謝夏琳謝正良周道林魯　禎（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧　50004；2.玉柴工程研究院，廣西南寧　50012；.天津大學(xué)，天津00072）

基于雙目立體視覺原理的柴油機(jī)氣缸蓋尺寸測量

謝夏琳1謝正良2周道林2魯?shù)?
（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.玉柴工程研究院，廣西南寧530012；3.天津大學(xué)，天津300072）

為了檢測柴油機(jī)氣缸蓋毛坯氣道是否合格，采用1種基于機(jī)器視覺及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的識別系統(tǒng)，在氣缸蓋毛坯進(jìn)行機(jī)加工前就可測取其氣道位置和幾何尺寸。通過重建三維坐標(biāo)和擬合圓孔，計算氣道圓孔的半徑及圓心的相對位置。試驗結(jié)果表明圓孔半徑精度在0.25 mm，圓心三維坐標(biāo)精度為0.4 mm時，能夠滿足氣缸蓋檢測的精度要求。

雙目立體視覺氣缸蓋檢測三維重建

0　引言

目前在鑄造、機(jī)加工等生產(chǎn)過程中很難做到精確定位的加工，例如在發(fā)動機(jī)氣缸蓋制造的砂型、鑄造及機(jī)械加工等環(huán)節(jié)，可能會因為定位的誤差造成氣道尺寸或位置的偏差，而發(fā)動機(jī)氣道的尺寸直接影響發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)氣體的流動和燃燒狀況。當(dāng)前進(jìn)行氣道穩(wěn)流試驗都是在機(jī)加工完成后進(jìn)行的，如果此時氣道參數(shù)不能滿足要求，將直接影響發(fā)動機(jī)性能，造成材料及加工成本的損失。如果能在氣缸蓋鑄造成型且尚未進(jìn)入機(jī)加工生產(chǎn)線時就能測量出氣道的形狀、位置和尺寸，并確定氣道參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)并剔出不合格的氣缸蓋，這對于加工生產(chǎn)將起到非常重要的作用，可以節(jié)約機(jī)加工成本，避免不合格產(chǎn)品流入下一道工序，同時將缺陷信息反饋給鑄造工藝，使其對模具及鑄造做出相應(yīng)調(diào)整，實現(xiàn)閉環(huán)控制。但是由于內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋尺寸大、移動難，利用傳統(tǒng)測量手段及設(shè)備很難對其進(jìn)行高效率的全尺寸檢測［1］。綜合考慮適用于工業(yè)生產(chǎn)諸多機(jī)器的視覺測量方法［2-6］，提出了基于雙目立體視覺技術(shù)的氣缸蓋毛坯氣道圓孔幾何參數(shù)測量方案，通過計算氣道圓孔的半徑及圓心相對位置來鑒別氣缸蓋中氣道的偏差是否滿足要求。

1　測量原理

通過氣缸蓋端面的位置形狀信息能推測出氣道的尺寸及位置是否出現(xiàn)偏差，為了獲取進(jìn)氣缸蓋端面的位置形狀信息，用2個電荷耦合器（CCD）攝像機(jī)并排連接構(gòu)建雙目測量系統(tǒng)。根據(jù)CCD攝像機(jī)所拍攝的2幅二維圖像重建待測工件的三維幾何形狀，并實現(xiàn)對關(guān)鍵線面的精確測量，然后將測量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行比對得出合格與否的結(jié)論。

如果將CCD攝像機(jī)所拍攝到的圖像還原為空間中實際的物體，那么CCD攝像機(jī)拍攝的圖像與空間中的物體之間，存在1種線性關(guān)系：

［像］=M［物］（1）式中，矩陣M可看成是CCD攝像機(jī)成像的幾何模型。M中的參數(shù)就是CCD攝像機(jī)參數(shù)，也稱內(nèi)參數(shù)。通常這些參數(shù)是要通過試驗與計算得到的。這個求解參數(shù)的過程被稱為CCD攝像機(jī)標(biāo)定。標(biāo)定的目的是為了獲取由三維空間點(diǎn)（世界坐標(biāo)系）到二維平面點(diǎn)（圖像坐標(biāo)系）的投影變換關(guān)系，為此將涉及CCD攝像機(jī)模型的內(nèi)、外參數(shù)。完成標(biāo)定后以矩陣形式存儲在系統(tǒng)中用作由兩維數(shù)據(jù)來恢復(fù)三維立體圖像過程中的轉(zhuǎn)換標(biāo)度。采取的技術(shù)方案是，先分別獲得到2個CCD攝像機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)及畸變參數(shù)，再通過同一世界坐標(biāo)中的1組定標(biāo)點(diǎn)來建立2 個CCD攝像機(jī)之間的位置關(guān)系。具體方法是將標(biāo)靶（具有標(biāo)準(zhǔn)平面圓孔圖案陣列，也可以采用標(biāo)準(zhǔn)平面黑白方塊整列）置于世界坐標(biāo)系中的已知位置，然后根據(jù)靶標(biāo)角點(diǎn)（標(biāo)靶方塊圖案交接點(diǎn)）與其在圖像投影之間的映射關(guān)系計算出描述CCD攝像機(jī)光學(xué)特性和空間位置的各種參數(shù)。

特征信息提取是對2個CCD攝像機(jī)所拍攝二維圖像的數(shù)字處理，主要基于邊緣檢測和形態(tài)學(xué)圖像處理技術(shù)。由于立體視覺系統(tǒng)是基于視差原理實現(xiàn)的三維重建，所以為了計算視差需要將三維空間中測量關(guān)注特征點(diǎn)，在不同圖像中的映像點(diǎn)對應(yīng)起來進(jìn)行匹配。為了提高在線狀態(tài)的匹配速度，需要在離線狀態(tài)下對2個CCD攝像機(jī)的空間幾何結(jié)構(gòu)通過圖像校正變換成標(biāo)準(zhǔn)的外極線幾何結(jié)構(gòu)。獲取空間任意點(diǎn)（與2個圖像中對應(yīng)）的坐標(biāo)和滿足2個攝像機(jī)的參數(shù)矩陣，即可進(jìn)行該點(diǎn)的三維重建。

根據(jù)雙目立體視覺原理，用2個CCD攝像機(jī)模仿雙眼，與被測物構(gòu)成三角形，被測物在2個像面上呈立體像對，然后根據(jù)匹配的同名像點(diǎn)，依據(jù)立體視差原理獲取被測物的三維輪廓數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明依據(jù)2 個CCD攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，通過2個成像平面上的極線約束關(guān)系，建立對應(yīng)點(diǎn)之間的聯(lián)系，并由此聯(lián)立方程，計算出圖像點(diǎn)在實際物理空間的世界坐標(biāo)值。

在此基礎(chǔ)上，測算出描述待測工件關(guān)鍵點(diǎn)線的離散數(shù)據(jù)，例如進(jìn)氣道入口端面內(nèi)圓孔及出口底面的圓孔，然后采用3次樣條插值的曲線擬合方法計算出相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程，用來與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行比對判定是否合格。

雙目立體視覺測量系統(tǒng)如圖1所示，包括2臺位置相對固定的攝像機(jī)，由計算機(jī)同時控制并對被測物進(jìn)行拍攝。主要步驟包括攝像機(jī)標(biāo)定、特征信息提取、立體匹配和三維重建等。

1.1CCD攝像機(jī)標(biāo)定

利用張正友的標(biāo)定方法［7］進(jìn)行單攝像機(jī)標(biāo)定，得到攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)焦距f、鏡頭主點(diǎn)坐標(biāo)Cx和Cy之后進(jìn)行立體標(biāo)定，求得左右攝像機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T（圖2）。利用Bouguet算法對2幅圖像進(jìn)行立體校正，通過求得的R和T來對2圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，使其基本行對準(zhǔn)以簡化視差的計算，提高立體匹配的精度。將左攝像機(jī)坐標(biāo)系設(shè)定為全局世界坐標(biāo)系，以左攝像機(jī)投影中心為原點(diǎn)，坐標(biāo)系的x軸和y軸正方向分別與圖像的橫向和縱向平行，z軸正方向沿光軸方向。

1.2特征信息提取

采用canny算法進(jìn)行邊緣檢測，獲取氣缸蓋毛坯圖形的輪廓信息，然后采用均值濾波計算排除掉噪聲點(diǎn)，識別出關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵線，對經(jīng)過邊緣檢測后的氣缸蓋毛坯圖像再應(yīng)用均值濾波計算，濾掉其中的雜點(diǎn)，得到有效的關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵線。

1.3立體匹配

立體匹配的目的是為了現(xiàn)實中任意物點(diǎn)P，搜索其在2個不同攝像機(jī)中的像點(diǎn)，經(jīng)由立體校正后，在2圖行對準(zhǔn)的情況下，只需得到列坐標(biāo)xl和xr，P點(diǎn)的視差d=xl-xr。根據(jù)視差進(jìn)行三維重建。

利用三角測量原理，P點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)可由式（1）計算而得：

式中，x、y為P點(diǎn)在立體校正后所在的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

1.4三維重建

由2個CCD攝像機(jī)拍攝分別獲取2張圖像，由視差計算出氣缸蓋毛坯進(jìn)氣端面輪廓特征圖像點(diǎn)的世界坐標(biāo)值，根據(jù)特征信息提取所得到的有效的關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵線，用最小二乘法做曲線擬合，獲取氣缸蓋毛坯進(jìn)氣端面特征輪廓的函數(shù)方程，將設(shè)計的氣缸蓋進(jìn)氣端面加工位置點(diǎn)帶入該函數(shù)方程，與輪廓特征點(diǎn)進(jìn)行對比，確定被測氣缸蓋毛坯加工位置及相應(yīng)尺寸。

2　試驗數(shù)據(jù)及分析

本文采用2臺北京維視MV-1394接口高分辨率工業(yè)數(shù)字互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）攝像機(jī)，130萬像素，焦距12 mm，采用日本computar公司鏡頭。

測試時以氣缸蓋的4個氣道孔為1組，對應(yīng)柴油機(jī)的1個氣缸，氣缸與氣缸之間互不影響。因此以4個孔為例，拍攝并計算4個圓孔的半徑及圓心的相對距離。拍攝圖片如圖3所示。

通過擬合平面圓孔方程，得出圓孔半徑，如表1、表2所示，其中測量半徑為游標(biāo)卡尺多次測量求平均值而得。

表1　圓孔半徑數(shù)據(jù)

表2　圓孔半徑相對誤差

由上述試驗結(jié)果可知，利用本文所述方法，測得圓孔半徑精度為0.25 mm，圓心三維坐標(biāo)精度為0.40 mm。在立體標(biāo)定之后，每次拍攝并計算的時間不超過3 s。

3　結(jié)論

本文利用雙目立體視覺技術(shù)，在氣缸蓋氣道加工之前，對其表面圓孔點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建及圓孔擬合。試驗結(jié)果表明，圓孔半徑及圓心三維坐標(biāo)精度較高，滿足氣缸蓋檢測中的精度要求，同時具有大尺寸、速度快等優(yōu)點(diǎn)，適合工業(yè)現(xiàn)場測量。同時對于其他物體的三維測量，空間輪廓的擬合等都有著借鑒意義。

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