一种基于双目视觉的非接触式六自由度位移测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于双目视觉的非接触式六自由度位移测量方法。首先，设计二维编码序列并生成棋盘编码，将棋盘编码固定在待测物体表面得到待测圆柱体；然后，对双目相机的内外参数进行标定；然后，分别对左右相机拍摄所得的两组图像的目标进行分割，并提取出目标的特征角点；然后，基于相机的内外参数矩阵及成像模型，将特征角点的二维图像坐标转换为三维世界坐标；最后，对特征角点组的三维坐标点进行圆柱拟合，并计算出圆柱平动及转动信息，最后计算获得六自由度位移信息。本发明专利技术无需接触目标，只需要利用左右相机拍摄的两组输入图像中目标物体的特征点的信息便可计算出平动、转动等六自由度信息。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双目视觉的非接触式六自由度位移测量方法
本专利技术涉及一种基于双目视觉的非接触式六自由度位移测量方法。
技术介绍
在传统的位移测量技术架构中，通常是使用多自由度检测平台或是坐标测量机进行测量。坐标测量机是对工件轮廓、形位尺寸等进行测量的主要通用仪器。由于自由度检测平台的结构复杂、系统庞大、价格昂贵、且需要与被测物体直接接触，其应用场景受到限制。因此亟需开发一种高性能、高性价比的非接触式位移测量方法,以代替多自由度检测平台,以便在多种场景下都可较为便利地适用。基于视觉的位移测量方法是建立在用数字图像处理技术上的一种非接触式测量方法，可取代传统的、在工作基准面上由驱动机构和光栅尺构成的驱动和定位的体系，具有灵活、高性价比的特点。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提供一种基于双目视觉的非接触式六自由度位移测量方法，只需要在待测物体表面贴上二维编码筒，并利用左右相机拍摄的两组输入图像中目标物体的特征点信息便可计算出位移、旋转角度等六自由度位移信息。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于双目视觉的非接触式六自由度位移测量方法，包括以下步骤：步骤S1：设计二维编码序列并生成棋盘编码，将棋盘编码固定在待测物体表面得到待测圆柱体；步骤S2：安装好双目相机，并对双目相机的内外参数进行标定；步骤S3：通过双目相机采集待测圆柱体图像，然后对此图像分别进行圆柱体目标分割，在分割的基础上，提取目标中特征角点的二维图像坐标；步骤S4：基于双目相机的内外参数矩阵及相机成像模型，将特征角点的二维图像坐标转换为三维世界坐标；步骤S5：对特征角点的三维世界坐标进行圆柱拟合，并计算出圆柱中心点及方向向量，以获取待测物体的平动及转动信息，即六自由度位移信息。进一步的，所述步骤S3具体为：步骤S31：对待测圆柱体进行双目图像采集获得iml1，imr1，iml2，imr2；步骤S32：根据双目相机采集的图像中，自动分割出目标xl1、xr1和xl2、xr2；步骤S33：对分割出的目标xl1、xr1和xl2、xr2进行特征角点提取，获得各自特征角点的图像二维坐标xl11，…，xl1n、xr11，…，xr1n以及xl21，…，xl2n、xr21，…，xr2n，且构成的二维坐标集Xl1、Xr1和Xl2、Xr2；步骤S34：对图像二维坐标集Xl1，Xr1和Xl2，Xr2进行棋盘格约束的优化，生成最终二维坐标集Yl1、Yr1和Yl2、Yr2；步骤S35：利用灰度阈值还原出二值编码信息B1、B2。进一步的，所述步骤S4具体为：步骤S41：双目标定获得双目相机内参Mleft、Mright、外参矩阵H；步骤S42：根据得到的相机内外参数矩阵，利用二维坐标集Yl1、Yr1和Yl2、Yr2重构出三维世界坐标集G1和G2；步骤S43：对离散的三维世界坐标集G1和G2进行直线约束的优化，生成坐标集group1和group2。进一步的，所述步骤S5具体为：步骤S51：根据得到的二值编码B1和B2，判断出坐标集group1和group2中存在的公共特征角点的坐标集g1和g2；步骤S52：利用坐标集group1和group2各自进行圆柱拟合，可得到两者的中心坐标C1、C2和半径R1、R2，及方向向量V1，V2；步骤S53：利用中心坐标C1、C2进行差值计算可获得位移信息，同时，利用方向向量V1，V2，并根据旋转矩阵转欧拉角公式可计算出旋转的欧拉角。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术处理六自由度位移信息时，只需要利用双目相机拍摄的两组输入图像中目标物体的特征点的信息便可计算出位移、旋转角度等自由度信息，测量装置设备无需直接接触目标物体，在旋转运动的情况下、即便出现遮挡的情况下也可适用。本方法易于操作实现，可通过较少的参数调节来应对不同的需求。附图说明图1是本专利技术总体流程图。图2是本专利技术一实施例六自由度位移测量示意图。图3是本专利技术一实施例的二值编码圆柱筒示意图。图4是本专利技术一实施例的目标分割流程示意图。图5是本专利技术一实施例的角点检测流程示意图。图6是相机坐标系、图像坐标系、像素坐标系、世界坐标系四种坐标系间的关系图。图7是本专利技术一实施例重建的带特征点的目标圆柱图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。请参照图1，图2本专利技术提供一种基于双目视觉的非接触式六自由度位移测量方法，图1，图2为本专利技术实施示例，包括以下步骤：步骤S1：设计二维编码序列并生成棋盘编码，并在待测物体表面固定为棋盘编码筒。将不重复的二进制编码贴于圆柱体表面，以编码代表圆柱体表面位置信息，获得圆柱体C；为了使用特定可用的信息来代表滚动物体的表面位置，设计了一种带有明显特征角点的编码筒，这种编码筒是在圆柱体表面使用没有重复的二值编码来代表圆柱表面位置信息。除了本专利技术的二值编码，也可以换成其他二值编码。如图3所示，用白格代表0，黑格代表1，一个编码可以对应一排黑白格，两个相邻编码构成的黑白格之间会具有明显的角点，我们取这些点作为目标的特征角点。由于二值编码的无重复性，使用某一个编码可表示圆柱体表面的某一特定位置。在旋转与移动中，可根据双目摄像机捕获的前后两组图像中目标物体上公共特征点的变化得出圆柱体的旋转与位移信息。步骤S2：对双目相机的内外参数进行标定；步骤S3：根据标定后的双目相机对圆柱体进行图像采集，然后分别对双目相机拍摄所得圆柱体的两组图像的目标进行分割，并提取出目标的特征角点的二维图像坐标；步骤S31：对圆柱体C进行双目图像采集获得iml1，imr1，iml2，imr2；步骤S32：根据双目相机采集的图像中，自动分割出目标xl1、xr1和xl2、xr2；由于使用的待检测目标是具有明显黑白网格特征的圆柱体，其灰度差异明显，所以可使用(但不限于)传统的基于阈值的分割方式进行目标分割。通过阈值判断将灰度图像转换成二值图像之后，还需要对二值图像进行腐蚀和膨胀，腐蚀可删除目标边界某些像素去除小连通区域，膨胀可给图像中的目标边界添加像素来去除孔洞。之后，再通过对连通区域的搜索及圆柱体的形状特性即可确定圆柱体在图片中的位置并将其分割出来，如图4所示。步骤S33：对分割出的目标xl1、xr1和xl2、xr2进行特征角点提取，获得各自特征角点的图像二维坐标xl11，…，xl1n、xr11，…，xr1n以及xl21，…，xl2n、xr21，…，xr2n，且构成的二维坐标集Xl1、Xr1和Xl2、Xr2；步骤S34：对图像二维坐标集Xl1，Xr1和Xl2，Xr2进行棋盘格约束的优化，生成最终二维坐标集Yl1、Yr1和Yl2、Yr2；在步骤S35中提取出的角点位置仍然受滚动等影响存在些微误差，对于这种误差，我们先采用角点融合和筛选，对相邻距离小于格子边距1/2的角点进行融合，选其中特征较为明显的点，删除在离格子最近的黑边以为的多余角点。而后，根据圆柱体滚动中呈现椭圆截面及各行各列的特征点在同一条直线上的特点，利用经过融合和筛选的离散点拟合出弧形棋盘格，如图5所示。在此基础上，将弧形棋盘格的角点设为最终准确的角点。步骤S36：利用灰度阈值还原出二值编码信息B1、B2。对二维坐标集Yl1和Yl2在45、135度角度上的点使用灰度阈值的方法进行判断可知围绕该点的黑白格情况，在此基础上还原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双目视觉的非接触式六自由度位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：设计二维编码序列并生成棋盘编码，将棋盘编码固定在待测物体表面得到待测圆柱体；步骤S2：安装好双目相机，并对双目相机的内外参数进行标定；步骤S3：通过双目相机采集待测圆柱体图像，然后对此图像分别进行圆柱体目标分割，在分割的基础上，提取目标中特征角点的二维图像坐标；步骤S4：基于双目相机的内外参数矩阵及相机成像模型，将特征角点的二维图像坐标转换为三维世界坐标；步骤S5：对特征角点的三维世界坐标进行圆柱拟合，并计算出圆柱中心点及方向向量，以获取待测物体的平动及转动信息，即六自由度位移信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于双目视觉的非接触式六自由度位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：设计二维编码序列并生成棋盘编码，将棋盘编码固定在待测物体表面得到待测圆柱体；步骤S2：安装好双目相机，并对双目相机的内外参数进行标定；步骤S3：通过双目相机采集待测圆柱体图像，然后对此图像分别进行圆柱体目标分割，在分割的基础上，提取目标中特征角点的二维图像坐标；步骤S4：基于双目相机的内外参数矩阵及相机成像模型，将特征角点的二维图像坐标转换为三维世界坐标；步骤S5：对特征角点的三维世界坐标进行圆柱拟合，并计算出圆柱中心点及方向向量，以获取待测物体的平动及转动信息，即六自由度位移信息。2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的非接触式六自由度位移测量方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：步骤S31：对待测圆柱体进行双目图像采集获得iml1，imr1，iml2，imr2；步骤S32：根据双目相机采集的图像中，自动分割出目标xl1、xr1和xl2、xr2；步骤S33：对分割出的目标xl1、xr1和xl2、xr2进行特征角点提取，获得各自特征角点的图像二维坐标xl11，…，xl1n、xr11，…，xr1n以及xl21，…，xl2n、xr21，…，xr2n，且构成的二维坐标集Xl1、Xr1和Xl2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志聪，吴丽君，苏忆艳，陈疏影，程树英，徐森，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35