基于雙目立體視覺的三維信息快速大尺度測(cè)量系統(tǒng)

楊巍

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所 河南 鄭州450015）

基于雙目立體視覺的三維信息快速大尺度測(cè)量系統(tǒng)

楊巍

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所 河南 鄭州450015）

機(jī)器視覺智能檢測(cè)是一個(gè)全新的市場(chǎng)，它越來越廣泛的應(yīng)用到國(guó)內(nèi)外的高端產(chǎn)品生產(chǎn)線。本文描述了一種可應(yīng)用于復(fù)雜曲面快速自動(dòng)檢測(cè)的雙目立體機(jī)器視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用空間解析幾何坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法建立待檢測(cè)物體坐標(biāo)系。采用Ferguson曲面模擬物體形狀，應(yīng)用參數(shù)樣條曲線、空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等方法，實(shí)現(xiàn)快速的橫向、縱向成型測(cè)量，本文還簡(jiǎn)要闡述了該系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)和軟件控制流程。

雙目立體視覺；光平面方程；調(diào)焦機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)控制器

高端制造技術(shù)是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)顯示工業(yè)發(fā)達(dá)與否的關(guān)鍵，制造設(shè)備大體上分為生產(chǎn)設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備兩大類，而精密檢測(cè)設(shè)備又處于工業(yè)鏈的前端，是制造廠家生產(chǎn)過程不可缺少的工具，是制造的眼睛。測(cè)試設(shè)備已發(fā)展成為制造設(shè)備的一部分，集成到加工設(shè)備上，如焊接機(jī)器人中的視覺引導(dǎo)、車身三維尺寸測(cè)量站等。先進(jìn)制造的發(fā)展需要新的測(cè)試技術(shù)：非接觸、快速、高精度、在線（現(xiàn)場(chǎng)）。設(shè)備工業(yè)的空白是制約中國(guó)高端制造工業(yè)發(fā)展、升級(jí)的一個(gè)最重要因素。發(fā)展中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端精密檢測(cè)設(shè)備工業(yè)，既是中國(guó)工業(yè)發(fā)展的邏輯結(jié)果，也將是工業(yè)新一輪發(fā)展的動(dòng)力源泉。

文中所描述的三維信息快速大尺度測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、振鏡和激光線投射器組成的，以光學(xué)三角測(cè)量法為基礎(chǔ)，對(duì)測(cè)量物體查找定位點(diǎn)，進(jìn)行三維坐標(biāo)定位。之后將三維定位點(diǎn)的數(shù)據(jù)在攝像機(jī)生成的圖像內(nèi)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，之后振鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，激光束逐個(gè)點(diǎn)進(jìn)行掃描，勾勒出振鏡視場(chǎng)內(nèi)的激光平面，多個(gè)激光平面構(gòu)成光平面方程和圖像數(shù)據(jù)組合，即可比對(duì)出被測(cè)物體的三維信息數(shù)據(jù)。

1 基于雙目立體視覺的實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，攝像機(jī)1和攝像機(jī)2相對(duì)位置固定，與被測(cè)物構(gòu)成三角形，被測(cè)物在兩像面上形成立體像對(duì)，根據(jù)匹配的像點(diǎn)，依據(jù)立體視差（Stereo Disparity）原理來獲取被測(cè)物體的三維輪廓。

1.1 三維測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

三維信息測(cè)量系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)光三角測(cè)量法為基礎(chǔ)，由平面激光投射器和振鏡構(gòu)成的光源以射線狀投射到被測(cè)物體上，CCD攝像機(jī)會(huì)拍下光平面的重疊投影區(qū)，CCD攝像機(jī)內(nèi)置有結(jié)構(gòu)光圖像傳感器，可采集各條不規(guī)則激光反射線條。

圖1 雙目立體視覺測(cè)量示意圖

平面激光投射器發(fā)出的光源以一個(gè)扇形平面發(fā)散開，扇形平面經(jīng)振鏡發(fā)射后形成數(shù)個(gè)光平面，光平面與被測(cè)物體相交形成很多光柱條，CCD攝像機(jī)勾勒出視場(chǎng)內(nèi)的光條的數(shù)量和位置。根據(jù)光學(xué)投影定理，可計(jì)算出光平面經(jīng)過的三維坐標(biāo)。隨著振鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，激光束在整個(gè)區(qū)域反復(fù)掃描，反射的光條在區(qū)域內(nèi)自動(dòng)識(shí)別，經(jīng)過計(jì)算還原即可讀出視場(chǎng)內(nèi)物體的立體形狀。

掃描過程如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)原理圖

1.2 攝像機(jī)測(cè)量建模

攝像機(jī)測(cè)量過程建模是將攝像機(jī)的二維平面成像的像素點(diǎn)（m，u）與被測(cè)物體的三維坐標(biāo)點(diǎn)（x，y，z）的位置關(guān)系通過建模建立起數(shù)學(xué)對(duì)應(yīng)關(guān)系，使平面像素點(diǎn)（m，u）方便的與三維坐標(biāo)（x，y，z）進(jìn)行映射和演化。根據(jù)攝像機(jī)的小孔成像原理進(jìn)，模型建立過程如下：以光的投射方向?yàn)閦軸建立三維坐標(biāo)，則被測(cè)物體的空間坐標(biāo)（x，y，z）可知。攝像機(jī)成像的像面建立在XO′Y二維平面，O′為光軸與攝像機(jī)成像面的交點(diǎn)，f是系統(tǒng)成像的焦距。

由空間矩陣的位置轉(zhuǎn)化關(guān)系可求得二維平面像素點(diǎn)（m，u）與被測(cè)物體的三維坐標(biāo)點(diǎn)（x，y，z）的位置關(guān)系，其變換式如下：

圖3 攝像機(jī)測(cè)量模型

其中，（Mx，Ny）為圖像平面上單位距離像素點(diǎn)數(shù)，可由攝像機(jī)給定參數(shù)換算得到；主點(diǎn)μ0，u0。可由攝像機(jī)像素參數(shù)確定；鏡頭焦距f為待求參數(shù)。

1.3 光平面方程的確定:

建立的振鏡坐標(biāo)系如圖4所示，光面方程為：z= f（x，y），原點(diǎn)O位于振鏡轉(zhuǎn)軸上與攝像機(jī)鏡頭光心等高處，xw與振鏡轉(zhuǎn)軸重合，方向垂直于紙面向里，yw與y平行，zw與z平行。

圖4 振鏡坐標(biāo)系

1）根據(jù)入射光面方程與鏡面方程計(jì)算得反射光面方程為：

式中，A，B，C，D與a，b，c，d為入射光面方程與鏡方程參數(shù)，為待確定參數(shù)。

2）假設(shè)從振鏡坐標(biāo)系owxwywzw到攝像機(jī)坐標(biāo)系Oxyz的RT變換為：

將反射光面方程進(jìn)行RT轉(zhuǎn)化，為：

式中：旋轉(zhuǎn)矩陣R—正交矩陣；T—平移矢量，分別表示xw、yw、zw坐標(biāo)軸在Oxyz坐標(biāo)系中的單位方向矢量。

2 運(yùn)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)

該運(yùn)動(dòng)控制器以TMS320LF2407 DSP為控制核心，附帶有供電模塊、外部閃存擴(kuò)展電路、CAN通信總線接口電路、脈沖量轉(zhuǎn)換電路、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路等外圍電路。此外還設(shè)計(jì)有：控制電路模塊、光電隔離單元、功率放大單元、通信接口等模塊。運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā)板實(shí)物如圖5所示。

該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)控制，分別為X、Y、Z三軸向。X、Y主要用于實(shí)現(xiàn)鏡頭的切換動(dòng)作，需完成水平方向、軸向、圓弧環(huán)線等運(yùn)動(dòng)。Z軸用于實(shí)現(xiàn)顯微鏡鏡頭的軸向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)快速對(duì)焦。在接收到上位機(jī)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令后，3個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)同步進(jìn)行，不同軸向之間由獨(dú)立的DSP指令實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖6所示：

控制系統(tǒng)將X、Y、Z 3軸分別獨(dú)立成單個(gè)軸向的子控制器，由X軸向的子控制器通過SCI串行通信接口與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)命令的接收，同時(shí)向上位機(jī)反饋當(dāng)前平臺(tái)所運(yùn)行實(shí)際的坐標(biāo)位置代碼；對(duì)下他通過CAN口向另外的Y軸、Z軸控制器轉(zhuǎn)發(fā)上層控制指令同時(shí)接受Y，Z軸平臺(tái)的當(dāng)前位置狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

3 系統(tǒng)平臺(tái)軟件流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)平臺(tái)的控制方式依托硬件平臺(tái)而設(shè)計(jì)，控制部件有主控制器和從控制器兩部分。

主控制器需要以串口通訊協(xié)議與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)的操控指令，與從控制器通訊，獲得從動(dòng)控制器的偏差反饋信號(hào)，并再次執(zhí)行，動(dòng)態(tài)誤差比較，圖7為主控制器工作流程。從動(dòng)控制器用于實(shí)時(shí)讀取Y，Z軸在平臺(tái)所處的位置信息，靜默等待主控制器的控制指令，在主控制器發(fā)出讀取位置指令后第一時(shí)間傳送數(shù)據(jù)，從動(dòng)控制器還執(zhí)行CAN口的信息發(fā)送和指令的接收任務(wù)，圖8為從動(dòng)控制器工作流程。

圖7 主控制器工作流程

圖8 從動(dòng)控制器工作流程

為了解決對(duì)焦鏡頭在接近目標(biāo)位置發(fā)生的系統(tǒng)震蕩而產(chǎn)生抖動(dòng)的問題，我們采用曲線修正來逼近目標(biāo)位置的方法，根據(jù)不同的采樣周期，用PID模糊函數(shù)模擬出數(shù)學(xué)曲線進(jìn)行位置逼近，如圖8所示，根據(jù)位置的偏離程度，在范圍內(nèi)分段使用比例控制直線和積分控制曲線，如果電機(jī)有過沖則立刻使電機(jī)回轉(zhuǎn)并停機(jī)，防止電機(jī)在臨界點(diǎn)產(chǎn)生抖動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器視覺智能檢測(cè)作為一個(gè)全新的市場(chǎng)，它越來越廣泛的應(yīng)用到國(guó)內(nèi)外的高端產(chǎn)品生產(chǎn)線。國(guó)家“十二五”規(guī)劃綱要把“提高自主創(chuàng)新能力”提到國(guó)家戰(zhàn)略的高度，強(qiáng)調(diào)“按照走新型工業(yè)化道路要求，提出“振興重大技術(shù)裝備”、“努力突破核心技術(shù)，提高重大技術(shù)裝備研發(fā)設(shè)計(jì)、核心元器件配套、加工制造和系統(tǒng)集成的整體水平”。

文中所述的雙目立體機(jī)器視覺系統(tǒng)，可應(yīng)用于復(fù)雜曲面快速檢測(cè)，符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，屬于朝陽(yáng)行業(yè)。裝置集光機(jī)電一體化，整合了光電測(cè)量技術(shù)、視覺測(cè)量技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，能高效率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，可充分利用各種資源，具有十分顯著的社會(huì)效益。

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Three dimensional fast and large scale information measurement system based on binocular stereo vision

YANG Wei
（The 713th Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Zhengzhou 450015，China）

Machine vision intelligent detection is a new market，it is more and more widely applied to the production line of high-end products at home and abroad.This paper describes a binocular stereo vision system which can be applied to the rapid and automatic detection of complex surfaces.By Ferguson's simulation of surface shape of the object，using parametric spline curves，space coordinate conversion method to achieve rapid lateral and longitudinal forming measurement.This paper also briefly describes the hardware implementation of the system and software control flow.

binocular stereo vision；light plane equation；focusing mechanism；motion controller

TN273

：A

：1674－6236（2017）06-0190-04

2016-03-19稿件編號(hào)：201603251

楊 巍（1985—），男，河南周口人，碩士，助理工程師。研究方向：電氣系統(tǒng)控制、電機(jī)拖動(dòng)。