双目视觉技术在结构件尺寸测量中的应用.pdf

第 卷第 期 计算机应用与软件畅 年 月 双目视觉技术在结构件尺寸测量中的应用 侯跃谦 李冠楠 谭庆昌 （长春大学机械与车辆工程学院 吉林 长春 ） （吉林大学机械科学与工程学院 吉林 长春 ） 收稿日期： 。 吉林省教育厅“十二五”科学技术研究基 金项目（ 第 号）。 侯跃谦，副教授，主研领域：图像处理，非接触 测量。 李冠楠，博士生。 谭庆昌，教授。 摘 要 对结构件视觉测量的工程应用、检测模型进行讨论，提出一种双目视觉检测结构件空间尺寸的方法。 应用改进的求解摄 像机内外参数的方法对单摄像机有效焦距进行标定，应用以像素坐标到对应的极线距离为目标函数的优化方法对基本矩阵进行了 估算， 通过对本质矩阵的奇异值分解得到两个摄像机之间的旋转矩阵和平移向量。 实验室条件下对轻型车凸轮轴凸轮间距空间尺 寸进行了实际测量，结果表明，测量方法能够达到监测组合式凸轮轴凸轮间距的要求。 关键词 结构件 双目视觉 基本矩阵 标定 中图分类号 文献标识码 ： - application of binocular vision technology in structural parts size measurement 1（college of mechanical and vehicle engineering， changchun university， changchun 130022，jilin，china） 2（college of mechanical science and engineering， jilin university， changchun 130025，jilin，china） abstract ， - ， - ， - ， ， keywords 0 引 言 结构件在汽车及飞机制造业中大量使用。 因结构复杂，其 尺寸检测是近年来国内外研究的热点问题之一 ，。 传统的坐 标测量机离线检测方式已成为制约零部件制造的瓶颈，具有快 速、无损特性的视觉检测正被越来越多的研究和应用。 使用一 个摄像机的平面测量方法虽然简单，却会因为拍摄角度直接影 响测量精度 ，结构件的空间特点要求视觉检测具有检测物 体深度信息的能力。 双目视觉通过视差原理感知物体的深度信 息，使得视觉检测系统能够获取物体的三维尺寸。 本文以轻型 车用发动机凸轮轴为例，对双目视觉测量在结构件尺寸测量上 的应用进行了探讨。 1 双目视觉测量结构件尺寸的理论模型 如图 所示，设左摄像机坐标系与世界坐标系重合，记为 owxwywzw，图像坐标系为 olxlyl，有效焦距为 fl；右摄像机坐标 系为 orxryrzr，图像坐标系为 orxryr，有效焦距为 fr，p 点为公共 视野内的待测点。 图 视觉测量结构件尺寸的理论模型 l 计算机应用与软件 年 由摄像机透视变换模型可知： sl xl yl fl fl xw yw zw （） sr xr yr fr fr xr yr zr （） 摄像机坐标系与世界坐标系之间转换关系可以表示为： xr yr zr mlr xw yw zw rrrtx rrrty rrrtz xw yw zw （） 其中， mlrr t ， r rrr rrr rrr ，t tx ty tz 分别为世界坐标系（左摄像机 坐标系） owxwywzw与右摄像机坐标系 orxryrzr之间的旋转矩阵 和原点之间的平移向量。 空间点三维坐标可以表示为： xwzwx f ywzwy f zw f（frtxxrtz） xr（rxryfr） fr（rxryfr） f（frtyyrtz） yr（rxryfr） fr（rxryfr） （） 由式（）可知，已知模型参数 左右摄像机有效焦距 fl、 fr、左右摄像机之间的旋转矩阵 r 和平移向量 t 以及空间点在 左、右摄像机中的图像坐标就可以得到被测物体点的三维空间 坐标，进而实现空间尺寸测量。 2 发动机凸轮轴工艺要求与视觉测量流程 凸轮轴是发动机的主要传动件之一，其结构质量直接影响 汽车的排放和轻量化要求。 现代工艺多采用组合式空心结构， 要求在管子与凸轮之间形成过盈配合，保证扭矩的有效传递，由 于各凸轮沿周向都相差一个角度，如图 所示，故各凸轮间的轴 向距离属于空间结构尺寸。 工艺要求保证凸轮间轴向尺寸精度 一般为 ，。 图 组合式凸轮轴结构图 本文双目视觉方法测量凸轮轴凸轮间距的流程如图 所示。 图 视觉测量凸轮轴凸轮间距的流程图 3 双目视觉检测模型参数的标定 3 1 左右摄像机有效焦距标定 对带有一阶径向畸变的摄像机模型，选用分辨率为 的 - 型面阵 摄像机，- 型工业 摄像机镜头； 高精度标定板及背光源，应用改进的求解摄 像机内外参数的方法 ，得到的两个摄像机的有效焦距为 f l ， fr 。 3 2 基本矩阵求取 基本矩阵是双目视觉中非常重要的一个矩阵，它反映了空 间同一物点在两个 摄像机上的齐次像素坐标之间的关系。 它为左右图像上的对应点匹配提供了一个重要的约束条件。 同 时，通过对与其相关的本质矩阵的分解又可以得到两摄像机之 间的旋转矩阵和平移向量。 因此，基本矩阵标定的精度直接影 响到测量的精度。 双目视觉的基本矩阵可以表示为 ： f a rsra l （） al、 ar为左右摄像机的内参数矩阵，s 为反对称矩阵，它由 两摄像机之间的平移向量定义为： s t tzty tztx tytx （） 定义 e sr a rfal为本质矩阵，通过对其进行奇异值分 解，得到两个摄像机之间的旋转矩阵和平移向量 r u v（） t ku （） 考虑到在标定板角点提取的过程中可以得到大量的角点像 素坐标的信息，为了有效地利用这些信息并得到高精度、稳定性 第 期 侯跃谦等：双目视觉技术在结构件尺寸测量中的应用l 好的基本矩阵，根据基本矩阵定义的极线几何约束的关系，本文 应用以像素坐标到对应的极线距离为目标函数的优化方法，标 定基本矩阵。 首先建立优化模型，设 i （l ，l，l） fm ，i （l，l， l） m f ，则点到对应极线距离为 d（m ，l ） m i （l ） （l ） （） d（m，l） im （l） （l） （） 式中， d（m ，l ） 为左相机点到对应极线距离； d（m，l） 为右相机点到对应极线距离； m 为点在左相机图像中的像素坐标； m 为点在右相机图像中的像素坐标。 优化两幅图像的对应点到对应极线的距离最短，其目标函 数为： f n i k id （m i，ii） k id （m i，ii） （） 其中 k（l ） （l ） ，k （l） （l） 。 于是基本矩阵 f ，可以根据下面的等式来求： 已知 u v t u v ， u v t u v ，根据 u v f u v ，可知： u v t f t u v ，由此可推出f t f t 。 图 实验现场图 如图 所示，利用标定板上的角点坐标，优化得到基本矩 阵为： f e e e e 分解得到两个摄像机坐标系之间的旋转矩阵和平移向 量为： r t 3 3 基本矩阵求取的软件实现 利用 编写的基本矩阵求取的部分软件程序如下： 改进 点法估计基本矩阵 ， （，）； ， （，）； （，）； 计算基 本矩阵 倡倡； （）； 改进基本矩阵初值 优化点到直线距离最短 （，）； （，）； ， （）（， ），）； （，）； ； 4 组合式凸轮轴凸轮间距测量 采用与模型标定相同的实验环境与拍摄设备，将标定板替 换为待测凸轮轴并保证两个凸轮上切线段位于两相机公共视野 内进行实测。 4 1 对应点匹配与三维重构 基本矩阵提供了点与对应极线之间的约束关系，实际测量 中点与点的对应还需要另一个约束。 如图 所示，凸轮的截面 形状为两圆相切，本文利用切线的直线约束关系通过边缘检 测 得到对应点匹配的另一个约束。 提取边缘点的像素坐标 如图 所示。 图 凸轮轴边缘检测图 图 提取边缘点像素坐标 通过左右图像上对应的边缘点像素坐标，重构得到凸轮边 缘点空间三维坐标如下图所示，进一步通过直线拟合及空间异 面直线间距离的求取，即可得到凸轮间轴向尺寸。 l 计算机应用与软件 年 图 三维重构图 4 2 三维重构算法的软件实现 利用 编写的三维重构算法的部分软件程序如下： ； ； ； ； （- ）倡 ； （- ）倡 ； （- ）倡 ； （- ）倡 ； ：（）； （） 倡（倡（）- （）倡（） （）倡（） 倡 （） （）倡 （） 倡（）- 倡（）倡（） （）倡（） 倡（）； （） （）倡（） ； （） （）倡（） ； 4 3 实验结果 采用游标卡尺与图像测量的方法， 次测量的结果如表所示。 表 1 凸轮间距测量结果单位： 牋佑 8k平均值标准差 图像 测量 寣 靠 耨 $ w 墘 卡尺 测量 寣 靠 耨 $ w 墘 从测量结果可以看出，视觉检测与游标卡尺检测的精度误 差均小于 ，满足检测要求。 5 结 语 给出了一种视觉检测结构件空间尺寸的方法，检测系统的 应用能避免主观因素的影响，降低工人的劳动强度，在实验室条 件下，能够达到监测装配凸轮间距的要求。 参考文献 鲍晟，冯平法，崔雅文，等 在线检测技术在飞机结构件检测中的应 用 微计算机信息，（）： 汪俊 飞机结构件反求建模关键技术研究 南京：南京航空航 天大学， 李朝晖，郝建军，杨新桦 视觉检测技术在曲轴锻件尺寸检测中的 应用 中国测试，（）： 孙秋成 基于机器视觉的轴径测量 长春：吉林大学， 张核军 凸轮轴制造工艺综述 柴油机设计与制造，（）： 钱人一 凸轮轴制造工艺综述 上海汽车，（）： 侯跃谦，谭庆昌，王凯，等 一种改进的求解摄像机内外参数的方法 计算机应用与软件，（）： 张广军 视觉测量 北京：科学出版社， （上接第 130 页） 图 图像增亮 图 两幅图相乘 5 结 语 提出了一种基于图像特征和霍夫曼编码的数字水印新算 法，本文使用的是图像的边缘特征，算法同样适用于图像的纹理 特征、颜色特征、突变特征、关系特征等，具有很好的扩展性。 特 征的选取对实验结果无明显影响，用户选择最易提取的特征即 可。 将霍夫曼编码原理引入到数字水印领域，具有一定的创新 性。 算法只使用边缘特征，利用霍夫曼编码求出待嵌入的水印， 复杂度低，容易实现，且使用的是图像本身的特征，载荷小，通过 仿真实验证明算法具有很好的性能，隐蔽性、鲁棒性都较好。 算 法可以应用在照相馆照片的版权鉴定、网络上图像的版权鉴定、 军事秘密图像可信度鉴定等等。 但是图像经过个别类型攻击后 水印与原始水印的相关系数不够理想，今后将做进一步研究和 改进。 虽然本算法的 psnr 值比一些算法高，但是也低于某些 优秀的算法，这也是今后改进的方向。 参考文献 李国良，谭月辉，齐京礼，等 多小波域可恢复半脆弱数字水印算法 计算机工程，（）： 李亚琴 利用图像纹理和边缘特征的数字水印