一种基于柔性特征点的三维数据拼接方法技术

本发明专利技术一种基于柔性特征点的三维数据拼接方法属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种基于柔性特征点的三维数据拼接方法。该方法针对具有自由曲面的大型零件的三维数据测量，采用阶梯式测量系统，利用全局控制系统和局部测量系统公共视场区域内的控制点信息，匹配控制点并求得转换矩阵；利用该转换矩阵将局部测量系统测得的三维点云数据统一到全局控制系统中，最终对全局控制系统的数据进行三维重建，实现大型零件的三维数据拼接。该方法利用投影柔性控制点，解决了传统大型零件测量过程中控制点布局繁琐和测量盲区的问题，便于测量过程中根据被测零件表面特征实时调整测量站位，提高了测量系统的现场适应性和数据拼接的精度及测量稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机视觉测量
，涉及一种基于柔性特征点的三维数据拼接方法
技术介绍
在航空航天等领域，为保证零件的加工精度及部件的装配精度，需要对零件的三维几何尺寸等数据进行精确的测量。目前，机器视觉测量的方法凭借其测量精度高、速度快、非接触及易于操作等优点，已被广泛应用于工业现场。然而，针对一些特殊的情况，如被测零件尺寸太大、零件存在视觉盲区等，仅凭单一视场的测量数据，无法满足零部件的高精度全局测量要求。因此，需要根据大型被测零件的尺寸，先利用视觉传感器对其局部区域进行精确快速测量，获取到零件在局部坐标系下的三维数据，然后将所有局部区域的信息统一到全局坐标系下，从而获取大型零件完整的三维数据。经文献检索，中国专利技术专利号：CN102944191A，魏新国、张广军、刘震等人专利技术的专利技术专利“一种基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接方法及装置”的专利技术专利提出了基于单一圆靶标的三维拼接方法，该方法通过放置平面圆靶标在被测物前，移动已标定的双目视觉系统，拍摄平面圆靶标在移动前后测量位置所成的椭圆图像，提取并拟合椭圆方程，重建出平面圆靶标在前后两次局部测量坐标系下的圆特征，从而根据所述圆特征构造优化目标函数求解拼接矩阵。该方法有效解决了平面靶标部分被遮挡情况下的三维拼接失败问题，但是由于只采用单一圆特征，拼接稳定性不高。中国专利技术专利号：CN102445164A，刘震、张广军、孙军华等人专利技术的专利名称为：“一种大型构件表面三维形貌视觉测量方法及系统”的专利技术专利提出了一种包括图像采集系统、控制器、计算机、一个三维光学测头、多个平面靶标的测量系统。该方法通过三维光学测头中的双目视觉系统测量不同区域的三维形貌，在通过三维光学测头中的宽视场相机测量大型构件周围的多个平面靶标的位置，将不同区域的三维形貌信息统一到同一全局坐标系下，以实现三维形貌的测量。但是由于该方法多次进行坐标转换，存在累积误差，并且需要多次移动三维光学测头位置，操作较麻烦。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术的缺陷，专利技术一种基于柔性特征点的三维数据拼接方法，该方法采用双目视觉技术对具有自由曲面的大型零件进行快速全局测量，不需要预先布置控制点，省去了繁琐的布点流程，可根据零件表面特征自由安排测量站位，现场适应性高，并且由于坐标转换简便，随着局部测量次数的增多不会产生累积误差，具有非常高的拼接精度。本专利技术采用的技术方案是一种基于柔性特征点的三维数据拼接方法，其特征是，该方法针对具有自由曲面的大型零件的三维数据测量，采用阶梯式测量系统，利用全局控制系统和局部测量系统公共视场区域内的控制点信息，匹配控制点并求得转换矩阵；利用该转换矩阵将局部测量系统测得的三维点云数据统一到全局控制系统中，最终对全局控制系统的数据进行三维重建，实现大型零件的三维数据拼接；方法的具体步骤如下：第一步、安装阶梯式测量系统阶梯式测量系统中，采用两台分辨率高且视场大的左、右工业相机1、2固定于测量区域后方，构成全局控制系统I，用以建立固定的全局坐标系；局部测量系统II采用两台视场较小的左、右相机8、9放置于测量区域的前方，通过移动以获取被测零件的局部信息；将被测物4放置在阶梯式测量系统中，用投影仪3投影柔性控制点阵，投影出的点阵同时被两套双目系统采集到，以实现局部坐标系到全局坐标系的坐标转换，最终完成零件的三维数据拼接；第二步、全局坐标系与局部坐标系的建立为建立全局控制坐标系，选择全局控制系统的左工业相机1坐标系作为全局坐标系，并对左工业相机的内外参数进行标定；通过单相机的标定，得到视场范围内任意点P在二维图像坐标系中的像素坐标(uP,vP)与世界坐标系中的坐标(xP,yP,zP)间的转换关系： u P v P 1 = K · H · x P y P z P 1 = f x 0 c x 0 f y c y 0 0 1 · 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于柔性特征点的三维数据拼接方法，其特征是，该方法针对具有自由曲面的大型零件的三维数据测量，采用阶梯式测量系统，利用全局控制系统和局部测量系统公共视场区域内的控制点信息，匹配控制点并求得转换矩阵；利用该转换矩阵将局部测量系统测得的三维点云数据统一到全局控制系统中，最终对全局控制系统的数据进行三维重建，实现大型零件的三维数据拼接；方法的具体步骤如下：第一步、安装阶梯式测量系统阶梯式测量系统中，采用两台分辨率高且视场大的左、右工业相机(1、2)固定于测量区域后方，构成全局控制系统(I)，用以建立固定的全局坐标系；局部测量系统(II)采用两台视场较小的左、右相机(8、9)放置于测量区域的前方，通过移动以获取被测零件的局部信息；将被测物(4)放置在阶梯式测量系统中，用投影仪(3)投影柔性控制点阵，投影出的点阵同时被两套双目系统采集到，以实现局部坐标系到全局坐标系的坐标转换，最终完成零件的三维数据拼接；第二步、全局坐标系与局部坐标系的建立为建立全局控制坐标系，选择全局控制系统的左工业相机(1)坐标系作为全局坐标系，并对左工业相机的内外参数进行标定；通过单相机的标定，得到视场范围内任意点P在二维图像坐标系中的像素坐标(uP,vP)与世界坐标系中的坐标(xP,yP,zP)间的转换关系：uPvP1=K·H·xPyPzP1=fx0cx0fycy001·[RCTC]·xPyPzP1---(1)]]>其中，K为相机的内参矩阵，H为相机的外参矩阵，fx为焦距长度与相机芯片每个单元x方向尺寸的乘积，fy为焦距长度与相机芯片每个单元y方向尺寸的乘积，(cx,cy)为相机的主点坐标，RC为像素坐标系与世界坐标系间的旋转矩阵，TC为像素坐标系与世界坐标系间的平移矩阵；然后，对右工业相机(2)也进行标定，通过立体标定得到左、右工业相机的对应关系，利用空间交汇的原理，将视场内的任意空间点在左相机坐标系下进行重建，得到点在全局坐标系下的三维空间坐标；按照上述建立全局坐标系的方法，将局部坐标系建立在局部测量系统的左相机(8)上；利用相同的标定方法对右相机(9)也进行标定，得到空间中任意一点在局部坐标系下的三维空间坐标；第三步、全局控制点的布局与匹配1)全局控制点的布局为实现三维数据的全局拼接，需要在全局坐标系和局部坐标系下设立具有公共信息的全局控制点，利用具有相同特征的控制点阵，求解局部坐标系与全局坐标系间的转换矩阵；采用投影仪投影柔性全局控制点阵，点阵要求充满整个视场，其尺寸要根据测量现场全局控制系统与零件表面的位置关系实时调整，使控制点由尽可能多的像素表示，提高点的提取精度；布局好全局控制点后，利用已经标定好的相机对全局控制点图像进行采集；设同一位置下局部测量系统测量得到的局部坐标系下控制点集为P：P＝{Pi|Pi∈P,i∈N,i≥3}     (2)其中Pi＝(xi,yi,zi)为点Pi在局部坐标系下的三维坐标，N为控制点个数；全局控制系统得到的全局坐标系下的控制点集为Q：Q＝{Qi|Qi∈Q,i∈N,i≥3}      (3)其中Qi＝(xi,yi,zi)为点Qi在全局坐标系下的三维坐标；2)全局控制点的匹配为了使局部测量系统与全局控制系统上的全局控制点相互匹配，分别构建局部坐标系下控制点集P中第i个点的描述向量Ai和全局坐标系下控制点集Q中第i个点的描述向量Bi：Ai＝|d(Pi,P1) d(Pi,P2) … d(Pi,Pn)|,n≠i      (4)Bi＝|d(Qi,Q1) d(Qi,Q2) … d(Qi,Qn)|,n≠i     (5)其中,d(Pi,Pj)＝||Pi‑Pj||2为点Pi与P中其他点Pj间的欧式距离，d(Qi,Qj)＝||Qi‑Qj||2为点Qi与Q中其他点Qj间的欧式距离，n为控制点个数；由于点的提取和重建存在误差，互相匹配的点对的描述向量并不完全相同，因此设定阈值φ，若点Pi和点Qj的描述向量满足如下公式：||Ai‑Bj||2＜φ      (6)则认为点Pi和点Qj是相互匹配的，Q(Pi,Qj)为匹配点对；对点集P和中的所有点进行匹配，并找到其匹配点对；最后，将P、Q中的点根据匹配关系重新编号排序，得到高精度匹配的局部坐标系下控制点集P'和全局坐标系下控制点集Q'：P′={Pk|Pk∈P,k∈N}Q′={Qk|Qk∈Q,k∈N}---(7)]]>其中，N为控制点个数，此时(Pk,Qk)为匹配的控制点对；第四步、三维数据拼接及优化利用全局坐标系下与局部坐标系对应匹配的点，建立局部坐标系与全局坐标系间的坐标转换关系，即计算旋转矩阵R和平移矩阵T...

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性特征点的三维数据拼接方法，其特征是，该方
法针对具有自由曲面的大型零件的三维数据测量，采用阶梯式测量系
统，利用全局控制系统和局部测量系统公共视场区域内的控制点信息，
匹配控制点并求得转换矩阵；利用该转换矩阵将局部测量系统测得的
三维点云数据统一到全局控制系统中，最终对全局控制系统的数据进
行三维重建，实现大型零件的三维数据拼接；方法的具体步骤如下：
第一步、安装阶梯式测量系统
阶梯式测量系统中，采用两台分辨率高且视场大的左、右工业相
机(1、2)固定于测量区域后方，构成全局控制系统(I)，用以建
立固定的全局坐标系；局部测量系统(II)采用两台视场较小的左、
右相机(8、9)放置于测量区域的前方，通过移动以获取被测零件的
局部信息；将被测物(4)放置在阶梯式测量系统中，用投影仪(3)
投影柔性控制点阵，投影出的点阵同时被两套双目系统采集到，以实
现局部坐标系到全局坐标系的坐标转换，最终完成零件的三维数据拼
接；
第二步、全局坐标系与局部坐标系的建立
为建立全局控制坐标系，选择全局控制系统的左工业相机(1)
坐标系作为全局坐标系，并对左工业相机的内外参数进行标定；通过
单相机的标定，得到视场范围内任意点P在二维图像坐标系中的像素
坐标(uP,vP)与世界坐标系中的坐标(xP,yP,zP)间的转换关系：
u P v P 1 = K · H · x P y P z P 1 = f x 0 c x 0 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，兰志广，张洋，李晓东，高鹏，杨帆，贾振元，高航，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21