一种基于双目视觉的结构六自由度运动测量系统及其测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双目视觉的结构六自由度运动测量系统及其测量方法。步骤1：在结构表面粘贴圆靶标，以圆靶标中心为测点，布置至少三个测点；步骤2：使用棋盘格标定方法对视觉测量系统进行标定；步骤3：利用两台相机捕捉靶标运动；步骤4：将步骤3捕捉的标靶运动进行像点坐标优化；步骤5：完成结构六自由度测量。为了解决传统测量方法在处理六自由度运动测量时，技术操作不便、测量精度不高、成本较高、应用性不高、操作复杂以及工程实用性不强的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双目视觉的结构六自由度运动测量系统及其测量方法
本专利技术属于结构六自由度运动测量的
；具体涉及一种基于双目视觉的结构六自由度运动测量系统及其测量方法。
技术介绍
目前，测量方式可以分为接触式测量和非接触测量。拉线式位移计、百分表、线性可变差动变压式传感器等测量方法为常见的接触式测量方法，这些方法有很高的精度并有较高的可靠性，但是这些方法传感器布置麻烦、效率低，受场地和环境的影响大。当测量条件恶劣时，如构件变形剧烈、在高温或温度变化剧烈的环境下，接触式传感器的精度难以保证。非接触测量不与构件直接接触，对结构影响小，测量效率高，能在复杂条件下稳定工作并提供较高精度，正成为学者们关注的热点。计算机视觉测量方法则是一种重要的非接触测量方法。视觉测量方法能提供丰富地测量信息，实现实时高精度测量，操作简单。现在，计算机技术和摄像技术越来越多地应用到测量领域。在进行浪潮试验时，需要测量的六自由度运动，即测量结构的三维位移及三维转角。传统的测量方法难以获得结构的六自由度运动。而且试验中，结构需要布置在水面上，接触式传感器难以布置。
技术实现思路
专利技术的目的是为了解决传统测量方法在处理六自由度运动测量时，技术操作不便、测量精度不高、成本较高、应用性不高、操作复杂以及工程实用性不强的问题而提出的基于双目视觉的结构六自由度运动测量系统的测量方法。本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于双目视觉的结构六自由度运动测量系统的测量方法，所述测量系统包括两台相机和计算机，所述两台相机通过网线与计算机相连接，所述计算机与同步触发器相连接，通过计算机控制同步触发器向相机同步发送采集信号；所述两台相机安装在三脚架上，使所述两台相机的画面中心对准待测结构。一种基于双目视觉的结构六自由度运动测量系统的测量方法，所述测量系统的配置方法包括以下步骤：步骤1：在结构表面粘贴圆靶标，以圆靶标中心为测点，布置至少三个测点；在测点前方布置两台相机，两台相机分别设置在测点左前方与测点右前方，测点在左侧相机与右侧相机的视场内；步骤2：使用棋盘格标定方法对视觉测量系统进行标定；将棋盘格标定板布置在视场内，选定当标定板紧贴在结构表面时，此时棋盘格标定板所在的平面为结构参考面；步骤3：利用两台相机捕捉靶标运动；采集运动图像，完成第一张图像中圆靶标的识别，并在运动过程中跟踪捕捉圆靶标运动，得到测点在左侧相机与右侧相机图像上的像素坐标；步骤4：将步骤3捕捉的标靶运动进行像点坐标优化；由标定结果计算左侧相机与右侧相机匹配像点的对应极线，由极线方程对像点坐标进行优化，得到优化后像点坐标；步骤5：完成结构六自由度测量；由优化后的像点坐标计算测点的三维位移，选择三个测点计算结构的三维转角，完成结构六自由度测量。进一步的，所述步骤2具体为，由采集的标定图像计算视觉测量系统的左侧相机的内参数矩阵Al，右侧相机的内参数矩阵Ar；左侧相机参考系转换到右侧相机参考系的旋转矩阵Rl2r与平移向量Tl2r；结构参考面转换到左侧相机参考系的旋转矩阵R与平移向量T；Al、Ar、Rl2r与Tl2r的表达式为：其中，分别为左侧相机在图像平面u、v轴上的等效焦距，分别为右侧相机在u、v轴上的等效焦距，(ul,vl)和(ur,vr)分别为左侧相机主点和右侧相机主点在图像平面的坐标，ri(i＝1,2...,9)为左侧相机参考系到右侧相机参考系的旋转矩阵参数,tx,ty,tz分别为左侧相机参考系到右侧相机参考系的平移矩阵参数。进一步的，所述步骤3捕捉靶标运动的具体过程为：步骤3.1：在左相机采集的第一张图像中框选测点区域，使用Niblack算法将图像二值化；步骤3.2：计算二值化图像中的封闭区域的等效离心率，并与设定的阈值进行对比；步骤3.3：采用Canny-Zernike算法提取圆形靶标的亚像素边缘，以提取到的亚像素边缘拟合得到椭圆方程，由椭圆方程计算得到椭圆中心坐标，以椭圆中心坐标作为左侧相机测点的初始坐标；步骤3.4：输入预估测点的位移，得到各测点的搜索子区；步骤3.5：使用与步骤3.1至步骤3.4同样的方法，完成右侧相机采集图像的时序匹配，并根据测点编号，完成左侧相机与右侧相机采集图像的匹配；由此得到左侧相机与右侧相机图像匹配像点的坐标pl、pr。进一步的，所述步骤3.5的具体过程为，由采集左侧相机的内参数矩阵Al，右侧相机的内参数矩阵Ar，左侧相机转换到右侧相机的旋转矩阵Rl2r与平移向量Tl2r计算得到相机的基本矩阵F，F＝Ar-T[Tl2r]×Rl2rAl-1由基本矩阵F与匹配像点的坐标pl、pr求出对应极线的方程ll、lr：ll＝Fprlr＝Fpl由极线的方程ll、lr与像点的坐标pl、pr求出像点到极线的距离dl与dr；过像点作极线的垂线，由像点指向极线的方向向量为Dl，Dr,优化后像点的坐标p′l、p′r为：进一步的，所述步骤5结构六自由度测量方法的具体过程为：首先计算优化后像点的归一化坐标Xnl＝[xnl,ynl]T,Xnr＝[xnr,ynr]T：进而求出测点的在左相机参考系中的三维坐标X＝[xw,yw,zw]T：为了将坐标系转换至结构参考面，得到最终的测点的三维坐标P：P＝R-1(X-T)得到各测点的三维坐标后，选择三个测点，命名为测点1、测点2、测点3，得到三个测点初始三维坐标为Pi(i＝1,2,3)，运动过程中某一时刻的三维坐标为P′i(i＝1,2,3)；以测点2为旋转中心，由这三个测点计算结构的三维位移与三维转角。三维位移与三维转角使用旋转矩阵r和平移矢量t表示；由此可得：t＝P′2-P2P′i＝r·Pi+t进而得到：[P′1-t，P′2-t，P′3-t]＝r·[P1，P2，P3]由上式可以解出旋转矩阵r，将旋转矩阵r分解成横摇α、纵摇β与艏摇γ，由此得到结构的六自由度测量结果。本专利技术的有益效果是：使用视觉测量方法，有效地完成了结构六自由度运动视觉测量。实现了结构六自由度运动视觉测量系统对圆靶标的初识别与跟踪，得到圆靶标中心的亚像素坐标，满足高精度测量需求。视觉测量的最后一个环节是三维重建。三维重建的精度直接影响了测量的精度。由于在标定、图像目标定位等过程中积累了误差，如何合理的消除误差是提高空间点坐标三维测量精度的关键内容。本专利技术在进行三维重建前对像点坐标进行了优化，能有效提高测量精度。附图说明图1本专利技术系统的硬件结构示意图。图2本专利技术测量软件界面图。图3本专利技术的测量软件流程图。图4本专利技术第一张图像中圆靶标的识别结果图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双目视觉的结构六自由度运动测量系统，其特征在于，所述测量系统包括两台相机和计算机，所述两台相机通过网线与计算机相连接，所述计算机与同步触发器相连接，通过计算机控制同步触发器向相机同步发送采集信号；/n所述两台相机安装在三脚架上，使所述两台相机的画面中心对准待测结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于双目视觉的结构六自由度运动测量系统，其特征在于，所述测量系统包括两台相机和计算机，所述两台相机通过网线与计算机相连接，所述计算机与同步触发器相连接，通过计算机控制同步触发器向相机同步发送采集信号；
所述两台相机安装在三脚架上，使所述两台相机的画面中心对准待测结构。


2.根据权利要求1所述一种基于双目视觉的结构六自由度运动测量系统的测量方法，其特征在于，所述测量系统的配置方法包括以下步骤：
步骤1：在结构表面粘贴圆靶标，以圆靶标中心为测点，布置至少三个测点；在测点前方布置两台相机，两台相机分别设置在测点左前方与测点右前方，测点在左侧相机与右侧相机的视场内；
步骤2：使用棋盘格标定方法对视觉测量系统进行标定；将棋盘格标定板布置在视场内，选定当标定板紧贴在结构表面时，此时棋盘格标定板所在的平面为结构参考面；
步骤3：利用两台相机捕捉靶标运动；采集运动图像，完成第一张图像中圆靶标的识别，并在运动过程中跟踪捕捉圆靶标运动，得到测点在左侧相机与右侧相机图像上的像素坐标；
步骤4：将步骤3捕捉的标靶运动进行像点坐标优化；由标定结果计算左侧相机与右侧相机匹配像点的对应极线，由极线方程对像点坐标进行优化，得到优化后像点坐标；
步骤5：完成结构六自由度测量；由优化后的像点坐标计算测点的三维位移，选择三个测点计算结构的三维转角，完成结构六自由度测量。


3.根据权利要求2所述测量方法，其特征在于，所述步骤2具体为，由采集的标定图像计算视觉测量系统的左侧相机的内参数矩阵Al，右侧相机的内参数矩阵Ar；左侧相机参考系转换到右侧相机参考系的旋转矩阵Rl2r与平移向量Tl2r；结构参考面转换到左侧相机参考系的旋转矩阵R与平移向量T；
Al、Ar、Rl2r与Tl2r的表达式为：






其中，分别为左侧相机在图像平面u、v轴上的等效焦距，分别为右侧相机在u、v轴上的等效焦距，(ul,vl)和(ur,vr)分别为左侧相机主点和右侧相机主点在图像平面的坐标，ri(i＝1,2...,9)为左侧相机参考系到右侧相机参考系的旋转矩阵参数,tx,ty,tz分别为左侧相机参考系到右侧相机参考系的平移矩阵参数。


4.根据权利要求2所述测量方法，其特征在于，所述步骤3捕捉靶标运动的具体过程为：
步骤3.1：在左相机采集的第一张图像中框选测点区域，使用Niblack算法将图像二值化；

【专利技术属性】
技术研发人员：单宝华，熊亚凡，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23