CN113494891B - 一种用于火车承载鞍整体型面测量的多视角拼接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于火车承载鞍整体型面测量的多视角拼接方法，在多视角测量过程中通过对所设计的靶标板上标志点的识别定位，计算不同视角下测量数据所在坐标系之间的转换关系，从而实现多个视角下测量数据的拼接，得到火车承载鞍完整的型面三维点云数据。本方法简便、快捷，可以很好地解决现有技术中各视角下测量得到的承载鞍型面数据难以拼接形成完整的型面数据的问题。

Description

一种用于火车承载鞍整体型面测量的多视角拼接方法
技术领域
本发明涉及光学三维测量技术领域，具体为一种用于火车承载鞍整体型面测量的多视角拼接方法。
背景技术
火车承载鞍是火车部件中一种磨损消耗比较大的零件，为实现对其型面磨耗的测量检测，需要对其型面进行完整的测量。常用的测量技术是光学三维测量，其中应用最为广泛的一种技术是相位轮廓术，其具有速度快、成本低、非接触和精度高等优点。但是在测量过程中从单一视角下只能得到承载鞍部分的型面数据，当测量系统与被测物体的相对位置关系发生变化时，测量所得物体的型面数据的坐标系将不统一，多个视角下的测量数据无法拼接到一起。因此需要对承载鞍进行多视角的测量，进而需要有效的多视角拼接方法将多个视角的测量数据进行统一，从而得到承载鞍型面完整的测量数据。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提出一种用于火车承载鞍整体型面测量的多视角拼接方法，解决上述承载鞍完整型面数据测量所需的多视角拼接的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于火车承载鞍整体型面测量的多视角拼接方法，包括如下步骤：
(1)对正反两面均分布有多个标志圆的靶标板进行标定，得到靶标板正反面上标志圆圆心在同一坐标系下的三维坐标，将此坐标系作为标定坐标系；
(2)按照靶标板与承载鞍相对位置固定的方式将靶标板布置在承载鞍附近，在前后两个视角下对承载鞍表面进行投影并采集图像；
(3)对采集到的两个视角下图像中的靶标板正反面上的标志圆进行识别，计算图像中各标志圆的圆心坐标；
(4)基于面结构光三维测量方法计算两视角下图像中靶标版正反面标志圆圆心所对应的三维坐标；
(5)根据步骤(1)中标定得到的靶标板前后面标志圆圆心在标定坐标系下的三维坐标以及步骤(4)中得到的两个视角下靶标板正反面标志圆圆心的三维坐标，按照对应点匹配的原则分别计算两个视角下对应的测量坐标系到标定坐标系之间的转换关系；
(6)根据步骤(2)中两个视角下的图像进行相位求解与点云计算，根据步骤(5)中得到的两个测量视角坐标系到标定坐标系的转换关系，将两视角下测量得到的点云数据转换到统一的标定坐标系下，实现测量数据的拼接。
作为一种优选的实施方式，所述靶标板由两片平面标志板背面贴合而成，每片标志板的正面分布5个标志圆，标志圆的位置关系随机分布。
作为一种优选的实施方式，所述靶标板正反面的标志圆直径为10mm，且相互之间不重叠。
作为一种优选的实施方式，所述靶标板正反两面的标志圆区域均为白色，除了标志圆区域外的平板区域为黑色。
作为一种优选的实施方式，所述步骤(1)中的标定方法，采用基于摄影测量的标定手段，实现测量得到靶标板正反两面上标志圆点在同一坐标系下的坐标。
作为一种优选的实施方式，所述步骤(2)中在前后两个视角下对承载鞍表面进行投影并采集图像包括：由面结构光测量系统向承载鞍表面及靶标板表面投影一组相移条纹图像以及一幅均匀灰度图并采集相应的物体表面图像，再将面结构光测量系统转到被测承载鞍的背面同样按照上述过程采集图像
有益效果：本发明利用了一种便于多视角拼接的靶标板，对靶标板上标志点的空间位置标定提出了一种基于摄影测量的标定方法。在多视角测量过程中通过对所设计的靶标板上标志点的识别定位，计算不同视角下测量数据所在坐标系之间的转换关系，从而实现多个视角下测量数据的拼接，得到火车承载鞍完整的型面三维点云数据。本方法简便、快捷，可以很好地解决现有技术中各视角下测量得到的承载鞍型面数据难以拼接形成完整的型面数据的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的多视角拼接方法实现流程图；
图2是本发明实施例的靶标板表面标志圆设计示意图；
图3是本发明实施例的承载鞍正面示意图；
图4是本发明实施例的承载鞍反面示意图；
图5是本发明实施例的坐标系转换关系图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
参照图1，一种用于火车承载鞍整体型面测量的多视角拼接方法，包括如下步骤：
步骤(1)：标定靶标板，得到靶标板前后面上标志圆圆心的在同一坐标系下的三维坐标，将此坐标系称为标定坐标系。
本实施例中的靶标板，是由两片平面标志板背面贴合而成，每片标志板的正面分布5个标志圆，标志圆的位置关系随机分布。即靶标板的正反两面均分布有随机相对位置的5个标志圆。靶标版的正反两面也称为靶标版的前后两面，二者是同样的含义。如图2所示，优选设计的靶标板表面的标志圆直径为10mm，相互之间不重叠。10mm的尺寸是相对于承载鞍的尺寸大小以及相机视场的大小通过多次测试经验得到的，即标志圆的尺寸与火车承载鞍尺寸以及相机视场的大小相匹配。靶标板正反两面的标志圆区域均为白色，除了标志圆区域外的平板区域为黑色。颜色的设置是因为，采用相移投影方法需要向被测表面投影灰度值呈正弦变化的条纹图，通过相机拍摄投影条纹的灰度值信息计算物体表面的三维坐标；而这里需要计算得到的是标志圆圆心的三维坐标，因此标志圆的颜色应该是白色，而其余区域为黑色。如果反过来，标志圆区域是黑色，那么投影的条纹图投射到黑色标志圆上后，条纹的灰度变化信息不明显，将增大圆心的测量误差。
对靶标版的标定可以利用基于摄影测量的标定手段。本实施例中，针对靶标板前后面上标志圆圆心在同一坐标系下的三维坐标的获取，采用Creaform公司MAXSHOT型号的摄影测量设备实现，得到靶标板正反两面上标志圆的圆心在同一坐标系下的坐标。
步骤(2)：将靶标板与承载鞍按照相对位置固定的方式紧靠承载鞍布置，满足靶标板处于相机图像视场中即可，由面结构光测量系统向承载鞍表面及靶标板表面投影一组相移条纹图像以及一幅均匀灰度图并采集相应的物体表面图像。再将面结构光测量系统转到被测承载鞍的背面同样按照上述过程采集相应的一组图像。即，在承载鞍的正面和背面分别投影扫描，这里也称为前后两个视角下的图像。承载鞍正面和方面示意图分别如图3和图4所示。
因为本方法基于的是相移条纹投影法，来测量物体表面的三维形貌。具体采用的是四步相移算法和三频外差算法，投影的一组条纹图即为相移条纹投影法所需的步骤。一幅均匀灰度图是为了增加物体表面的亮度，提高相机采集到图像中标志圆轮廓的清晰度，从而提高标志圆轮廓检测的精度。四步相移算法和三频外差算法是现有技术中的成熟算法，本发明不再详述。
步骤(3)：采用OpenCV开源库中的边缘检测方法与椭圆拟合方法，对采集到的两个视角下图像中的靶标板前后面上的标志圆进行识别，计算图像中各标志圆的圆心坐标。
步骤(4)：基于通用的面结构光三维测量方法计算步骤(3)中识别到的两视角下图像中标志圆圆心所对应的三维坐标。
步骤(5)：根据步骤(1)中标定得到的靶标板前后面标志圆圆心在统一的标定坐标系下的三维坐标，与步骤(4)中得到的两个视角下靶标板前后面标志圆圆心的三维坐标按照对应点匹配的原则，采用最小二乘算法分别计算两个视角对应的测量坐标系到标定坐标系之间的转换关系，即对应的旋转与平移矩阵。对应点匹配原则指的是每个圆的圆心在两个坐标系下应该相对应。图5示出了坐标系转换关系，图5中的2个视角坐标系对应于步骤(2)中所述的正面和背面两个测量位置。
步骤(6)：根据步骤(2)中两个视角下的图像进行相位求解与点云计算，根据步骤E中得到的两个测量视角坐标系到标定坐标系的旋转与平移转换矩阵，将两视角下测量得到的点云数据转换到统一的标定坐标系下，实现测量数据的拼接。
以上描述了用于火车承载鞍整体型面测量的多视角拼接方法，各个步骤中涉及了相应的技术手段，本发明未详述的技术手段均为现有技术。
面向火车承载鞍这一零件整体型面的测量需求，需要从多个视角下对承载鞍型面的各部分进行测量，获取不同视角下的承载鞍型面数据。但是采用基于相移条纹投影的型面测量方法在不同视角下所得到的型面点云数据之间坐标系不统一，各视角下测量得到的承载鞍型面数据难以拼接形成完整的型面数据。对此本发明设计了一种用于多视角拼接的靶标板，并对靶标板上标志点的空间位置标定提出了一种基于摄影测量的标定方法。在多视角测量过程中通过对所设计的靶标板上标志点的识别定位，计算不同视角下测量数据所在坐标系之间的转换关系，从而实现多个视角下测量数据的拼接，得到火车承载鞍完整的型面三维点云数据。

Claims (4)

1.一种用于火车承载鞍整体型面测量的多视角拼接方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)对正反两面均分布有多个标志圆的靶标板进行标定，得到靶标板正反面上标志圆圆心在同一坐标系下的三维坐标，将此坐标系作为标定坐标系，所述靶标板由两片平面标志板背面贴合而成，每片标志板的正面分布5个标志圆，标志圆的位置关系随机分布；
(2)按照靶标板与承载鞍相对位置固定的方式将靶标板布置在承载鞍附近，在前后两个视角下对承载鞍表面进行投影并采集图像，包括：由面结构光测量系统向承载鞍表面及靶标板表面投影一组相移条纹图像以及一幅均匀灰度图并采集相应的物体表面图像，再将面结构光测量系统转到被测承载鞍的背面同样按照上述过程采集图像；
(3)对采集到的两个视角下图像中的靶标板正反面上的标志圆进行识别，计算图像中各标志圆的圆心坐标；
(4)基于面结构光三维测量方法计算两视角下图像中靶标版正反面标志圆圆心所对应的三维坐标；
(5)根据步骤(1)中标定得到的靶标板前后面标志圆圆心在标定坐标系下的三维坐标以及步骤(4)中得到的两个视角下靶标板正反面标志圆圆心的三维坐标，按照对应点匹配的原则分别计算两个视角下对应的测量坐标系到标定坐标系之间的转换关系；
(6)根据步骤(2)中两个视角下的图像进行相位求解与点云计算，根据步骤(5)中得到的两个测量视角坐标系到标定坐标系的转换关系，将两视角下测量得到的点云数据转换到统一的标定坐标系下，实现测量数据的拼接。
2.根据权利要求1所述的用于火车承载鞍整体型面测量的多视角拼接方法，其特征在于，所述靶标板正反面的标志圆直径为10mm，且相互之间不重叠。
3.根据权利要求1所述的用于火车承载鞍整体型面测量的多视角拼接方法，其特征在于，所述靶标板正反两面的标志圆区域均为白色，除了标志圆区域外的平板区域为黑色。
4.根据权利要求1所述的用于火车承载鞍整体型面测量的多视角拼接方法，其特征在于，所述步骤(1)中的标定方法，采用基于摄影测量的标定手段，实现测量得到靶标板正反两面上标志圆点在同一坐标系下的坐标。
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