王喜華

【摘 要】在對(duì)小工件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，很多傳統(tǒng)的測(cè)量方式都存在不同程度的測(cè)量速度慢、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高等問(wèn)題，線結(jié)構(gòu)光法與雙目視覺測(cè)量法都屬于非接觸式測(cè)量法，但其也存在一定的缺陷。本文將兩種測(cè)量方式相結(jié)合，對(duì)小工件進(jìn)行測(cè)量。其中雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)由一個(gè)激光發(fā)射器和兩個(gè)CCD攝像頭構(gòu)成，同時(shí)還需要兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱的光測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)小工件進(jìn)行測(cè)量后結(jié)果表明，兩種測(cè)量方式相結(jié)合不僅彌補(bǔ)了單純的雙目視覺系統(tǒng)存在的空間定位不便、單次測(cè)量數(shù)據(jù)較少以及對(duì)曲面測(cè)量效果不佳等缺點(diǎn)，而且更加便捷、操作更加簡(jiǎn)單，測(cè)量的適用性范圍也很廣，且測(cè)量誤差相對(duì)較小，在1mm以下。

【關(guān)鍵詞】小工件；雙目便攜式；三維掃描

傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方式一般都具有測(cè)量速度慢、測(cè)量精度低、測(cè)量效率不高等缺點(diǎn)，而且測(cè)量時(shí)需要與工件相接觸，因此對(duì)于軟質(zhì)物體或者具有彈性的物體測(cè)量效果往往較差，而且由于接觸很容易導(dǎo)致精密物體的表面受到損壞，其中比較典型的例子就是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)即CMM測(cè)量方法[1]。在現(xiàn)代工業(yè)的測(cè)量領(lǐng)域，傳統(tǒng)的這些測(cè)量方式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化制造業(yè)發(fā)展的整體需要，因此非接觸式測(cè)量逐漸被開發(fā)出來(lái)，其中包括結(jié)構(gòu)光法、立體視覺法、雙目或多目視覺法、相位光柵法等等。

由于雙目視覺測(cè)量需要對(duì)其進(jìn)行雙目立體匹配，因此對(duì)于工件表面一些過(guò)分復(fù)雜的部分或者特征不太明顯的曲面上的紋理來(lái)說(shuō)，很難獲取其三維坐標(biāo)點(diǎn)的信息。而對(duì)于線結(jié)構(gòu)光法來(lái)說(shuō)，雖然其具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快而且是非接觸式等優(yōu)點(diǎn)，但是每次測(cè)量只能獲取部分坐標(biāo)信息，不僅操作過(guò)于復(fù)雜，而且單次測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)較少，要想完成空間定位還需要與電磁感應(yīng)器之間進(jìn)行配合。

一、雙目便攜式三維掃描測(cè)量小工件的工作原理

該掃描系統(tǒng)是由一個(gè)線激光器以及兩個(gè)CCD相機(jī)組成，兩個(gè)相機(jī)呈左右分布，再由線激光器與其構(gòu)成兩個(gè)線結(jié)構(gòu)的光測(cè)量系統(tǒng)，在對(duì)小工件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，周圍會(huì)存在一些人為設(shè)計(jì)的標(biāo)記點(diǎn)[2]。當(dāng)軟件的處理對(duì)象是一個(gè)連續(xù)的圖像幀時(shí)，雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)可以計(jì)算在每一圖偵動(dòng)態(tài)坐標(biāo)下的標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)。由于標(biāo)志點(diǎn)具備的空間不變性，可以獲得在這一時(shí)刻的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)逐漸移動(dòng)到基準(zhǔn)坐標(biāo)系下所生成的變換矩陣。在該動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系下，每一個(gè)圖像幀下在激光線上的點(diǎn)的三維坐標(biāo)由每一個(gè)光線結(jié)構(gòu)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量及計(jì)算，然后將獲得的變換矩陣由雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)的坐標(biāo)系。由于兩個(gè)線結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)可以起到為彼此的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正的作用，因此可以有效減小測(cè)量誤差。

（一）雙目視覺系統(tǒng)的工作原理

通過(guò)成像系統(tǒng)使攝像機(jī)將三維空間直接投影在二維的平面上，以此實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)模型的成像變換，一般攝像機(jī)模型有非線性模型和針孔模型即線性模型兩種。在計(jì)算機(jī)內(nèi)，CCD相機(jī)所采集的數(shù)字圖像以M×N的數(shù)組形式所表示，每一個(gè)數(shù)組值就為一個(gè)像素。如果利用針孔成像模式，在投影矩陣已知的情況下，可以較容易的求出其對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo)，但是如果已知圖像坐標(biāo)，在將比例因子進(jìn)行消除之后就只能得到兩個(gè)線性方程，而兩個(gè)線性方程還不足以求出整個(gè)空間坐標(biāo)。這時(shí)候就可以通過(guò)在一個(gè)坐標(biāo)系下設(shè)置雙相機(jī)的雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)來(lái)得到四個(gè)線性方程，最終獲得圖像坐標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

（二）線結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的工作原理

線結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)測(cè)量出的數(shù)據(jù)精度相對(duì)較高，因此利用其測(cè)量機(jī)光線上的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。單個(gè)攝像機(jī)可獲得兩個(gè)線性方程，激光平面的點(diǎn)也有其特定的方程，而這些方程即為線結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)對(duì)所有空間點(diǎn)的約束條件，再通過(guò)相關(guān)計(jì)算過(guò)程即可求得所有世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)，旋轉(zhuǎn)平移矩陣可以通過(guò)雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)來(lái)求出，并將其轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系之下，通過(guò)處理每一幀激光線上的點(diǎn)坐標(biāo)，最后即可獲得被測(cè)工件表面的所有云數(shù)據(jù)。

二、測(cè)量過(guò)程及結(jié)果分析

（一）標(biāo)定過(guò)程

所有工件在測(cè)量之前都需要根據(jù)系統(tǒng)的標(biāo)定原理對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，這樣才可以獲得左右激光平面的方程以及左右兩個(gè)攝像頭的投影矩陣[3]。理論上來(lái)說(shuō)，左右兩個(gè)相機(jī)其光平面系數(shù)應(yīng)該是完全一致的，但由于圖像獲取時(shí)可能產(chǎn)生噪聲或者不同硬件之間存在差異、激光中心的提取精度、特征點(diǎn)選取為隨機(jī)性且數(shù)量較少等因素，因此系數(shù)會(huì)存在一定的差異。

（二）三維掃描實(shí)驗(yàn)

在獲得了左右兩激光平面方程以及左右兩相機(jī)的投影矩陣后，可采用三維掃描技術(shù)對(duì)小工件進(jìn)行掃描來(lái)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于雙目視覺系統(tǒng)與左右兩個(gè)線結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)是分別獨(dú)立的系統(tǒng)，因此掃描后獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)也分為左右兩個(gè)系統(tǒng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。又因?yàn)槠涠冀⒃谕粋€(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)坐標(biāo)系下，因此雖然掃描的數(shù)據(jù)分左右系統(tǒng)但依然可以綜合到一起[4]。

因此，小工件的尺寸信息可以通過(guò)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)獲得，另一種方式就是重建小工件的三維立體模型。以鼠標(biāo)為例進(jìn)行試驗(yàn)后可知，即使其有些曲面部位紋理特征不明顯，其三維坐標(biāo)信息依然可以順利獲得，從而彌補(bǔ)了雙目視覺這一測(cè)量方式所存在的缺陷，達(dá)到了試驗(yàn)的目的。

（三）三維測(cè)量試驗(yàn)

為了驗(yàn)證最終所獲數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度，以一元硬幣為例使用本文系統(tǒng)對(duì)其尺寸進(jìn)行測(cè)量，再以標(biāo)準(zhǔn)正值為準(zhǔn)將所測(cè)結(jié)果與其進(jìn)行比較，以此來(lái)判斷最終測(cè)得的精度是否符合要求。根據(jù)最終的測(cè)量結(jié)果可知，所測(cè)得的大部分?jǐn)?shù)據(jù)其測(cè)量誤差都在正負(fù)1mm以內(nèi)，并且測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差都在1%以內(nèi)，由此可見，該系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)的測(cè)量精度來(lái)說(shuō)是滿足要求的[5]。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，在對(duì)小工件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，采用雙目便攜式三維掃描方式進(jìn)行測(cè)量的相對(duì)比較少見。該方式一傳統(tǒng)的利用電磁傳感器來(lái)對(duì)空間進(jìn)行定位的方式不同，與CMM以及超聲測(cè)量方式相比又具有成本低、方便快捷等優(yōu)勢(shì)。

雖然單獨(dú)使用雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)，其單次采集的數(shù)據(jù)量較大，適用于通過(guò)三維掃描技術(shù)進(jìn)行識(shí)別、理解以及分析等，使用方式也相對(duì)便捷，但由于其過(guò)分依賴被測(cè)物體的紋理特征，導(dǎo)致在曲面較為復(fù)雜或者曲面紋理特征不明顯的表面會(huì)很難測(cè)出其三維坐標(biāo)點(diǎn)。而單獨(dú)使用線結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)雖然測(cè)量速度很快且測(cè)量精度較高，但由于該方式非常受光源的約束，因此單次測(cè)量獲取的信息量非常小，而且需要解除電磁傳感器來(lái)對(duì)空間進(jìn)行定位。本文綜合了以上兩種測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)雙目視覺系統(tǒng)進(jìn)行定位，再利用線結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)對(duì)工件進(jìn)行精確測(cè)量，這樣一來(lái)就可以將工件表面信息不斷進(jìn)行完善，最終不依賴任何固定測(cè)量平臺(tái)就可以測(cè)量出工件的尺寸，因此前景一片大好。

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（作者單位：遼寧省交通高等?？茖W(xué)校）