一种大型构件表面三维形貌视觉测量方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种大型构件表面三维形貌视觉测量方法及系统，该系统包括图像采集系统、控制器、计算机、一个三维光学测头、多个平面靶标，平面靶标分布在被测物体的周围，三维光学测头和平面靶标连接控制器和图像采集系统，控制器和图像采集系统连接计算机；其中，三维光学测头包括光栅式双目视觉传感器，用于进行大型构件表面不同子区域的三维形貌的测量；宽视场摄像机，用于测量平面靶标；计算机以宽视场摄像机测量的平面靶标为中介，将不同子区域的三维形貌数据统一到全局坐标系。本发明专利技术以平面靶标为中介，不需要在被测物体上贴标记也不需要利用全局统一设备；同时平面靶标位置可以根据被测物体形状进行灵活排放，没有测量死角。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及三维形貌视觉测量
，尤其涉及一种大型构件表面三维形貌视觉测量方法及系统。
技术介绍
大型构件表面三维形貌的测量是现代逆向工程和产品数字化设计及制造的基础支撑技术，在许多领域特别是制造行业有着广泛的应用，如汽车、飞机、船舶、航天器外形测量，大型模具测量，无缝钢管等大型机械构件测量，大型天线安装及变形监测等。因此，研究大型构件表面三维形貌测量方法对保证国家重大装备的顺利研制和生产具有重要意义，是目前亟待解决的重要关键技术。目前，大型飞机工程已列入国家中长期科学与技术发展纲要，大型飞机设计、制造及装配的数字化和自动化是该工程的重点攻关内容，大型构件如机舱、机翼、尾翼等三维形貌的测量及重构是亟需解决的重要关键技术之一。目前，大型构件表面三维形貌的测量的主要手段有三坐标测量机、激光跟踪仪、全站仪、经纬仪、视觉测量系统等。三坐标测量机是完成三坐标测量的通用设备，具有很好的测量精度，主要缺点是测量效率低，且测量范围较小，一般在1 2米之内。激光跟踪仪、全站仪及由两台经纬仪构成双目测量系统均较适于现场使用，测量范围大，但主要缺点是测量效率低，且易出现测量盲区。随着计算机技术、电子学、光学技术的日趋完善以及图像处理、模式识别等技术的不断进步，视觉检测技术得到快速发展，已逐渐成为大型构件表面三维最主要的检测手段， 其具有自动化程度高、量程大、精度高、非接触等优点。大型构件尺寸大，存在自身遮挡，单个视觉传感器无法实现整个大型构件表面三维形貌动态测量。通常可将测量区域分成多个子区域，将各子区域三维数据统一到全局坐标系，获得整个大型构件表面的三维形貌。根据全局统一方式的不同，视觉检测主要分为两大类流动式视觉检测法和多传感器视觉检测法。流动式视觉检测法通过单个视觉传感器以流动方式测量整个大型构件表面的三维形貌，以粘贴在大型构件上的标志点或放置在大型构件前的靶标标志点为中介，将所有流动测量得到的子区域测量数据统一到全局坐标系。比较典型的有美国GOM公司研制的 ATOS流动式三维光学测量系统和国内北京天远公司研制的流动式三维扫描系统等。该方法优点是设备简单，操作方便，适合工业现场测量。现有流动式测量方法一种需要在被测物体上黏贴标志点，该方法的缺点对于无法测量的软性物体及不允许黏贴标志点的物体表面三维形貌测量具有局限性；另一种是需要在在测量现场安置全局统一设备，这里指的全局统一设备主要包括单、双经纬仪，单、双目视觉传感器，激光跟踪仪等，该方法的主要缺点存在全局统一设备价格昂贵，现场标定困难，且有视觉盲区等等。多传感器视觉检测法在测量前完成多视觉传感器全局标定，测量时根据全局标定结果，将每个视觉传感器测量的子区域数据统一到全局坐标系。目前，多传感器视觉检测法比较典型的产品有美国Perceptron公司的车身几何尺寸检测系统和国内天津大学叶声华院士课题组研制的轿车白车身视觉检测系统等。该方法原理简单，可以实现整个大型构件表面三维形貌的视觉测量，但存在多视觉传感器现场全局标定困难，全局标定后系统测量精度容易受现场强振动环境影响较大等局限性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种大型构件表面三维形貌视觉测量方法及系统，能够简便快速地实现大型构件表面三维形貌视觉测量。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的一种大型构件表面三维形貌视觉测量系统，所述系统包括图像采集系统、控制器、 计算机、一个三维光学测头、多个平面靶标，所述平面靶标分布在大型构件的周围，所述三维光学测头和平面靶标连接所述控制器和图像采集系统，所述控制器和图像采集系统连接所述计算机；其中，所述三维光学测头包括光栅式双目视觉传感器和宽视场摄像机；所述光栅式双目视觉传感器，用于进行大型构件表面不同子区域的三维形貌测量；所述宽视场摄像机，用于测量布置于大型构件周边的平面靶标；所述计算机，用于以所述宽视场摄像机测量的平面靶标为中介，将所述光栅式双目视觉传感器测量得到的不同子区域的三维形貌数据统一到全局坐标系。其中，所述光栅式双目视觉传感器进一步包括两个摄像机和一个光栅激光器；所述计算机，还用于控制所述控制器点亮平面靶标上的特征点，触发所述光栅激光器投射光栅光条；还用于采集图像，算法实现和结果显示；所述光栅式双目视觉传感器的两个摄像机，用于进行所述光栅光条图像的采集；所述宽视场摄像机，具体用于不同进行平面靶标图像的采集。其中，所述光栅式双目视觉传感器的两个摄像机，用于将拍摄的图像通过所述图像采集系统传送给所述计算机；所述计算机，具体用于根据所述摄像机内部参数标定结果，对所述摄像机拍摄的图像完成图像畸变矫正后，进行光栅光条图像中心点识别机定位；并根据所述两个摄像机的光栅光条匹配结果及双目立体视觉原理，得到光栅光条中心点的三维坐标。其中，所述计算机，具体用于根据预先选定的作为全局坐标系的平面靶标及识别定位的平面靶标特征点中心图像坐标，得到宽视场摄像机坐标系到全局坐标系的转换矩阵；利用所述转换矩阵及预先得到的光栅式双目视觉传感器坐标系到宽视场摄像机坐标系的转换矩阵，将测量得到的不同子区域的三维形貌数据统一到全局坐标系。其中，所述宽视场摄像机，还用于当拍摄不到所述作为全局坐标系的平面靶标时， 通过拍摄到的平面靶标和所述作为全局坐标系的平面靶标之间坐标系的转换矩阵、宽视场摄像机坐标系到全局坐标系的转换矩阵以及光栅式双目视觉传感器坐标系到宽视场摄像机坐标系的转换矩阵，将测量得到的不同子区域的三维形貌数据统一到全局坐标系。一种大型构件表面三维形貌视觉测量方法，在大型构件的周围分布有多个平面靶标，三维光学测头和平面靶标连接控制器和图像采集系统，所述控制器和图像采集系统连接所述计算机；其中，所述三维光学测头包括光栅式双目视觉传感器和宽视场摄像机；所述方法包括三维光学测头的光栅式双目视觉传感器进行大型构件表面不同子区域的三维形貌测量；三维光学测头的宽视场摄像机测量布置于大型构件周边的平面靶标；计算机以宽视场摄像机测量的平面靶标为中介，将所述光栅式双目视觉传感器测量得到的不同子区域的三维形貌数据统一到全局坐标系。其中，在光栅式双目视觉传感器进行大型构件表面不同子区域的三维形貌的测量之前，所述方法还包括计算机控制控制器点亮平面靶标上作为特征点的LED光源，触发所述光栅式双目视觉传感器的光栅激光器投射光栅光条，所述光栅式双目视觉传感器的两个摄像机进行所述光栅光条图像的采集；所述宽视场摄像机同步采集平面靶标图像。其中，所述光学侧头的光栅式双目视觉传感器进行大型构件表面不同子区域的三维形貌的测量为计算机根据摄像机内部参数标定结果，对光栅式双目视觉传感器的两个摄像机拍摄的图像完成图像畸变矫正后，进行光栅光条图像中心点识别及定位；根据所述两个摄像机的光栅光条匹配结果及双目立体视觉原理，得到光栅光条中心点的三维坐标。其中，所述计算机以所述宽视场摄像机测量的平面靶标为中介，将光栅式双目视觉传感器测量得到的不同子区域的三维形貌数据统一到全局坐标系为根据预先选定的作为全局坐标系的平面靶标及识别定位的平面靶标特征点中心图像坐标，得到宽视场摄像机坐标系到全局坐标系的转换矩阵；利用所述转换矩阵及预先得到的光栅式双目视觉传感器坐标系到宽视场摄像机坐标系的转换矩阵，将测量得到的不同子区域的三维形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘震，张广军，孙军华，尚砚娜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：