基于标志点的流动式视觉自定位扫描测量技术研究

对产品原型的三维测量是逆向工程中的首要环节，目前常用的基于激光三角法的扫描测量依赖于三维运动机构，基于光栅投影的测量方式要进行分片测量，然后再进行数据拼接，拼接过程操作复杂且易产生拼接误差。因此，目前对大型工件的现场测量尚无有效手段，基于此本课题提出一种基于标志点的视觉自定位扫描测量方式，以工件上的反光标记点为定位基准，利用双目立体视觉系统同时获取反光标记点和激光光条图像，根据双目视觉模型确定标记点和激光光条上的点在传感器坐标系下的三维数据；利用第一次所获取的标记点建立工件坐标系，将传感器坐标系变换到工件坐标系中，通过建立已确定的反光标记点和当前图像中的标记点的匹配关系，不断将传感器坐标系中的线结构光测量数据转换到工件坐标系中。本课题的意义在于解决了大型物体的现场测量问题，该方法同样可用于中小尺寸的工件测量。其中的线结构光标定方法，以及标记点的匹配方法对本领域的相关研究均具有指导意义。

为解决大尺寸工件的三维外形轮廓现场测量问题，构建了一种流动式三维扫描测量系统。该系统主要包含双目视觉系统和线结构光系统，双目视觉系统对该流动式扫描测量系统进行定位，线结构光系统用来获取物体轮廓信息。为了对该系统定位，将得到的物体轮廓信息转换到同一个基准下，需要建立一个统一坐标系。因此在测量物体之前，首先将圆形标记点任意的贴在被测物体表面，利用Tritop技术预先获取工件上标记点的三维坐标，构成工件坐标系下的已知标记点。然后对双目视觉系统及线结构光系统进行标定，确定系统模型的参数。测量物体时，通过双目视觉系统得到的标记点与坐标系下已知标记点的匹配，完成对系统的实时定位，将线结构光系统每次得到的激光数据转移到工件坐标系下。本项目的关键技术如下：1.图像中圆形标记点的提取。无论系统标定还是测量过程，圆形标记点的提取都是关键。同时为了满足动态测量的实时性，本项目采用隔行隔列的方式扫描图像，对圆形标记点近似定位；然后在此近似区域内搜寻得到像素边缘点，进而细化到亚像素边缘，最后通过拟合椭圆的方式得到圆形标记点的圆心位置。2.系统模型的标定。系统模型的标定是关键点也是难点。测量过程中系统与被测物体的相对位姿是任意的，标定过程中如果没有包含测量所需的基本位姿，容易导致标定结果的片面性。为此，本项目提出了16步标定法，即拍摄16种相对位姿下的靶标，基本涵盖了测量时的所有情况，标定的结果也比较理想。3.传感器得到的标记点与已知标记点的匹配。这是将激光数据转到工件坐标系下的关键一步。本文提出的利用标记点之间的距离关系建立距离网络来匹配标记点的方法。由于标记点是手工任意贴在工件上的，所以在工件坐标系中有且只有一个距离网络与传感器坐标系中的距离网络对应。经多次实验验证，本系统的匹配过程中没有出现过匹配错误的情况，正确率为100%。 .本重要结果包括：1）椭圆标记点的提取方法，激光光条图像处理方法；2）双目立体匹配方法，摄像机标定过程的姿态选择；3）线结构光的建模与标定4）标记点的匹配方法。本项目的科学意义在于解决了大型物体的现场测量问题，而且不受测量空间和测量尺寸的限制，可广泛用于航空航天，造船和汽车等制造行业。其中的椭圆标记点的中心提取方法，双目立体匹配和摄像机标定姿态的选择，线结构光标定方法，以及标记点的匹配方法对视觉测量及相关领域均具有指导意义。