□張茂松

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院　上?！?00070

基于線結(jié)構(gòu)光的視覺系統(tǒng)標(biāo)定方法改進(jìn)研究*

□張茂松

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院上海200070

在視覺測量系統(tǒng)中，相機(jī)以及線結(jié)構(gòu)光相關(guān)參數(shù)的標(biāo)定精度具有極其重要的意義，直接影響到三維坐標(biāo)點(diǎn)的解算精度以及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理精度。對(duì)已有視覺系統(tǒng)中的攝像機(jī)和線結(jié)構(gòu)光的精確標(biāo)定等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究與實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步擴(kuò)展和完善了標(biāo)定算法，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)化尺寸獲取奠定了基礎(chǔ)。

大型鍛件是制造重大裝備的基礎(chǔ)件，一般用于機(jī)械設(shè)備的核心部位［1］。大型鍛件生產(chǎn)周期長，造價(jià)昂貴［2］，而生產(chǎn)過程中一旦出現(xiàn)鍛壓過度的情況，可能造成大型鍛件的直接報(bào)廢，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)大鍛件尺寸的及時(shí)檢測直接關(guān)系到工件的質(zhì)量和后期產(chǎn)品的加工。

目前，國內(nèi)大、中型鍛件生產(chǎn)廠均由工人手持“量桿”和“卡鉗”進(jìn)行接觸測量，這些量具體積大，質(zhì)量也大，往往需要數(shù)人同時(shí)操作或借助大型起吊裝置輔助測量［3-4］。鍛件的溫度很高，普通材料的始鍛溫度可達(dá)900℃，鍛造過程中的溫度更是會(huì)達(dá)到上千攝氏度，環(huán)境溫度達(dá)70℃，在這樣惡劣的條件下，進(jìn)行人工接觸式測量誤差很大，造成鍛件損耗，而且測量精度難以保證［5］，同時(shí)對(duì)操作工人的人身安全也存在極大的安全隱患，因此研發(fā)針對(duì)大型鍛件安全便捷的非接觸測量方法具有極其重大的意義。通過將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與大型鍛造生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)整合，提高生產(chǎn)自動(dòng)化鍛造水平，可以實(shí)現(xiàn)大型鍛件生產(chǎn)的完全自動(dòng)化、信息化、智能化。

采用基于輔助光源的高速視覺測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型鍛件的在線測量，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)為目標(biāo)，進(jìn)行一系列科研攻關(guān)，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際鍛造具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)鍛件尺寸在線測量，提高鍛件產(chǎn)品質(zhì)量；提高工件鍛造效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)；改善工人勞動(dòng)環(huán)境，消除安全隱患；提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)鍛件生產(chǎn)智能化。

1　視覺測量系統(tǒng)介紹

1.1測量系統(tǒng)硬件介紹

視覺測量以線陣相機(jī)和輔助光源為主要測量手段，并基于FPGA進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集和處理，最后由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)和尺寸獲取。系統(tǒng)搭建如圖1所示，DALSA公司的工業(yè)級(jí)線陣相機(jī)作為圖形采集設(shè)備，分辨率高、靈敏度高、工作溫度范圍較大，能夠滿足高溫鍛件的鍛造現(xiàn)場的工作需求；激光器功率1 W左右，其線結(jié)構(gòu)光的亮度較高，且線寬較窄；相機(jī)云臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)相機(jī)對(duì)工件的上下掃描運(yùn)動(dòng)；激光器云臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)激光器實(shí)現(xiàn)左右掃描運(yùn)動(dòng)；云臺(tái)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)云臺(tái)和激光器云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律控制；FPGA為現(xiàn)場可編程門陣列板卡。

圖1　視覺測量系統(tǒng)整體圖

1.2視覺測量系統(tǒng)工作原理

視覺測量系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的最終目的是在線獲取鍛造工件的三維重構(gòu)和外形尺寸，所以需要盡可能多地對(duì)工件表面的點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，故采用兩套測量系統(tǒng)，分別在工件的兩側(cè)，同時(shí)對(duì)工件繼續(xù)掃描。對(duì)于一套系統(tǒng)而言，線結(jié)構(gòu)光每次轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)角度，相機(jī)對(duì)每條結(jié)構(gòu)光都進(jìn)行上下掃描，圖像數(shù)據(jù)由Camlink線傳輸?shù)紽PGA中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、邊緣檢測和亮點(diǎn)的提取，最后數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在VC中進(jìn)行三維坐標(biāo)解算、重構(gòu)以及尺寸獲取。系統(tǒng)工作的流程圖如圖2所示。

2　兩套測量系統(tǒng)的統(tǒng)一標(biāo)定

為方便進(jìn)行三維重構(gòu)和尺寸計(jì)算，兩套測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)必須要在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，因此采用全站儀進(jìn)行搬站的方式進(jìn)行第二套系統(tǒng)的標(biāo)定，如圖3所示。首先在站點(diǎn)1建立全站儀的世界坐標(biāo)系，對(duì)第一套系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，包括焦距、主點(diǎn)位置、光軸向量以及線結(jié)構(gòu)光的初始角度等。然后在第二套系統(tǒng)前選擇站點(diǎn)2，通過后方交匯的方式，對(duì)預(yù)先選定的貼片進(jìn)行觀測并計(jì)算，確定站點(diǎn)2的位置，搬站只是為了方便測量，移動(dòng)了站點(diǎn)的位置，原坐標(biāo)系仍然保持不變。搬站后對(duì)預(yù)先放置的貼片進(jìn)行觀測，所測點(diǎn)的世界坐標(biāo)與原站點(diǎn)相比，誤差＜0.4 mm。

圖2　視覺測量系統(tǒng)工作流程圖

圖3　兩套測量系統(tǒng)站點(diǎn)的選擇

由于兩套系統(tǒng)光軸向量的方向不同，需要對(duì)單套系統(tǒng)的標(biāo)定程序作一定的修改，通過添加判斷因子的方法，使標(biāo)定程序?qū)商紫到y(tǒng)能同時(shí)適用。

圖4　原有線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定方法

3　結(jié)構(gòu)光標(biāo)定方法研究

3.1原有標(biāo)定方法

如圖4所示，線結(jié)構(gòu)光是發(fā)散的扇形，原有標(biāo)定方法是在扇面的上下兩個(gè)邊緣上各選兩個(gè)點(diǎn)，通過向量BA和DC，并配合激光器轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸方程，計(jì)算線結(jié)構(gòu)光的光心位置和初始角度。

這種測量方法很難得到精確的光心位置和初始角度，因?yàn)檫吘壣纤膫€(gè)點(diǎn)的測量精度很難保證。用全站儀實(shí)際測量邊緣點(diǎn)，尤其是遠(yuǎn)處兩個(gè)點(diǎn)的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)光的端點(diǎn)位置衍射現(xiàn)象很嚴(yán)重，呈細(xì)長的錐形，很難確定端點(diǎn)的真正位置。

3.2改進(jìn)的線結(jié)構(gòu)光初始角度標(biāo)定方法

通過之前的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，線結(jié)構(gòu)光的初始角度對(duì)三維坐標(biāo)解算精度的影響很大，而光心位置對(duì)解算精度的影響不那么明顯，為此需要探索更加精確的標(biāo)定線結(jié)構(gòu)光初始角度的方法。由于實(shí)際使用中線陣相機(jī)是在線陣模式下，不容易進(jìn)行單點(diǎn)的三維坐標(biāo)解算與誤差分析，所以選擇掃描并解算單條線段的方式進(jìn)行解算精度的分析，尋求補(bǔ)償量，對(duì)原有線結(jié)構(gòu)光初始角度進(jìn)行補(bǔ)償校正。

選取某個(gè)表面規(guī)則的小物體，如圖5所示的紙盒子，使整個(gè)物體都在攝像機(jī)的掃描視野范圍之內(nèi)，按照預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)方式，使線陣相機(jī)對(duì)物體表面的線結(jié)構(gòu)光進(jìn)行掃描，總共掃描了10條線并對(duì)其進(jìn)行三維坐標(biāo)解算。同時(shí)使用全站儀對(duì)每條線段的上下兩個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行測量，得到每條線段兩個(gè)端點(diǎn)的世界坐標(biāo)，見表1。

將解算出的三維坐標(biāo)點(diǎn)與全站儀實(shí)際測量的世界坐標(biāo)值同時(shí)繪制在圖上，如圖6所示，紅色的點(diǎn)是相機(jī)采集的數(shù)據(jù)，黑色的線段是全站儀測量的上下兩個(gè)端點(diǎn)的連線。

表1　全站儀實(shí)際測量值

圖5　進(jìn)行線結(jié)構(gòu)光角度標(biāo)定的物體

圖6（a）為解算出的三維坐標(biāo)點(diǎn)與全站儀實(shí)測值的偏差程度圖，圖6（b）和圖6（c）分別為其在XZ平面和XY平面內(nèi)的投影圖，由于全站儀搬站誤差較小，可以認(rèn)為其所測量的三維坐標(biāo)是精確的，由此可見，直接解算出的數(shù)據(jù)有很大的偏差。為此，提取每條線的上下兩個(gè)端點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的像素值、線結(jié)構(gòu)光偏轉(zhuǎn)角度和相機(jī)俯仰角度，并配合全站儀實(shí)際所測量的三維坐標(biāo)，逆向求取線結(jié)構(gòu)光的初始角度，逆向求解出的線結(jié)構(gòu)光初始角度與原標(biāo)定的角度相比偏移了0.072°。

圖6　三維坐標(biāo)解算值與全站儀實(shí)測值的對(duì)比

使用校正后的線結(jié)構(gòu)光初始角度進(jìn)行解算，并與全站儀實(shí)測值相比較，如圖7所示。

圖7（a）為使用經(jīng)過修正的線結(jié)構(gòu)光初始角度

圖7　修正初始角度后的三維坐標(biāo)解算值與全站儀實(shí)測值的對(duì)比

解算出的三維坐標(biāo)點(diǎn)與全站儀實(shí)測值的偏差程度圖，圖7（b）和圖7（3）分別為其在XZ平面和XY平面內(nèi)的投影圖，由上圖可以看出，線結(jié)構(gòu)光初始角度經(jīng)過修正之后，解算出的三維坐標(biāo)線段與全站儀實(shí)測值能夠基本吻合。

4　結(jié)論

對(duì)兩套視覺系統(tǒng)的統(tǒng)一標(biāo)定方法和線結(jié)構(gòu)光的精確標(biāo)定等問題進(jìn)行研究與實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了兩套系統(tǒng)的統(tǒng)一標(biāo)定，并對(duì)線結(jié)構(gòu)光的初始角度進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的修正，進(jìn)一步擴(kuò)展和完善了標(biāo)定算法。從后續(xù)對(duì)模擬工件進(jìn)行的實(shí)際尺寸的擬合結(jié)果也可以看出，經(jīng)過修正的線結(jié)構(gòu)光初始角度能夠得到更加精確的外形尺寸數(shù)據(jù)。

［1］郭會(huì)光，曲宗實(shí).我國大鍛件制造業(yè)的發(fā)展［J］.大型鑄鍛件，2003（1）：42-45.

［2］吳瑞敏.大尺寸高溫鍛件雙目視覺測量技術(shù)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2008.

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［5］常懷德，王建新，楊慶光.大鍛件在線測量新技術(shù)初探［J］.一重技術(shù)，2008（2）：65-66.

In the vision measuring system，the calibration accuracy of the parameters related to the camera and the line structured light is extremely important and it may influence directly the resolving accuracy of 3-D point and subsequent data processing accuracy.This paper performs a study and experiment on the key issues covering precise calibration of the camera&line structured light while expanding and improving the calibration algorithmin a further step in order toestablish a foundation for online collection of automation sizes.

視覺測量；線結(jié)構(gòu)光；標(biāo)定；三維坐標(biāo)解算

Vision Measuring；Line Structured Light；Calibration；3-D Resolving

TP391

A

1672-0555（2016）01-055-05

*上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)引進(jìn)技術(shù)消化吸收項(xiàng)目（編號(hào)：13XI-03）

2015年11月

張茂松（1988—），男，碩士，助理工程師，主要從事視覺檢測與尺寸測量工作