鏡像式單攝像機(jī)立體視覺傳感器對(duì)彈簧幾何尺寸的測(cè)量

鏡像式單攝像機(jī)立體視覺傳感器對(duì)彈簧幾何尺寸的測(cè)量摘要：彈簧零件在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，對(duì)其尺寸、完整性以及表面形貌的檢驗(yàn)是出廠的必須工序。目前使用得最廣泛的測(cè)量方法是使用千分尺等工具直接接觸測(cè)量，很難保證測(cè)量的精度和彈簧零件表面的完整性。采用立體視覺方法，以外徑小于等于80mm的彈簧零件為測(cè)量對(duì)象，開發(fā)了基于雙目視覺測(cè)量原理的測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了鏡像式單攝像機(jī)立體視覺傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)，運(yùn)用數(shù)字圖像和機(jī)器視覺等方法實(shí)現(xiàn)了測(cè)量精度高于0.1mm的彈簧零件的非接觸式測(cè)量。

關(guān)鍵詞 ：立體視覺；攝像機(jī)標(biāo)定；特征提??；立體匹配

中圖分類號(hào)：TN606?34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004?373X（2024）18?0137?04

0引言

彈簧是一種利用彈性來工作的機(jī)械零件，一般用彈簧鋼制成。彈簧零件在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用，常用以控制機(jī)件的運(yùn)動(dòng)、緩和沖擊或震動(dòng)、貯蓄能量、測(cè)量力的大小等，廣泛用于機(jī)器、儀表中，從治療心血管的彈性支架，到汽車上的減震彈簧，彈簧的用途十分廣泛。彈簧零件的幾何特征包括：彈簧絲直徑、彈簧圈外徑、彈簧圈內(nèi)徑、彈簧圈中徑、節(jié)距、螺旋升角和自由長(zhǎng)度等。傳統(tǒng)人工接觸式檢驗(yàn)的方式效率低下并且規(guī)模龐大，對(duì)彈簧金屬零件表面破壞較嚴(yán)重，減少了彈簧零件的有效使用壽命[1]。

雙目立體視覺是計(jì)算機(jī)視覺的一個(gè)重要分支，即由不同位置的兩臺(tái)或者一臺(tái)攝像機(jī)（CCD）經(jīng)過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場(chǎng)景，通過計(jì)算空間點(diǎn)在兩幅圖像中的視差，獲得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。幾何特征測(cè)量是三維測(cè)量中的重要組成部分，而在三維測(cè)量過程中，幾何特征參數(shù)通常也作為一個(gè)重要參數(shù)被反映出來，因而幾何特征參數(shù)的測(cè)量在測(cè)量技術(shù)中也有著重要的地位。圖像是視覺的直觀反應(yīng)，是三維景物的二維投影，但是一幅圖像并不足以反映出三維景物的所有幾何信息，所以需要從不同角度拍攝的兩幅或者多幅圖像才能測(cè)量出其投影面積的大小。

1鏡像式單攝像機(jī)立體視覺傳感器測(cè)量原理

鏡像式單攝像機(jī)立體視覺傳感器的系統(tǒng)基本組成如圖1所示。該系統(tǒng)組成部分包括計(jì)算機(jī)、圖像采集卡、攝像機(jī)和平面鏡系統(tǒng)。其中，兩片平面鏡按一定的角度組成了平面鏡系統(tǒng)，放置于攝像機(jī)的正前方，兩平面鏡交線和攝像機(jī)光軸垂直相交。被測(cè)物體通過M1反射后成像于攝像機(jī)的左半像面，同樣，物體通過M2反射后成像于攝像機(jī)的右半平面，通過該系統(tǒng)可以獲得一張包含兩部分的圖像，相當(dāng)于平面鏡鏡像出兩個(gè)視場(chǎng)減半的虛擬攝像機(jī)，兩個(gè)虛擬攝像機(jī)從不同的角度同時(shí)對(duì)物體拍攝。這就是鏡像式單攝像機(jī)立體視覺傳感器的基本測(cè)量原理。

2鏡像式單攝像機(jī)設(shè)計(jì)

2.1立體視覺傳感器設(shè)計(jì)

首先對(duì)鏡像式單攝像機(jī)立體視覺傳感器分析其幾何模型，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)已知被測(cè)物體的大體尺寸，按照成像原理和鏡面與光線的幾何規(guī)律計(jì)算出測(cè)量系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，主要有鏡頭焦距、平面鏡夾角、平面鏡夾角、平面鏡尺寸和攝像機(jī)到平面鏡的距離等。再采用SolidWork2024軟件完成鏡像式單攝像頭立體視覺傳感器平臺(tái)的電子圖紙的繪制工作，正確的標(biāo)定系統(tǒng)參數(shù)，達(dá)到可以成功獲取三維立體視覺圖像的要求。在初步計(jì)算出鏡像式單攝像機(jī)立體視覺傳感器的相關(guān)參數(shù)后，在軟件上進(jìn)行電子三維圖紙的繪制，嚴(yán)格按照計(jì)算出的參數(shù)和相關(guān)的光源要求進(jìn)行了組合，如圖2所示。

2.2攝像機(jī)標(biāo)定

鏡像式單攝像機(jī)立體視覺傳感器的設(shè)計(jì)工作完成之后，首要的任務(wù)是標(biāo)定攝像機(jī)。鏡像式單攝像機(jī)立體視覺傳感器系統(tǒng)主要是基于三角法原理進(jìn)行測(cè)量的，即兩個(gè)虛擬的攝像機(jī)的圖像平面和被測(cè)物體之間構(gòu)成一個(gè)三角形。已知兩個(gè)虛擬攝像機(jī)之間的位置關(guān)系，便可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)虛擬攝像機(jī)之間的公共視場(chǎng)之內(nèi)物體的三維尺寸及空間特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。而只有通過攝像機(jī)的標(biāo)定，才可以獲得兩個(gè)虛擬攝像機(jī)之間的位置關(guān)系，才可以獲得攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)。本項(xiàng)目的攝像機(jī)標(biāo)定采用的是基于Matlab的CalibrationToolbox工具箱，采用自由移動(dòng)二維平面靶標(biāo)法。用已設(shè)計(jì)的傳感器拍攝了15張不同位置的方格靶標(biāo)，通過基于Matlab的Cali?brationToolbox工具箱進(jìn)行標(biāo)定。利用工具箱的讀入圖像、提取角點(diǎn)和開始標(biāo)定三個(gè)過程，可以獲得攝像機(jī)的一些內(nèi)部參數(shù)，如表1所示的焦距、主點(diǎn)坐標(biāo)、畸變參數(shù)和重投誤差等。

2.3彈簧圖像的邊緣檢測(cè)

邊緣檢測(cè)主要的目的是檢測(cè)圖像中亮度顯著變化的點(diǎn)。這些亮度顯著變化的點(diǎn)往往反映了圖像的重要屬性和特征，這些屬性和特征就包括了深度的不連續(xù)、表面方向的不連續(xù)、物質(zhì)屬性的變化和場(chǎng)景照明的變化等。Canny邊緣檢測(cè)算子是JohnF.Canny于1986年開發(fā)出來的一個(gè)多級(jí)邊緣檢測(cè)算法，經(jīng)過降噪，尋找圖像中的亮度梯度，圖像中跟蹤邊緣。

直接對(duì)該圖像進(jìn)行Canny算子邊緣檢測(cè)的效果圖如圖3所示?？梢钥吹剑吘墮z測(cè)十分的混亂，背景的花紋噪音嚴(yán)重影響到邊緣檢測(cè)的效果。

對(duì)圖3進(jìn)行基于高斯濾波的圖像平滑處理，由于圖像背景的花紋紋理比較清晰，對(duì)邊緣檢測(cè)影響較大，所以多次使用基于高斯濾波的圖像平滑處理，經(jīng)過多次研究，分別采用2次，5次，7次，10次和15次高斯濾波處理，如圖4所示。隨著基于高斯濾波的平滑處理次數(shù)增多，相對(duì)應(yīng)的邊緣檢測(cè)的效果越好，但邊緣提取的準(zhǔn)確程度會(huì)下降。因此基于高斯濾波的平滑處理次數(shù)控制在10~15次之間，既保證了邊緣檢測(cè)的精確度，又消除了背景噪聲的影響。

3彈簧綜合幾何參數(shù)的視覺測(cè)量算法

3.1鏡像式單攝像機(jī)立體視覺傳感器數(shù)學(xué)模型先建立一個(gè)單攝像機(jī)立體視覺傳感器模型，如圖5所示。根據(jù)已經(jīng)建立的單攝像機(jī)立體視覺傳感器的測(cè)量模型，在已知攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和鏡頭畸變系數(shù)，以及兩個(gè)虛擬攝像機(jī)的位置關(guān)系的情況下，可以根據(jù)被測(cè)點(diǎn)在左右圖像坐標(biāo)系下的二維坐標(biāo)求得其在測(cè)量坐標(biāo)下的三維坐標(biāo)。

首先獲得空間點(diǎn)P在左右兩半邊圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)P1，P2點(diǎn)的畸變圖像坐標(biāo)Pd1和Pd2，并通過式（1）進(jìn)行畸變校正，獲得無畸變圖像坐標(biāo)Pu1和Pu2，然后通過式（2）計(jì)算P1′和P2′的歸一化坐標(biāo)Pn1和Pn2，最后由式（3）計(jì)算轉(zhuǎn)換為P點(diǎn)在測(cè)量坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)（xc1，yc1，zc1）T：

3.2單攝像機(jī)立體視覺的極線幾何模型

由傳感器數(shù)學(xué)模型計(jì)算可知，首先要獲得空間點(diǎn)在左右兩邊圖片對(duì)應(yīng)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)才能計(jì)算出該空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，因?yàn)槭褂脝螖z像機(jī)立體視覺傳感器進(jìn)行測(cè)量的關(guān)鍵是左右兩半邊圖像中特征點(diǎn)的匹配。

本項(xiàng)目特征點(diǎn)匹配采用的是以基于極線的特征點(diǎn)匹配為主，立體匹配約束為輔的匹配方法，單攝像機(jī)立體視覺傳感器的極線幾何模型，如圖6所示。

圖6中，DE1和DE2是P點(diǎn)在左右平面的投影點(diǎn)P1和P2所對(duì)應(yīng)的極線，記DE1為l1，記DE2為l2。將極線約束采用解析式的形式表示為：

l2=FPu1（4）

l1=FTPu2（5）

式中：F為基本矩陣，是極線幾何的一種代數(shù)形式；Pu1和Pu2是左右圖像去畸變坐標(biāo)。

如果已知兩虛擬攝像機(jī)的內(nèi)參矩陣A1，A2以及兩個(gè)虛擬攝像機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T，則有：

式中S為反對(duì)稱矩陣，它由平移矢量定義為：

所以，式（7）還可以表示為：

可以看出，基本矩陣F實(shí)際上包括了單攝像機(jī)立體視覺傳感器的所有參數(shù)，即兩虛擬攝像機(jī)內(nèi)參A1，A2和兩虛擬攝像機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)R和T。這表明，基本矩陣只和單攝像機(jī)立體視覺傳感器的參數(shù)有關(guān)，與外部場(chǎng)景無關(guān)，是單攝像機(jī)立體視覺內(nèi)在的一種約束關(guān)系。

4彈簧綜合幾何參數(shù)的視覺測(cè)量結(jié)果

彈簧綜合幾何參數(shù)的視覺測(cè)量方法選用的相機(jī)為大恒DH?HV1505UM攝像機(jī)，鏡頭為焦距為12mm的Computar鏡頭搭建成了單攝像機(jī)立體視覺傳感器。

彈簧綜合幾何參數(shù)的視覺測(cè)量項(xiàng)目采用32位Win?dows7旗艦版SP1操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)中央處理器為IntelCOREi3M350，計(jì)算機(jī)中央處理器主頻為2.70GHz，計(jì)算機(jī)內(nèi)存為2GB（三星DDR31067MHz）。開發(fā)環(huán)境為MicrosoftVisualStudio2024。程序采用面向?qū)ο蟮腣C++編譯，使用了計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)OpenCV（OpenSourceComputerVisionLibrary），版本為2.0實(shí)現(xiàn)程序中的圖像處理。

4.1彈簧綜合幾何參數(shù)的視覺測(cè)量方法的程序界面彈簧綜合幾何參數(shù)的視覺測(cè)量方法的程序界面如圖7所示。

4.2彈簧綜合幾何參數(shù)的視覺測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過不同彈簧的綜合幾何參數(shù)測(cè)量，獲得的測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

5結(jié)語

彈簧綜合幾何參數(shù)的視覺測(cè)量系統(tǒng)精確度大于0.5mm，實(shí)驗(yàn)精度比較理想，但是相比較于同類型的測(cè)試系統(tǒng)，精度還有待提高。誤差主要存在于圖像邊緣提取、特征匹配等步驟中，進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)的精度是下一步的主要目標(biāo)。運(yùn)用雙目視覺技術(shù)完成彈簧金屬零件的幾何特征測(cè)量相比較于人工的檢測(cè)效率更高，可靠性更強(qiáng)，不需要輔助工具（千分尺、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等），對(duì)零件破壞程度大大降低。

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