韓偉峰，王 華，何 航，張 爽，高金剛

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司工程技術(shù)部，長(zhǎng)春 130062；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 3.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

0 引言

視覺測(cè)量技術(shù)作為當(dāng)今高新技術(shù)之一，在測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用得越來越廣泛[1]，而針對(duì)列車轉(zhuǎn)向架的大尺寸測(cè)量參數(shù)的測(cè)量，單目視覺的視野受到限制，無法完成測(cè)量，因此，在實(shí)際測(cè)量中通常利用多目視覺進(jìn)行測(cè)量，并且通過三維數(shù)據(jù)拼接就將各個(gè)子區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到世界坐標(biāo)系中，其精度在整個(gè)視覺測(cè)量中有著重要影響。

當(dāng)前常用的三維數(shù)據(jù)拼接方法主要有：通過經(jīng)緯儀[2]、三維掃描儀[3]、激光跟蹤儀[4]等設(shè)備實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，但本類設(shè)備較笨重、價(jià)格高昂、操作較復(fù)雜；通過標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行三維拼接的方法，需要有共同的視場(chǎng)，并且無法適用于表面易損害的工件；另一種類的方法是通過ICP算法及其改進(jìn)算法[6]，但這些算法存在計(jì)算量大，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等問題。

本文提出了一種基于大尺寸標(biāo)定板的數(shù)據(jù)拼接方法。首先，在標(biāo)定板上建立中間坐標(biāo)系，然后，將每個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系作為各自的局部坐標(biāo)系，并至少求出3個(gè)非共線標(biāo)記點(diǎn)在中間坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)；最后，獲取坐標(biāo)系之間的變換矩陣，經(jīng)過兩次坐標(biāo)變換后，即可求出局部坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

1 三維數(shù)據(jù)拼接原理

1.1 多視覺傳感器結(jié)構(gòu)關(guān)系模型

為實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的，建立多目視覺測(cè)量系統(tǒng)(兩組雙目測(cè)量系統(tǒng))，如圖1所示。選取多目視覺測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)雙目測(cè)量系統(tǒng)其中的一個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系作為局部坐標(biāo)系Pc1和Pc2。將標(biāo)定板放置在兩組雙目測(cè)量系統(tǒng)的公共區(qū)域內(nèi)，以標(biāo)定板的中心點(diǎn)作為原點(diǎn)，取標(biāo)定板的垂直水平面作為Z軸，標(biāo)定板的兩側(cè)外邊緣分別作為X、Y軸，構(gòu)建一個(gè)中間坐標(biāo)系Pb。

圖1 多視覺傳感器結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

1.2 各個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

確定局部坐標(biāo)系和中間坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換矩陣：

(1)

(2)

1.3 求出轉(zhuǎn)換矩陣

(3)

將不同坐標(biāo)矢量代入轉(zhuǎn)換方程中即可得：

(4)

(5)

(6)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)方案，采用四臺(tái)工業(yè)相機(jī)MER-040-60UM及16 mm鏡頭作為多目視覺傳感器，以300 mm×300 mm的高精度標(biāo)定板作為被測(cè)目標(biāo)，多目視覺傳感器與標(biāo)定板的擺放位置如圖2所示。

圖2 多視覺傳感器結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

將攝像機(jī)進(jìn)行編號(hào)，然后兩兩分組，分別組成雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)。采用Halcon軟件中的標(biāo)定工具箱標(biāo)定出兩相機(jī)之間的內(nèi)外參，將標(biāo)定板在兩相機(jī)的公共視野中擺放18次。為了更好地得到相機(jī)的畸變結(jié)果，首先將標(biāo)定板沿著視野邊緣擺放9次，然后使標(biāo)定板傾斜一定角度再擺放9次。多目視覺測(cè)量系統(tǒng)的最終標(biāo)定結(jié)果見表1～2。

表1 多目視覺測(cè)量系統(tǒng)中的攝像機(jī)內(nèi)參

表2 攝像機(jī)之間的轉(zhuǎn)換矩陣

雙目測(cè)量系統(tǒng)采集標(biāo)定板上的多個(gè)(3個(gè)及以上)非共線的實(shí)心圓，提出其圓心作為標(biāo)記點(diǎn)，如圖3所示。通過計(jì)算所獲取的標(biāo)記點(diǎn)在局部坐標(biāo)系和中間坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)，根據(jù)式(5)和式(6)，能夠求出兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，進(jìn)而求出各局部坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，見表3。

圖3 各攝像機(jī)拍攝的標(biāo)定板圖

表3 各坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換矩陣

3 數(shù)據(jù)拼接

本文利用共同視野下的大標(biāo)定板圓心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的拼接。每個(gè)子攝像機(jī)分別獲取該攝像機(jī)所拍攝的標(biāo)定板上的圓心坐標(biāo)，選取其中一個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，即世界坐標(biāo)系。通過矩陣間的變換關(guān)系，可將其他子攝像機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至同一坐標(biāo)系下，即坐標(biāo)系的統(tǒng)一，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的拼接，如圖4～5所示。

圖4 每個(gè)子區(qū)域測(cè)量的圓心坐標(biāo)

圖5 數(shù)據(jù)拼接結(jié)果

4 誤差分析

通過求解標(biāo)定板上的圓心間距離，驗(yàn)證本文所述拼接方法的精度。通過對(duì)標(biāo)定板取不同距離，分別求解出局部坐標(biāo)系及世界坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系，見表4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：誤差值隨圓心距增加而增大；在世界坐標(biāo)系下的圓心距誤差大于局部坐標(biāo)系下的圓心距誤差。

表4 誤差分析

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)列車轉(zhuǎn)向架的大尺寸參數(shù)測(cè)量，提出了一種基于大尺寸標(biāo)定板的數(shù)據(jù)拼接方法，即在公共視野下存在大面積平面靶標(biāo)完成三維數(shù)據(jù)的拼接的方法。通過實(shí)驗(yàn)表明：該方法簡(jiǎn)單易行，精度較高，適用于企業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)要求，且成本較低。本文所述方法仍有不足，對(duì)標(biāo)定板精度要求較高；當(dāng)視覺傳感器視場(chǎng)增大時(shí)，被測(cè)目標(biāo)需增大，增加成本。