSA0000199864260000035
则车身表面特征点在摄像机(2)坐标系下的坐标为
Figure FSA0000199864260000036
其中Hc是采用张正友方法获得的从二维标定板(5)坐标系到摄像机(2)坐标系的单应矩阵。
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