CN115235380A - 一种内壁表面三维测量系统、方法、装置、介质以及设备 - Google Patents

一种内壁表面三维测量系统、方法、装置、介质以及设备 Download PDF

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CN115235380A CN202211046257.1A CN202211046257A CN115235380A CN 115235380 A CN115235380 A CN 115235380A CN 202211046257 A CN202211046257 A CN 202211046257A CN 115235380 A CN115235380 A CN 115235380A
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Abstract

本发明实施例公开了一种内壁表面三维测量系统、方法、装置、介质以及设备，测量方法通过推扫测量，获取待测零件拍摄后的多组光条图像；通过分辨率阈值分割法，对所述多组光条图像进行去噪处理，以得到多组初始像素坐标(u,v)；根据拍摄的像素坐标系、相机坐标系、以及位移台坐标系的映射关系，将所述多组初始像素坐标(u,v)转换为在位移台坐标系下的多组轮廓数据(xmotor,ymotor,zmotor)，并作为内壁点云(X,Y,Z)；通过对所述内壁点云(X,Y,Z)进行拟合处理，确定所述待测零件的内壁表面，能够具备非探入的优势，有效规避了测量系统进入内壁表面的磕碰风险，并且测量精准度高，适用性广。

Description

一种内壁表面三维测量系统、方法、装置、介质以及设备
技术领域
本发明实施例涉及测量技术领域，尤其涉及一种内壁表面三维测量系统、方法、装置、介质以及设备。
背景技术
在工业现场中，内腔类零件是最为常见的一类零部件，如发动机气缸、轴承套筒等，其加工质量直接影响工作性能，比如，发动机的流道长度和直径直接影响发动机的进气性能。因此，亟需对其内壁进行三维测量辅以性能分析与优化。
目前，针对内壁表面三维测量主要有接触式和非接触式两种，接触式主要以三坐标测量机以及轮廓仪为主，然而接触式测量普遍效率比较低，难以实现内壁的全貌测量，且往往需要长的悬臂来保证探入深度，这就不可避免存在磕碰的风险。而非接触测量在工业中主要体现为光学测量方式，有研发人员利用位置传感装置检测投射在管道内壁上的光点的位置，并通过螺旋旋转光点来构建内壁的三维坐标，但精度只有±0.1mm；也有研发人员人利用双波长数字全息术实现内壁检测，但是该方法对锥面反射面的形状误差和位置误差极为敏感，需要超精密加工和装配，成本较高。
因此，在现有技术中，非接触测量存在精度低、成本高、以及其他测量面积小，全形貌测量的效率低、适用性差(深孔测量和非通孔的筒壁测量困难)等问题。
发明内容
本发明实施例提供一种内壁表面三维测量系统、方法、装置、介质以及设备，能够有效解决现有技术中内壁测量精度低、成本高，适用性差等问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种内壁表面三维测量系统，包括：相机、锥形激光发射器、激光器固定板、侧板、L形板、肋板、位移台以及载物台；
其中，所述锥形激光发射器，固定于所述激光器固定板，并与所述相机以预设角度安装在所述侧板上；所述侧板通过所述L形板连接至所述位移台，并通过所述肋板进行加固连接；
所述载物台，用于放置待测零件，以测量所述待测零件的内壁尺寸；
其中，所述锥形激光发射器包括：激光光源发生器、准直镜以及锥透镜；所述激光光源发生器、所述准直镜以及所述锥透镜分别以预设距离间隔设置，用于将所述激光光源发生器发出的光源依次通过所述准直镜以及所述锥透镜，以形成光锥面出射至所述待测零件内。
第二方面，本发明实施例提供了一种内壁表面三维测量方法，该方法包括：
通过推扫测量，获取待测零件拍摄后的多组光条图像；
通过分辨率阈值分割法，对所述多组光条图像进行去噪处理，以得到多组初始像素坐标(u,v)；
根据拍摄的像素坐标系、相机坐标系、以及位移台坐标系的映射关系，将所述多组初始像素坐标(u,v)转换为在位移台坐标系下的多组轮廓数据(xmotor,ymotor,zmotor)，并作为内壁点云(X,Y,Z)；
通过对所述内壁点云(X,Y,Z)进行拟合处理，确定所述待测零件的内壁表面。
可选的，在通过推扫测量之前，还包括：
通过使用Matlab相机标定工具箱标定相机，以获取相机内参A1；
在不同棋盘格摆放姿态的条件下，分别拍摄多组激光照射下的图像，以获取多组光条像素坐标(uche,vche)；
根据不同坐标系映射关系进行计算，获取有关所述多组光条像素坐标相对应相机坐标系的解算数据(Xchec，Ychec，Zchec)，并进行二次曲面方程拟合得到光锥面初值，以完成光平面标定。
可选的，所述根据不同坐标系映射关系进行计算，获取有关所述多组光条像素坐标相对应相机坐标系的解算数据(Xchec，Ychec，Zchec)，包括：
通过公式(4)，计算所述多组光条像素坐标(uche，vche)所对应的相机坐标系下的多组三维坐标(xchec，ychec，zchec)，并记为(Xchec，Ychec，Zchec)；
Figure BDA0003822488730000031
其中，(A，B，C，D)为相机坐标系下的棋盘格平面方程参数；(a，b，c)为各组光条图像内各个像素点的逆向追迹方向向量。
可选的，各组光条图像内各个像素点的逆向追迹方向向量(a，b，c)的计算公式为：
Figure BDA0003822488730000032
其中，中间变量(xc，yc，zc)是过像素坐标(uche，vche)沿着方向(a，b，c)所在直线上一点；
其中，相机坐标系下的棋盘格平面方程参数(A，B，C，D)的计算过程为：
根据相机内参A1与公式(1)，计算无激光照射条件下的棋盘格图像中局部坐标系到相机坐标系的旋转平移关系RT；。
H＝A1RT (1)
其中，H为无激光照射下的棋盘格图像中的角点像素坐标与实际坐标，通过最小二乘法求得的单应性矩阵；
在所述棋盘格图像中的局部坐标系下设为Zp＝0，均匀采样像素点得到(xp0，yp0，0)，根据公式(2)计算得到所述采样像素点在相机坐标系下的坐标(xpc，ypc，zpc)；
Figure BDA0003822488730000041
根据最小二乘法，对所述采样像素点在相机坐标系下的坐标(xpc，ypc，zpc)进行平面方程拟合，得到相机坐标系下的棋盘格平面方程参数(A，B，C，D)。
可选的，所述通过分辨率阈值分割法，对所述多组光条图像进行去噪处理，包括：
获取多组光条图像的像素坐标(ul，vl)
根据最小二乘法对所述多组光条图像的像素坐标(ul，vl)进行圆拟合，以得到圆心坐标(uc，vc)；
通过计算圆心坐标(uc，vc)到各个像素坐标(ul，vl)连线和x轴的夹角θi，删除低分辨率的像素点，得到多组初始像素坐标(u，v)。
可选的，根据拍摄的像素坐标系、相机坐标系、以及位移台坐标系的映射关系，将所述多组初始像素坐标(u，v)转换为在位移台坐标系下的多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)，包括：
根据相机小孔模型和光锥面的二次曲面模型联立进行重建模型，确定多组初始像素坐标(u，v)对应的相机坐标系下的实际坐标(x，y，z)，为公式(6)；
Figure BDA0003822488730000051
其中，s是尺度因子；
在假设相机坐标系和位移台坐标系完全重合的条件下，通过公式(7)将多组初始像素坐标相对应的相机坐标系下的数据转换到位移台坐标系，作为多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)；
Figure BDA0003822488730000052
其中，pos_z为相机拍摄图片时刻对应位移台的瞬时位置，kx是pos_z的修正因子，kx＝1。
可选的，在完成光平面标定之后，还包括：
将不同口径的环规作为待测零件，获取不同姿态下的多组环规测量数据；
根据所述环规的标准直径和基于所述多组环规测量数据所拟合的拟合直径的差值作为优化函数，对相机内参A1和光锥面初值进行优化处理。
第三方面，本发明实施例提供了一种内壁表面三维测量装置，包括：
图像获取模块，用于通过推扫测量，获取待测零件拍摄后的多组光条图像；
去噪处理模块，用于通过分辨率阈值分割法，对所述多组光条图像进行去噪处理，以得到多组初始像素坐标(u，v)；
数据转换模块，用于根据拍摄的像素坐标系、相机坐标系、以及位移台坐标系的映射关系，将所述多组初始像素坐标(u，v)转换为在位移台坐标系下的多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)，并作为内壁点云(X，Y，Z)；
内表面确定模块，用于通过对所述内壁点云(X，Y，Z)进行拟合处理，确定所述待测零件的内壁表面。
可选的，还包括：标定模块，
用于通过使用Matlab相机标定工具箱标定相机，以获取相机内参A1；在不同棋盘格摆放姿态的条件下，分别拍摄多组激光照射下的图像，以获取多组光条像素坐标(uche，vche)；根据不同坐标系映射关系进行计算，获取有关所述多组光条像素坐标相对应相机坐标系的解算数据(Xchec，Ychec，Zchec)，并进行二次曲面方程拟合得到光锥面初值，以完成光平面标定。
可选的，标定模块，具体用于：
通过公式(4)，计算所述多组光条像素坐标(uche，vche)所对应的相机坐标系下的多组三维坐标(xchec，ychec，zchec)，并记为(Xchec，Ychec，Zchec)；
Figure BDA0003822488730000071
其中，(A,B,C,D)为相机坐标系下的棋盘格平面方程参数；(a,b,c)为各组光条图像内各个像素点的逆向追迹方向向量。
可选的，标定模块，具体用于：
各组光条图像内各个像素点的逆向追迹方向向量(a,b,c)的计算公式为：
Figure BDA0003822488730000072
其中，中间变量(xc,yc,zc)是过像素坐标(uche,vche)沿着方向(a,b,c)所在直线上一点；
其中，相机坐标系下的棋盘格平面方程参数(A,B,C,D)的计算过程为：
根据相机内参A1与公式(1)，计算无激光照射条件下的棋盘格图像中局部坐标系到相机坐标系的旋转平移关系RT；。
H＝A1RT (1)
其中，H为无激光照射下的棋盘格图像中的角点像素坐标与实际坐标，通过最小二乘法求得的单应性矩阵；
在所述棋盘格图像中的局部坐标系下设为Zp＝0，均匀采样像素点得到(xp0，yp0，0)，根据公式(2)计算得到所述采样像素点在相机坐标系下的坐标(xpc，ypc，zpc)；
Figure BDA0003822488730000081
根据最小二乘法，对所述采样像素点在相机坐标系下的坐标(xpc，ypc，Zpc)进行平面方程拟合，得到相机坐标系下的棋盘格平面方程参数(A，B，C，D)。
可选的，去噪处理模块具体用于：
获取多组光条图像的像素坐标(ul，vl)
根据最小二乘法对所述多组光条图像的像素坐标(ul，ul)进行圆拟合，以得到圆心坐标(uc，vc)；
通过计算圆心坐标(uc，vc)到各个像素坐标(ul，vl)连线和x轴的夹角θi，删除低分辨率的像素点，得到多组初始像素坐标(u，v)。
可选的，数据转换模块具体用于：
根据相机小孔模型和光锥面的二次曲面模型联立进行重建模型，确定多组初始像素坐标(u，v)对应的相机坐标系下的实际坐标(x，y，z)，为公式(6)；
Figure BDA0003822488730000082
其中，s是尺度因子；
在假设相机坐标系和位移台坐标系完全重合的条件下，通过公式(7)将多组初始像素坐标相对应的相机坐标系下的数据转换到位移台坐标系，作为多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)；
Figure BDA0003822488730000091
其中，pos_z为相机拍摄图片时刻对应位移台的瞬时位置，kx是pos_z的修正因子，kx＝1。
可选的，还包括：优化模块，用于将不同口径的环规作为待测零件，获取不同姿态下的多组环规测量数据；根据所述环规的标准直径和基于所述多组环规测量数据所拟合的拟合直径的差值作为优化函数，对相机内参A1和光锥面初值进行优化处理。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述的内壁表面三维测量方法。
第五方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的内壁表面三维测量方法。
本发明实施例通过推扫测量，获取待测零件拍摄后的多组光条图像；通过分辨率阈值分割法，对所述多组光条图像进行去噪处理，以得到多组初始像素坐标(u，v)；根据拍摄的像素坐标系、相机坐标系、以及位移台坐标系的映射关系，将所述多组初始像素坐标(u，v)转换为在位移台坐标系下的多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)，并作为内壁点云(X，Y，Z)；通过对所述内壁点云(X，Y，Z)进行拟合处理，确定所述待测零件的内壁表面，能够具备非探入的优势，有效规避了测量系统进入内壁表面的磕碰风险，并且测量精准度高，适用性广。
附图说明
图1A为本发明实施例一提供的一种内壁表面三维测量系统中测量端示意图；
图1B为本发明实施例一提供的一种内壁表面三维测量系统中载物端示意图；
图1C为本实施例一提供的一种锥形激光发射器的内部组成示意图；
图2A为本发明实施例二提供的一种内壁表面三维测量方法的流程图；
图2B为本发明实施例二提供的一种仿真的单位像素偏移引起的实际误差示意图；
图3是本发明实施例三提供的一种内壁表面三维测量装置的结构示意图；
图4是本发明实施例五提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
首先，本方案的实现，可以是基于如下前提：
网络模块区分服务端和客户端。
将应用程序区分为服务端和客户端，但是和大部分需要区分服务端和客户端的应用程序不同的是，因为考虑到成本控制、程序启动自由、便捷性等原因，本产品不希望单独设立一台计算机作为服务器。
因此，程序会在启动后，通过网络模块首先解析配置文件中提前记录好的信息来判断自身是否是服务端，如果是服务端，那自身既为服务端，又为客户端，其他计算机则为客户端。
确定网络传输通讯协议。
根据本程序所处的网络环境，确定UDP作为底层网络传输通讯协议，但考虑到UDP协议是不可靠协议，即会出现网络数据丢包、不保证前后顺序等问题，因此选择使用UDP+KCP的方案实现可靠UDP传输。另外，在用户登录准备阶段时，使用TCP作为网络传输通讯协议，保证用户登录的可靠性。
规定同步逻辑中的参数设置。
规定在同步逻辑中需要用到的参数，以便在实现同步算法流程中，便捷地运用这些提前设置好的参数，具体有：服务端IP地址、服务端网络端口、本地客户端IP地址、服务端帧间隔、心跳包帧间隔、服务端判断客户端超时掉线的时间、客户端判断服务端超时掉线的时间、客户端帧率倍数。
规定同步消息数据协议。
首先，需要规定消息类型，具体有：同步准备、同步开始、追踪数据、同步退出、心跳包、自定义消息。然后，需要规定消息数据，具体有：消息类型、消息来源的玩家ID、消息目标的玩家ID、追踪数据、Ping值时间戳、自定义消息。最后，需要规定客户端发送给服务端的数据的上行协议和服务端发送给客户端的数据下行协议，上行协议具体有：会话ID、消息列表，下行协议具体有帧ID、消息列表。
实施例一
图1A为本发明实施例一提供的一种内壁表面三维测量系统中测量端示意图；
图1B为本发明实施例一提供的一种内壁表面三维测量系统中载物端示意图。
本实施例的内壁表面三维测量系统由图1A所示的测量端与图1B所示的载物端共同组成。如图1A所示，本实施例中基于激光三角法的新型传感器(即测量端)组成部分包括：相机1、锥形激光发射器2、激光器固定板3、侧板4、L形板5、肋板6以及位移台7组成。除此之外，图1A中还示有锥形激光发射器2射出的激光光锥面8、内壁表面零件9以及相机1包含的镜头10。
其中，所述锥形激光发射器2，固定于所述激光器固定板3，并与所述相机1以预设角度安装在所述侧板4上；所述侧板4通过所述L形板5连接至所述位移台6，并通过所述肋板6进行加固连接。
具体的，本实施例由锥形激光发射器2所打出的激光形成圆锥面，该光锥面照射零件腔体内壁时会形成光条，并被相机拍摄到。根据激光三角原理，光条像素位置与所照射物体表面光条三维坐标是存在映射关系的，因此，只要知道相机捕捉到光条的像素位置，就知道这些像素对应所照射物体表面光条三维坐标，且通过位移台的运动，即可实现对内壁三维的全貌测量。
如图1B所示，本实施例中提供的一种内壁表面三维测量系统中载物端包括：待测零件11、旋转台12以及升降台13。需要说明的是，图1B中的待测零件以环规作为示意图。
图1C为本实施例一提供的一种锥形激光发射器的内部组成示意图，包括：激光光源发生器Ⅰ、准直镜Ⅱ、锥透镜Ⅲ以及光路Ⅳ。
由于非探入式测量会因为内壁反射的激光方向远离相机，所以激光信号比较弱，而为了尽可能改善这一点，尽量减少激光传输过程的能量损失就十分有必要，从而能够提高激光照明强度，也就是信噪比。本实施例为了有效提高非探入式锥形结构光测量系统的信噪比，设计了如图1C所示的锥形激光发射器。
其中，激光光源发生器的功率、波长和发散角可根据零件不同而调节，例如针对测量70-90mm口径的内孔设计的传感器结构参数为：功率为50mW，波长为638nm，发散角为0.5mrad。准直镜Ⅱ口径和锥透镜Ⅲ口径一致保持一致。
其中，锥透镜Ⅲ的尺寸可以根据工作距离要求进行调节，例如，本实施例因为测量对象到传感器存在160mm的工作距离，为此需要最优锥角设计为：锥顶角为138°，口径为4.475mm，长度为2mm，且锥透镜Ⅲ中圆柱部分长度为7mm，辅助安装用。
具体的，光路Ⅳ激光发出的光源经过准直镜Ⅱ后变成平行光，经过锥透镜Ⅲ后形成光锥面出射，根据图1C中的光路可以看到，没有在锥透镜Ⅲ内发生发射，因此其光损失率比较低，有效信号多，则信噪比就提高。
本发明实施例提供的内壁表面三维测量系统，能够具备非探入的优势，有效规避了测量系统进入内壁表面的磕碰风险，其锥透镜结构的设计，有效地解决了锥形结构光系统信噪比差的问题，并且测量精准度高，适用性广。
实施例二
图2A为本发明实施例二提供的一种内壁表面三维测量方法的流程图，基于实施例一提供的内壁表面三维测量系统完成，该方法可以由本发明实施例提供的内壁表面三维测量装置来执行，该装置可采用软件和/或硬件的方式实现。该方法具体包括：
S210、通过推扫测量，获取待测零件拍摄后的多组光条图像。
其中，待测零件为内部中空，需要测量你内壁表面三维尺寸的零件。
本实施例待测零件的中心对准相机中心，然后移动位移台进行推扫测量。通过相机拍摄，获取有关待测零件的多组光条图像。
S220、通过分辨率阈值分割法，对所述多组光条图像进行去噪处理，以得到多组初始像素坐标(u，v)。
由于锥形激光发射器与相机是采用上下安装的形式，其镜头中心在水平方向上与光锥面的基线距离比较小，这会造成水平方向噪声比较大，如图2B所示，图2B为本发明实施例二提供的一种仿真的单位像素偏移引起的实际误差示意图。包括：相机图片V，相机拍摄的理想光条VI，沿着径向发生一个像素偏移后的光条VII，VI在相机坐标系下的实际光条Ⅷ，VII对应的相机坐标系下的实际光条IX，其方框部分对应左侧图像中方框部分的重建结果。该仿真结果实际表征了系统的精度，因此可把精度差的地方剔除掉以实现去噪。
在本发明实施例中，所述通过分辨率阈值分割法，对所述多组光条图像进行去噪处理，包括：获取多组光条图像的像素坐标(ul，vl)根据最小二乘法对所述多组光条图像的像素坐标(ul，vl)进行圆拟合，以得到圆心坐标(uc，vc)；通过计算圆心坐标(uc，vc)到各个像素坐标(ul，vl)连线和x轴的夹角θi，删除低分辨率的像素点，得到多组初始像素坐标(u，v)。
具体的，可先提取图像中光条的像素坐标(ul，vl)，然后利用最小二乘法对像素坐标(ul，vl)进行圆拟合得到圆心坐标(uc，vc)，计算圆心坐标到各像素点坐标连线和x轴的夹角θi，根据实际经验，因为有些区间内的误差比较大，可删除误差大的区间，例如θi在(0，20°)、(160°，200°)以及(340°，360°)范围内所对应的(ulθ，vlθ)。
本实施例提供的去噪方法相比于传统的去噪算法，如半径滤波，其更加关注点云中的每个点是否是孤立点，一些分辨率差的位置虽然解算精度不高，但点云相对密集，不符合孤立点的特征，因此不易分离。另外分辨率差处的点云和分辨率好处下的点云紧密连接，很难用像直通滤波这样的滤波器进行某一维度的区分，所以传统滤波算法不会针对低分辨率区域点云进行有效地去除。相比而言因为本专利提出的算法利用分辨率阈值分割的方法直接去掉了低分辨率的点云，因此去噪的靶向性更强，去噪效果更好。
S230、根据拍摄的像素坐标系、相机坐标系、以及位移台坐标系的映射关系，将所述多组初始像素坐标(u，v)转换为在位移台坐标系下的多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)，并作为内壁点云(X，Y，Z)。
在本发明实施例中，根据拍摄的像素坐标系、相机坐标系、以及位移台坐标系的映射关系，将所述多组初始像素坐标(u，v)转换为在位移台坐标系下的多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)，包括：
根据相机小孔模型和光锥面的二次曲面模型联立进行重建模型，确定多组初始像素坐标(u，v)对应的相机坐标系下的实际坐标(x，y，z)，为公式(6)；
Figure BDA0003822488730000151
其中，s是尺度因子，满足s＝z，(u，v)是测量过程中相机拍摄到的去噪后的光条像素坐标，(x，y，z)是(u，v)对应的相机坐标下的实际坐标。
在假设相机坐标系和位移台坐标系完全重合的条件下，通过公式(7)将多组初始像素坐标相对应的相机坐标系下的数据转换到位移台坐标系，作为多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)；
Figure BDA0003822488730000161
其中，pos_z为相机拍摄图片时刻对应位移台的瞬时位置，kx是pos_z的修正因子，kx＝1。因为这里假设相机坐标系与位移台坐标系完全重合，因此此时kx＝1。则根据公式(7)可得位移台坐标系下的坐标(xmotor，ymotor，zmotor)。
本实施例在位移台的带动下，即实现被测物体的内壁推扫测量，将多组轮廓数据(xmotor，Ymotor，zmotor)记为组合即为内壁点云扫描结果，记为(X，Y，Z)。
本实施例设计的锥形结构光专用去噪算法相比普通去噪算法靶向性更强，去噪效果更好，去噪效率更高。
S240、通过对所述内壁点云(X，Y，Z)进行拟合处理，确定所述待测零件的内壁表面。
本实施例通过重复上述S210-S240步骤，获得不同棋盘格摆放姿态下解算的多组(xchec，ychec，zchec)，把它记为(Xchec，Ychec，Zchec)，对其进行二次曲面方程拟合即可得到光锥面初值，如公式(5)所示，其中(a11，a22，a33，a12，a23，a31，a1，a2，a3)是二次曲面方程的参数。
0＝a11x2+a22y2+a33z2+a12xy2+a23yz2+a31zx2+a1x+a2y+a3z+a4 (5)
本发明实施例在通过推扫测量之前，还包括：
通过使用Matlab相机标定工具箱标定相机，以获取相机内参A1；
在不同棋盘格摆放姿态的条件下，分别拍摄多组激光照射下的图像，以获取多组光条像素坐标(uche，vche)；
根据不同坐标系映射关系进行计算，获取有关所述多组光条像素坐标相对应相机坐标系的解算数据(Xchec，Ychec，Zchec)，并进行二次曲面方程拟合得到光锥面初值，以完成光平面标定。
在本发明实施例中，通过公式(4)，计算所述多组光条像素坐标(uche，vche)所对应的相机坐标系下的多组三维坐标(xchec，ychec，zchec)，并记为(Xchec，Ychec，Zchec)；
Figure BDA0003822488730000171
其中，t为比例因子，(A，B，C，D)为相机坐标系下的棋盘格平面方程参数；(a，b，c)为各组光条图像内各个像素点的逆向追迹方向向量。
在本发明实施例中，各组光条图像内各个像素点的逆向追迹方向向量(a，b，c)的计算公式为：
Figure BDA0003822488730000181
其中，中间变量(xc，yc，zc)是过像素坐标(uche，vche)沿着方向(a，b，c)所在直线上一点。
具体的，本实施例对激光照射到棋盘格上的图片提取光条像素坐标为(uche，vche)，根据公式(3)可计算各像素点的逆向追迹方向向量(a，b，c)，中间变量(xc，yc，zc)是过像素坐标(uche，vche)沿着方向(a，b，c)所在直线上一点。
其中，相机坐标系下的棋盘格平面方程参数(A，B，C，D)的计算过程为：
先拍摄一张只有棋盘格的图片，然后再拍摄同位置下一张激光照射到棋盘格的图片。对只有棋盘格的图片，先提取其角点的像素坐标，利用棋盘格角点特征的像素坐标与实际坐标，借助最小二乘法求可得其单应性矩阵H，然后根据相机内参A计算棋盘格局部坐标系到相机坐标系的旋转平移关系RT，如公式(1)所示。
根据相机内参A1与公式(1)，计算无激光照射条件下的棋盘格图像中局部坐标系到相机坐标系的旋转平移关系RT；
H＝A1RT (1)
其中，H为无激光照射下的棋盘格图像中的角点像素坐标与实际坐标，通过最小二乘法求得的单应性矩阵；
在所述棋盘格图像中靶标的局部坐标系下设为Zp＝0，均匀采样像素点得到(xp0，yp0，0)，根据公式(2)计算得到所述采样像素点在相机坐标系下的坐标(xpc，ypc，zpc)；
Figure BDA0003822488730000191
根据最小二乘法，对所述采样像素点在相机坐标系下的坐标(xpc，ypc，zpc)进行平面方程拟合，得到相机坐标系下的棋盘格平面方程参数(A，B，C，D)。
具体的，本实施例可以先采用两步法，两步法指的是先标定相机，然后标定光平面。其中，相机标定可以用Matlab相机标定工具箱实现从而获得相机内参A1，以此求解小孔重建模型。光平面标定可借助棋盘格和系统中的激光器实现，以此计算激光光条在相机坐标系下的三维坐标。
在本实施例中，在完成光平面标定之后，还包括：将不同口径的环规作为待测零件，获取不同姿态下的多组环规测量数据；根据所述环规的标准直径和基于所述多组环规测量数据所拟合的拟合直径的差值作为优化函数，对相机内参A1和光锥面初值进行优化处理。
具体的，在上述标定过程中，相机标定所用棋盘格一般精度不高，因此其相机内参和光平面标定精度并不是很准确，为此提出了基于环规的非线性优化方法。
将不同口径环规摆放不同姿态，并用位移台推扫即可得到多组环规测量数据，以其标准直径和拟合直径的差值为优化函数，对相机内参和光锥面行优化，即可得到其准确值。优化函数如下所示，
Figure BDA0003822488730000201
其中，A1是相机内参，(k1，k2，k3，p1，p2)是相机的畸变系数，B表示拟合光锥面得到的二次曲面方程系数，kx表示相机主轴与位移台运动轴的偏角带来的偏差，因为受安装精度影响，相机主轴方向与位移台运动方向不能完全平行，因此需要对其角度误差进行修正。
Figure BDA0003822488730000202
表示对测量数据(X，Y，Z)拟合求直径，采用一般的最小二乘法即可。di表示每次测量的环规口径。n表示总共推扫的次数。如果标定口径区间为70mm-90mm，则可以每3mm选择一种口径，即70mm、73mm、76mm、79mm、82mm、85mm、88mm、91mm共八种环规口径规格。然后每种口径摆放5种姿态，分别为对中、左旋转3°，然后回正后右旋转3°位置，然后回正后向上抬起5mm位置，回正后，向下降低5mm位置处，因此一共推扫40组。
需要说明的是，本实施例能获取准确的内壁点云，而已经获得点云的前提下，计算什么参数都是可以实现的，如果被测件是一个圆柱，那么其直径就可以用所有点云数据进行拟合求解，如果是不规则的数据，那肯定要根据它要测什么，利用点云的一部分数据去计算，也不是获得一个直径集合。
实施例三
图3是本发明实施例提供的一种内壁表面三维测量装置的结构示意图，该装置具体包括：
图像获取模块310，用于通过推扫测量，获取待测零件拍摄后的多组光条图像；
去噪处理模块320，用于通过分辨率阈值分割法，对所述多组光条图像进行去噪处理，以得到多组初始像素坐标(u，v)；
数据转换模块340，用于根据拍摄的像素坐标系、相机坐标系、以及位移台坐标系的映射关系，将所述多组初始像素坐标(u，v)转换为在位移台坐标系下的多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)，并作为内壁点云(X，Y，Z)；
内表面确定模块330，用于通过对所述内壁点云(X，Y，Z)进行拟合处理，确定所述待测零件的内壁表面。
可选的，还包括：标定模块，
用于通过使用Matlab相机标定工具箱标定相机，以获取相机内参A1；在不同棋盘格摆放姿态的条件下，分别拍摄多组激光照射下的图像，以获取多组光条像素坐标(uche，vche)；根据不同坐标系映射关系进行计算，获取有关所述多组光条像素坐标相对应相机坐标系的解算数据(Xchec，Ychec，Zchec)，并进行二次曲面方程拟合得到光锥面初值，以完成光平面标定。
可选的，标定模块，具体用于：
通过公式(4)，计算所述多组光条像素坐标(uche，vche)所对应的相机坐标系下的多组三维坐标(xchec，ychec，zchec)，并记为(Xchec，Ychec，Zchec)；
Figure BDA0003822488730000211
其中，(A，B，C，D)为相机坐标系下的棋盘格平面方程参数；(a，b，c)为各组光条图像内各个像素点的逆向追迹方向向量。
可选的，标定模块，具体用于：
各组光条图像内各个像素点的逆向追迹方向向量(a，b，c)的计算公式为：
Figure BDA0003822488730000221
其中，中间变量(xc，yc，zc)是过像素坐标(uche，vche)沿着方向(a，b，c)所在直线上一点；
其中，相机坐标系下的棋盘格平面方程参数(A，B，C，D)的计算过程为：
根据相机内参A1与公式(1)，计算无激光照射条件下的棋盘格图像中局部坐标系到相机坐标系的旋转平移关系RT；。
H＝A1RT (1)
其中，H为无激光照射下的棋盘格图像中的角点像素坐标与实际坐标，通过最小二乘法求得的单应性矩阵；
在所述棋盘格图像中的局部坐标系下设为Zp＝0，均匀采样像素点得到(xp0，yp0，0)，根据公式(2)计算得到所述采样像素点在相机坐标系下的坐标(xpc，ypc，zpc)；
Figure BDA0003822488730000222
根据最小二乘法，对所述采样像素点在相机坐标系下的坐标(xpc，ypc，zpc)进行平面方程拟合，得到相机坐标系下的棋盘格平面方程参数(A，B，C，D)。
可选的，去噪处理模块具体用于：
获取多组光条图像的像素坐标(ul，vl)
根据最小二乘法对所述多组光条图像的像素坐标(ul，vl)进行圆拟合，以得到圆心坐标(uc，vc)；
通过计算圆心坐标(uc，vc)到各个像素坐标(ul，vl)连线和x轴的夹角θi，删除低分辨率的像素点，得到多组初始像素坐标(u，v)。
可选的，数据转换模块具体用于：
根据相机小孔模型和光锥面的二次曲面模型联立进行重建模型，确定多组初始像素坐标(u，v)对应的相机坐标系下的实际坐标(x，y，z)，为公式(6)；
Figure BDA0003822488730000231
其中，s是尺度因子；
在假设相机坐标系和位移台坐标系完全重合的条件下，通过公式(7)将多组初始像素坐标相对应的相机坐标系下的数据转换到位移台坐标系，作为多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)；
Figure BDA0003822488730000232
其中，pos_z为相机拍摄图片时刻对应位移台的瞬时位置，kx是pos_z的修正因子，kx＝1。
可选的，还包括：优化模块，用于将不同口径的环规作为待测零件，获取不同姿态下的多组环规测量数据；根据所述环规的标准直径和基于所述多组环规测量数据所拟合的拟合直径的差值作为优化函数，对相机内参A1和光锥面初值进行优化处理。
实施例四
本申请实施例还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行：
通过推扫测量，获取待测零件拍摄后的多组光条图像；
通过分辨率阈值分割法，对所述多组光条图像进行去噪处理，以得到多组初始像素坐标(u，v)；
根据拍摄的像素坐标系、相机坐标系、以及位移台坐标系的映射关系，将所述多组初始像素坐标(u，v)转换为在位移台坐标系下的多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)，并作为内壁点云(X，Y，Z)；
通过对所述内壁点云(X，Y，Z)进行拟合处理，确定所述待测零件的内壁表面。
存储介质——任何的各种类型的存储器设备或存储设备。术语“存储介质”旨在包括：安装介质，例如CD-ROM、软盘或磁带装置；计算机系统存储器或随机存取存储器，诸如DRAM、DDR RAM、SRAM、EDO RAM，兰巴斯(Rambus)RAM等；非易失性存储器，诸如闪存、磁介质(例如硬盘或光存储)；寄存器或其它相似类型的存储器元件等。存储介质可以还包括其它类型的存储器或其组合。另外，存储介质可以位于程序在其中被执行的计算机系统中，或者可以位于不同的第二计算机系统中，第二计算机系统通过网络(诸如因特网)连接到计算机系统。第二计算机系统可以提供程序指令给计算机用于执行。术语“存储介质”可以包括可以驻留在不同位置中(例如在通过网络连接的不同计算机系统中)的两个或更多存储介质。存储介质可以存储可由一个或多个处理器执行的程序指令(例如具体实现为计算机程序)。
当然，本申请实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的内壁表面三维测量操作，还可以执行本申请任意实施例所提供的内壁表面三维测量方法中的相关操作。
实施例五
本申请实施例提供了一种电子设备，该电子设备中可集成本申请实施例提供的内壁表面三维测量装置。图4是本申请实施例五提供的一种电子设备的结构示意图。如图4所示，本实施例提供了一种电子设备400，其包括：一个或多个处理器420；存储装置410，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器420运行，使得所述一个或多个处理器420实现：
通过推扫测量，获取待测零件拍摄后的多组光条图像；
通过分辨率阈值分割法，对所述多组光条图像进行去噪处理，以得到多组初始像素坐标(u,v)；
根据拍摄的像素坐标系、相机坐标系、以及位移台坐标系的映射关系，将所述多组初始像素坐标(u,v)转换为在位移台坐标系下的多组轮廓数据(xmotor,ymotor,zmotor)，并作为内壁点云(X,Y,Z)；
通过对所述内壁点云(X,Y,Z)进行拟合处理，确定所述待测零件的内壁表面。
如图4所示，该电子设备400包括处理器420、存储装置410、输入装置430和输出装置440；电子设备中处理器420的数量可以是一个或多个，图4中以一个处理器420为例；电子设备中的处理器420、存储装置410、输入装置430和输出装置440可以通过总线或其他方式连接，图4中以通过总线450连接为例。
存储装置410作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可运行程序以及模块单元，如本申请实施例中的多通道数据的同步方法对应的程序指令。
存储装置410可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储装置410可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储装置410可进一步包括相对于处理器420远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置430可用于接收输入的数字、字符信息或语音信息，以及产生与电子设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置440可包括显示屏、扬声器等设备。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种内壁表面三维测量系统，其特征在于，包括：相机、锥形激光发射器、激光器固定板、侧板、L形板、肋板、位移台以及载物台；
其中，所述锥形激光发射器，固定于所述激光器固定板，并与所述相机以预设角度安装在所述侧板上；所述侧板通过所述L形板连接至所述位移台，并通过所述肋板进行加固连接；
所述载物台，用于放置待测零件，以测量所述待测零件的内壁尺寸；
其中，所述锥形激光发射器包括：激光光源发生器、准直镜以及锥透镜；所述激光光源发生器、所述准直镜以及所述锥透镜分别以预设距离间隔设置，用于将所述激光光源发生器发出的光源依次通过所述准直镜以及所述锥透镜，以形成光锥面出射至所述待测零件内。
2.一种内壁表面三维测量方法，其特征在于，包括：
通过推扫测量，获取待测零件拍摄后的多组光条图像；
通过分辨率阈值分割法，对所述多组光条图像进行去噪处理，以得到多组初始像素坐标(u,v)；
根据拍摄的像素坐标系、相机坐标系、以及位移台坐标系的映射关系，将所述多组初始像素坐标(u,v)转换为在位移台坐标系下的多组轮廓数据(xmotor,ymotor,zmotor)，并作为内壁点云(X,Y,Z)；
通过对所述内壁点云(X,Y,Z)进行拟合处理，确定所述待测零件的内壁表面。
3.根据权利要求2所述的内壁表面三维测量方法，其特征在于，在通过推扫测量之前，还包括：
通过使用Matlab相机标定工具箱标定相机，以获取相机内参A1；
在不同棋盘格摆放姿态的条件下，分别拍摄多组激光照射下的图像，以获取多组光条像素坐标(uche，vche)；
根据不同坐标系映射关系进行计算，获取有关所述多组光条像素坐标相对应相机坐标系的解算数据(Xchec，Ychec，Zchec)，并进行二次曲面方程拟合得到光锥面初值，以完成光平面标定。
4.根据权利要求3述的内壁表面三维测量方法，其特征在于，所述根据不同坐标系映射关系进行计算，获取有关所述多组光条像素坐标相对应相机坐标系的解算数据(Xchec，Ychec，Zchec)，包括：
通过公式(4)，计算所述多组光条像素坐标(uche，vche)所对应的相机坐标系下的多组三维坐标(xchec，ychec，zchec)，并记为(Xchec，Ychec，Zchec)；
Figure FDA0003822488720000021
其中，t为比例因子，(A，B，C，D)为相机坐标系下的棋盘格平面方程参数；(a，b，c)为各组光条图像内各个像素点的逆向追迹方向向量。
5.根据权利要求4所述的内壁表面三维测量方法，其中，各组光条图像内各个像素点的逆向追迹方向向量(a，b，c)的计算公式为：
Figure FDA0003822488720000031
其中，中间变量(xc，yc，zc)是过像素坐标(uche，vche)沿着方向(a，b，c)所在直线上一点；
其中，相机坐标系下的棋盘格平面方程参数(A，B，C，D)的计算过程为：
根据相机内参A1与公式(1)，计算无激光照射条件下的棋盘格图像中局部坐标系到相机坐标系的旋转平移关系RT；
H＝A1RT (1)
其中，H为无激光照射下的棋盘格图像中的角点像素坐标与实际坐标，通过最小二乘法求得的单应性矩阵；
在所述棋盘格图像中的局部坐标系下设为Zp＝0，均匀采样像素点得到(xp0，yp0，0)，根据公式(2)计算得到所述采样像素点在相机坐标系下的坐标(xpc，ypc，zpc)；
Figure FDA0003822488720000032
根据最小二乘法，对所述采样像素点在相机坐标系下的坐标(xpc，ypc，zpc)进行平面方程拟合，得到相机坐标系下的棋盘格平面方程参数(A，B，C，D)。
6.根据权利要求5所述的内壁表面三维测量方法，其特征在于，所述通过分辨率阈值分割法，对所述多组光条图像进行去噪处理，包括：
获取多组光条图像的像素坐标(ul，vl)
根据最小二乘法对所述多组光条图像的像素坐标(ul，vl)进行圆拟合，以得到圆心坐标(uc，vc)；
通过计算圆心坐标(uc，vc)到各个像素坐标(ul，vl)连线和x轴的夹角θi，删除低分辨率的像素点，得到多组初始像素坐标(u，v)。
7.根据权利要求6所述的内壁表面三维测量方法，其特征在于，根据拍摄的像素坐标系、相机坐标系、以及位移台坐标系的映射关系，将所述多组初始像素坐标(u，v)转换为在位移台坐标系下的多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)，包括：
根据相机小孔模型和光锥面的二次曲面模型联立进行重建模型，确定多组初始像素坐标(u，v)对应的相机坐标系下的实际坐标(x，y，z)，为公式(6)；
Figure FDA0003822488720000041
其中，s是尺度因子；
在假设相机坐标系和位移台坐标系完全重合的条件下，通过公式(7)将多组初始像素坐标相对应的相机坐标系下的数据转换到位移台坐标系，作为多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)；
Figure FDA0003822488720000051
其中，pos_z为相机拍摄图片时刻对应位移台的瞬时位置，kx是pos_z的修正因子，kx＝1；
在完成光平面标定之后，还包括：
将不同口径的环规作为待测零件，获取不同姿态下的多组环规测量数据；
根据所述环规的标准直径和基于所述多组环规测量数据所拟合的拟合直径的差值作为优化函数，对相机内参A1和光锥面初值进行优化处理。
8.一种内壁表面三维测量装置，其特征在于，包括：
图像获取模块，用于通过推扫测量，获取待测零件拍摄后的多组光条图像；
去噪处理模块，用于通过分辨率阈值分割法，对所述多组光条图像进行去噪处理，以得到多组初始像素坐标(u，v)；
数据转换模块，用于根据拍摄的像素坐标系、相机坐标系、以及位移台坐标系的映射关系，将所述多组初始像素坐标(u，v)转换为在位移台坐标系下的多组轮廓数据(xmotor，ymotor，zmotor)，并作为内壁点云(X，Y，Z)；
内表面确定模块，用于通过对所述内壁点云(X，Y，Z)进行拟合处理，确定所述待测零件的内壁表面。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求2-7中任一所述的内壁表面三维测量方法。
10.一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求2-7中任一所述的内壁表面三维测量方法。
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