基于液晶编码的三维视觉测量

1、光电子激光第14卷第4期2003年4月JournalofOptoelectronicsLaserVol.14No.4Apr.2003基于液晶编码的三维视觉测量沙吉乐,冯展军,吴斌,邾继贵,叶声华(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072)摘要:研究了基于液晶(LCD)编码技术的三维(3D)曲面测量方案。该方案利用LCD投射规则点到被测3D曲面,经过粗2细匹配技术获得高精度空间匹配点,由高精度标定的CCD给出空间匹配点的3D坐标,从而完成曲面测量。该方案测量速度快,测量精度优于0.2mm。系统结构简单,实现了完全自动化测量。关键词:液晶(LCD)编码;视觉检测;粗2细匹配;标定

2、中图分类号:TN247文献标识码:A文章编号:100520086(2003)042039123DVisualMeasurementTechnologySHAJi2le,FENGZhanBiniSheng2hua(StateKeyLPTechnology&Instruments,TianjinUniversity,TianjinAbstract:Anew3DmeasuringtechnologybasedonLCDencodingprocesswasproposed.RegularpointsproducedbyLCDwereprojectedtomeasuringsurface.Arough2

3、precisematchingtechnologyconductshighprecisionofspacematchingpoints.Accuratecalibratedcameracangivethreecoordinatesofthesematchedpoints.Thismethodisfastandwithhighprecisionwhichislessthan0.2mm.Thesetsiseasyestablishedandcanfulfillcompleteautomatization.Keywords:LCDcodingprocess;visualinspection;roug

4、h2precisematching;calibrate1引言三维(3D)外形轮廓测量一直受到国内外的关注1。而视觉技术由于其非接触和快速测量的优点,目前已成为CAD、逆向工程(RE)和快速原形CAM、(RP)中产品研发的新趋势,涉及汽车制造、通信、家电、玩具、模具、航天和五金等行业。在3D视觉测量方案中,经常采用激光扫描技术或光栅编码技术来获得空间特征点2,3。其中前者需要借助扫描系统,虽然测量精度高但测量速度比较慢;后者虽然测量速度快,但图像处理比较复杂,需要借助一些约束条件,测量精度较低,当条纹断裂为教小条时匹配存在一定问题。本文介绍了一种基于液晶(LCD)成像的主动式视觉测量方案。该方案

5、与传统方案相比,具有测量匹配精度高、操作简单和可改变编码图案以适应不同编码方式的优点。LCD按测量方案显示不同的结构光,由光学系统投射至被测曲面,经调制获得所需的特征测量图形。本文主要研究了对规则点进行空间编码,获得空间特征匹配点的方案。2摄像机模型及标定针对主动视觉要求测量精度高且标定不要求实时,因此采用镜头一阶径向畸变的摄相机透视成像模型,如图1所示。Oc为成像透视中心;OcZc为摄像机成像透镜的光轴,它与摄像机像平面垂直;O为光轴与像平面的交点,为CCD的像面中心。坐标系O2XYZ为像平面坐标系;Oc2XcYcZc为摄像机坐标系;坐标系Of2UV为计算机图像坐标系(即帧存体坐标系,单位为

6、pixels);Ow2XwYwZw为空间3D坐标系。收稿日期:2002211204修订日期:20032012033基金项目:天津市重大科技攻关资助项目(003101311)光电子激光392靠单个摄像机是无法获得空间3D坐标的。一般采用双目传感器来实现3D坐标测量,其模型如图2所示。图1带有径向畸变的摄像机透视成像模型Fig.1Thecameraimagingmodelwithradialaberration空间任意一点P在3D坐标系中的坐标为(xw,yw,zw),在摄像机坐标系中的坐标为(xc,yc,zc);P点投射在像平面上的无畸变点Iu在像平面坐标系O2XYZ的坐标为(Xu,Yu),有一阶

7、径向畸变点Id平面坐标系O2XYZ的坐标为(d,dr向OcZc(v0f焦距。则有计算机图像坐标系Of2UV与像平面坐标系O2XYZ之间的转换关系(sxdx)-10u0xu-1(1)v=0dyv0y1图2ig.2SchevisionsensorP(xw,yw,zw)在左摄像机坐标系Oa2aYaZa中的坐标为(xa,ya,za),在右摄像机坐标系Ob2XbYbZb的坐标为(xb,yb,zb);P点在左右摄像机像面上成像点的像平面坐标中的坐标分别为(Xa,(Xb,Yb);左右摄像机的有效焦距分别为fa、Ya)、fb。则有Xafafa00rab1xayazaxbybzrab2rab5rab8xarab

8、3rab6rabxaya+z=aYa1Xb00fb式中,dx为X方向相邻光敏单元中心距离;dy为Y方向相邻光敏单元中心距离;sx为比例因子,与CCD的驱动频率和图像卡的采集频率有关。像平面坐标系O2XYZ与空间3D坐标系Ow2XwYwZw之间的转换关系为Xd(1+k1r00fbbYb=1xb00xayaab(3)yb=Mzf000r1r4r7r2r5r8r3r6r9TxTyTzdxwywzwza=rab4rab7Yd(1+k1r2)=10f0(2)1TabxTabyTabz12d=Rabya+Tabza(4)式中,k1是一阶径向畸变系数;r=X+Y;r1r9为两坐标系之间的旋转矩阵参数;TxT

9、z为两坐标系之间的平移矩阵参数;为比例因子。摄像机模型中,需要标定的内部参数有k1、u0、r9、经典的非v0、f和sx;外部参数有r1Tx、Ty和Tz。线性标定方法以采用径向约束条件(radialalignmentconstraint)的TsaiRAC两步法为代表,可以精确地获得所需摄像机模型。其中Mab表征两摄像机坐标系的空间位置关系,由旋(4)式即可转矩阵Rab和平移向量Tab组成。联立(3)、求出空间点在左摄像机中的3D坐标为xa=Yb(rab7Xa+rab8Ya+rab9fa)-fb(rab4Xa+rab5Ya+farab6)ya=za=(5)Yb(rab7Xa+rab8Ya+rab9

10、fa)-fb(rab4Xa+rab5Ya+farab6)Yb(rab7Xa+rab8Ya+rab9fa)-fb(rab4Xa+rab5Ya+farab6)3双目视觉传感器数学模型、原理由于摄像机是一个3D到2D的转换模型,所以上式中,需要对Mab中的参数进行标定才能得到3D数据,具体方法可以参考文献4、5。3934基于LCD系统的规则点编码综上所述,3D形面测量的中心任务就是找到空间测量点在左右摄像机中的匹配位置。我们采用了一种基于LCD的规则点空间编码方案,该方案测量速度快,运用基于粗2细匹配方案可获得很高的匹配精度。基于LCD系统的编码原理如图3所示。光学投影系统将可以将LCD的图案投射到

11、被测物上,受被测形面调制成测量图案。LCD经控制系统可以显示出(a)(d)的n次编码图案,形成空间n位二进制编码,则空间上的点可对应唯一的n位二进制编码。如空间P点的编码为0101(P点在黑图案区为编码1,在白图案区为编码0)。左右摄像机中可根据这一编码来粗略确定匹配的空间点。图3LCD编码工作原理示意图Fig.3SchematicdiagramofLCDcodingprocess这样所找到的匹配点只是粗略的(在一个最小的黑块或白块内的点都符合这一编码),在获得图像匹配点的各种方案中,匹配算法的精度是最高的。但是匹配算法的缺陷是数据处理量大,匹配速度慢。匹配算法原理为:假设要在图像a(mn)中

12、找到与模板b(kl)匹配度最高的点。设Va(i)(j)为图像a中第j行第i列点的灰度值。Vb(i)(j)为图像b中第j行第i列点的灰度值。对于图像a中任一点(p,q)都有与模板b的匹配函数值Mpq。则M2020),需3(768-20)(576-20)202次乘法和3(768-20)(576-20)(202-1)次加法。而对于已经经过粗匹配后的LCD图像,可以只在LCD粗编码相同的小范围内进行匹配,一般为4040。在模板相同的情况下(2020),如上式计算量可减少1000多倍,计算量大大减少。最大值所对应的点就是图像a(mn)中与模板b(kl)匹配度pq这种基于粗编码匹配后的细灰度匹配可以有效地

13、解决匹配算法计算复杂的弱点,保持了匹配算法高精度的优点,在我们的测量中取得了极好的效果。最高的点。其中Mpq5实验结果评定实验测量一标准平面块。用LCD投影传感器对其表面进行测量,测量点共680个,如图4(a)所示。所有空间3D点用最小二乘法拟合空间平面,拟合的残余误差如图4(b)所示。最终获得标准平面的平面度测量精度为0.29mm。图4(c)所示为三角网格化后的图像,图4(d)所示为可视化3D图。=6666lklkVa(p+i)(q+j)2j=1i=1Vb(i)(j)Va(p+i)(q+j)j=1i=166lkVb(i)(j)2j=1i=1(6)对于768576的图像进行全局匹配(设模板为光

14、电子激光394图4测量标准平面示意图Fig.4SchematicplanofmeasuringstandardplaneA.SPIEC,2001,4552:2532258.4马颂德,张正文.计算机视觉计算机理论与算法基础M.北京:科学出版社.5RogerYTasi.Aversatilecameracalibrationtechniqueforhigh2accuracy3Dmachinevisionmetrologyusingoff2the2shelfTVcamerasandlensesJ.IEEEJournalofRoboticsandAutomation,1987,RA23(4):3232344.参考文献:1NI.3Dpr2UXiao2bing,LINYu2chi,ZHAOMei2rong,etalofilometrymeasurementusinggratingprojectionandkeytechniquesanalysisJ.J.ofOptoelectronicsLaser(光电子激光),2002,13(9):9832985.(inChi2nese)2MichalMagee,RichardWenig