陳蓓 曹文倫

摘要：為了解決高溫風(fēng)洞內(nèi)部高精度非接觸測量的難題，完成了觀察窗透視雙目視覺測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于主動投射移動線激光和超高速同步相機(jī)，以簡化左右圖像特征匹配的復(fù)雜度。介紹了提取線激光光條中心的改進(jìn)的灰度重心法，還討論了相機(jī)和鏡頭的選型策略以及參數(shù)計(jì)算。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)最快可以1s完成一個(gè)掃描幅面，在1300～1500mm處，待測幅面為300mm×300mm時(shí)的最大測量標(biāo)準(zhǔn)偏差為O.11mm。應(yīng)用顯示，該系統(tǒng)可以保證高溫風(fēng)洞內(nèi)待測物的實(shí)時(shí)連續(xù)測量和后續(xù)動態(tài)分析、演示。

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞測量;雙目視覺;三雛重建;非接觸測量

雙目視覺測量作為一種非接觸測量手段備受矚目，也取得了良好的應(yīng)用效果。傳統(tǒng)的雙目視覺立體測量方法面臨的主要問題是需要對左右相機(jī)拍攝到的圖像進(jìn)行特征匹配。而對于紋理特征不顯著的待測物體來說，進(jìn)行特征匹配難度很大，導(dǎo)致最終精度也差。因此，常規(guī)的做法是使用在待測工件表面粘貼物理標(biāo)記或投射結(jié)構(gòu)光的方法，以提高拍攝對象的紋理特征。

課題研究的待測對象位于高溫風(fēng)洞內(nèi)部。高溫風(fēng)洞內(nèi)部的特點(diǎn)是高溫、高焓、空間小、氣流快、光線變化范圍大，且待測物會因高溫發(fā)生燒蝕和形變。因此，不能像普通風(fēng)洞內(nèi)實(shí)驗(yàn)一樣提前在待測物表面粘貼標(biāo)記點(diǎn)。也不具備條件將測量系統(tǒng)安裝在風(fēng)洞內(nèi)部。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]使用了投射結(jié)構(gòu)光的系統(tǒng)，文獻(xiàn)[7]還把測量系統(tǒng)放置在風(fēng)洞外部，但其測量對象均為常溫對象。此外，由于風(fēng)洞參數(shù)不同，具體的測量系統(tǒng)工程設(shè)施階段方面，還有觀察窗標(biāo)定、設(shè)備安裝方式等一系列細(xì)節(jié)問題亟待解決。

因此，針對防熱材料燒蝕變形的風(fēng)洞測量問題具有相當(dāng)?shù)奶厥庑?。研究材料動態(tài)燒蝕非接觸測量方法有著重大的意義與實(shí)用價(jià)值。

1簡化特征匹配測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

為了增加紋理和降低特征匹配的復(fù)雜度，設(shè)計(jì)了基于主動投射線激光的高速采集系統(tǒng)。

設(shè)搭載線激光的轉(zhuǎn)臺中心距離待測物距離為d，線激光掃描精度為Ah，完成一次待測幅面掃描為t，掃描幅面的邊長為l，相機(jī)幀率為f。

那么在t時(shí)間內(nèi)，應(yīng)該獲取n=z/Ah條檢測線;

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理為：在1/fs內(nèi)利用線激光投射技術(shù)在待測物表面投射激光線;同樣在1/fs內(nèi)采集左右兩個(gè)相機(jī)圖像;在1s內(nèi)讓激光線在待測物表面移動廠個(gè)位置，且相機(jī)同步拍攝廠對圖像[圖1（a）]。對上一步驟中的每一對圖像逐一計(jì)算其視差，得到待測物體表面激光投射中心線所在位置的三維坐標(biāo)[圖1（b）]。最后組合廠個(gè)不同位置的三維數(shù)據(jù)得到整個(gè)激光掃描面的三維數(shù)據(jù)[圖1（c）]。

轉(zhuǎn)臺硬件性能和控制系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求為：

線激光的速度要求滿足：

轉(zhuǎn)臺的速度要求滿足：

2硬件設(shè)計(jì)及選型計(jì)算

理論上，根據(jù)線激光在轉(zhuǎn)臺上發(fā)出的精確角度或時(shí)刻，觸發(fā)雙目相機(jī)同時(shí)拍照，并設(shè)定曝光時(shí)間和增益以使采集的圖像達(dá)到成像要求，進(jìn)而可由雙目視差圖像恢復(fù)出對應(yīng)位置的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

要保證系統(tǒng)工作良好需解決解決以下幾個(gè)主要問題：（1）線激光掃描精度和速度;（2）左右圖像采集的高速、以及同步問題;（3）激光中心線的精確定位。另外，待測物的尺寸和動態(tài)測量要求的實(shí)時(shí)性對相機(jī)視野、分辨率以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、存儲和后處理提出了不小的挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)硬件主要由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：①雙目圖像同步采集子系統(tǒng)，②結(jié)構(gòu)光投影子系統(tǒng)，③控制子系統(tǒng)。如圖2所示。

雙目圖像同步采集子系統(tǒng)由標(biāo)定板、測距儀、濾光片、鏡頭、工業(yè)相機(jī)、數(shù)據(jù)線纜、同步線纜，以及系統(tǒng)支架組成。

結(jié)構(gòu)光投影子系統(tǒng)由激光器、轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)臺控制器、線纜，以及系統(tǒng)支架組成。

控制子系統(tǒng)安裝在機(jī)柜內(nèi)，由工控機(jī)、KVM、同步信號發(fā)生器組成。

2.1相機(jī)選型

圖3顯示了系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)的距離參數(shù)，其中包括：待測件尺寸，風(fēng)洞內(nèi)壁厚度、內(nèi)壁到待測件距離，觀察窗厚度和直徑，以及轉(zhuǎn)臺直徑，掃描角度等具體信息。這些參數(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品選型的重要依據(jù)。

選型時(shí)，首先根據(jù)待測工件的大小，確定相機(jī)拍攝視野參數(shù)：由待測物體為200mm×200mm，初步選定拍攝視野為300mm×300mm。

根據(jù)第一節(jié)提出的設(shè)計(jì)思路，希望相機(jī)“像素多，幀率高”。因?yàn)橄鄼C(jī)像素越多，在同樣的拍攝視野下，單像素精度越高;而幀率越高，掃描上述視野一次所得到的點(diǎn)密度越大，恢復(fù)的3D點(diǎn)云細(xì)節(jié)越豐富。但是從相機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)的角度，相機(jī)像素越高，拍攝幀率越低;反之亦然。

實(shí)際上，為了優(yōu)先保證達(dá)到200幀每秒的拍攝幀率，市場上可選購的相機(jī)分辨率最高只能是1280×1024～130萬像素。因此選用1280×1024全分辨率，210幀/秒，全局快門的高幀率USB3.0微型工業(yè)黑白相機(jī)。傳感器尺寸為1/2in，像元尺寸4.8μm×4.8μm。該相機(jī)由6芯Hirose接口提供外部同步觸發(fā)信號輸入。

這時(shí)，相機(jī)H和V方向上的單像素精度理論值分別為：

300/1280=0.234375;

300/1024=0.29296875。

此外，相機(jī)選型還需根據(jù)項(xiàng)目的具體情況考慮相機(jī)曝光時(shí)間、曝光方式、光譜響應(yīng)范圍、圖像格式、接口類型、外形、溫度等方面的要求。

2.2鏡頭選型

基于圖3和相機(jī)選型得知：

預(yù)設(shè)視野范圍：300mm×300mm;

鏡頭前端距離被測物體距離d：1200mm;

相機(jī)參數(shù)：130萬像素相機(jī)（分辨率1280×1024，像元尺寸4.8μm×4.8μm）

那么，計(jì)算可得傳感器的長寬分別為：

SensorH：1280×4.8/1000=6.144mm

SensorV：1024×4.8/1000=4.915mm2671AABD-6F7A-4034-92FA-777A6CBD5DA9

又因

相機(jī)長寬的光學(xué)放大倍率分別為：

SensorH/300=0.02048

SensorV/300=0.01638

實(shí)際光學(xué)放大倍率選取較大值：0.02048。

又根據(jù)焦距公式：

廠一物距d×實(shí)際光學(xué)放大倍率（2）

得到焦距f=1200×0.02048，即f=24.5mm。

因此選型時(shí)選取25mm焦距鏡頭，由公式（2）反推出選取25mm焦距鏡頭時(shí)的可選實(shí)際光學(xué)放大倍率為0.02083。繼續(xù)由公式（1）反推回去，得到實(shí)際的視野長度和寬度分別為294.96mm和235.96mm。

這時(shí)，相機(jī)H和V方向上的單像素精度可選理論值分別為：

294.96/1280=0.23;

235.96/1024=0.23。

除了焦距，鏡頭靶面尺寸也要大于相機(jī)傳感器尺寸，因此選取鏡頭靶面尺寸2/3in，具體型號和參數(shù)如下：

WP-2M2514-C鏡頭焦距為25mm，對應(yīng)1/2in相機(jī)（鏡頭標(biāo)注可選參數(shù)為1/1.8in）傳感器的視場角H（長）×V（寬）×D（對角線）為16.8mm×12.8ram×21mm。則該鏡頭在測量距離是1200mm左右的實(shí)際視野長寬x、y分別為（16.8/2）/X=25/1200和（12.8/2）/y=25/1200，X=806.4mm;y=614.4mm。x，y值滿足鏡頭視野應(yīng)大于相機(jī)視野的原理要求。

鏡頭選型也需根據(jù)項(xiàng)目需求綜合考慮光圈、光學(xué)畸變、接口類型、外觀尺寸、安裝方式、工作溫度等。

3基于線激光投射的簡化特征計(jì)算方法

線激光主動投射系統(tǒng)旨在增加待測件紋理，以降低弱紋理工件雙目測量時(shí)左右相機(jī)圖像匹配的難度。線激光紋理檢出的核心是中心線提取算法，擬采用灰度重心法對光條中心線進(jìn)行檢出。

相機(jī)實(shí)際采集得到的線結(jié)構(gòu)光圖像（圖4上半部分顯示其反色圖）實(shí)際上可以以近似高斯函數(shù)對圖像行上的灰度點(diǎn)進(jìn)行描述（圖4下半部分所示）。

假設(shè)圖像f（m，n）的大小為m×n，其任意一行的灰度值隨列坐標(biāo)變化的曲線如圖4所示。

Grey_Max為本行灰度最大值，T為一給定常數(shù)，灰度值大于T的點(diǎn)均參與重心的計(jì)算。

G為第i行的重心坐標(biāo)，當(dāng)i遍歷每一行，則對應(yīng)得到一條線激光在每一行上的重心坐標(biāo)，即線激光的中心線坐標(biāo)。

從圖1可以看出，本方法中激光投影線條隨著拍攝的進(jìn)行是移動的。對于任意一幀圖像，激光投影線條在圖像中的位置是可預(yù)估的，故只需要在激光投影線條附近搜索灰度值最大的點(diǎn)的坐標(biāo)即可。

因此設(shè)圖像拍攝幀率為廠，則對于任意一幀圖像k的第i行，對應(yīng)的灰度重心計(jì)算公式為：

如上改進(jìn)至少有兩點(diǎn)好處：1，上述公式可以將原來搜索灰度值的范圍從n個(gè)點(diǎn)降低為n/f個(gè)點(diǎn)，速度提升了f倍;2，濾除了圖像中距離光條較遠(yuǎn)的亮點(diǎn)對光條中心線提取的干擾。

圖5中（L）和（R）分別表示左右相機(jī)采集的線激光光條圖像反色圖及其對應(yīng)的局部放大圖像。其中黑色的光條為線激光，其上的白色細(xì)線表示了應(yīng)用上述方法得到的光條中心線。

4實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

基于上述算法，實(shí)驗(yàn)中首先分別單獨(dú)計(jì)算左右相機(jī)圖像的灰度重心，然后以計(jì)算所得的重心坐標(biāo)作為特征對左右相機(jī)圖像進(jìn)行匹配，極大地降低了雙目測量圖像特征匹配復(fù)雜度。

如果待測物距為1350mm，掃描精度<1mm，1s完成一個(gè)300mm的掃描幅面。那么該系統(tǒng)在1s內(nèi)，應(yīng)該獲取≥200條檢測線;轉(zhuǎn)臺的速度為0.22rad/s;相機(jī)幀率至少為200fps，可選像素為130萬，鏡頭焦距選25mm。

圖6為基于前述思路實(shí)現(xiàn)的雙目測量系統(tǒng)實(shí)物。在同步采集和控制系統(tǒng)完成圖像的采集后，由上位機(jī)完成圖像的存儲、光條中心線提取、圖像匹配、三維點(diǎn)云計(jì)算等后處理。

實(shí)驗(yàn)中使用如圖7所示的紙盒和背景墻組合作為待測對象：圖像上方盒子與背景平面距離為53mm，圖像下面紙盒與背景平面距離40mm。

應(yīng)用上述改進(jìn)的灰度重心方法得到的3D點(diǎn)云以及三個(gè)擬合平面如圖8所示，圖中給出的是三個(gè)擬合平面（至上而下分別為平面1，平面2和平面3）與所有的經(jīng)計(jì)算得到且未經(jīng)任何剔除處理的的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)之差?？梢钥闯?，點(diǎn)云數(shù)據(jù)在平面過渡的地方和平面邊際有很多噪點(diǎn)。剔除明顯的過渡區(qū)域的噪點(diǎn)后，平面1測量的距離誤差為±1mm（圖9）。平面2和平面3類似。而剔除各個(gè)平面邊際的噪點(diǎn)后精度可進(jìn)一步提升，圖10可見對應(yīng)圖8中平面1，平面2，平面3的測量標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.0289，0.0356和0.1112。

當(dāng)轉(zhuǎn)臺以勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，其投射出的線激光在其以R為半徑的圓弧面上是等速的，而在以此圓弧兩端點(diǎn)連線的待測平面上的移動速度則是不相同的。在待測平面上相同的時(shí)間內(nèi)光條移動的距離呈現(xiàn)出中問近、兩側(cè)遠(yuǎn)的現(xiàn)象。而相機(jī)拍攝時(shí)極小的不同步也會在待測面兩側(cè)被放大，而呈現(xiàn)出待測平面兩側(cè)的誤差大于中間誤差的情況。而且待測面越大，這種情況帶來的誤差越大。圖11中平面3的誤差較平面1和平面2明顯增大的原因是其面積較大。從圖11還可見，去除噪點(diǎn)后的剩余點(diǎn)云數(shù)據(jù)殘差呈近似高斯形態(tài)很好地分布在擬合平面1，平面2和平面3的兩側(cè)。如殘差呈高斯公布，則誤差可以很好地被控制在一定水平之下。

進(jìn)一步的研究中，將其中平面1的距離數(shù)據(jù)使用Lilliefors方法進(jìn)行正態(tài)分布驗(yàn)證，得到h=0，p=0.5000的結(jié)論。說明在方差概率聲遠(yuǎn)大于通常的顯著性水平取值0.05時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)殘差呈高斯形態(tài)分布的假設(shè)成立（h=0）。根據(jù)正態(tài)分布置信區(qū)間的概念，已知均值和標(biāo)準(zhǔn)差即可知相應(yīng)置信水平下的最大誤差范圍：對應(yīng)1個(gè)，2個(gè)和3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差1，2和3，對應(yīng)的置信水平分別為67.78%，95.39%和99.80%，對應(yīng)的最大誤差分別為0.056，0.112和0.168。見表1。

另外兩個(gè)平面有類似的結(jié)果，如圖11所示，這對于了解誤差分布和抑制誤差很有意義。

5結(jié)論

論文介紹了一種基于簡化特征匹配思路的雙目視覺測量系統(tǒng)，其中對硬件選型進(jìn)行了詳細(xì)分析和計(jì)算，同時(shí)完成了改進(jìn)的基于灰度重心法的簡化特征匹配算法。

該系統(tǒng)在1200～1500mm距離處實(shí)現(xiàn)了基于線激光投射的雙目立體視覺非接觸測量系統(tǒng)，測量得到的距離數(shù)據(jù)在待測面的擬合平面兩側(cè)均勻分布，誤差成高斯分布，值在±1mm以內(nèi)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，在測量幅面為300mm×300mm時(shí)，經(jīng)過去除平面邊界噪點(diǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與擬合平面的誤差可以控制在±0.168mm以內(nèi);而在測量幅面為200mm×200mm時(shí)，上述誤差可以控制在±0.056mm以內(nèi)。該精度可以滿足高溫風(fēng)洞內(nèi)部進(jìn)行高精度非接觸測量的需求。2671AABD-6F7A-4034-92FA-777A6CBD5DA9