□張茂松

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院　上?！?00070

基于線結(jié)構(gòu)光的視覺系統(tǒng)標定方法改進研究*

□張茂松

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院上海200070

在視覺測量系統(tǒng)中，相機以及線結(jié)構(gòu)光相關(guān)參數(shù)的標定精度具有極其重要的意義，直接影響到三維坐標點的解算精度以及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理精度。對已有視覺系統(tǒng)中的攝像機和線結(jié)構(gòu)光的精確標定等關(guān)鍵問題進行研究與實驗，進一步擴展和完善了標定算法，為后續(xù)實現(xiàn)在線自動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，一般用于機械設(shè)備的核心部位［1］。大型鍛件生產(chǎn)周期長，造價昂貴［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廢，從而帶來巨大的經(jīng)濟損失，因此對大鍛件尺寸的及時檢測直接關(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900℃，鍛造過程中的溫度更是會達到上千攝氏度，環(huán)境溫度達70℃，在這樣惡劣的條件下，進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］，同時對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。通過將計算機視覺技術(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)自動化鍛造水平，可以實現(xiàn)大型鍛件生產(chǎn)的完全自動化、信息化、智能化。

采用基于輔助光源的高速視覺測量系統(tǒng)，實現(xiàn)對大型鍛件的在線測量，以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)為目標，進行一系列科研攻關(guān)，對指導實際鍛造具有非常重要的現(xiàn)實意義，主要表現(xiàn)為以下幾點：實現(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，實現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)；改善工人勞動環(huán)境，消除安全隱患；提高生產(chǎn)自動化水平，實現(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和輔助光源為主要測量手段，并基于FPGA進行高速數(shù)據(jù)采集和處理，最后由上位機實現(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)級線陣相機作為圖形采集設(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；相機云臺可以實現(xiàn)帶動相機對工件的上下掃描運動；激光器云臺可以實現(xiàn)帶動激光器實現(xiàn)左右掃描運動；云臺控制器實現(xiàn)對相機云臺和激光器云臺的運動規(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工件表面的點進行數(shù)據(jù)采集，故采用兩套測量系統(tǒng)，分別在工件的兩側(cè)，同時對工件繼續(xù)掃描。對于一套系統(tǒng)而言，線結(jié)構(gòu)光每次轉(zhuǎn)動一個步進角度，相機對每條結(jié)構(gòu)光都進行上下掃描，圖像數(shù)據(jù)由Camlink線傳輸?shù)紽PGA中，進行數(shù)據(jù)的存儲、邊緣檢測和亮點的提取，最后數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，在VC中進行三維坐標解算、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)一標定

為方便進行三維重構(gòu)和尺寸計算，兩套測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)必須要在統(tǒng)一的坐標系下，因此采用全站儀進行搬站的方式進行第二套系統(tǒng)的標定，如圖3所示。首先在站點1建立全站儀的世界坐標系，對第一套系統(tǒng)進行參數(shù)標定，包括焦距、主點位置、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2，通過后方交匯的方式，對預(yù)先選定的貼片進行觀測并計算，確定站點2的位置，搬站只是為了方便測量，移動了站點的位置，原坐標系仍然保持不變。搬站后對預(yù)先放置的貼片進行觀測，所測點的世界坐標與原站點相比，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)站點的選擇

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

圖4　原有線結(jié)構(gòu)光標定方法

3　結(jié)構(gòu)光標定方法研究

3.1原有標定方法

如圖4所示，線結(jié)構(gòu)光是發(fā)散的扇形，原有標定方法是在扇面的上下兩個邊緣上各選兩個點，通過向量BA和DC，并配合激光器轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸方程，計算線結(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，因為邊緣上四個點的測量精度很難保證。用全站儀實際測量邊緣點，尤其是遠處兩個點的時候，會發(fā)現(xiàn)光的端點位置衍射現(xiàn)象很嚴重，呈細長的錐形，很難確定端點的真正位置。

3.2改進的線結(jié)構(gòu)光初始角度標定方法

通過之前的實驗研究發(fā)現(xiàn)，線結(jié)構(gòu)光的初始角度對三維坐標解算精度的影響很大，而光心位置對解算精度的影響不那么明顯，為此需要探索更加精確的標定線結(jié)構(gòu)光初始角度的方法。由于實際使用中線陣相機是在線陣模式下，不容易進行單點的三維坐標解算與誤差分析，所以選擇掃描并解算單條線段的方式進行解算精度的分析，尋求補償量，對原有線結(jié)構(gòu)光初始角度進行補償校正。

選取某個表面規(guī)則的小物體，如圖5所示的紙盒子，使整個物體都在攝像機的掃描視野范圍之內(nèi)，按照預(yù)先設(shè)定的運動方式，使線陣相機對物體表面的線結(jié)構(gòu)光進行掃描，總共掃描了10條線并對其進行三維坐標解算。同時使用全站儀對每條線段的上下兩個端點進行測量，得到每條線段兩個端點的世界坐標，見表1。

將解算出的三維坐標點與全站儀實際測量的世界坐標值同時繪制在圖上，如圖6所示，紅色的點是相機采集的數(shù)據(jù)，黑色的線段是全站儀測量的上下兩個端點的連線。

表1　全站儀實際測量值

圖5　進行線結(jié)構(gòu)光角度標定的物體

圖6（a）為解算出的三維坐標點與全站儀實測值的偏差程度圖，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，可以認為其所測量的三維坐標是精確的，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端點所對應(yīng)的像素值、線結(jié)構(gòu)光偏轉(zhuǎn)角度和相機俯仰角度，并配合全站儀實際所測量的三維坐標，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)光初始角度與原標定的角度相比偏移了0.072°。

圖6　三維坐標解算值與全站儀實測值的對比

使用校正后的線結(jié)構(gòu)光初始角度進行解算，并與全站儀實測值相比較，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解算值與全站儀實測值的對比

解算出的三維坐標點與全站儀實測值的偏差程度圖，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，解算出的三維坐標線段與全站儀實測值能夠基本吻合。

4　結(jié)論

對兩套視覺系統(tǒng)的統(tǒng)一標定方法和線結(jié)構(gòu)光的精確標定等問題進行研究與實驗，實現(xiàn)了兩套系統(tǒng)的統(tǒng)一標定，并對線結(jié)構(gòu)光的初始角度進行了較為準確的修正，進一步擴展和完善了標定算法。從后續(xù)對模擬工件進行的實際尺寸的擬合結(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］郭會光，曲宗實.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，2008.

［3］聶紹珉，李樹奎.大鍛件熱態(tài)在線尺寸測量研究綜述［J］.金屬加工，2008（11）：22-25.

［4］聶紹珉，唐景林，郭寶峰，等.基于CCD的大型鍛件尺寸測量研究［J］.塑性工程學報，2005，12（z1）：85-88.

［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；標定；三維坐標解算

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

TP391

A

1672-0555（2016）01-055-05

*上海市經(jīng)濟和信息化委員會引進技術(shù)消化吸收項目（編號：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