CN113377865B - 一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法 - Google Patents

一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及航空制造表面质量检测技术领域，特别是涉及一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法，包括以下步骤：搭建检测系统；各相机计算其视野内的平均亮度；统计全部相机在同一时刻的平均亮度B，投影装置投影全通道最高亮度纯色图像，所有相机同步采集图像，并计算图像平均亮度bi’，剔除bi’≤B的相机，对其余相机按bi’由大到小排序；同步控制模块选通图像平均亮度最高和次高的两台相机的同步信号，关闭其他相机的同步信号输出，重新开始输出同步信号；投影装置投影结构光图像，开启同步的两台相机采集图像，重建三维数据；重复，直至获取被测物表面的全部三维数据。通过本信号同步方法，能有效解决传输带宽大和数据计算量大的问题。

Description

一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法
技术领域
本发明涉及航空制造表面质量检测技术领域，特别是涉及一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法。
背景技术
航空零部件以及飞机整机尺寸较大，为了对航空大部件或飞机整机进行基于图像的表面质量检测，可以由大量相机组成固定式图像采集装置，运动机构只携带投影仪进行运动。投影装置进行投影时，相机参与计算，需要进行大量的图像传输，会占用大量的带宽资源和计算资源。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法，能有效解决传输带宽大和数据计算量大的问题。
本发明是通过采用下述技术方案实现的：
一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，搭建大范围多相机表面质量检测系统，所述检测系统包含多个位置固定的相机、一台由运动机构搭载的投影装置以及同步线缆和同步控制模块；所有相机视野的集合能够覆盖被测物表面，且被测物表面任意一点均对至少两台相机可见；每台相机分别有一根数据线和一根同步信号线与同步控制模块相连，投影装置有一根同步信号线与同步控制模块相连；
步骤2，同步控制模块持续发出同步方波信号，通过同步线缆控制投影装置投影和相机采集；各相机计算其视野内的平均亮度bi，将平均亮度bi的值回传给同步控制模块；
步骤3，在投影装置不投射图案时，统计全部相机在同一时刻的平均亮度B，即为环境平均亮度；
步骤4，投影装置投影全通道最高亮度纯色图像，所有相机同步采集图像，并计算图像平均亮度bi’，剔除bi’≤B的相机，对其余相机按bi’由大到小排序；
步骤5，同步控制模块选通图像平均亮度最高和次高的两台相机的同步信号，关闭其他相机的同步信号输出，重新开始输出同步信号；
步骤6，投影装置投影结构光图像，开启同步的两台相机采集图像，重建三维数据；
步骤7，移动投影装置，重复步骤4-步骤6，直至获取被测物表面的全部三维数据。
所述步骤5具体包括：计算i＝1～N的bi'-bi，将其中为正的结果进行排序，确定数值最大和数值次大的结果对应的i和j，即为需要选通的相机的编号；同步控制模块选通此两编号的相机的同步信号，关闭其他相机的同步信号输出，重新开始输出同步信号，此时系统中仅传输这两台相机的图像数据。
投影全通道最高亮度图像时，可见投影区域的相机只输出其平均亮度值，不输出图像。
图像平均亮度最高和次高的两台相机，其公共可见投影区域的面积是所有双相机组合中最大的。
所述步骤1和步骤2之间还包括步骤a，所述步骤a具体包括：对多相机进行排序，确保相邻序号的相机之间有足够大的公共视野，最后一个序号的相机和第一个序号的相机之间有足够大的公共视野。
所述步骤a与步骤2之间还包括步骤b，所述步骤b具体包括：标定全部相机的内外部参数。
所述步骤2中，平均亮度bi的计算方法为：
Figure BDA0003082983350000021
其中，b(m,p)为像素坐标(m,p)处的像素感受到的亮度，M和P分别为一列和一行的像素总数。
所述步骤6中重建三维数据具体包括：
步骤6.1，依据相机内外部参数对相机做基线对齐，将
Figure BDA0003082983350000022
中的旋转部分
Figure BDA0003082983350000023
提取出来，相机i的坐标系乘以
Figure BDA0003082983350000024
相机j的坐标系乘以
Figure BDA0003082983350000025
其中相机i和相机j为图像平均亮度最大和次大对应的两台相机，
Figure BDA0003082983350000026
为相机i和相机j的坐标转换关系；
步骤6.2，将转换后的相机i和j的图像左右水平排列，则三维空间中一点P在相机i和j的图像中的对应点，位于同一条水平线上；
步骤6.3，对图像中的激光线进行提取中心线操作，在相机i的图像中激光线中心线上选取一点Pi，通过作水平线的方式找到其在相机j的图像中激光线中心线上的对应点Pj；
步骤6.4，设该P点的世界坐标系坐标为PW，世界坐标系建立在相机1的坐标系下，有
Figure BDA0003082983350000031
联立可解PW，同理可将激光线中心线上的点全部三维重建；其中，Ki为相机i的内部参数矩阵，Kj为相机j的内部参数矩阵。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
1、本信号同步方法简单可靠，准确度高，稳定性好。通过简单的平均亮度判断公共可见投影区域最大的两台相机，避免了对带宽资源的大量占用。在由多相机组成的测量系统中，大量相机数据的同步传输会占据大量的带宽，在对如飞机整机等大尺寸物体进行扫描时，若全部相机同时采集和传输数据，会对数据传输形成挑战。本发明通过仅回传相机平均亮度的方法，减少了数据传输，为判断需要选通的相机提供了依据。
2、在测量时只选通参与计算的两台相机，避免了大量无效数据的传输。双目结构光系统中，需要2台相机和1台投影装置完成测量，在一个区域进行测量时，不在此区域内的相机不参与测量和计算，其拍摄到的图像为无效图像，因此，在测量时只选通参与计算的两台相机，可以避免大量无效数据的传输。在整个测量过程中，选通的相机动态切换，每一时刻均只有2台相机进行数据传输，极大提高了系统的运行效率。
3、在投影装置不投射图案时，统计全部相机在同一时刻的平均亮度B，即为环境平均亮度，通过与环境平均亮度的对比可快速排除未接收到投影仪光线的相机，加快排序速度
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明中检测系统的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
作为本发明基本实施方式，本发明包括一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法，参照说明书附图1，包括以下步骤：
步骤1，搭建大范围多相机表面质量检测系统，所述检测系统包含多个位置固定的相机、一台由运动机构搭载的投影装置以及同步线缆和同步控制模块。所有相机视野的集合能够覆盖被测物表面，且被测物表面任意一点均对至少两台相机可见。每台相机分别有一根数据线和一根同步信号线与同步控制模块相连，数据线用以传输拍摄的照片，同步线用以传输触发信号，使所有相机同步拍摄。每台相机都有简单的计算功能，可以进行简单的图像处理。投影装置有一根同步信号线与同步控制模块相连，接收同步信号，以使其图案投影和相机拍摄同步进行。
步骤2，同步控制模块持续发出同步方波信号，通过同步线缆控制投影装置投影和相机采集；各相机计算其视野内的平均亮度bi，即其全部像素亮度值的平均值，将平均亮度bi的值回传给同步控制模块。
步骤3，在投影装置不投射图案时，统计全部相机在同一时刻的平均亮度B，即为环境平均亮度；
步骤4，投影装置投影全通道最高亮度纯色图像，即RGB三个通道均为最高亮度，以确保反射光具有各种投影方式中最高的亮度，所有相机同步采集图像，并计算图像平均亮度bi’，剔除bi’≤B的相机，对其余相机按bi’由大到小排序，此时相机仅回传bi’值而不回传图。
步骤5，同步控制模块选通图像平均亮度最高和次高的两台相机的同步信号，关闭其他相机的同步信号输出，重新开始输出同步信号，此时系统中仅传输这两台相机的图像数据。其中，图像平均亮度最高和次高的两台相机，其公共可见投影区域的面积是所有双相机组合中最大的。在该过程中，同步控制模块可以选择性打开和关断任意一路同步信号的输出，未接受同步信号的相机将不进行图像的采集。
步骤6，投影装置投影结构光图像，在步骤5中开启同步的两台相机采集图像，重建三维数据。
步骤7，移动投影装置，重复步骤4-步骤6，直至获取被测物表面的全部三维数据。
实施例2
作为本发明最佳实施方式，本发明包括一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法，包括以下步骤：
步骤1，搭建大范围多相机表面质量检测系统，参照说明书附图2，其包含多个位置固定的相机，一台由运动机构搭载的投影装置，同步线缆以及同步控制模块。所有相机视野的集合能够覆盖被测物表面，且被测物表面任意一点均对至少两台相机可见。每台相机分别有一根数据线和一根同步信号线与同步控制模块相连，数据线用以传输拍摄的照片，同步线用以传输触发信号，使所有相机同步拍摄。每台相机都有简单的计算功能，可以进行简单的图像处理。投影装置有一根同步信号线与同步控制模块相连，接收同步信号，以使其图案投影和相机拍摄同步进行。
步骤a，对多相机进行排序，相机序号依次为1,2,3，……i，i+1，……N，确保相邻序号的相机之间有足够大的公共视野，公共视野的大小应超过单相机视野的1/3，即一台相机视野内1/3的区域能被其相邻相机看见。最后一个序号的相机和第一个序号的相机之间有足够大的公共视野，即排序以回环方式进行。其中，步骤1和2的要求可通过增加相机数量确保实现。
步骤b，标定全部相机的内外部参数。内部参数为相机本身镜头、成像元件属性，构成内参矩阵Ki，外部参数为相机之间的坐标系转换关系，相邻两相机的外部参数为
Figure BDA0003082983350000051
并通过转换链条
Figure BDA0003082983350000052
转换。其中外部参数以相机1为基准，计算其他相机坐标系到相机1坐标系的转换关系，依次为
Figure BDA0003082983350000053
i＝1，2，3，…，N。则相机i和相机j的转换关系为
Figure BDA0003082983350000054
步骤2，同步控制模块持续发出同步方波信号，通过同步线缆控制投影装置投影和相机采集。每一个方波脉冲期间，每台相机采集一幅图像。各相机可计算其视野内的平均亮度，即其全部像素亮度值的平均值bi，计算方式为
Figure BDA0003082983350000055
b(m,p)为像素坐标(m,p)处的像素感受到的亮度，M和P分布为一列和一行的像素总数，并将亮度值bi回传给同步控制模块，bi的取值范围为0到255。
步骤c，在投影装置不投射图案时，统计全部相机在同一时刻的平均亮度B，即为环境平均亮度：
Figure BDA0003082983350000061
其中bi为该时刻第i个相机的平均亮度，通过与环境平均亮度的对比可快速排除未接收到投影仪光线的相机，加快排序速度。
步骤4，投影装置投影全通道最高亮度纯白色图像，即投影装置成像装置的每个像素的RGB三个通道均为最高亮度值255，以确保反射光具有各种投影方式中最高的亮度(任何图案调制均会将部分像素亮度调至255以下)，所有相机同步采集图像，并计算图像平均亮度bi’。剔除bi’≤B的相机，对其余相机按bi’由大到小排序。此时相机仅回传bi’值而不回传图像。
步骤5，计算i＝1～N的bi'-bi，将其中为正的结果进行排序，确定数值最大和数值次大的结果对应的i和j，即为需要选通的相机的编号，这两个相机之所以平均亮度最大和次大，是由于其视野内被投影装置照亮的区域大于其他相机，也即这两个相机被投影装置照亮的公共视野是所有可能的组合方式中最大的。同步控制模块选通此两编号的相机的同步信号，关闭其他相机的同步信号输出，重新开始输出同步信号。此时系统中仅传输这两台相机的图像数据，此时这两台相机i和j以及投影装置构成一个双目面结构光系统。
步骤6，投影装置投影一系列结构光图像，采用多频相移方式，频率r的第s幅图像的图案由以下公式决定：
Figure BDA0003082983350000062
其中，I为灰度值，(x，y)为投影图像的像素坐标，round为取整函数，λr为正弦条纹一个周期的宽度(即波长)，总的图像张数为λr·s。
开启同步的两台相机连续采集λr·s张图像，相机拍摄得到的被测物表面图像上，某一点的灰度值可用下式表达：
Figure BDA0003082983350000063
其中，(x，y)代表像素坐标，在后续的表达中可省略。Irs是第r频率的第s张图像的灰度值，A是平均灰度值，B是灰度调制幅度，δ是固定相移，
Figure BDA0003082983350000064
是需求解的第r频率的相位值。记N为某一频率所包含的图像的总数，则有：
Figure BDA0003082983350000071
即利用同一频率的多张相移图像，可解算出该频率下各点的相位。由于三角函数的周期性，此时得到的
Figure BDA0003082983350000072
是周期相位。要展开周期相位得到绝对相位Φ，需不同频率r的周期相位
Figure BDA0003082983350000073
考虑到条纹单向，Φ和
Figure BDA0003082983350000074
可分别简记为Φ(x)和
Figure BDA0003082983350000075
以三频相移方法为例，r＝{1,2,3}，对应的波长分别为{λ1,λ2,λ3}，根据外差方法，
Figure BDA0003082983350000076
其中fov为视场的宽度(即图像在x方向的尺度)，最终展开的相位中只包含一个周期。以其中r＝1、r＝2频率的外差操作为例，两种频率下的绝对相位分别为Φ1(x)和Φ2(x)，其对应关系如下：
Figure BDA0003082983350000077
根据相位分布，有：
Figure BDA0003082983350000078
因此，可根据两种频率的周期相位的相位差得到其绝对相位值
Figure BDA0003082983350000079
或者
Figure BDA00030829833500000710
其中round是取整函数。在三频相移方法中，可据此进行多阶段的相位展开，最终使展开相位在测量视场中仅具有一个周期。
调用此两相机预先标定的内外部参数，重建三维数据。具体为：
步骤6.1，依据相机内外部参数对相机做基线对齐，将
Figure BDA00030829833500000711
中的旋转部分
Figure BDA00030829833500000712
提取出来，相机i的坐标系乘以
Figure BDA0003082983350000081
相机j的坐标系乘以
Figure BDA0003082983350000082
其中相机i和相机j为图像平均亮度最大和次大对应的两台相机，
Figure BDA0003082983350000083
为相机i和相机j的坐标转换关系；
步骤6.2，将转换后的相机i和j的图像左右水平排列，则三维空间中一点P在相机i和j的图像中的对应点，位于同一条水平线上；
步骤6.3，对图像中的激光线进行提取中心线操作，在相机i的图像中激光线中心线上选取一点Pi，通过作水平线的方式找到其在相机j的图像中激光线中心线上的对应点Pj；
步骤6.4，设该P点的世界坐标系坐标为PW，世界坐标系建立在相机1的坐标系下，有
Figure BDA0003082983350000084
联立可解PW，同理可将激光线中心线上的点全部三维重建；其中，Ki为相机i的内部参数矩阵，Kj为相机j的内部参数矩阵。
步骤7，移动投影装置，重复步骤4-步骤6，直至获取被测物表面的全部三维数据。
综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (8)

1.一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，搭建大范围多相机表面质量检测系统，所述检测系统包含多个位置固定的相机、一台由运动机构搭载的投影装置以及同步线缆和同步控制模块；所有相机视野的集合能够覆盖被测物表面，且被测物表面任意一点均对至少两台相机可见；每台相机分别有一根数据线和一根同步信号线与同步控制模块相连，投影装置有一根同步信号线与同步控制模块相连；
步骤2，同步控制模块持续发出同步方波信号，通过同步线缆控制投影装置投影和相机采集；各相机计算其视野内的平均亮度bi，将平均亮度bi的值回传给同步控制模块；
步骤3，在投影装置不投射图案时，统计全部相机在同一时刻的平均亮度B，即为环境平均亮度；
步骤4，投影装置投影全通道最高亮度纯色图像，所有相机同步采集图像，并计算图像平均亮度bi’，剔除bi’≤B的相机，对其余相机按bi’由大到小排序；
步骤5，同步控制模块选通图像平均亮度最高和次高的两台相机的同步信号，关闭其他相机的同步信号输出，重新开始输出同步信号；
步骤6，投影装置投影结构光图像，开启同步的两台相机采集图像，重建三维数据；
步骤7，移动投影装置，重复步骤4-步骤6，直至获取被测物表面的全部三维数据。
2.根据权利要求1所述的一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法，其特征在于：所述步骤5具体包括：计算i＝1～N的bi'-bi，将其中为正的结果进行排序，确定数值最大和数值次大的结果对应的i和j，即为需要选通的相机的编号；同步控制模块选通此两编号的相机的同步信号，关闭其他相机的同步信号输出，重新开始输出同步信号，此时系统中仅传输这两台相机的图像数据。
3.根据权利要求1所述的一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法，其特征在于：投影全通道最高亮度图像时，可见投影区域的相机只输出其平均亮度值，不输出图像。
4.根据权利要求1所述的一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法，其特征在于：图像平均亮度最高和次高的两台相机，其公共可见投影区域的面积是所有双相机组合中最大的。
5.根据权利要求1所述的一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法，其特征在于：所述步骤1和步骤2之间还包括步骤a，所述步骤a具体包括：对多相机进行排序，确保相邻序号的相机之间有足够大的公共视野，最后一个序号的相机和第一个序号的相机之间有足够大的公共视野。
6.根据权利要求5所述的一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法，其特征在于：所述步骤a与步骤2之间还包括步骤b，所述步骤b具体包括：标定全部相机的内外部参数。
7.根据权利要求1所述的一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法，其特征在于：所述步骤2中，平均亮度bi的计算方法为：
Figure FDA0003564975310000021
其中，b(m,p)为像素坐标(m,p)处的像素感受到的亮度，M和P分别为一列和一行的像素总数。
8.根据权利要求1所述的一种飞机大范围表面质量检测系统的信号同步方法，其特征在于：所述步骤6中重建三维数据具体包括：
步骤6.1，依据相机内外部参数对相机做基线对齐，将
Figure FDA0003564975310000022
中的旋转部分
Figure FDA0003564975310000023
提取出来，相机i的坐标系乘以
Figure FDA0003564975310000024
相机j的坐标系乘以
Figure FDA0003564975310000025
其中相机i和相机j为图像平均亮度最大和次大对应的两台相机，
Figure FDA0003564975310000026
为相机i和相机j的坐标转换关系；
步骤6.2，将转换后的相机i和j的图像左右水平排列，则三维空间中一点P在相机i和j的图像中的对应点，位于同一条水平线上；
步骤6.3，对图像中的激光线进行提取中心线操作，在相机i的图像中激光线中心线上选取一点Pi，通过作水平线的方式找到其在相机j的图像中激光线中心线上的对应点Pj；
步骤6.4，设该P点的世界坐标系坐标为PW，世界坐标系建立在相机1的坐标系下，有Pi＝KiT1 iPw，Pj＝KjT1 jPw，联立可解PW，同理可将激光线中心线上的点全部三维重建；其中，Ki为相机i的内部参数矩阵，Kj为相机j的内部参数矩阵；T1 i为从相机i的坐标系到相机1的坐标系的坐标转换关系；T1 j为从相机j的坐标系到相机1的坐标系的坐标转换关系。
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