CN113446958A - 基于对称布设的双目视觉系统及dic技术的曲面重构法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于对称布设的双目视觉系统及DIC技术的曲面重构法，包括以下步骤：两组对称布设的双目视觉系统的相机标定和坐标转换；获取试件上、下表面的数字图像数据，并进行图像匹配；根据相机标定和图像匹配结果，表面离散的点云数据；根据上、下表面各自的点云数据，拟合出对应的曲面；求解上、下两表面对应匹配点的中点，并拟合出中面。本发明的方法具有重建薄板完整的表面形貌的效果。

Description

基于对称布设的双目视觉系统及DIC技术的曲面重构法

技术领域

本发明属于非接触光学测量领域，具体涉及一种基于对称布设的双目视觉系统及DIC技术的曲面重构法。

背景技术

曲面重构是逆向工程的一个核心问题和关键步骤，曲面重构的首要步骤是通过某种测量方法，采集被测试件表面的三维数据，主要的测量方法有接触式测量和非接触式测量。接触式测量指测量过程中测量设备的测头与被测试件表面相接触的一种测量方式，这种测量方法具有高精度和测量速度快等优点，但是测量时间长、且因为测头与试件表面接触，可能产生测头磨损，从而影响了测量的精度、以及在一些高温等特殊测试环境中，接触式测量的应用存在很大的限制。非接触式测量法对空间要求较小，很好地弥补了接触式测量法存在的特殊环境使用限制的问题，得到了广泛的应用。其中，将双目立体视觉系统和数字图像相关技术相结合的三维数字图像相关法是一研究热点。

三维数字图像相关法是一种结合了两双目立体视觉系统和数字图像相关技术来实现物体表面三维形貌和变形测量的方法。相对于其他光学测量方法所需测试环境苛刻的缺点以及二维数字图像相关法测试的局限性，三维数字图像相关法具有环境适应性强，光路布置简单等优点，是光测力学中的重要方法。

在使用双相机来获取图像的时候，由于物体表面形状、系统参数和测量方位等的影响，常常导致遮挡现象的发生，这就会导致图像处理中信息的缺失，不利于物体三维形貌的完整还原及非公共点区域的视差确定。目前较为常见的两种方法包括：从立体匹配角度出发，建立匹配计算模型和多目成像；与后者相比，前者由于理论和技术的不完善，目前难以建立一种通用的匹配计算模型。

发明内容

针对现有技术中单组双目立体视觉系统在获取图像时，由于物体表面形状、系统参数和测量方位等的影响，而存在的遮挡问题，本发明提出了一种基于对称布设的双目视觉系统及DIC技术的曲面重构法，该方法具有重建薄板试件完整的表面形貌的效果。

本发明是这样实现的：

一种基于对称布设的双目视觉系统及DIC技术的曲面重构法，其特征在于，所述的曲面重构法包括以下步骤：

步骤一、将两组对称布设的双目视觉系统的相机进行标定和坐标转换；

步骤二、利用两组双目相机，分别获取薄板试件上、下两表面的数字图像，并进行图像匹配；

步骤三、根据相机标定和图像匹配结果，表面离散的点云数据；

步骤四、根据上、下表面各自的点云数据，拟合出对应的曲面；即为薄板试件的完整曲面；

步骤五、求解上、下两表面对应匹配点的中点，并拟合出中面。

进一步，所述的步骤一具体为：

1.1，根据张正友标定法，分别标定两组双目相机，获得相机的内参数：f_x、f_y、 u₀、v₀和相机的外参数：旋转矩阵R和平移向量T；张正友标定方法需要两个步骤：相机参数初值估计和相机参数优化；首先利用线性标定法求解相机参数，然后利用最大似然法对解求精，最后加入畸变因子，进行非线性优化提高精度；

1.2，利用准备好的正反喷涂散斑的标定试件，将两组双目系统转换到同一坐标系下。

进一步，所述的步骤二具体为：

通过子区匹配，获得上表面的左、右两幅图像的对应点以及下表面的左、右两幅图像的对应点：设定一幅图像为参考图像，且在参考图像上以待测点为中心设置参考子区，选定零均值归一化协方差相关函数作为评判两个子区相似程度的标准，在另一幅图像，即目标图像中寻找最佳匹配的图像子区，从而实现了子区对应点的匹配。

进一步，所述的步骤三具体为：

根据相机标定和图像匹配结果，分别对两表面形貌进行还原，实现三维重建：完成相机标定后将得到两个相机的投影矩阵M_l和M_r，且两相机的内参数一致；空间中任意一点P(X,Y,Z,1)在两个相机C_l和C_r的图像平面上的投影点分别为 P_l(u_l，v_l)和P_r(u_r，v_r)；

根据坐标变换关系式可知：

其中，

表示左右相机投影矩阵中的第i行第 j列元素；上述两式消除Z_cl和Z_cr得：

式(1-2)和(1-3)中的两个线性方程为三维空间中的两个平面，两个线性方程的组合就是两个平面的交线，即空间中的某一直线；如果两式联立求解，则得到空间点P的世界坐标；采用最小二乘法求出点P的世界坐标。

本发明与现有技术的有益效果在于：

本发明提出了一种基于对称布设的双目视觉系统及DIC技术的曲面重构法，由于薄板试件具有厚度可忽略的特点，因此，对它的上、下两个表面的还原，即可实现对整个试件的完整还原。该方法采用两组对称布设的双目视觉系统，对具有一定变形的薄板上、下表面喷涂散斑，进行拍摄还原；根据上、下表面各自的点云数据，拟合出对应的曲面。

本发明提出的曲面重构方法，实现了对薄板物体完整的曲面还原。本发明以平板试件为标定试验件，首先进行了标定实验：还原了试件两表面，并计算了两表面四个对应角点的距离误差，结果表明，两表面形面具有良好的一致性，相对误差在2％以内，说明本发明提出的方法，其测量准确度较高，可以满足应用需求；最后对弯曲试件进行了同样的实验，并拟合出了试件的中面，为将来薄板类物体振型的测量打下了基础。

附图说明

图1为本发明基于对称布设的双目视觉系统及DIC技术的曲面重构法的流程图；

图2为本发明基于对称布设的双目视觉系统及DIC技术的曲面重构法的设备搭载示意图；

图3为平板上、下两表面示意图；

图4为平板试件四个对应角点间距离的相对误差；

图5为弯曲试件上、下两表面示意图；

图6为弯曲试件拟合中面示意图；

图7为弯曲试件在Y＝0时三个面对应的曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～2所示，本发明提出一种基于对称布设的双目视觉系统及DIC技术的曲面重构法：

首先，根据张正友标定法，完成对相机参数的标定，为后续的三维坐标重建做准备。选择与试件尺寸相匹配的标定板，将其放置在与试件相同的位置处，手动控制标定板作，使其做前后平移或俯仰旋转运动；再将两组双目相机转换到同一坐标系下。

然后利用计算机配套的软件，选择同一组系统中拍摄的试件的左、右两幅图，选择分析区域，完成子区匹配。

根据相机标定和图像匹配结果，带入坐标计算公式中，分别求解出两表面对应的图片上点对应的空间点的三维坐标，对两表面形貌进行还原，实现三维曲面重建。图3为平板上、下两表面的三维曲面重建结果示意图。从图中可知，拟合出的两曲面形貌具有良好的一致性，且通过计算四个角点间的距离，得出，距离误差在2％，如图4所示。由此说明了该方法测量误差较小，结果较为准确。最后，作者对具有一定弯曲变形的薄板试件进行了实验，并还原出了中面。图5、图6分别为弯曲试件的上下表面和拟合中面图，图7为Y＝0时，弯曲试件三个面对应的曲线。从图中可以看出，被测试件三个面的形面变化趋势基本上是一致的，并且通过计算得，该试件四个对应角点的距离误差在不超过3.3％，由此我们可以推断出，根据上、下表面数据拟合出来的中面的误差，也不超过3.3％。

以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于对称布设的双目视觉系统及DIC技术的曲面重构法，其特征在于，所述的曲面重构法包括以下步骤：

步骤一、将两组对称布设的双目视觉系统进行相机标定和坐标转换；

步骤二、利用两组双目相机，分别获取薄板试件上、下两表面的数字图像，并进行图像匹配；

步骤三、根据相机标定和图像匹配结果，表面离散的点云数据；

步骤四、根据上、下表面各自的点云数据，拟合出对应的曲面，即为薄板试件的完整曲面；

步骤五、求解上、下两表面对应匹配点的中点，并拟合出中面。

2.根据权利要求1所述的一种基于对称布设的双目视觉系统及DIC技术的曲面重构法，其特征在于，所述的步骤一具体为：

1.1、根据张正友标定法，分别标定两组双目相机，获得相机的内参数：f_x、f_y、u₀、v₀和相机的外参数：旋转矩阵R和平移向量T；张正友标定方法需要两个步骤：相机参数初值估计和相机参数优化；首先利用线性标定法求解相机参数，然后利用最大似然法对解求精，最后加入畸变因子，进行非线性优化提高精度；

1.2、利用准备好的正反喷涂散斑的标定试件，将两组双目系统转换到同一坐标系下。

3.根据权利要求1所述的一种基于对称布设的双目视觉系统及DIC技术的曲面重构法，其特征在于，所述的步骤二具体为：

通过子区匹配，获得上表面的左、右两幅图像的对应点以及下表面的左、右两幅图像的对应点：设定一幅图像为参考图像，且在参考图像上以待测点为中心设置参考子区，选定零均值归一化协方差相关函数作为评判两个子区相似程度的标准，在另一幅图像，即目标图像中寻找最佳匹配的图像子区，从而实现了子区对应点的匹配。

4.根据权利要求1所述的一种基于对称布设的双目视觉系统及DIC技术的曲面重构法，其特征在于，所述的步骤三具体为：

根据相机标定和图像匹配结果，分别对两表面形貌进行还原，实现三维重建：完成相机标定后将得到两个相机的投影矩阵M_l和M_r，且两相机的内参数一致；空间中任意一点P(X,Y,Z,1)在两个相机C_l和C_r的图像平面上的投影点分别为P_l(v_l，v_l)和P_r(u_r，v_r)；

根据坐标变换关系式可知：

其中，

表示左右相机投影矩阵中的第i行第j列元素；上述两式消除Z_cl和Z_cr得：

式(1-2)和(1-3)中的两个线性方程为三维空间中的两个平面，两个线性方程的组合就是两个平面的交线，即空间中的某一直线；如果两式联立求解，则得到空间点P的世界坐标；采用最小二乘法求出点P的世界坐标。

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